AIIR-Power

Photonik und Optoelektronik sind Schlüsseltechnologien für die Digitalisierung. Das Design entsprechender Halbleiterbauelemente sowie die Modellierung von Epitaxieprozessen können im Rahmen von Industrie 4.0­ noch wesentlich von Methoden der künstlichen Intelligenz (KI) profitieren. Die allgegenwärtige Digitalisierung und Automatisierung sowie das Internet der Dinge erfordern konstante Energie- und Datenströme. Die aufkommende Technologie der photonischen Leistungsübertragung, auch bekannt als Power-by-Light ermöglicht es Energie- und Datentransfer in einer einzigen optischen Verbindung zu kombinieren . Durch die Verwendung von optischen Telekommunikationswellenlängen um 1.5 µm können die Anwendungsmöglichkeiten solcher Power-by-Light Systeme auf entfernte Standorte erweitert und eine unbegrenzte Energieversorgung aus der Ferne ermöglicht werden. KI-gestützte Ansätze für Design und Fertigung von photonischen Leistungswandlern (engl. photonic power converter, PPC) sind entscheidend für die weitere branchenübergreifende Anwendung von photonischer Energie- und Datenübertragung.

Das deutsch-kanadische Verbundprojekt „AIIR-Power“ zielt auf die Entwicklung von KI-Techniken zur Optimierung optoelektronischer Bauelementdesigns und ihrer epitaktischen Herstellung, sowie deren Anwendung zur Realisierung von PPCs für Telekommunikationswellenlängen um 1550 nm. Die Hauptziele des Konsortiums umfassen:

• O1) KI-Designansatz: Entwicklung und Implementierung von Methoden des Maschinenlernens zur Reduzierung der Dimensionalität beim Design optoelektronischer Bauelemente am Beispiel von PPCs.
• O2) Smarter Epitaxieprozess: Entwicklung und Implementierung KI-gestützter Modellierung des Epitaxieprozesses und Untersuchung von Algorithmen des Bestärkenden Lernens für Echtzeit-Regelungssysteme zur Verbesserung von Materialqualität und Wirtschaftlichkeit sowie zur Vorbereitung auf die Industrie 4.0.
• O3) Demonstration von KI-verbesserten PPC Bauelementen: Design und Fertigung neuer Mehrfach-PPC Bauelemente für Telekommunikationswellenlängen um 1550 nm mit erhöhter Ausgangsspannung.

Am Fraunhofer ISE werden im Rahmen des Projekts innovative PPC-Photovoltaikzellen auf Basis des III-V Halbleitermaterials InGaAs(P) entwickelt. Dieses stellt ein optimales Absorbermaterial für die weit verbreiteten Telekommunikationswellenlängen dar. Insbesondere werden Mehrfach-PPCs für Laserwellenlängen im optischen C-Band um 1550 nm entwickelt mit bis zu zehn vertikal gestapelten Teilzellen. Die seriell über Tunneldioden miteinander verschalteten Teilzellen erlauben eine Vervielfachung der Ausgangsspannung einer einzelnen InGaAs(P) Photovoltaikzelle auf beispielsweise 3 bis 5 V. Dadurch wird eine verlustbehaftete nachgeschaltete Hochkonversion der Spannung zum Betrieb von elektronischen Anwendungen vermieden.

Neben der Materialentwicklung und der epitaktischen Schichtherstellung wird eine Dünnschichtprozesstechnologie für InP basierte Halbleiterbauelemente entwickelt. Zudem werden sogenannte Engineered Substrates entwickelt, mit denen kostenintensive InP Substrate durch kostengünstigeres GaAs ersetzt werden können.

Zu ersten wichtigen Projektergebnisse zählen u.a. die modellbasierte Untersuchung des Materialsystems InGaAsP für die Zielanwendung, 10-fach InGaAs PPCs mit einer Ausgangsspannung >5 V, die Implementierung von transparenten Tunneldiodenstrukturen auf InP mit Spitzenstromdichten größer 75 A/cm², sowie die Anpassung unserer Dünnschichttechnologie an InP Substrate und erste InGaAs Dünnschicht-PPCs mit Rückseitenspiegel.