Intel und University of California entwickeln ersten hybriden Silizium-Laser

(Auszug aus der Pressemitteilung)

Feldkirchen, den 18. September 2006 – Forscher von Intel und der University of California, Santa Barbara (UCSB) haben den ersten elektrisch betriebenen hybriden Silizium-Laser der Welt hergestellt. Sie griffen dabei auf Standard-Prozesse zur Silizium-Herstellung zurück. Dadurch ergeben sich Vorteile bei der Produktion kostengünstiger Photonik-Geräte aus Silizium, die in Computern und Rechenzentren künftig zum Einsatz kommen und über eine hohe Bandbreite verfügen.

Die Forscher konnten die lichtemittierenden Eigenschaften von Indium-Phosphid mit den lichtleitenden Eigenschaften von Silizium in einem einzelnen hybriden Chip vereinen. Unter Spannung dringt das im Indium-Phosphid generierte Licht in den Silizium-Hohlleiter ein; so entsteht ein kontinuierlicher Laser-Strahl, mit dessen Hilfe andere photonische Silizium-Geräte angesteuert werden können. Durch den Einsatz von Silizium-Produktionstechniken für die Massenherstellung können die Kosten deutlich reduziert werden. So könnten Silizium-basierte Laser zur größeren Verbreitung der Photonik in Computern führen.

Es werde Licht – Unternehmen und Hochschulen kooperieren
“Dies läutet vielleicht ein neues Zeitalter für besonders leistungsfähige Anwendungen ein”, kommentiert Mario Paniccia, Director des Photonics Technology Lab bei Intel. “Denn damit sind auch kostengünstige optische ‘Datenleitungen’ im Terabit-Bereich im Innern zukünftiger Computer möglich. Noch ist es nicht so weit, dass solche Produkte kommerziell erhältlich sind. Unserer Meinung nach könnten jedoch Dutzende oder gar Hunderte von hybriden Silizium-Lasern mit anderen Photonik-Komponenten aus Silizium auf einem einzelnen Silizium-Chip integriert werden.”

John Bowers, Professor für Elektrotechnik und technische Informatik an der University of California, Santa Barbara ergänzt: “Unser Forschungsprogramm mit Intel zeigt, wie Industrieunternehmen und Hochschulen gemeinsam dafür sorgen, dass Wissenschaft und Technologie Fortschritte machen. Wir haben die Erfahrung, über die die UCSB bei Indium-Phosphid verfügt, mit Intels Expertise bei Silizium-Photonik kombiniert. Dadurch waren wir in der Lage, eine neuartige Laser-Struktur vorzustellen. Diese basiert auf einer Verbindungsmethode, die ihrerseits auf allen Ebenen eingesetzt werden kann: Wafer, Wafer-Teilen oder auf dem Die. Dies könnte die Lösung für die großflächige optische Integration auf einer Silizium-Plattform sein. Das ist der Beginn hoch integrierter Silizium-Chips für die Photonik, die sich zu niedrigen Preisen in großen Stückzahlen produzieren lassen.”

Lichtgeschwindigkeit: technische Details
Heutzutage wird Silizium meist zur Herstellung günstiger Digitalelektronik eingesetzt. Doch es vermag noch mehr: Silizium kann auch verwendet werden, um Licht zu leiten, aufzuspüren, zu modulieren oder gar zu verstärken. Es kann Licht jedoch nicht effektiv generieren. Im Vergleich dazu sind auf Indium-Phosphid basierende Laser heute in Telekommunikations-Equipment üblich. Da sie jedoch individuell zusammengebaut und angepasst werden müssen, sind sie für die Verwendung in der PC-Branche zu teuer; denn diese ist bei der Herstellung auf hohe Stückzahlen und zugleich niedrige Kosten angewiesen.

Der hybride Silizium-Laser verfügt über ein neuartiges Design, das auf Indium-Phosphid basierende Materialien zur Lichterzeugung und -verstärkung verwendet und gleichzeitig den Silizium-Hohlleiter zur Aufnahme und Kontrolle des Lasers einsetzt. Der Schlüssel zur erfolgreichen Herstellung liegt in der Verwendung von Sauerstoffplasma (einem elektrisch geladenen Sauerstoffgas) mit niedrigen Temperaturen. Dieses erzeugt eine nur knapp 25 Atome dicke Oxidschicht auf der Oberfläche beider Metalle.

Wenn diese Sauerstoffschicht erhitzt und zusammengedrückt wird, wirkt sie als eine Art ‘Glas-Klebstoff’ (glass-glue). Dieser lässt die beiden Materialien in einen einzelnen Chip verschmelzen. Sobald elektrische Spannung angelegt wird, geschieht folgendes: Das Licht, das in dem Material auf Basis von Indium-Phosphid generiert wurde, durchdringt die Sauerstoff Glas-Klebstoff Schicht und gelangt in den Lichtkanl des Silizium-Chips. Hier wird das Licht verstärkt und es entsteht unter Ausnutzung des Raman-Effektes ein Laserstrahl. Das Design des Lichtkanls ist ausschlaggebend, um Leistungsfähigkeit und spezifische Wellenlänge des hybriden Silizium-Lasers zu bestimmen.

Bisherige Erfolge auf dem Gebiet
Im Rahmen seines langfristigen Forschungsprogramms verfolgt Intel das Ziel, Photonik und Silizium zu kombinieren – unter Verwendung von Standardprozessen der Silizium-Herstellung. Dabei kann das Unternehmen bereits mehrere Erfolge vorweisen: So waren Intel-Forscher im Jahr 2004 die ersten, die einen Silizium-basierten optischen Modulator mit einer Bandbreite von mehr als 1 GHz präsentierten; das ist eine fast 50mal höhere Geschwindigkeit als in vorhergehenden Silizium-Modulatoren. 2005 waren es wiederum Intel-Forscher, die als erste bewiesen, dass Licht unter Verwendung von Silizium verstärkt werden kann. Dies geschah mithilfe einer externen Lichtquelle, die einen durchgängigen Laser-on-a-chip erzeugte, basierend auf dem Raman-Effekt.