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.
Bis der laut Intel weltweit erste unterbrechungsfreien Laser auf Basis herkömmlichem Siliziums in kommerzielle Produkte eingesetzt werden kann, ist es noch weit. Intel feiert die ersten Ergebnisse dennoch als überaus wichtigen Meilenstein. Mit solchen Geräten können Daten in und zwischen Computern mit Lichtgeschwindigkeit bewegt werden und diese Entdeckung gibt den Anstoß für eine Welle neuer Anwendungen, so Intel.
"Wir haben zum ersten Mal demonstriert, dass gewöhnliches Silizium genutzt werden kann, um Geräte zu bauen, die Licht verstärken," erläutert Dr. Mario Paniccia, Director des Intel Photonics Technology Lab. "Da Herstellung, Zusammenbau und Verpackung qualitativ hochwertiger optischer Bauteile sehr teuer sind, ist deren Einsatz bislang begrenzt." 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 der Intel-Technik erschließen sich zukünftig neue mögliche Einsatzgebiete.
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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)