Chip-Packaging für raue Umgebungen Photonik-Chips sind molekular verschmolzen statt geklebt

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Radioaktive Strahlung oder kryogene Temperaturen sollen photonische integrierte Schaltungen unbeschadet überstehen. Ein spezielles Packaging-Verfahren soll die Faser-Chip-Verbindung dabei sicherer machen.

Photonische integrierte Schaltungen (PICs) übertragen Daten mit extrem hohen Geschwindigkeiten bei gleichzeitig minimalem Energieverbrauch. Doch ihr Einsatz in anspruchsvollen Umgebungen war bislang stark limitiert. Der Grund liegt in der Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) und genauer gesagt in der Faser-Chip-Kopplung. Forscher des US-amerikanischen National Institute of Standards and Technology (NIST) haben nun ein Packaging-Verfahren vorgestellt, mit dem PICs selbst extremste Bedingungen wie starke radioaktive Strahlung, Ultrahochvakuum oder kryogene Temperaturen unbeschadet überstehen.

Organische Klebstoffe als Schwachstelle

Eine gute AVT schützt den Chip und verbindet ihn zuverlässig mit der Außenwelt, etwa mit Lichtwellenleitern (Glasfasern) und elektrischen Kontakten. Bei PICs ist das Packaging besonders kritisch, da die empfindlichen optischen Verbindungen perfekt justiert bleiben müssen.

Bisherige Standard-Klebstoffe auf Basis organischer Polymere neigen jedoch dazu, unter Extrembedingungen zu reißen, auszugasen oder zu degradieren. Versagt diese Verbindung, verliert der Chip seine Funktion. Damit scheiden herkömmlich gepackte PICs für viele Zukunfts- und Nischenmärkte aus: Quantencomputer erfordern Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt sowie Ultrahochvakuum. Raumfahrtmissionen oder Teilchenbeschleuniger bringen eine hohe Strahlenbelastung mit sich, während in Industrie- und Energieanwendungen oft enorme Hitze und Drücke herrschen.

Hydroxid-Katalyse-Bonden (HCB)

Um die Faser-Chip-Verbindung widerstandsfähiger zu machen, griffen die NIST-Wissenschaftler auf eine Methode zurück, die ursprünglich von der NASA für die Montage hochstabiler optischer Teleskop-Systeme entwickelt wurde: das Hydroxid-Katalyse-Bonden (Hydroxide Catalysis Bonding, HCB).

Anstatt auf organische Klebstoffe zu setzen, erzeugt HCB eine anorganische, glasartige chemische Bindung zwischen der Glasfaser und dem photonischen Chip. Der Prozess nutzt eine winzige Menge Natriumhydroxid-Lösung, um die Oberflächen auf molekularer Ebene miteinander zu verschmelzen. Das Ergebnis ist eine hochstabile, starre Verbindung. Das NIST-Team konnte erstmals demonstrieren, dass HCB nicht nur die für photonische Schaltkreise erforderliche präzise Ausrichtung und effiziente Lichteinkopplung ermöglicht, sondern auch ein extrem robustes Package bildet.

In einer Reihe von Belastungstests wurde die Baugruppe:

• auf kryogene Temperaturen abgekühlt,

• massiven Temperaturschocks ausgesetzt,

• mit intensiver ionisierender Strahlung bombardiert und

• unter Hochvakuum gesetzt.

Das Ergebnis: Die HCB-gebondete Faserverbindung blieb intakt, und der Chip funktionierte fehlerfrei. Weitere Studien zeigten zudem, dass die HCB-basierte Verbindung mechanisch auch bei Temperaturen stabil bleibt, die weit über dem liegen, was herkömmliche Klebstoffe aushalten (auch wenn kommerzielle optische Fasern hier für den Gesamttest aktuell noch den limitierenden Faktor darstellten).

„Dieser Ansatz schafft eine Verbindung, die so widerstandsfähig ist wie die Glasfaser selbst“, erklärt NIST-Physiker Nikolai Klimov, der das Projekt leitete. „Damit können photonische integrierte Schaltkreise nun in Bereichen eingesetzt werden, die ihnen zuvor schlichtweg verschlossen waren.“

Ausblick auf die Fertigung

Aktuell nimmt der HCB-Verbindungsprozess noch mehrere Tage in Anspruch. Laut den Forschern handelt es sich dabei jedoch lediglich um eine ingenieurtechnische Herausforderung und nicht um eine physikalische Grenze. Mit gezielter Weiterentwicklung der Prozesse ließe sich die Zeit drastisch verkürzen, was die Technik künftig auch für die Großserienfertigung von PICs attraktiv machen würde. (heh)

(Quelle: Basierend auf Publikationen des NIST / Photonics Research)

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