Nanolaser für Photonik-Chips

Eine winzige Säule aus Indiumgalliumarsenid auf einem Siliziumblock sendet infrarotes Licht aus.

Auf Lichtteilchen statt Elektronen setzen führende Chiphersteller wie IBM oder Intel, um die Geschwindigkeit von Rechenprozessen auch in Zukunft weiter steigern zu können. Erste Ergebnisse auf dem Weg zum Photonik-Chip sind durchaus viel versprechend. Um für eine Massenfertigung solcher Prozessoren die ausgereiften Lithografie-Verfahren nutzen zu können, spielt die Verknüpfung von Silizium-Elektronik und Photonik eine Schlüsselrolle. Genau dafür entwickelten kalifornische Wissenschaftler nun einen winzigen Infrarot-Laser von den Dimensionen einer Bakterie, der auf einer Siliziumfläche positioniert werden konnte.

"Das Wachstum von III-V-Halbleiter auf Silizium ist vergleichbar mit dem Verbindung von zwei Puzzleteilen, die nicht zueinander passen", sagt Roger Chen von der University of California in Berkeley. Doch mit einer hexagonalen Struktur aus Indiumgalliumarsenid gelang ihm und seinen Kollegen genau dieses Kunststück. Aus der Dampfphase deponierten sie bei relativ kühlen 400 Grad Celsius die Atome des Verbindungshalbleiters auf einer Siliziumfläche. Dabei wuchs eine winzige Säule mit einem Durchmesser von nur einem halben Mikrometer. Bisher waren für solche Wachstumsprozesse höhere Temperaturen von bis zu 700 Grad nötig.

Um die Lichtemission der Nanosäule zu überprüfen, wurde der Verbindungshalbleiter mit kurzen Laserpulsen mit 750 Nanometer Wellenlänge angeregt. Darauf reagierte das Material mit der Aussendung von Photonen im Infrarotbereich. Diese Lichtteilchen wurden in der hexagonalen Struktur mehrfach reflektiert, so dass schließlich ein kohäranter Lichtpuls mit 950 Nanometer Wellenlänge (20 % Indium) ausgesendet wurde. Über die Indium-Anteile im Halbleiter ließ sich diese Wellenlänge zudem beeinflussen. So erbrachte ein Indiumanteil von 12 Prozent einen Laserpuls bei knapp 900 Nanometer.

Gelingt in weiteren Versuchen auch eine elektrische Anregung der Laseremission, rückt der Bau erster Prototypen eines Photonik-Chips in greifbare Nähe. "Diese Technologie hat zudem das Potenzial für eine Massenfertigung", ist Gruppenleiterin Connie Chang-Hasnain überzeugt. In Zukunft wollen die Forscher die Lichtausbeute noch besser kontrollieren und vergrößern. Damit stünde nach ihren Angaben einer Hochzeit von etablierten elektronischen Schaltkreisen und einer Datenverarbeitung mit Lichtteilchen nichts mehr im Wege.

Jan Oliver Löfken

Weiterführende Literatur:

• Miller, D. A. B.: Device requirements for optical interconnects to silicon chips. Proc. IEEE 97, 1166–1185 (2009)
• Chen, G. et al.: Predictions of CMOS compatible on-chip optical interconnect. Integr. VLSI J. 40, 434–446 (2007)
• Cloutier, S. G., Kossyrev, P. A. & Xu, J.: Optical gain and stimulated emission in periodic nanopatterned crystalline silicon. Nature Mater. 4, 887–891 (2005) 

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