Intel: Erster unterbrechnungsfreier Silizium-Laser

Technische Details

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 erste Laser, haben auch 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 es verstärkt wird, sobald es den Chip durchdringt. Diese Verstärkung - der 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 gelang es, Laser auf einem nur wenige Zentimeter großen Silizium Chip zu erzeugen.

Ein Laser ist allgemein 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, können die Intel-Team das Licht bündeln und verstärken, wenn es im Chip vor und zurück reflektiert. 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. Das geschieht solange, bis sie derart viel Licht absorbieren, dass die
Verstärkung beendet wird.

Intel integrierte nun eine Halbleiter-Struktur um den Hohlleiter herum. 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.

Ausführliche Information zur Technologie des Silizium-Lasers gibt es bei Intel auf dieser Seite. Grundlagenartikel zur Halbleiterfertigung finden Sie bei tecCHANNEL in der Rubrik Techologie/Halbleiter. (mec)