Entwicklung und Nutzung photonischer Systeme hängen entscheidend davon ab, daß Materialien mit geeigneten optischen Eigenschaften für die benötigten Komponenten zur Verfügung stehen sowie wirtschaftlich zu fertigen und zu verarbeiten sind. Für Glasfasernetze, die man heutzutage mit Wellenlängen von 1,3 bis 1,6 tausendstel Millimetern betreibt, benötigt man folgende Grundfunktionen: Man muß Laserlicht erzeugen können, um optische Sender herzustellen, des weiteren Licht möglichst verlustfrei übertragen und – mittels Photodioden – absorbieren und in elektrische Signale umwandeln. Damit lassen sich optische Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen Komponenten schaffen, bei denen die weitere Verarbeitung der Signale rein elektronisch erfolgt.

Zunehmend sucht man jedoch auch die weitere Be- und Verarbeitung der Signale optisch zu bewerkstelligen, beispielsweise das Verstärken, Wiederherstellen, Schalten und Verteilen. Faserverstärker und spezielle Filter sind mittlerweile technisch einsetzbar, und eine Vielzahl weiterer Komponenten wird derzeit entwickelt. Ob photonische Elemente mehr und mehr in Telekommunikationsnetzen eingesetzt werden hängt wohl weniger von der technischen Realisierbarkeit als von wirtschaftlichen Erwägungen ab.


Faserkomponenten

Die Transportwege photonischer Netze sind Glasfasern aus Quarz (Siliciumdioxid), deren Kernbereich eine höhere Brechzahl als der Mantel aufweist, um das Licht mittels Totalreflexion zu leiten. Dazu dotiert man das Kernmaterial mit Germanium.

Durch Absorption und Streuung an schwer vermeidbaren Materialinhomogenitäten und Fremdatomen geht dem Signal auf seinem Wege allerdings Energie verloren. Nach Einführung der Glasfasertechnik Mitte der siebziger Jahre vermochten technische Verbesserungen die Übertragungskapazität jedoch deutlich zu steigern: Entwicklungen in der Lasertechnik ermöglichten, Wellenlängen von etwa 1,55 Mikrometern zu nutzen, bei denen Quarzfasern am wenigsten dämpfen (vergleiche Spektrum der Wissenschaft Digest 3: Moderne Werkstoffe, Seite 6); Verbesserungen in der Fertigungstechnik steigerten die Reinheit des Materials. Standardfasern dämpfen das Signal mittlerweile kaum mehr, als es durch Rayleigh-Streuung an den Silicium-Atomen unvermeidlich ist. Man verwendet sogenannte Monomode-Fasern, die dem Licht nur einen Ausbreitungsweg (Mode) lassen und somit Dispersion aufgrund von Laufzeitunterschieden, welche die Lichtpulse mit der Zeit verbreitern würden, vermeiden. Bei einer Wellenlänge von 1,3 Mikrometern, durch ein spezielles Dotierungsprofil auch bei 1,55 Mikrometern, läßt sich auch verschwindend geringe Materialdispersion erreichen – die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts in der Faser hängt dann kaum von der Wellenlänge ab, die aus verschiedenen Frequenzen aufgebauten kurzen Pulse zerlaufen dann nicht und behalten ihre Flankensteilheit (Bild 1).

Faserkomponenten, die zur Kopplung beziehungsweise Verzweigung der optischen Übertragungswege dienen, sind in hoher Qualität seit langem kommerziell erhältlich.

Glasfasern vermögen aber noch mehr, als Licht zu übertragen. Durch gezieltes Behandeln mit Wasserstoff läßt sich Quarzmaterial so sensibilisieren, daß es unter ultraviolettem Licht seinen Brechungsindex um ein Tausendstel bis ein Hunderttausendstel ändert. Auf diese Weise kann man längs der Faser optische Brechzahlgitter einprägen, die Licht bei definierten Wellenlängen reflektieren, und erhält so hochwertige optische Filter. Diese lassen sich zum Beispiel als Bragg-Spiegel (siehe unten) für Laserdioden oder als sogenannte Add/Drop-Filter einsetzen. Solche Filter dienen in Systemen, die mehrere Übertragungsfrequenzen benutzen (also beim Wellenlängen-Multiplexing), um Lichtsignale einer bestimmten Wellenlänge ein- beziehungsweise auszukoppeln; sie stellen sozusagen die Ein- und Ausfahrten der Datenautobahn dar.

Die sicherlich wichtigste Faserkomponente ist jedoch der optische Faserverstärker, der die Entwicklung photonischer Netze in den letzten Jahren revolutioniert hat. Kernstück ist eine mit Erbium dotierte Faser, die geschwächte Lichtsignale quasi auffrischt; wirksam ist eine solche Anordnung in einem etwa 40 Nanometer (millionstel Millimeter) breiten Wellenlängenbereich bei 1,54 Mikrometern. Dazu regt man mit einer Infrarot-Laserdiode die Erbiumatome an, die beim Abregen dann ihre Energie der Signalwelle übertragen (Spektrum der Wissenschaft, März 1992, Seite 36). Damit lassen sich Verstärkungen bis zum Zehntausendfachen erreichen.

Derartige Faserkomponenten können bislang verwendete optoelektronische Verstärker ersetzen, die das geschwächte Lichtsignal in ein elektrisches umsetzen, verstärken und dann wieder rückverwandeln. Generelle Vorteile der Bauelemente aus Quarzglas sind die sehr geringe optische Dämpfung, die geringe Temperaturempfindlichkeit der Brechzahl von Quarz und die Möglichkeit, verlustarm an andere zum Signaltransport vorgesehene Fasern anzukoppeln. Zudem sind die Eigenschaften solcher Komponenten unabhängig von der Polarisationsrichtung des Lichts, die sich entlang der Faser durch äußere Einflüsse unkontrolliert ändert.

Allerdings vermag man Faserbauteile vorerst nur in Einzelfertigung herzustellen, was teuer ist. Deshalb sucht man weltweit – aufbauend auf Pionierarbeiten vor allem bei der japanischen Firma Nippon Telegraph and Telephone (NTT ) – diese Technologie in eine planare zu überführen, bei der sich aus der Halbleiterfertigung bekannte Verfahren der großtechnischen Mikrostrukturierung einsetzen lassen. Für bestimmte integriert-optische Bauelemente ist das geradezu eine Voraussetzung, weil sie erfordern, optische Weglängen auf Mikrometer genau einzuhalten. Ein Beispiel ist das AWG-Filter (arrayed waveguide grating), eine Schlüsselkomponente für Wellenlängen-Multiplexsysteme. Dazu werden zunächst drei Quarzschichten in zwei Schritten auf Siliciumscheiben abgeschieden. Die mittlere, eingebettete Wellenleiterschicht, die wiederum meist mit Germanium dotiert ist und mittels Trockenätztechnik strukturiert wird, ist sechs bis acht Mikrometer dick. Die optische Dämpfung in solchen planaren Wellenleitern aus Quarz ist im Vergleich zu der in konkurrierenden Materialien sehr gering, aber immer noch zehntausendmal stärker als bei Standardfasern.

Diese Technik läßt sich außer für weitere Bauelemente – unter anderen erbium-dotierte Verstärker – auch für optische Platinen nutzen, die mit optoelektronischen Chips oder sonstigen Bauelementen bestückt sind. Daraus wiederum kann man komplexere – hybrid integrierte – optische Systembausteine erstellen, die wegen technologischer Hürden oder aus Kostengründen mit der (weiter unten beschriebenen) monolithischen III-V- Integrationstechnologie nicht mehr konkurrenzfähig herzustellen sind.

Alternativ dazu sind auch Polymere – also Kunststoffe – attraktiv, deren Ausgangsmaterial äußerst billig ist und die man relativ einfach und kostengünstig zu Bauelementen verarbeiten kann. Wellenleiterschichten werden meist aufgeschleudert; man erprobt auch Spritzgußverfahren. Untersucht werden des weiteren Prägetechniken, bei denen die Wellenleiterbahnen in den Kunststoff eingedrückt und anschließend mit einem höherbrechenden Polymer aufgefüllt werden, das den Leiterkern bildet. Darüber hinaus läßt sich durch Einbau photoempfindlicher Moleküle der Brechungsindex wieder mit ultraviolettem Licht verändern und so der jeweilige Wellenleiter lithographisch strukturieren.

Diese Materialien absorbieren Licht hauptsächlich, indem Molekülschwingungen angeregt werden, wodurch die Absorption über Wellenlängenbanden erfolgt. Mit inzwischen verfügbaren optischen Polymeren ist es möglich, Verluste bei den interessierenden Wellenlängen auf wenige zehntel Dezibel pro Zentimeter zu beschränken. Problematisch sind noch die Temperatur- und die Langzeitstabilität. Im Vergleich zu Siliciumdioxid ändert sich der Brechungsindex bei den Kunststoffen etwa 50mal stärker mit der Temperatur. Diese an sich nachteilige Eigenschaft kann man aber dazu nutzen, die Brechzahl thermisch mit möglichst geringer Leistung mittels Heizelektrode zu verändern. Damit vermag man Bauelemente zu steuern, die Licht schalten oder die Wellenlänge abstimmen.

Polymere sind ferner auch für elektrooptische und nichtlinear optische Anwendungen attraktiv. Dazu werden polare Farbstoffmoleküle eingebaut und durch Anlegen eines elektrischen Feldes orientiert. Solche Materialien sind jedoch noch überwiegend Gegenstand der Grundlagenforschung.


Integrierte optoelektronische Schaltungen

Halbleiterverbindungen auf der Basis von Indiumphosphid (InP) ermöglichen, nahezu alle grundlegenden Funktionen für Bauelemente in der Glasfasertechnik umzusetzen; für Sende-Laser und Empfangsdioden im genannten Wellenlängenbereich sind sie fast konkurrenzlos. Zudem lassen sich daraus sehr leistungsfähige Transistorschaltkreise herstellen, beispielsweise für integrierte Hochfrequenz-Empfängerbausteine.

Diese Materialien gehören zu den sogenannten III-V-Halbleitern, die sich aus Elementen der dritten und fünften Gruppe des Periodensystems zusammensetzen. Bekannt ist beispielsweise Galliumarsenid (GaAs) als Werkstoff für sehr schnelle Schaltungen.

Wie beim Siliciumkristall entstehen aus den diskreten Energieniveaus der Einzelatome im Kristallverbund Energiebänder. Das sogenannte Valenzband enthält alle Elektronen, die durch chemische Bindung fest verankert sind, während das Leitungsband frei bewegliche Ladungsträger aufnimmt, die einen elektrischen Strom transportieren können. Zwischen beiden besteht eine für die Ladungsträger verbotene Energielücke, die man als Bandabstand bezeichnet. Wird ein Elektron aus dem Valenzband herausgehoben, beispielsweise bei Einfang von Licht, bleibt eine positiv geladene Lücke in dem zuvor elektrisch neutralen Kristall zurück. Auch dieses Loch wandert wie ein freier Ladungsträger.

Das Besondere an III-V-Halbleitern ist nun, daß man Materialien mit unterschiedlichen Bandabständen aufeinander aufwachsen lassen und somit gezielt energetische Barrieren und Täler einstellen kann. Mit solchen, Heterostrukturen genannten Schichtsystemen lassen sich beispielsweise Elektronen räumlich derart einschnüren, daß sie nicht mehr mit positiv geladenen Dotieratomen wechselwirken können und dementsprechend weniger von diesen gebremst werden – ein Grund für die hohen Schaltgeschwindigkeiten entsprechender Bauelemente.

In den hier angesprochenen Anwendungen nutzt man Mischhalbleiter aus vier Elementen wie Indium-Gallium-Arsenid-Phosphid (InGaAsP) oder Indium-Gallium-Aluminium-Arsenid (InGaAlAs). Es lassen sich beliebige Legierungen einstellen, wodurch Bandabstand und Gitterkonstante, aber auch Parameter wie der optische Brechungsindex festgelegt werden.

Allerdings müssen die verschiedenen Schichten auf weniger als 0,1 Prozent genau die gleiche Gitterkonstante wie das Substrat – in unserem Fall ein InP-Wafer – aufweisen, um einkristallin aufzuwachsen. Dies schränkt die Wahl auf Verbindungen ein, deren Bandabstand Wellenlängen von 1,67 bis 0,92 Mikrometern beziehungsweise bis 0,85 Mikrometern entspricht (Bild 2). Lichterzeugung und -verstärkung, Absorption und Transparenz lassen sich damit für die hier beschriebene Anwendung realisieren. Bei grober Betrachtung sind die beiden InP-Materialsysteme gleichwertig; dennoch bestehen unter technologischen Aspekten und bei spezifischen Materialparametern Unterschiede, die je nach Anwendung vorteilhaft genutzt werden können. Beide lassen sich mit den heutzutage hochentwickelten Epitaxieverfahren wie der metallorganischen Gasphasenepitaxie und der Molekularstrahlepitaxie (Spektrum der Wissenschaft, April 1996, Seite 96) gleichermaßen produzieren und können auch innerhalb einer Schichtstruktur kombiniert werden.

InP-Bauelemente der ersten Generation bestanden ausschließlich aus Volumenschichten, die nicht dünner als etwa 200 Nanometer (millionstel Millimeter) zu fertigen waren. Mittels moderner Epitaxie lassen sich nunmehr sogar Quantentröge erzeugen. Sie bestehen aus nur wenige Nanometer dünnen Schichten, die von Materialien mit höherem Bandabstand eingeschlossen sind und somit einen Potentialtopf bilden (vergleichbar einer Mulde, aus der eine Kugel nicht ohne weiteres herausrollen kann). Darin steht den Elektronen aber nicht mehr das Kontinuum eines Energiebandes zur Verfügung; sie können vielmehr nur diskrete Energiezustände einnehmen, woraus modifizierte und neue elektronische wie optische Eigenschaften resultieren.

Das gilt insbesondere für sogenannte verspannte Quantentrog-Schichten, bei denen man – abweichend von der allgemeinen Regel – Legierungen verwendet, deren Gitterkonstanten eigentlich nicht mehr der des Substrats entsprechen, sich aber elastisch verformen und somit dem vorgegebenen Kristallgitter anpassen lassen. Solche Schichten sind stabil, solange ein kritisches Produkt aus Gesamtdicke und Verspannung nicht überschritten wird. Die Gitterverzerrung modifiziert die Bandstruktur, und es lassen sich etwa Laser mit niedrigeren Schwellenströmen und höheren Ausgangsleistungen bauen. Durch geschickte Kombination zug- und druckverspannter Schichten können Bauelemente wie optische Verstärker und Modulatoren so konstruiert werden, daß sie unempfindlich gegen die Polarisation des Eingangssignals funktionieren. Und nicht zuletzt vermag man ansonsten nicht zugängliche Wellenlängenbereiche zu erschließen; dies findet eine Anwendung bei 980-Nanometer-Lasern auf der Basis von InGaAs/GaAs, die man zum optischen Pumpen von Glasfaserverstärkern verwendet.

Weltweit haben sich die meisten Forschungsarbeiten bislang auf die Sende-Laser konzentriert. Typische Schwellenströme solcher Dioden liegen derzeit bei 10 bis 20 Milliampere, Grenzfrequenzen bei mehr als 20 Gigahertz (Milliarden Schwingungen pro Sekunde), und ein Betrieb bei mehr als 100 Grad Celsius ist möglich. Einmodiges Verhalten erzielt man durch den Einbau eines Brechzahl- (Bragg)-Gitters, das als Laserspiegel wirkt, aber nur bei der gewünschten Wellenlänge reflektiert. In der Praxis realisiert man es durch Einätzen eines periodischen Linienmusters in die Laserschichten. Auch eine elektrische Abstimmung der Emissionswellenlänge bis über mehrere zehn Nanometer – allerdings mit Sprüngen – ist möglich; dazu erhöht man die Ladungsträgerdichte in einem speziellen Bereich der Laserdiode über einen zugeführten Strom und ändert so die wirksame Brechzahl. Nichtlineare optische Effekte – also Änderungen optischer Materialparameter in Abhängigkeit vom einfallenden Licht – bieten weitere Möglichkeiten. Optische Verstärker auf der Basis von Laserdiodenstrukturen etwa eignen sich, um die Wellenlänge eines Eingangs- in eine andere des Ausgangssignals umzusetzen. Aus Wellenleitern mit geringer Dämpfung lassen sich optische Raumschalter und Modulatoren herstellen: Unter dem Einfluß elektrischer Felder ändern sich Brechzahl oder Absorption oder beides (Pockels- beziehungsweise Franz-Keldysh-Effekt). Besonders ausgeprägt sind derartige elektrooptische Phänomene in Quantentrog-Schichten.

Da sich mit Indiumphosphid so verschiedenartige Komponenten fertigen lassen, sucht man sie analog zu denen der Mikroelektronik monolithisch zu integrieren, also als Opto-Chip zu bauen. Während elektronische Chips im wesentlichen nur Transistoren – allerdings in extrem hoher Zahl bis zu mehreren Millionen pro Chip – enthalten, sind es bei Opto-Chips vergleichsweise wenige, aber in Funktion und Schichtaufbau sehr unterschiedliche Elemente wie Laser, Schalter und Detektoren. Verbunden werden die einzelnen Elemente durch optische Wellenleiter.

Von der monolithischen Integration erwartet man gegenüber einer hybriden Aufbautechnik trotz der enormen technologischen Anforderungen eine Reihe von Vorteilen: geringere Modulkosten durch verringerten Montageaufwand (das ist der größte Kostenfaktor), weniger Faser/Chip-Koppelstellen, kompakte Komponenten hoher Robustheit und Zuverlässigkeit sowie Eignung für die Massenherstellung. Bestimmte Bausteine sind auch überhaupt nur in integrierter Form realisierbar.

Die Entwicklung solcher Schaltungen ist einer der Forschungsschwerpunkte unseres Instituts. So gelang uns vor kurzem der Bau eines vollständig integrierten optischen Überlagerungsempfängers, des bislang komplexesten Opto-Chips weltweit (Bild 3). Die dafür entwickelte Fertigungstechnologie steht nun an der Schwelle zur Produktionsreife und kann auch für andere Bausteine eingesetzt werden.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 7 / 1996, Seite 107
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