Intels unterbrechungsfreier Silizium-Laser

Intels Wissenschaftlern ist es gelungen, den weltweit ersten unterbrechungsfreien Laser aus herkömmlichen Silizium zu entwickeln. Intel selbst sieht diese Errungenschaft als bahnbrechenden wissenschaftlichen Erfolg an.

Die neue Technik soll den Weg für die Herstellung kostengünstiger und dabei qualitativ hochwertiger Laser- und optischer Geräte für den breiten Einsatz in EDV, Kommunikation und Medizin ermöglichen. Intel Wissenschaftler fanden einen Weg, den so genannten Raman-Effekt und die kristalline Siliziumstruktur zu nutzen, um die Lichtintensität zu steigern, wenn dieses in das Silizium einstrahlt. Das Besondere dabei ist, dass der Versuchschip, sobald ihn Licht aus einer externen Quelle durchdringt, einen Laserstrahl erzeugt, der dauerhaft und unterbrechungsfrei ist.

Kommerzielle Produkte sind zwar noch in weiter Ferne, die Entwicklung soll jedoch den Weg für kostengünstige Silizium-basierte optische Geräte für den Massenmarkt ebnen. Mit solchen Geräten können Daten in und zwischen Computern mit Lichtgeschwindigkeit bewegt werden und ermöglicht eine Welle neuer Anwendungen.

„Wir haben zum ersten Mal demonstriert, dass gewöhnliches Silizium genutzt werden kann, um Geräte zu bauen, die Licht verstärken. Da Herstellung, Zusammenbau und Verpackung qualitativ hochwertiger optischer Bauteile sehr teuer ist, ist deren Einsatz bislang begrenzt.“

Dr. Mario Paniccia, Director des Intel Photonics Technology Lab

Heute hat jeder Computer eine Energiequelle um die Prozessoren, Festplatten und die Systemperipherie zu versorgen. Für die Zukunft ist es vorstellbar, dass PCs auch mit einer Versorgungsquelle für winzige Lasergeräte, Verstärker und optische Verbindungen angeboten werden. Somit könnten Datenmengen im Terabyte Bereich im Computer- und Netzwerkumfeld bewegt werden. Zudem gibt es spezielle Lichtwellenlängen, die für Interaktionen mit menschlichem Gewebe optimiert sind. So ist beispielsweise ein bestimmter Laser-Wellenlängentyp bestens geeignet für Arbeiten am Zahnfleisch während ein anderer für das Freilegen von Löchern in den Zähnen prädestiniert ist. Bislang sind diese Lasergeräte sehr teuer und deshalb ist deren Nutzung beschränkt. Mit den Forschungsergebnissen, die Intel mit seiner Technik erzielt hat, erschließen sich zukünftig neue mögliche Einsatzgebiete. Günstige medizinische Lasergeräte stellen dabei nur eine Möglichkeit dar.

Der Bau eines Raman-Lasers aus Silizium beginnt damit, durch Ätzung einen Hohlleiter zu erzeugen, also einen Leiter für das Licht auf einem Chip. Silizium ist durchlässig für Infrarot-Licht. Wird dieses in den Wellenleiter gelenkt, wird das Licht dort aufgenommen und kann weiter über einen Chip geleitet werden. Wie bei dem im Jahr 1960 entwickelten, ersten Laser, haben die Intel Wissenschaftler eine externe Lichtquelle genutzt, um Licht in ihren Chip zu „pumpen“. Wenn das Licht in das Silizium befördert wird, sorgen die natürlichen atomaren Schwingungen des Siliziums dafür, dass das Licht verstärkt wird, sobald es den Chip durchdringt. Diese Verstärkung - der so genannte Raman-Effekt - ist bei Silizium mehr als 10.000 mal größer als bei Glasfasern. Raman Laser und Verstärker kommen heute in der Telekommunikation zum Einsatz und sind auf kilometerlange Glasfasern angewiesen, um Licht zu verstärken. Den Intel Forschern hingegen gelang es, Laser auf einem nur wenige Zentimeter großen Silizium Chip zu erzeugen.

Ein Laser ist allgemein bekannt als ein Gerät, das einen starken, unterbrechungsfreien Lichtstrahl abgibt, bei dem alle Photonen über die gleiche Wellenlänge, den gleichen Ladezustand und die gleiche Ausrichtung verfügen. Indem die Seiten des Chips mit einem dünnen reflektierenden Film überzogen wurden, vergleichbar mit dem Material auf hochwertigen Sonnenbrillengläsern, konnte das Intel Team das Licht bündeln und verstärken als es im Chip vor und zurück reflektierte. Mit Verstärkung der Kraft, mit der das Licht in den Chip „gepumpt“ wurde, war ein kritischer Schwellenwert erreicht, an dem von kurzer Dauer ein sehr präziser kohärenter Lichtstrahl austrat.

Bei einer Erhöhung der Kraft mit der das Licht in den Chip gepumpt wurde, stellte man anfangs keine Steigerung und letztendlich sogar eine Verringerung der Lichtstärke fest. Der Grund hierfür war ein Vorgang, den man „Two-Photon Absorption“ nennt. Dieser findet statt, wenn gleichzeitig zwei Photonen aus dem Lichtstrahl der externen Quelle mit einem Atom kollidieren und dabei ein Elektron aus seiner Bahn stoßen. Diese ungebundenen Elektronen häufen sich mit der Zeit und sammeln sich im Hohlleiter solange bis sie derart viel Licht absorbieren, dass die Verstärkung beendet wird. Zukunftsweisend an der Lösung war nun, dass Intel eine Halbleiter Struktur um den Hohlleiter herum integrierte. Der technische Fachausdruck hierfür lautet PIN (P-type - Intrinsic - N-type) Device. Wenn das PIN unter Spannung gesetzt wird, entfernt es durch ein elektrisches Feld die meisten der überschüssigen Elektronen aus der Lichtbahn. Somit sorgt die PIN-Halbleiterstruktur in Kombination mit dem Raman-Effekt für einen kontinuierlichen Laserstrahl ohne Störungen.

Intel begann mit der Forschung auf dem Gebiet der Silizium Photonik um seine Kompetenz bei Silizium in die Entwicklung integrierter optischer Geräte einzubringen, die von Intel Kunden in zahlreichen Produkten eingesetzt werden konnten. Dem Silizium Photonik-Team gelang eine Reihe von Erfolgen. Im Jahr 2004 stellte man beispielsweise den ersten Silizium basierten optischen Modulator zur Kodierung von Daten mit 1 GHz vor. Dies bedeutete eine Steigerung von über 50 Prozent gegenüber dem bis dahin existierenden Forschungsrekord von 20 MHz.

„Wir arbeiten an zahlreichen langfristigen Forschungsprogrammen, um herauszufinden, wie wir unsere Expertise bei Silizium in anderen Bereichen als Prozessoren anwenden können,“, meint Kevin Kahn, Intel Senior Fellow, Director, Communications Technology Lab. „So können wir vielleicht das Leben der Menschen komfortabler machen.“ Weitere Informationen sind direkt auf der Homepage des Silizium Photonik Teams erhältlich.