Lichtschalter auf Siliziumbasis

Bisher konnten photonische Silizium-Strukturen Lichtstrahlen nur beugen, vereinen oder filtern. Nun gelang es damit erstmals Licht effizient zu schalten.

Ithaca (USA) - Weltweit bilden Glasfaserkabel die Grundlage für eine schnelle Datenleitung über Licht. An der Schnittstelle zum Computer werden diese Signale in elektrische Ströme umgewandelt, um von der Silizium-basierten Elektronik verarbeitet zu werden. Genau für diesen Übergang haben nun amerikanische Physiker erstmals einen "Lichtschalter" auf Siliziumbasis entwickeln können. Bislang sträubte sich dieses Halbleitermaterial gegen die Anwendung in solchen photonischen Modulen. In Zukunft könnte es nun die heute üblichen III-V-Halbleiter-Elemente kostengünstig ersetzen.

Diese rasterelektronenmikroskopische Aufnahme zeigt in einer Aufsicht den an einen Wellenleiter gekoppelten Ringresonator. Die kleine Abbildung unten links zeigt die gesamte Ringstruktur. (Quelle: Cornell/Almeida)

"Bisher konnten nur photonische Strukturen aus Silizium gebaut werden, die Licht beugen, vereinen und filtern", schreiben Vilson Almeida und seine Kollegen von der Cornell University in Ithaca. Angepasst an die Wellenlänge, die für den Datentransport im Infraroten bei 1550 Nanometer liegen, können sie mit ihrem optischen Schalter Lichtstrahlen effizient an- und ausschalten. Mit Silizium als Basismaterial stehen dann die gleichen ausgefeilten Lithografietechniken zur Verfügung, wie sie bei der Chipherstellung verbreitet sind. Verlockend ist dabei die Kombination von elektronischer und photonischer Datenleitung auf ein und demselben Chip. "Dieses neue Bauteil könnte die Basis für ultragroße Bandbreiten liefern", so die Forscher über mögliche Anwendungen im WDM-Datentransport (Wavelength division multiplexing).

Basis für ihren Schalter sind zwei Wellenleiter-Strukturen aus Silizium, die auf einem Isolator aufliegen. Über eine regelmäßige Strukturierung der Oberfläche über Elektronstrahl-Lithografie und einem Ätzprozess mit Ionen konnten sie ausreichende Werte für die Totalreflexion des IR-Lichts innerhalb der 450 Nanometer dünnen Lichtleiters erreichen. Neben dem gradlinig verlaufenden "Datenleiter" (20 Millimeter Länge) positionierten sie in 250 Nanometer Abstand einen so genannten Ringresonator (10 Millimeter Durchmesser). Über diesen kurzen Abstand kann je nach Wellenlänge ein Lichtpuls in den Resonatorring einkoppeln oder nicht. Darauf basiert der Schalteffekt.

Diese Datenübertragung reagiert hoch empfindlich auf die Wellenlänge des Signals. Werden in dem Ringresonator die zehn Picosekunden langen Lichtpulse eines Ti.Saphir-Lasers so eingespeist, dass es zum Resonanzfall kommt (hier bei 1535,6 und 1555,5 Nanometer), sackt die Transmissionsrate auf unter fünf Prozent ab. Für so genannte Probe-Wellenlängen in unmittelbarer Nähe (1535,2 nm, 1535,6 nm) der ersten Resonanz beobachteten Almeida und Kollegen jedoch Übertragungsraten von 91 und 94 Prozent der optischen Strahlungsleistung. Ein Unterschied, der sich durchaus zum Schaltprozess für datentragende Lichtwellen eignet.

Zeigten die Wissenschaftler bisher nur mit einem Übergang von Lichtleiter auf Ringresonator, dass je nach Resonanzfall eine Signalübertragung prinzipiell möglich ist, könnte mit einem zweiten Lichtleiter am gleichen Ringresonator ein effektiver Lichtschalter aufgebaut werden. Hierbei übernimmt der Ringresonantor quasi die Aufgabe einer Lichtschleuse. Zudem sei das Schaltverhalten um bis zu sieben Größenordnungen schneller als bei allen bisher entwickelten Prototypen eines optischen Schalters auf Siliziumbasis.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Vilson R. Almeida et al., All-optical control of light on a silicon chip, Nature 431, 1081 (2004).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature02921
• Cornell University:
  http://www.cornell.edu/
• School of Electrical and Computer Engineering:
  http://www.ece.cornell.edu/

Weitere Literatur:

• Krauss, T. F. Planar photonic crystal waveguide devices for integrated optics. Phys. Status Solidi A 197, 688–702 (2003).
• Yablonovitch, E. Photonic crystals: semiconductors of light. Sci. Am. 285, 47–55 (2001).
• Loncar, M., Doll, T., Vuckovic, J. & Scherer, A. Design and fabrication of silicon photonic crystal optical waveguides. J. Lightwave Technol. 18, 1402–1411 (2000).
• Van, V. et al. All-optical nonlinear switching in GaAs–AlGaAs microring resonators. IEEE Photon. Technol. Lett. 14, 74–76