Mini-Laser schließt Lücke zur Silizium-Photonik

Laserlicht für Mikrochips: Physiker haben einen Mini-Laser entwickelt, der nur aus Elementen der Siliziumgruppe besteht und daher perfekt in Siliziumchips integriert werden kann. Er ist zudem der erste elektrisch gepumpte Mini-Laser dieser Art, der kontinuierliche Laserstrahlung erzeugen kann. Damit könnte dieser aus Germanium, Zinn und Silizium bestehende Laser eines der zentralen Probleme der Silizium-Photonik lösen: die nahtlose Integration optischer Komponenten direkt in die Mikroprozessoren, wie das Team in „Nature Communications“ berichtet.

Ob die optische Datenübertragung oder photonische Chips: Das Rechnen mit Licht kann viele Anwendungen im Elektronik- und Computerbereich leistungsfähiger und effizienter machen. Entscheidend dafür ist jedoch, wie gut sich die optischen Komponenten in die klassische Siliziumelektronik integrieren lassen – idealerweise mit denselben Produktionsverfahren.

Passender Laser gesucht

Doch ausgerechnet bei einer Kernkomponente der Photonik ist dies bisher nicht gelungen: dem Laser. Zwar haben Forscher schon Pulslaser in Chips integriert und Hybrid-Chips entwickelt. Doch deren Laser bestehen meist aus Halbleitern anderer chemischer Hauptgruppen als Silizium. Das macht den Einbau solcher Laser aufwendig und teuer. Was bisher fehlte, war ein effizienter On-Chip-Laser aus Halbleitern der Siliziumgruppe, der dennoch effizient arbeitet und sowohl gepulstes wie kontinuierliches Laserlicht produzieren kann.

„Ein solches Bauteil aus Gruppe-IV-Halbleitern gilt als das letzte noch fehlende Teil in der Toolbox der Silizium-Photonik: ein siliziumbasierter kontinuierlicher Laser“, erklären Lukas Seidel von der Universität Stuttgart und seine Kollegen. Um möglichst effizient zu sein, sollte dieser Mini-Laser zudem elektrisch gepumpt sein. Das bedeutet, dass er zur Anregung seiner Lichtemission kein energiefressendes „Starterlicht“ benötigt, sondern nur elektrischen Strom.

Quantensenken in wechselnden Halbleiterschichten

Diesen fehlenden Laser-Baustein hat nun das Team um Seidel nun erstmals entwickelt und konstruiert. „Die Demonstration eines kontinuierliche strahlenden, elektrische gepumpten Lasers nur aus Gruppe-IV-Elementen ist ein bedeutender Durchbruch“, erklären die Physiker. Denn dieser miniaturisierte On-Chip-Laser ist mit der klassischen CMOS-Fertigungstechnik kompatibel und kann daher nahtlos in bestehende Siliziumprozesse integriert werden.

Konkret besteht der neue Mini-Laser aus einem Stapel von auf den Siliziumchip aufgedampften Schichten von Silizium-Germanium-Zinn und Germanium-Zinn. In diesen abwechselnden Halbleiterschichten entstehen Quantensenken, die als aktives Lasermedium dienen. Bei Anregung mit elektrischem Strom führt die Anregung dieser Materialien dazu, dass sie eine stimulierte Emission kohärenter Photonen abgeben.

Scheibenrand als Resonator

Um diese Photonenemission zu sammeln und zu bündeln, erhielten die Halbleiterschichten durch Ätzen die Form einer dünnen Scheibe. „Dieses Unterätzen der Mikroscheibe erzeugt einen hohen Kontrast im Brechungsindex und führt zum Sammeln des Lichts am Rand der Germanium-Zinn-Scheibe“, erklären Seidel und sein Team. Dieser ringförmige Bereich dient damit als Laser-Resonator.

In ersten Tests zeigte sich, dass der neue On-Chip-Laser effizient und zuverlässig arbeitet: „Die Laser-Funktionalität reichte von kurzen, 100 Nanosekunden-Pulsen bis in den kontinuierlichen Bereich“, berichten die Forscher. Der resultierende Laserstrahl liegt im Nahinfrarotbereich bei 2,32 Mikrometer Wellenlänge und hat eine optische Bandbreite von 15 Gigahertz. Für das elektrische Pumpen benötigt der Laser nur eine Stromstärke von fünf Milliampere und eine Spannung von zwei Volt – vergleichbar mit einer Leuchtdiode, wie die Physiker erklären.

Weitere Optimierung nötig

Allerdings: Der erste Prototyp ihres Lasers funktioniert noch nicht bei Raumtemperatur, sondern muss bis auf gut minus 180 Grad heruntergekühlt werden – nicht wirklich praktisch oder gar universell einsetzbar. Doch wie das Team erklärt, gibt es bereits Germanium-Zinn-Laser, die an einen Betrieb bei Raumtemperatur angepasst wurden. Sie halten dies daher auch für ihren On-Chip-Laser für erreichbar. (Nature Communications, 2024; doi: 10.1038/s41467-024-54873-z)

Quelle: Nature Communications, Forschungszentrum Jülich