Si-Laser strahlt kontinuierlich

Intel-Forschern gelang die Konstruktion eines kontinuierlich strahlenden Silizium-Lasers auf einem Chip - interessant für die Photonik.

Santa Clara (USA) - Weit in den Gigahertz-Bereich reichen heute die Taktfrequenzen moderner Computerchips. Doch mit zunehmender Geschwindigkeit und höheren Datenraten stößt die klassische Silizium-Elektronik an Grenzen. Probleme mit steigendem Stromverbrauch, Hitzeentwicklung und der Genauigkeit der Schaltprozesse müssen gelöst werden. Lichtteilchen statt Elektronen zur Datenverarbeitung könnten helfen. Amerikanischen Forschern gelang nun die Konstruktion eines Basisbausteins für die zukünftigen Photonik-Chips: Aus Silizium aufgebaut stellten sie auf einem Chip einen kontinuierlich strahlenden Laser vor. Nur wenige Wochen nach einer ersten Veröffentlichung in der Fachzeitschrift "Nature", die das Grundprinzip des Si-Lasers auf einem Chip beschrieb, gibt nun das gleiche Team aus dem Intel-Forschungslabor in Santa Clara ihren Durchbruch mit dem ersten anhaltend strahlenden Laser-Prototyp bekannt.

Acht Laser befinden sich auf diesem einzigen Chip. (Quelle: Intel)

"Diese erste Demonstration eines kontinuierlichen Raman-Lasers aus Silizium stellt einen signifikanten Meilenstein auf dem Weg zu einem voll integrierten Photonik-Chip dar", berichten Haisheng Rong und Kollegen in der aktuellen "Nature"-Ausgabe. Grundlage des strahlenden Siliziums - ein Material, das wegen seiner elektronischen Struktur eigentlich nicht für einen Laser taugt - ist die Nutzung der so genannten Raman-Verstärkung. Dabei regt ein einfallender Laserstrahl mit 1550 Nanometer Wellenlänge den Halbleiter auf einen virtuellen Übergang an. Danach sendet Silizium einen Lichtstrahl mit 1630 Nanometer Wellenlänge aus. Die überschüssige Energie der Anregung führt zudem zu einer phononischen Gitterschwingung im Silizium-Kristall. Zu einer Laser-Verstärkung kommt es sukzessive, da die Aussendung des 1630-nm-Photons weitere Emissionen von Lichtteilchen gleicher Wellenlänge stimuliert.

Hergestellt mit etablierten Lithografie-Methoden, Ätzprozessen und der modernen "Silicon-on-Insulator" (SoI) Technologie integrierten die Intel-Forscher zur Ausnutzung der Raman-Verstärkung einen optischen Hohlraumresonator auf ihrem Chipprototyp. In S-förmigen Windungen auf einer Fläche von nur 1,6 Quadratmikrometer verlegt speichert diese wenige Zentimeter lange Kavität den einfallen Pumpstrahl: Eine grundlegende Voraussetzung für die folgende Anregung des Siliziums. Lief in dem ersten Modul der Laserprozess nur für rund 100 Nanosekunden, gelang Rong und Kollegen nun der Schritt zu einer kontinuierlichen Lichtaussendung. Das Problem lag in einer parallel auftretenden zwei Photonen-Absorption, bei der zu viele freie, relativ langlebige Ladungsträger entstehen, die die Aussendung von Photonen signifikant reduzierte.

Doch nun lagerten Rong und Kollegen den Silizium-Wellenleiter auf dem Chip geschickt in eine Matrix aus positiv und negativ dotiertem Silizium ein. Eine positive Spannung an der n-Seite generiert ein starkes elektrisches Feld. Durch dieses werden sowohl Elektronen als auch Elektronenlöcher, die über die störende Zwei-Photonen-Absorption entstanden sind, schnell abgezogen. Dadurch konnten die Forscher die Gegenwart freier Ladungsträger so effizient reduzieren, dass der Laser-Prozess nicht unterbrochen wurde. Zwar braucht dieser Silizium-Laser noch ebenfalls eine Lichtquelle zur Anregung. Eleganter wäre es, wenn die Lichtaussendung auch über eine elektrische Stimulierung des Materials funktionieren würde. Doch unabhängig davon kann dieser Si-Laser auf einem Chip als wesentliche Grundlage für die photonische Datenverarbeitung gelten.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichungen:
  H. Rong et al., A continous-wave Raman silicon laser, Nature 433, 725 (2005).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature03346 
  H. Rong et al., An all-silicon Raman laser", Nature 433, 292 (2005).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature03273  
• Intel-Forschung: 
  http://www.intel.com/research/index.htm  
• Intels Silicon Photonics Forschung:
  http://www.intel.com/technology/silicon/sp/  
• Details zu Intels optischen Techniken und deren Anwendungen:
  http://www.intel.com/technology/itj/2004/volume08issue02/index.htm  
• Photos und ein Video zum Thema:
  http://www.anderka.de/.../Photos_Intel_First_Continuous_Silicon_Laser.zip (8,3 MB) http://www.anderka.de/.../Video_Intel_First_Continuous_Silicon_Laser.zip (6 MB)

Weitere Literatur:

• Pavesi, L. & Gaponenko, S. (eds) Towards the First Silicon Laser (NATO Science Series, Kluwer, Dordrecht, 2003).  
• Reed, G. T. & Knights, A. P. Silicon Photonics: An Introduction (John Wiley, Chichester, UK, 2004).  
• Pavesi, L. & Lockwood, D. J. (eds) Silicon Photonics (Springer, Berlin, 2004).  
• Liu, A., Rong, H., Paniccia, M., Cohen, O. & Hak, D. Net optical gain in a low loss silicon-on-insulator waveguide by stimulated Raman scattering. Opt. Expr. 12, 4261–4267 (2004).  
• Xu, Q., Almeida, V. & Lipson, M. Time-resolved study of Raman gain in highly confined silicon-on-insulator waveguides. Opt. Expr. 12, 4437–4442 (2004).  
• Liang, T. K. & Tsang, H. K. Efficient Raman amplification in silicon-on-insulator waveguides. Appl. Phys. Lett. 85, 3343–3345