Die Integration hybrider Materialsysteme und neue Design-Ansätze auf Basis künstlicher Intelligenz ermöglichen komplexe und ultra-schnelle optische Informationsverarbeitung auf kompakten Silizium-Chips, die sich anwendungsspezifisch konfigurieren lassen.

Optische Implementierungen von Informationsverarbeitung sind aus der modernen Computer- und Telekommunikationstechnologie nicht mehr wegzudenken, da Sie schneller und energiesparender arbeiten als ihre elektrischen Vorgängertechnologien. Um ökonomisch relevant zu sein und komplexe photonische Funktionalitäten zu realisieren, bedarf es jedoch moderner Nanotechnologieverfahren, die es erlauben, eine große Anzahl optischer Komponenten in kleinsten nanophotonischen Schaltungen zu kombinieren. Hierzu lassen sich viele Errungenschaften der Mikro- und Nanoelektronik zur Manipulation von Licht – also Photonen – statt Strom – also Elektronen – ausnutzen. In der Arbeitsgruppe von Prof. Schuck an der WWU Münster werden Lithographie-Verfahren eingesetzt, die ursprünglich einmal für die Herstellung integrierter elektronischer Schaltungen entwickelt wurden, um Lichtwellenleiter aus sub-Mikrometer strukturierten Dielektrika wie Silizium, Siliziumnitrid oder Tantalum Pentoxid für Anwendungen in der Nanophotonik zu fertigen. Die dielektrischen Strukturen zeichnen sich dabei durch einen hohen Brechungsindex-Kontrast zum umgebenden Medium (meist Glas) aus, wodurch sich Licht in kleinsten Volumina einsperren, leiten und manipulieren lässt.

In der Arbeitsgruppe Schuck stehen zwei Aspekte der Nanophotonik im Vordergrund, die für innovative Informationsverarbeitungsansätze ausgenutzt werden sollen: Einerseits soll die Integrationsdichte von nanophotonischen Schaltungen durch Skalierung von Baugruppen zu kleineren Strukturen erreicht werden. Andererseits soll die hervorragende Replizierbarkeit von Baugruppen in Nanofertigungsverfahren ausgenutzt werden, um komplexere Schaltungen zu realisieren, als es mit anderen Ansätzen möglich wäre.

Bei der Skalierung soll die Funktionalität einer etablierten photonisch integrierten Baugruppe erhalten bleiben, jedoch in noch kompakterer Form auf einem Chip realisiert werden. Dazu sind gänzlich neue nanophotonische Designansätze notwendig, die über die Möglichkeiten bisheriger integrierter Photonik hinausgehen, welche im Wesentlichen auf intuitiven Konzepten, wie Interferenz oder der Theorie der gekoppelten Moden, und Brute-Force-Parameter-Optimierung beruhen. Hierbei handelt es sich um ein extrem komplexes mathematisches Problem, da der Lösungsraum möglicher Konfigurationen exponentiell mit der Größe der Baugruppe wächst. Einen vielversprechenden neuartigen Lösungsansatz stellt das sogenannte inverse Design dar, welches lediglich die optische Eingangsmode und die gewünschte Ausgangsmode einer nanophotonischen Baugruppe spezifiziert und mittels algorithmischer Verfahren Designs berechnet, welche die gewünschte Funktionalität realisieren. Bestehende algorithmische Lösungsansätze beruhen größtenteils auf konvexen Optimierungstechniken, genetischen Algorithmen oder direktem binären Suchen. Zwar erhält man auf diese Weise Zugang zu einem größeren und nicht-intuitiv erschließbarem Teil des Lösungsraumes, doch ist das unterliegende Problem nicht konvex. In der Arbeitsgruppe Schuck werden hier stattdessen algorithmische Techniken des maschinellen Lernens eingesetzt, welche einen gänzlich neuen Zugang zum Lösungsraum ermöglichen. Hierbei lassen sich mangels fehlender Trainingsdaten prinzipiell keine überwachten oder unüberwachten Lernansätze verwenden, die zurzeit den Einsatzbereich künstlicher Intelligenz dominieren. Stattdessen hat die Arbeitsgruppe einen Reinforcement Learning Algorithmus entwickelt, der stabiles Lernverhalten zeigt und universell auf jedes Nanophotonik-Problem mit Pixel-diskretem Baugruppen-Design anwendbar ist. Neben verbesserter Baugruppen-Funktionalität erlaubt die Ausnutzung eines bisher unerforschten Teils des immensen Lösungsraumes insbesondere kompaktere Baugruppen, die ca. zehnfach weniger Platzbedarf haben als konventionelle Nanophotonik-Komponenten und somit eine signifikante Skalierung der Technologie erlauben.

Um solch anspruchsvolle Baugruppen von einem errechneten Design in eine funktionierende Schaltung auf einem Silizium-Chip zu überführen, steht am Center for NanoTechnology (CeNTech) und am Center for Soft Nanoscience (SoN) im Rahmen der einrichtungsübergreifenden Münster Nanofabrication Facility (MNF) modernste Nanofabrikations- und Nanoanalyse-Infrastruktur mit Auflösung im sub-10 Nanometerbereich zur Verfügung.

Unabhängig von der Skalierbarkeit, nutzt die Arbeitsgruppe Schuck vor allem die hohe Replizierbarkeit von Nanophotonik-Baugruppen jedweder Art in modernen Lithographieverfahren für komplexe Forschungsvorhaben aus. Einerseits stehen dabei Chips mit großen Anzahlen von nanophotonischen Schlüsselkomponenten für Quantentechnologie-Anwendungen im Fokus der Aktivitäten am Department für Quantentechnologie der WWU Münster. Aktuelle Projekte befassen sich vor allem mit der Generierung, Manipulation and Detektion einzelner Photonen in hybriden Ansätzen, die Nanophotonik mit supraleitenden und einer Vielzahl anderer Festkörper-Materialsysteme kombinieren. Andererseits wird im Rahmen des Sonderforschungsbereichs „Intelligente Materie“ (SFB 1459 der DFG) versucht, reproduzierbare Schnittstellen zwischen nanophotonischen Schaltungen und photo-responsiven bzw. adaptiven chemischen Systemen herzustellen. Hierzu sollen Reservoire mit flüssigen Lösungen oder weicher Materie mit optisch schaltbaren Molekülkomplexen in großen Stückzahlen auf nanophotonischen Chips integriert werden. Neben einem neuen photo-physischem Zugang zu solchen chemischen Systemen auf der Nano-Ebene, sollen vor allem deren Eignung für nicht-lineare Aktivierung in optischen künstlichen neuronalen Netzen untersucht werden, um Aufschlüsse über die Entstehung von künstlicher Intelligenz zu erlangen.

Die Integration von hybriden Materialsystemen mit nanophotonischen Schaltungen eröffnete eine Vielzahl neuer Möglichkeiten in der Informations- und Kommunikationstechnologie.

Referenzen

AG Schuck (WWU): https://www.uni-muenster.de/Physik.PI/Schuck/index.html

Center for NanoTechnology (CeNTech): https://www.centech.de

Center for Soft Nanoscience (SoN): https://www.uni-muenster.de/SON/index.html

Department für Quantentechnologie, Westfälische Wilhelms-Universität Münster

Photonische Basistechnologie

• Silizium Photonik
• Photonisch Integrierte Schaltungen
• Computergestütztes Design
• Optische Neuronale Netze
• Quantentechnologie

Anwendungsfelder / Märkte

• Informationsverarbeitung
• Kommunikation
• Künstliche Intelligenz
• Grundlagenforschung

Impact

• Schnellere Informationsverarbeitung
• Sichere Kommunikation
• Wissenschaft

https://www.uni-muenster.de/Physik/department/institutes/quantumtechnology/

Abbildung 1: Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme eines mittels inversem Design entwickeltem optischen Modenwandlers (links) und einem konventionellem optischen Gitterkopplers (rechts). (© AG Schuck.)

Abbildung 2: Schematische Darstellung einer nanophotonischen Schnittstelle zu molekularen Komplexen in flüssigen Lösungen mit optisch nicht-linearem Verhalten zwischen Eingangs- und Ausgangs-leistung. (© AG Schuck.)