Siliziumlaser für photonische Chips

Für photonische Chips, die in Zukunft Daten viel rascher verarbeiten sollen als herkömmliche Prozessoren, bieten sich Laser auf Siliziumbasis an. Erste Prototypen stellte der Elektronikkonzern Intel bereits vor über acht Jahren vor. Mit wenigen Zentimetern Größe waren sie allerdings noch zu voluminös, um neben filigrane Schaltkreise auf einem Chip zu passen. Diese Hürde überwanden nun japanische Wissenschaftler von der Osaka Prefecture University in Sakai. Auf der Grundlage eines photonischen Kristalls aus Silizium mit zahlreichen Nanolöchern erreichten sie eine kontinuierliche Laseremission im Infrarotbereich.

„Unseren Laser fertigten wir mit Standardtechnologien der Chiphersteller und sind dadurch kosteneffizienter als vorherige Siliziumlaser“, sagt Yasushi Takahashi vom Nanoscience and Nanotechnology Research Center der Universität. Vorab durchgeführte Modellrechnungen lieferten den Bauplan für die neuen, nur einige Mikrometer kleinen Siliziumlaser. So durchbohrten die Wissenschaftler mit einem Elektronenstrahl und lithografischen Ätzmethoden eine Siliziumschicht und erzeugten Abertausende winziger und symmetrisch angeordneter Löcher mit einem Durchmesser von je 130 Nanometern. Diese Struktur wirkte als photonischer Kristall, der sich von einem primären Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 1428 Nanometern und einer Frequenz von 210 THz anregen ließ.

Im Unterschied zu herkömmlichen Lasern, deren Lichtemission auf spezifischen Bandlücken des verwendeten Materialien beruht, nutzt ein Siliziumlaser die Wechselwirkung von Lichtwellen mit harmonischen Schwingungen der Siliziumatome aus. Mit den Pulsen des Pump-Lasers versetzten Takahashi und Kollegen ihre exakt berechnete und gefertigte Siliziumstruktur in resonante, mechanische Schwingung bei einer Frequenz von 15,6 Terahertz. Die ursprüngliche Lichtwelle streute über spontane Raman-Streuung zu einem Teil in zwei weitere Lichtwellen mit jeweils um die Resonanzfrequenz versetzten Frequenzen. Die dominante untere Frequenz (Raman-Frequenz minus Stokes-Shift: 210 THz - 15,6 THz) verstärkte sich in dem photonischen Kristall und resultierte in einer Laseremission mit einer Wellenlänge von 1543 Nanometern, die ideal zum Transport und zur Verarbeitung digitaler Daten geeignet ist.

Neben der relativ einfachen Fertigung zeigte sich der Leistungsbedarf dieses geschrumpften Siliziumlasers sehr bescheiden. Schon eine Leistung von etwa einem Mikrowatt für den Pumplaser reichte aus. „Damit ließen sich LEDs aus Silizium mit geringer Effizienz schon für pumpende Lichtquellen nutzen“, sagt Takahashi. Das könnte tatsächlich den Weg für eine Kombination aus photonischen Schaltkreisen und Siliziumlasern auf einem Chip ebnen. Ideal wäre dennoch, wenn sich diese Lasertypen rein elektrisch und nicht nur optisch anregen ließen. Doch ob und wann diese Hürde überwunden werden könnte, lässt sich aus heutiger Sicht noch nicht sagen.

Jan Oliver Löfken