Herkömmliche integrierte Schaltkreise basieren auf der Leitung von elektrischem Strom, d. h. dem Fluss freier Elektronen durch den Schaltkreis. Elektronen sind negativ geladene subatomare Teilchen, die mit anderen Elektronen und anderen Teilchen interagieren. Diese Interaktionen verlangsamen Elektronen in ihrem Fluss durch integrierte Schaltkreise, begrenzen die Menge an Information, die übertragen werden können und erzeugen Wärme, die zu Energieverlusten führt. Häufig sind Kühlkörper oder andere Kühltechniken erforderlich, um die Wärmeentwicklung zu regulieren und zu verhindern, dass die elektrischen Bauteile dauerhaft beschädigt werden.

Photonisch integrierte Schaltkreise (PICs) nutzen Photonen, also masselose Elementarteilchen, die ein Lichtquant darstellen anstelle von Elektronen. Photonen bewegen sich in Lichtgeschwindigkeit und nahezu ohne Interferenz mit anderen Photonen durch das Übertragungsmedium. Damit werden die Bandbreite und die Übertragungsgeschwindigkeit eines Schaltkreises bedeutend erhöht, während sich der Energieverlust verringert. PICs bieten also im Vergleich zu herkömmlichen ICs eine höhere Energieeffizienz. In Kombination mit der Multiplex-Technologie kann eine extrem hohe Anzahl an Signalen durch eine Single-Mode-Faser (SMF) übertragen werden. Diese Anzahl an Signalen ist sehr viel größer als die Anzahl elektrischer Signale, die eine Kupferleitung übertragen kann. Ein Einzelfaserstrang in einem transatlantischen Glasfaser-Seekabel kann Millionen gleichzeitiger Telefonanrufe über fast 100 km übertragen, bis eine Signalverstärkung notwendig wird. Und auch bei den Verstärkern handelt es sich um optisch gepumpte Laser, ganz ohne Mitwirkung von Elektronen.

Einer der größten Nachteile von PICs liegt jedoch in ihrer Größe. ICs weisen derzeit eine Transistordichte von ungefähr hundert Millionen Transistoren pro Millimeter auf. Die heutige geringe Größe von PCs, Mobiltelefonen und anderen tragbaren Geräten ist ICs mit Abmessungen im Nanometerbereich zu verdanken. Obwohl die Abmessungen von PICs kontinuierlich verringert werden, liegt ihre derzeitige Größe noch immer im Mikrometerbereich.

Hybridtechnologie: kombiniert photonische und herkömmliche Schaltkreise

Die PIC-Technologie steckt noch in den Kinderschuhen. Rein photonische Systeme, die fast ausschließlich PICs nutzen und die Komplexität und Infrastrukturebenen heutiger elektronischer Geräte wie Computer bieten, konnten sich bisher noch nicht durchsetzen. Statt einer Anwendung in rein photonischen Systemen gibt es jedoch die Tendenz, herkömmliche Komponenten in größeren elektronischen Systemen zur Effizienzsteigerung durch auf Photonik basierenden Systemen zu ersetzen. Dieser Trend ist vergleichbar mit dem Verlauf der Digitalisierung. Hier wurden in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts zunächst veraltete analoge Komponenten wie Telefone mit Wählscheibe oder Thermometer durch digitale Systeme ersetzt, bevor diese auch Anwendung in komplexeren Systemen fanden.

Ein Beispiel bietet die Telekommunikationsbranche, wo Hochgeschwindigkeitsinformationen über faseroptische Lichtwellenleiter übertragen werden (Abbildung 2). Die Informationen müssen letztlich jedoch in digitale Informationen konvertiert werden, um von herkömmlichen elektronischen Geräten verarbeitet zu werden, da gängige Datennetze und Energieinfrastrukturen auf elektrischen und nicht auf photonischen Strukturen basieren. Da optische Systeme energieeffizienter sind als elektrische, ist zu erwarten, dass PICs zukünftig herkömmliche ICs in zahlreichen Anwendungsbereichen weiter verdrängen.

Abbildung 2: Elektronische Komponenten die in Telekommunikationstechnologien verwendet werden werden zunehmend durch photonische Komponenten ersetzt, da diese eine höhere Effizienz und Übertragungsgeschwindigkeit bieten.

Durch die Entwicklung von Silizium als geeignetem Halbleitersubstrat für photonische Komponenten wird die Integration von PICs und ICs realisierbarer. PICs werden gewöhnlich auf einer Reihe unterschiedlicher und manchmal mehrschichtiger Substrate wie Indiumphosphid (InP) und Galliumarsenid (GaAs) gefertigt. Da die meisten ICs und Elektroniksysteme auf Silizium-Substraten basieren, wird die Integration von PICs in vorhandene Geräte durch die Verwendung von Silizium als Substrat wesentlich erleichtert. Ein Beispiel ist die Entwicklung von in Silizium-Mikrochips integrierten Nanolaser-Dioden, die eine On-Chip-Kommunikation und -Datenverarbeitung ermöglichen.