Heiliger Gral der Silizium-Photonik geknackt?

Physikern ist es erstmals gelungen, einen effizienten und verlässlichen Nano-Laser direkt auf Silizium zu züchten. Der Laser besteht aus Nanokristallen, die in Gitterform mehrschichtig aufgedampft wurden und kann sowohl gepulstes als auch kontinuierliches Licht erzeugen. Er ist leistungsfähiger und langlebiger als alle bisherigen Versuche, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature Photonics“ berichten. Damit habe man den heiligen Gral der Silizium-Photonik realisiert.

Licht gilt als das Übertragungsmedium der Zukunft, schon jetzt sorgen Lasersignale in Glasfaserkabeln für ultraschnelle Verbindungen mit hoher Bandbreite. Vor wenigen Monaten erst stellten Forscher zudem den ersten Chip vor, der optische und elektronische Bauteile in sich vereint. Was bislang jedoch noch fehlte war ein effizienter, elektrisch gepumpter Laser, der direkt in einen Siliziumchip integriert werden kann.

Das Problem dabei: Silizium und Germanium sind zwar gute Halbleiter, sie geben aber nur wenig Licht ab, wenn sie angeregt werden. Galliumarsenid-Verbindungen wiederum sind effektive Lichtproduzenten, ließen sich bisher wegen ihrer abweichenden Struktur nur schwer mit dem Siliziumgitter verbinden.

Nanokristalle als Laser

Doch genau dies ist nun Siming Chen vom University College London und seinen Kollegen gelungen. Sie haben erstmals einen Laser aus Indium-Arsenid und Galliumarsenid direkt auf einem Siliziumsubstrat gezüchtet. Dieser Laser besteht aus sogenannte Quantenpunkten, winzigen Nanokristallen, die die aktiven, Laserlicht erzeugenden Konfigurationen enthalten.

Um diese Quantenpunkt-Laser zu züchten, bedampften die Forscher die Silizium-Oberfläche des Chips mit drei Schichten Galliumarsenid. Zwischen diesen Schichten trugen sie ein Gitter als Indium-Arsenid, eingebettet in Galiumarsenid auf, das die eigentlichen Quantenpunkte bildete. Dieser Aufbau bildete schließlich einen fünfschichtigen Quantenpunktlaser.

Effizient und langlebig

Bei Raumtemperatur erzeugt der Laser sowohl kontinuierliches als auch gepulstes Licht der Wellenlänge von 1.300 Nanometern mit einer Energie von 105 Milliwatt – und das bei geringer Stromdichte im Chip, wie die Forscher berichten. Er ist damit deutlich effizienter als alle bisherigen Versuche solcher integrierten Laser. Zudem funktioniert der Quantenpunkt-Laser bis zu 100.000 Stunden lang.

Der Laser arbeitet auch dann noch verlässlich, wenn die Temperatur auf dem Chip ansteigt. „Das ist wichtig, weil elektronische Chips oft unter Temperaturen von 65 Grad und mehr arbeiten müssen“, so Chen und seine Kollegen. Wie sie berichten, funktionierte ihr neuer Quantenpunkt-Laser mit kontinuierlichem Licht bis 75 Grad und mit gepulstem Strahl bis zu einer Temperatur von 120 Grad.

„Heiliger Gral der Silizium-Photonik“

„Die von uns entwickelten Techniken haben es uns erlaubt, den heiligen Gral der Silizium-Photonik zu schaffen – einen effizienten und verlässlichen elektrisch getriebenen Halbleiterlaser, der direkt in das Siliziumsubstrat integriert ist“, erklärt Forschungsleiter Alwyn Seeds vom University College. „Das Produzzieren solcher Laser ist ein fundamentaler Schritt hin zur Silizium-Photonik.“

Nach Ansicht der Forscher eröffnen solche Laser neue Möglichkeiten für die direkte Integration optischer Verbindungen auf die siliziumbasierten Chips. „Natürlich lassen sich die konkreten Folgen unmöglich im Einzelnen voraussagen, aber das wird eindeutig die Computertechnik und die digitale Ökonomie transformieren und ganz neue Möglichkeiten der Energieeffizienz schaffen“, sagt Koautor Peter Smowton von der Cardiff University. (Nature Photonics, 2016; doi: 10.1038/nphoton.2016.21)

(Cardiff University, 08.03.2016 – NPO)