Entdeckung von Hochgeschwindigkeits-Materialeigenschaften für die digitale Infrastruktur von morgen

Fortschrittliche photonische integrierte Schaltkreise
Ein Forscherteam des Instituts für Elektromagnetische Felder (IEF) hat eine entscheidende Wissenslücke bei der Entwicklung photonischer integrierter Schaltungen geschlossen. Die Ergebnisse wurden in der jüngsten Ausgabe der Zeitschrift Nature Materials veröffentlicht. Die Studie mit dem Titel "Bariumtitanat- und Lithiumniobat-Durchlässigkeit und Pockels-Koeffizienten von Megahertz- bis Sub-Terahertz-Frequenzen" bietet die erste umfassende Charakterisierung von zwei wesentlichen Materialien, die in integrierten photonischen Schaltungen verwendet werden, über einen bisher nicht dagewesenen Frequenzbereich.

Die Forschung konzentriert sich auf die Schlüsselmaterialien Lithiumniobat (LN) und Bariumtitanat (BTO), die den Pockels-Effekt aufweisen. Dieser ermöglicht es, die Wechselwirkung eines Materials mit Lichtwellen durch elektrische Signale abzustimmen. Der Effekt wird häufig in photonischen Schaltkreisen für Anwendungen wie die Glasfaserkommunikation genutzt, bei denen Licht und nicht Elektrizität digitale Informationen überträgt.

Umfassende Charakterisierung über ein breites Frequenzspektrum
"Unsere Arbeit stellt die erste umfassende Charakterisierung dieser Materialien über dieses breite Frequenzspektrum dar", sagt Dr. Daniel Chelladurai, der Hauptautor der Studie. "Wir waren besonders von der starken Frequenzabhängigkeit von BTO überrascht, die in starkem Kontrast zu der stabilen Reaktion von Lithiumniobat steht. Trotz dieser Abweichung konnten wir nachweisen, dass BTO eine bemerkenswerte elektro-optische Leistung bis zu den höchsten Frequenzen bietet."

Um die Materialeigenschaften zu extrahieren, führten die Forscher spezielle Wellenleiterstrukturen zusammen mit einer Messtechnik ein, die es ihnen ermöglichte, die Materialien direkt in konkreten Geräten zu charakterisieren. Dieser Ansatz bietet einen einzigartigen Einblick in das Materialverhalten unter realen Betriebsbedingungen.

Auswirkungen auf die Entwicklung von photonischen integrierten Schaltungen
Professor Jürg Leuthold, der die Forschungsgruppe am Institut für Elektromagnetische Felder (IEF) leitet, betonte die weitergehenden Auswirkungen: "Photonische integrierte Schaltkreise stellen die nächste Hürde in der Informationsverarbeitungstechnologie dar. Indem wir verstehen, wie sich diese Materialien über einen so breiten Frequenzbereich hinweg verhalten, haben wir eine Grundlage für die Entwicklung von Geräten geschaffen, die mit Geschwindigkeiten arbeiten können, die bisher als schwierig galten. Unser Messansatz bietet auch eine standardisierte Methode zur Bewertung neuer Materialien, die bald auf den Markt kommen könnten."

Die Auswirkungen dieser Arbeit erstrecken sich auf zahlreiche neu entstehende Technologien, darunter:
• Optische Hochgeschwindigkeitskommunikation jenseits von 100 GHz
• Quantennetzwerke, die eine effiziente Umwandlung von Mikrowellen in optische Signale erfordern
• Programmierbare photonische Schaltungen
• Rekonfigurierbare Metasurfaces für erweiterte und virtuelle Realität

Grundsteinlegung für zukünftige elektrooptische Materialien
Die Forschung schafft sowohl einen umfassenden Datensatz für aktuelle Materialien als auch einen methodischen Rahmen für die Charakterisierung zukünftiger elektrooptischer Materialien. Das Team am IEF hofft, dass die Arbeit die Entwicklung der nächsten Generation von integrierten photonischen Schaltkreisen beschleunigen wird, die mit noch nie dagewesener Geschwindigkeit arbeiten können.

Lesen Sie den vollständigen Artikel online: externe Seite Nature Materials.