Schneller Lichtschalter aus Silizium
Intel - Optischer Modulator 50mal schneller als bisherige Siliziummodulatoren
Beim Chip-Hersteller Intel hat man den ersten optischen Modulator aus Silizium entwickelt, der Signalfrequenzen von mehr als einem Gigahertz verarbeiten kann.
Der Chip-Produzent Intel hat sein Imperium auf Silizium gebaut. Die hervorragenden elektrischen Eigenschaften des Siliziums machen diesen Halbleiter zum wichtigsten Material für die Mikroelektronik. Weniger günstig sind die optischen Eigenschaften des Siliziums. Doch gerade auf die kommt es an wenn man elektrische Signale in optische umwandeln will, um sie schneller übertragen zu können. Silizium, ein Halbleiter mit indirekter Bandlücke, kann elektrische Energie nicht sehr effizient in Licht umwandeln. Andere Materialien wie Galliumarsenid, aus denen man Leuchtdioden und Halbleiterlaser herstellt, haben hier die Nase vorn.
Doch so schnell gibt man bei Intel die Hoffnung nicht auf, auch mit Silizium hochfrequente elektrische Signale in optische umzuwandeln. Könnte man doch die schon vorhandenen Technologien und Chip-Fabriken nutzen, um photonische Bauelemente aus Silizium herzustellen. Jetzt sind Ansheng Liu und seine Kollegen von den Intel-Laboratorien in Santa Clara und in Jerusalem diesem Ziel einen großen Schritt näher gekommen. Sie haben in einer Chipfabrik einen schnellen optischen Modulator aus Silizium hergestellt, der Frequenzen im Gigahertzbereich verarbeiten kann.
Das Herz des Modulators besteht aus zwei sogenannten Wellenleiter-Phasenschiebern. Was verbirgt sich dahinter? Jeder der beiden Phasenschieber enthält einen millimeterlangen Streifen aus polykristallinem Silizium, der nur wenige Mikrometer dünn und schmal ist. Der lichtdurchlässige Streifen befindet sich auf einer Siliziumunterlage, von der er durch eine dünne Siliziumoxidschicht elektrisch isoliert ist. Während das Silizium des Streifens positiv dotiert wurde und eine große Zahl von positiv geladenen Löchern enthält, besteht die Unterlage aus negativ dotiertem Silizium und enthält überschüssige Elektronen. Die isolierende Siliziumoxidschicht verhindert, dass die Elektronen und Löcher rekombinieren.
Legt man eine elektrische Spannung zwischen den Siliziumstreifen und die Unterlage, so verändert sich die räumliche Verteilung der Elektronen und Löcher. Dies führt dazu, dass sich der Brechungsindex des Siliziumstreifens ändert. Infrarotes Licht, das sich entlang des Streifens wie in einem Wellenleiter ausbreitet, erleidet eine Phasenverschiebung, sobald die elektrische Spannung angeschaltet wird. Mit Spannungen von einigen Volt kann man Phasenverschiebungen um bis zu 180 Grad erzielen.
Die Phasenänderung des Lichtstrahls haben die Forscher in eine Intensitätsänderung umgewandelt, indem sie einen phasenverschobenen Strahl mit einem Referenzstrahl interferieren ließen. Dazu spalteten sie einen Lichtstrahl in zwei Teilstrahlen auf, die unabhängig voneinander durch zwei baugleiche Phasenschieber liefen. Während an dem einen Phasenschieber eine Spannung anlag, die die Phase des Teilstrahls verschob, lag am anderen Phasenschieber keine Spannung an. Wurden die Teilstrahlen anschließend wieder vereinigt, so interferierten sie destruktiv miteinander und schwächten sich je nach Phasenverschiebung mehr oder weniger stark ab.
Die Intel-Forscher haben gezeigt, dass ihr optischer Modulator sehr schnell die Intensität des durchgelassenen Lichtes verändert, wenn man die angelegte Spannung variiert. Anders als in älteren, wesentlich langsameren Modulatoren aus Silizium, mussten jetzt die Elektronen und Löcher nicht erst durch die angelegte Spannung erzeugt werden. Da sie von Anfang an vorhanden waren, konnten sie sich augenblicklich auf die angelegte Spannung einstellen und dadurch den Brechungsindex des Siliziumstreifens verändern.
Messungen haben gezeigt, dass der Modulator Signalfrequenzen von 1 GHz und mehr verarbeiten kann. Damit ist er schon jetzt 50mal schneller als bisherige Siliziummodulatoren. Doch bei Intel ist man zuversichtlich, dass das neue Bauelement noch wesentlich schneller wird. Da es sich preiswert fertigen lässt und in bestehende Siliziumchips integriert werden kann, könnte es dem Silizium auch in der optischen Signalverarbeitung zum Durchbruch verhelfen.
Rainer Scharf
Weitere Infos:
- Originalveröffentlichung: Ansheng Liu et al: A high-speed silicon optical modulator based on a metal–oxide–semiconductor capacitor. Nature 427, 615 (2004) http://www.nature.com/doifinder/10.1038/nature02310
- Kontakt: Ansheng Liu, E-mail: ansheng.liu@intel.com
- Silicon Technology and Manufacturing bei Intel http://www.intel.com/labs/silicon/index.htm
Weitere Literatur:
- Graham T. Reed: The optical age of silicon. Nature 427, 595 (2004)
- Shekhar Y. Borkar & Mario Paniccia: Silicon Photonics: New Opportunities for Silicon. Intel Developer UPDATE Magazine 31, 11 (2002) http://www.intel.com/update/departments/special/ss04024.pdf
- Linda Dailey Paulson: Optical Networking Chips Get Faster in a Slow Market. Computer, April 2003, S. 18-20 http://www.computer.org/computer/homepage/0403/briefs/r4018.pdf
