Erster Silizium-Laser auf einem Chip

Physik Journal – Intel-Entwickler konnten erstmals einen Silizium-Laser mit klassischer Technologie auf einem Chip aufbauen.

Kürzere Schaltzeiten und höhere Datenraten versprechen sich Chipbauer mit der Nutzung von Photonen statt Elektronen. Dagegen sind die Produktionsprozesse von elektronischen Siliziumchips ausgefeilt, massentauglich und günstig. Entwicklern des Intel-Forschungszentrums in Santa Clara gelang nun ein wesentlicher Schritt, diese Vorteile aus Photonik und Elektronik zu kombinieren. Erstmals bannten sie einen rein aus Silizium aufgebauten Laser als Photonenquelle auf einem Chip. Dazu nutzten sie die klassischen Methoden für Photolithographie und Ätzprozesse.

Bisher konzentrierten sich Physiker auf Nanokristalle und komplexe Gitterstrukturen, um Silizium zum Aussenden von Photonen anzuregen. Erst vergangenes Jahr schafften es Forscher der University of California in Los Angeles, eine planare Silizium-Struktur als Kernstück eines Lasers zu verwenden. Sie machten sich dabei den Raman-Effekt zunutze, um Elektronen auf virtuelle Übergänge anzuregen, benötigten allerdings eine acht Meter lange Glasfaser als optischen Hohlraumresonator (Kavität). Die Intel-Forscher reduzierten nun die Größe dieses Wellenleiters auf knapp fünf Zentimeter und konnten diesen in S-förmigen Windungen auf einer Fläche von nur 1,6 Quadratmikrometer in einen speziellen Chip integrieren. Ihr Trick: Um den einfallenden Pumpstrahl in dieser Kavität zu speichern, beschichteten sie ein Ende des Wellenleiters mit einem hochreflektiven Material (90 %).

Angeregt mit infrarotem Licht bei 1536 Nanometer Wellenlänge und 0,4 Mikrowatt Pumpleistung konnten die Forscher die ebene Silizium-Struktur zur Aussendung von Laserlicht bei 1669,5 Nanometer anregen. Allerdings lief dieser Prozess in dem ersten Prototyp lediglich für etwa 100 Nanosekunden; viel zu kurz für eine photonische Anwendung. Das Problem liegt in einer Zwei-Photonen-Absorption, bei der zu viele freie, relativ lang­lebige Ladungsträger entstehen, die die optische Leistung signifikant reduzieren. Genau diesen Effekt wollen die Forscher nun in den Griff bekommen, um eine kontinuierliche Laserquelle rein auf Silizium-Basis herstellen zu können. Erst dann lockt ein leistungsfähiges Photonik-Modul, das sich mit herkömmlicher Chiptechnik herstellen lassen könnte.

Jan Oliver Löfken

Quelle: Physik Journal, Februar 2005

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Haisheng Rong et al., An all-silicon Raman laser, Nature 433, 292 (2005).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature03273