Weltneuheit: Kyocera und die Tohoku-Universität entwickeln eine Technologie zur direkten Integration optischer Isolatoren in Siliziumphotonik-Chips

Ein optischer Isolator ist ein Bauteil, das die optische Kommunikation stabilisiert, indem es die Übertragung optischer Signale nur in eine Richtung zulässt und so die Signalreflexion verringert. Ein Bericht, der eine Zusammenfassung dieser Ergebnisse enthält, wurde am 2. September 2026 in „IEEE Access“, einer vom Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) herausgegebenen Fachzeitschrift, veröffentlicht.

Entwicklungshintergrund

Da generative KI und damit verbundene Technologien eine beispiellose Belastung für globale Datennetzwerke darstellen, bietet die Siliziumphotonik^*2 eine Lösung für schnellere und energieeffizientere Rechenzentren. Der Ausbau der Siliziumphotonik treibt die Nachfrage nach Technologien voran, die Co-Packaged Optics (CPO) ermöglichen. Dabei werden optische und elektronische Schaltungen in ein und demselben Halbleitergehäuse integriert, um Signalwege, Signalverluste und den Stromverbrauch zu minimieren.

In optischen Schaltungen beeinträchtigt Licht, das in die Laserlichtquelle zurückreflektiert wird, die Leistung. Optische Isolatoren, die reflektiertes Licht unterdrücken, können dieses Problem lösen. Die nächste Generation kompakter, integrierter optischer Schaltungen mit CPO-Technologie erfordert optische Isolatoren, die direkt auf Siliziumphotonik-Chips hergestellt werden können.

Optische Isolatoren verwenden in der Regel ein kristallines Material, dieses ist als „magnetooptischer Granat“ bekannt. Damit dieses Material als optischer Isolator fungieren kann, muss es einer Wärmebehandlung bei etwa 600 °C oder höher unterzogen werden. Das Erhitzen des gesamten Siliziumphotonik-Chips auf diese Temperatur kann jedoch Elektroden, Verdrahtungen und andere Elemente auf dem Chip beschädigen. Eine Lösung zu finden, mit der ausschließlich der magnetooptische Granat selektiv wärmebehandelt werden kann, ohne andere Bereiche des Chips zu überhitzen, stellt nach wie vor eine große Herausforderung dar.

Um diese Herausforderung zu bewältigen, haben Kyocera und die Tohoku-Universität eine monolithische Integrationstechnologie^*3 entwickelt, mit der optische Isolatoren direkt auf Silizium-photonik-Chips durch einen „Laser-Annealing“-Prozess gefertigt werden können. Dabei wird ein Laserstrahl lokal auf die Bereiche des Chips gerichtet, die einer Wärmebehandlung bedürfen. Kyocera und die Tohoku-Universität haben die Funktionsweise des Bauteils demonstriert.

Eigenschaften

1. Durch lokalisierte Laserbestrahlung lässt sich der magnetooptische Granat wärmebehandeln, ohne den Siliziumphotonik-Chip zu beschädigen
Ein Nahinfrarot-Laserstrahl wird ausschließlich auf einen Bereich der optischen Isolatorschaltung mit einer Größe von etwa 700 × 700 Mikrometer (μm) gerichtet, auf dem die magnetooptische Granatschicht aufgebracht wurde. Dadurch kristallisiert diese und erhält die Eigenschaften, die zur Unterdrückung des reflektierten Lichts erforderlich sind. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren, bei denen der gesamte Chip in einem Ofen erhitzt wird, werden bei diesem Ansatz thermische Auswirkungen auf die umliegenden optischen Schaltungen und Elektroden praktisch vollständig vermieden.

2. Test eines optischen Isolators auf einem Siliziumphotonik-Chip
Mithilfe dieser Technologie stellte das Forschungsteam ein Bauelement her, dessen Struktur auf Lichtinterferenz basiert, und demonstrierte experimentell dessen Funktion als optischer Isolator. Im Experiment verglich das Team die optische Ausgangsleistung, die dem Signallicht (Vorwärtsausbreitung) entspricht, mit derjenigen, die dem zurückreflektierten Licht (Rückwärtsausbreitung) entspricht. Die Ergebnisse bestätigten ein Isolationsverhältnis von 13,6 dB im Wellenlängenbereich der optischen Kommunikation, wodurch das zurückreflektierte Licht um etwa 95 % reduziert wurde. Mithilfe der Elektronenmikroskopie wurde zudem bestätigt, dass der magnetooptische Granat im laserbestrahlten Bereich auf dem Silizium-Wellenleiter gut kristallisiert war.

Zukünftige Entwicklung

Kyocera und die Tohoku-Universität haben bereits zuvor gemeinsam an der Entwicklung entsprechender Technologien für optische Isolatoren gearbeitet, die in optische Schaltungen integriert werden können^*4. Um diese Technologien zu kommerzialisieren, wollen die beiden Organisationen noch geringere Signalverluste, einen höheren Wirkungsgrad und eine verbesserte Produktivität für die Massenproduktion erreichen. Sie werden ihre Zusammenarbeit weiterhin vorantreiben und zur Entwicklung einer effizienten und nachhaltigen Informationsgesellschaft beitragen.

Informationen zum Bericht

*1 Für eine Technologie, bei der ein optischer Isolator mithilfe eines Laser-Annealing-Verfahrens in eine Siliziumphotonik-Schaltung integriert wird; gemäß einer Kyocera-Studie im Juli 2026.
*2 Siliziumphotonik: Eine Technologie, bei der optische Schaltungen auf Silizium, einem Halbleitermaterial, gebildet werden und optische statt elektrischer Signale zur Übertragung und Verarbeitung von Informationen verwendet werden.
*3 Monolithische Integrationstechnologie: Eine Technologie, bei der mehrere Funktionselemente integral auf demselben Substrat ausgebildet werden.
*4 Frühere Ergebnisse der gemeinsamen Forschung (T. Sugita et al., „Nanocomposite Garnet-Enabled Monolithically Integrated Magneto-Optical Isolator Using an Asymmetric Mach–Zehnder Interferometer“, ACS Appl. Opt. Mater., Band 4, Nr. 6, S. 1813–1820, Juni 2026, doi: 10.1021/acsaom.6c00176).
*5 IEEE ist eine eingetragene Marke des Institute of Electrical and Electronics Engineers, Incorporated.