Mikro-Laser aus durchlöchertem Silizium

Silizium-Laser

Tausende winziger Löcher in einer Schicht aus Silizium bilden die Grundlage für einen neuen Lasertyp. Mit diesem könnten bald extrem schnelle Computerchips entwickelt werden, die ihre Daten mit Lichtteilchen statt mit Elektronen rasanter verarbeiten sollen. Verwirklicht wurde der nur wenige Millionstel Meter kleine Silizium-Laser von einer Arbeitsgruppe der Osaka Prefecture University in Japan. Wie die Forscher in der Fachzeitschrift „Nature“ berichten, braucht ihr neuer Laser sehr wenig Platz und Energie und könnte elegant mit Schaltkreisen auf Siliziumbasis kombiniert werden.

Für herkömmliche Laser, die passende sog. „Bandlücken“ in den Energieniveaus eines Materials zur Lichtverstärkung benötigen, ist der Halbleiter Silizium nicht geeignet. Daher nutzten Yasushi Takahashi und seine Kollegen einen physikalischen Effekt, bei dem Lichtwellen mit mechanischen Schwingungen in einem Material wechselwirken und so bis zur Emission von Laserlicht verstärkt werden können. Für diese sogenannte Raman-Streuung wird allerdings eine filigrane Struktur benötigt, um die mechanischen Schwingungen exakt an die verwendeten Lichtwellen im Infrarot-Bereich anpassen zu können.

Modellrechnungen in einem Computer lieferten Takahashi den Bauplan für seinen Silizium-Laser. So durchlöcherte sein Team mit einem Elektronenstrahl und lithografischen Ätzmethoden eine Siliziumschicht mit Tausenden winzigen und symmetrisch angeordneten Löchern. Fiel nun ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 1.428 Nanometern auf diese auch photonischer Kristall genannte Struktur, kam es zu einer resonanten Anregung der Atome in dem durchlöcherten Siliziumkristall. Die Folge: Die Frequenz der Lichtwelle verschob sich genau um 15,6 Terahertz. Dabei sendete die Struktur ein kontinuierliches Laserlicht mit einer anderen Wellenlänge von 1.543 Nanometern aus, die ideal zum Transport und zur Verarbeitung digitaler Daten geeignet ist.

Nach diesem Prinzip wurden bereits vor wenigen Jahren erste Siliziumlaser gebaut, die allerdings noch einige Zentimeter groß waren. Takahashis Prototyp jedoch ist mit wenigen Mikrometern um ein Vielfaches kleiner und erfordert eine deutlich geringere Leistung des anregenden Lasers von etwa einem Mikrowatt. So geschrumpft könnten nun Siliziumlaser erstmals in den filigranen Aufbau von Computerprozessoren integriert werden. Für die Entwicklung extrem schneller Lichtchips müsste allerdings noch eine Hürde überwunden werden. Denn bisher muss dieser Siliziumlaser mit dem Licht eines weiteren Lasers angeregt – im Fachjargon „optisch gepumpt“ – werden. Ideal wäre eine rein elektrische Anregung der Lichtemission, die bislang jedoch nicht verwirklicht werden konnte.