Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme
MEMS-on-PIC
MEMS-on-PIC ist die am Fraunhofer IPMS entwickelte universelle Fertigungstechnologie für MEMS-Photonik auf allen etablierten Materialplattformen integrierter photonischer Schaltkreise (PIC).
MEMS-Strukturen werden mittels Opferschichttechnologie auf der Wellenleiterebene photonischer Schaltkreise aufgebracht, wodurch auch bereits bestehende photonische Schaltkreise um MEMS-photonische Elemente erweitert werden können.
Nanometerdünne optisch transparente Schichten schützen die Wellenleiterebene beim Aufbau der MEMS-Strukturen ohne die Eigenschaften der Wellenleiter signifikant zu verändern, wodurch MEMS-on-PIC für allen Materialplattformen (Silizium, Siliziumnitrid, Lithiumniobat, etc.) geeignet ist.
MEMS-on-PIC ist, wie die Siliziumnitrid-Wellenleitertechnologie (SiN-Photonik-Plattform) des Fraunhofer IPMS, eine CMOS-kompatible 200-mm-Technologie.
Das Grundprinzip der MEMS-Photonik besteht in der Änderung der effektiven Brechungszahl eines Wellenleiters, durch die Änderung des Abstandes zwischen einer mechanischen Struktur und dem Wellenleiter, wodurch die MEMS-Struktur als optischer Phasenschieber wirkt.
Optische Phasenschieber sind der Grundbaustein für photonische Prozessoren, wie sie in neuronalen Netzen künstlicher Intelligenz oder in linear-photonischen Quantencomputern eingesetzt werden. MEMS-Phasenschieber zeichnen sich hierbei durch geringste thermische Verlustleistungen aus, wodurch Prozessoren mit hoher integrationsdichte entworfen werden können, welche auch in kryogener Umgebung eingesetzt werden können.
Weitere klassische Anwendungsfelder der mit MEMS-Photonik sind optische Kommunikation, Sensorik und Spektroskopie bei denen MEMS-Strukturen als Schalter, Modulatoren oder Filter agieren.
Entsprechend der Anforderungen kommen unterschiedliche Phasenschieber-Technologien zum Einsatz. Weitverbreitet sind z. B. thermische und elektrooptische Phasenschieber. Thermische Phasenschieber zeichnen sich durch ihre einfache Herstellung und einer besonders geringen optischen Dämpfung aus. Ein im Vergleich hoher elektrischer Leitungsverbrauch und das thermische Übersprechen sind wesentliche Nachteile thermischer Phasenschier, welche besonders bei einer hohen Integrationsdichte zum Tragen kommen. Elektrooptische Phasenschieber sind hierzu eine übersprechfreie Alternative, welche sich durch einen geringen elektrischen Leistungsverbrauch und Modulationsfrequenzen im GHz Bereich auszeichnen. Die Notwendigkeit einer heterogenen Integration schränkt jedoch deren Verwendung ein. Sind für die Anwendung Schaltzeiten von einer Mikrosekunde ausreichend oder wird ein quasistatischer Betrieb angestrebt sind die driftfreien MEMS-Phasenschieber durch ihren äußerts geringen Leistungsverbrauch und der besonders guten Skalierbarkeit die zu bevorzugende Variante, da diese mittels konventioneller Oberflächen-MEMS-Technologien hergestellt werden und mit unterschiedlichsten Wellenleiterkernmaterialien kombinierbar sind.
