Nano-Laser für optische Kommunikationssysteme

Elektroingenieure der Universitäten Stanford und Berkeley um Jelena Vuckovic, James Harris (beide Stanford) und Eugene Haller haben einen neuen Halbleiter-Laser im Nanoformat entwickelt, der sich im Vergleich zu aktuellen Technologien durch eine viel höhere Energieeffizienz und Modulationsgeschwindigkeit auszeichnet.

Laser dieser Art könnten in Zukunft für optische Datenverbindungen innerhalb und zwischen Computerchips zum Einsatz kommen, da diese nicht nur deutlich energieeffizienter sind als die heutigen elektrischen Datenverbindungen, sondern auch höhere Übertragungsgeschwindigkeiten versprechen. So forscht beispielsweise der Chip-Riese IBM unter dem Überbegriff „Nanophotonik-Toolbox“ schon seit Jahren an Komponenten für optische Inter- und Intra-Chip-Kommunikation. Der Laser würde in einem solchen Chip als Transmitter fungieren, der über optische Fasern Informationen an den Receiver übermittelt.

Hohe Effizienz und Modulationsrate

Der Laser basiert auf einem photonischen Kristall und benötigt aufgrund einer sehr niedrigen Schwellstromgrenze etwa tausend mal weniger Energie als heutzutage kommerziell verfügbare Produkte und bietet dabei eine zehnmal höhrere Modulationsrate: Pro Sekunde kann er bis zu 100 Milliarden mal moduliert werden, was einer Frequenz von 100 Gigahertz entspricht. Zudem vermuten die Forscher noch Potenzial für weitere Verbesserungen in der Zukunft.

Zwar gibt es bereits heute andere Laser mit einem geringen Schwellstromwert, diese benötigen aber einen zweiten Laser um die nötige Pumpenergie für die Photonenemission zuzuführen. Zielführender sei jedoch die Nutzung von Elektrizität statt Photonen zur Anregung. Auch einen solchen elektrisch gepumpten Laser gibt es bereits. Dieser ist allerdings nicht sehr effizient und schwer herstellbar, was ihn für kommerzielle Anwendungen disqualifiziere.

Relativ einfach herstellbar

Der neue Laser vereint nun eine hohe Effizienz und einen vergleichsweise einfachen Herstellungsprozess. Dazu ließen die Wissenschaftler zunächst einen Galiumarsenid-Wafer wachsen, indem sie mit einem Strahl gezielt Moleküle versprühten um einzelne Schichten fertigen zu können. An bestimmten Punkten des Prozesses mischten sie drei dünne Schichten Indiumarsenid unter, die im Querschnitt wie kleine Erhebungen im Wafer erscheinen – sogenannte Quantenpunkte. Der ganze Stapel hatte am Ende eine Dicke von lediglich 220 Nanometern. Im nächsten Schritt wurden zwei separate Flächen mit Silizium- beziehungsweise Berylliumionen dotiert. Sie werden zueinander hin breiter, treffen sich aber nie. Sie helfen den Stromfluss sehr gezielt auf eine bestimmte Region im Zentrum des Wafers zu fokussieren, in der die Photonen emittiert werden und verbessern so die Leistung des Lasers.

In den fertigen Wafern wird ein präzises Honigwabenmuster aus kreisrunden Löchern geätzt, deren Größe und Position exakt festgelegt ist. Stimmen Größe und Position nicht, leidet die Leistung oder der Laser funktioniert gar nicht. Die Löcher mit glatten Innenwänden funktionieren wie eine Art Spiegelhalle und reflektieren die Photonen zurück ins Zentrum des Lasers, wo sie konzentriert und verstärkt werden.

Hauchdünne optische Fasern als Datenleitung

Um die Lichtimpulse des Lasers an einen Photodetektor zu übertragen, nutzen die Wissenschaftler eine optische Faser. Diese erhitzten und dehnten sie, bis sie hundert mal dünner als ein menschliches Haar war. Auf einer einzelnen Schicht könnten hunderte dieser extrem dünnen Transmitter angeordnet werden und schließlich mehrere dieser Schichten zu einem Chip zusammengefasst werden.

Noch nicht praktisch einsetzbar

Vor einem praktischen Einsatz müssen jedoch noch Probleme gelöst werden. So arbeitet der Laser derzeit bei einer Temperatur von unter -123 Grad Celsius. Vuckovic und ihre Kollegen sind jedoch optimistisch, durch Verbesserungen im Herstellungsprozess einen bei Zimmertemperatur funktionsfähigen Laser herstellen zu können, der die gleiche Effizienz bietet und dann auch kommerziell nutzbar wäre. Weitere Informationen zum Nano-Laser der Forscher wurden in Nature Photonics veröffentlicht.