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Maschinen mit Licht zum Sprechen bringen?

Das Grundkonzept der photonisch integrierten Schaltkreise ähnelt jenen elektronisch integrierter Schaltkreise, die die meisten Menschen von den Chips kennen, die die Grundlage fast aller elektronischen Geräte bilden. Anstatt jedoch elektrischen Strom zu leiten und zu manipulieren, leiten und manipulieren photonisch integrierte Schaltungen Licht.

Die integrierte Photonik wird derzeit vor allem in der Daten- und Telekommunikationstechnik eingesetzt, hat aber ein großes Potenzial für die Revolutionierung von Sensoranwendungen. Die wichtigsten Verbesserungen gegenüber dem heutigen Stand der Technik sind Miniaturisierung, Skalierbarkeit und Multifunktionalität. Derzeit wird noch intensiv an der Freiraum-Optik gearbeitet. Indem man alles auf einen Chip packt, werden die Geräte viel kleiner. Dieser Ansatz ermöglicht neue Anwendungen wie etwa tragbare Geräte und Vor-Ort-Diagnostik, die Energie und Ressourcen sparen und skalierbar sind.

Jasmins Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung einer neuen Plattform, um integrierte Photonik und mikroelektromechanische Systeme (MEMS) im selben Material zu vereinen. Dazu verwendet sie Aluminiumnitrid (AlN). Für diese Entwicklung arbeitet sie an einfacheren Geräten wie einem einfachen Schalter (der allerdings nicht ganz so einfach ist, wenn man ins Detail geht). Sobald die AlN-Plattform ausgereifter ist, können komplexere Schaltungen, die aus mehreren Grundkomponenten bestehen, gebaut werden. Ein Beispiel ist eine Schaltmatrix, die in einem Datenzentrum verwendet wird, um zwischen verschiedenen Informationsleitungen zu schalten und sicherzustellen, dass jede Information ihr richtiges Ziel erreicht. Auch rekonfigurierbare Netze sind möglich.

Jasmin veranschaulicht ihre Forschung sehr anschaulich und für jeden nachvollziehbar: "Stellen Sie sich vor, wir könnten unglaublich kleine Maschinen bauen, die mit Licht kommunizieren. Diese Maschinen sind das Ergebnis einer Kombination aus fortschrittlichen Fertigungstechniken, modernsten Materialien und innovativen Gerätekonzepten. Sie sind so winzig, dass man ein starkes Mikroskop bräuchte, um sie zu sehen! Diese Geräte haben ein erstaunliches Potenzial - sie können uns helfen, Dinge unglaublich genau zu messen, z. B. ob unsere Luft sauber ist oder ob unser Körper gesund ist. Sie können sogar die Art und Weise revolutionieren, wie wir kommunizieren, indem sie es viel schneller und sicherer machen. Daran arbeite ich - an der Entwicklung dieser ultrakleinen, superintelligenten Maschinen, die uns helfen, die Welt um uns herum zu verstehen und zu verbessern."

Revolutionierung von Sensorik und Telekommunikation

Jasmins Doktorarbeit ist das Ergebnis einer engen Zusammenarbeit zwischen der Integrated Photonics Technologies (IPT) Unit innerhalb der Microsystems Division unter der Leitung von Dr. Mohssen Moridi bei SAL, dem Advanced Nano-electromechanical Systems Laboratory an der EPFL unter der Leitung von Professor Guillermo Villanueva und der Forschungsgruppe für Mikro- und Nanosysteme von Professor Niels Quack an der University of Sydney.

"Die Integration von photonisch integrierten Schaltkreisen (PICs) und MEMS ermöglicht eine kompakte, abstimmbare und rekonfigurierbare Photonik mit geringem Stromverbrauch für Sensorik und Telekommunikation. Die meisten integrierten Geräte verwenden jedoch getrennte Materialien für PICs und MEMS, was zu Inkompatibilität und Komplexität bei der Herstellung führt. Jasmins Doktorarbeit entwickelt eine einzigartige Materialplattform, die sowohl für PICs als auch für MEMS geeignet und skalierbar ist. Wir möchten Professor Guillermo Villanueva von der EPFL und Professor Niels Quack von der University of Sydney für ihre wertvolle Betreuung und Unterstützung danken", erklärt Dr. Thang Duy Dao, wissenschaftlicher Mitarbeiter, Co-Betreuer und Projektleiter.

Niels Quack über Jasmins Arbeit: "Aluminiumnitrid ist ein hervorragendes Material für photonisch integrierte Schaltungen: Es unterstützt eine breite Palette von Wellenlängen und ist mit Standard-Mikrofabrikationstechnologien kompatibel. Außerdem weist es einen relativ starken piezoelektrischen Effekt auf. Dieser ermöglicht es, mit einer elektrischen Spannung präzise kontrollierte mechanische Bewegungen zu erzeugen. Jasmins Forschung untersucht die einzigartige Kombination von Photonik und mechanischer Betätigung auf der Nanoskala in einem einzigen Material. Ihre Arbeit legt einen wichtigen Grundstein für die Entwicklung von Spitzentechnologien für neuartige Sensorlösungen und faseroptische Tele- und Datenkommunikationssysteme der nächsten Generation."

Jasmin über die gemeinsame Arbeit: "Ich bin sehr dankbar für diese fantastische Gelegenheit. Es ist großartig, einen Ort zu haben, an dem wir die Fertigungsschritte durchführen können, die wir im SAL Microfab (Anmerkung: SAL-Reinraum) (noch) nicht durchführen können. Die Vermischung der beiden Reinräume führt zu zusätzlichen Herausforderungen, aber mit der richtigen Planung funktioniert es gut. In dieser Hinsicht schätze ich die Unterstützung durch die gut organisierten Mitarbeiter von CMi cleanroom."

"Darüber hinaus genieße ich die freundliche Atmosphäre unter den anderen Doktoranden des Labors. Und natürlich mag ich auch die Stadt Lausanne und insbesondere den See, an dem ich die meisten Abende während meiner Besuche verbringe", gibt Jasmin weitere Einblicke in ihren Aufenthalt.

Auf die Frage, was ihre nächsten Ziele sind, antwortet sie prompt mit einem Augenzwinkern: "Meinen Doktortitel abschließen natürlich." Außerdem möchte sie weiter an der Entwicklung der AlN-Plattform arbeiten. "Ich freue mich schon sehr darauf, meinen ersten MEMS-gesteuerten integrierten photonischen Schalter in den Händen zu halten. Es gibt noch viele Herausforderungen zu bewältigen, aber ich bin mir sicher, dass wir es in dieser unterstützenden Zusammenarbeit schaffen werden", gibt sich Jasmin zuversichtlich.