Ein internationales Forschungsteam hat einen Meilenstein in der Silizium-Photonik erreicht: Sie haben den ersten elektrisch gepumpten Halbleiterlaser für einen kontinuierlichen Betrieb entwickelt, der vollständig aus Elementen der vierten Hauptgruppe – der „Siliziumgruppe“ – besteht. Der neue Laser basiert auf ultradünnen Schichten aus Silizium-Germanium-Zinn und Germanium-Zinn und lässt sich direkt in Siliziumchips integrieren. Damit wird ein zentrales Problem der On-Chip-Photonik gelöst: die nahtlose Verbindung von optischen und elektronischen Komponenten auf einem einzigen Chip. Die Ergebnisse der Forschungsarbeit wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
Mit den rasanten Fortschritten in der Künstlichen Intelligenz (KI) und dem Internet der Dinge (IoT), also der zunehmenden Vernetzung intelligenter Geräte, steigt der Bedarf an leistungsstarker und energieeffizienter Hardware. Die optische Datenübertragung bietet hier klare Vorteile: Sie ermöglicht den Transport großer Datenmengen bei minimalen Interferenzen und Energieverlusten. Während sie heute vor allem für Distanzen über einem Meter eingesetzt wird, erweist sich die optische Datenübertragung zunehmend auch über kürzere Reichweiten als vorteilhaft. Ein zentrales Ziel ist die Integration entsprechender optischer Komponenten direkt in Mikroprozessoren – diese würden dann vergleichbar mit Transistoren direkt bei der Chip-Fertigung ausgeformt. Im Fokus der Forschung steht daher die Entwicklung kostengünstiger photonischer integrierter Schaltkreise (PICs), die sowohl die Leistung verbessern als auch die Herstellungskosten senken können.
In den letzten Jahren hat die Silizium-Photonik bereits große Fortschritte erzielt. Schlüsselkomponenten wie Hochleistungsmodulatoren, Fotodetektoren und Wellenleiter konnten bereits erfolgreich monolithisch auf Siliziumchips integriert werden. Doch ein zentraler Baustein fehlte bislang: eine elektrisch gepumpte Lichtquelle, die ausschließlich auf Materialien der vierten Hauptgruppe basiert. Üblicherweise verwendete III-V-Halbleiter, die aus anderen Hauptgruppen stammen, lassen sich nur schwer mit Silizium kombinieren – ein Material, auf dem die gesamte Chipfertigung beruht. Das macht die Herstellung aufwändig und teuer. Der neue Laser schließt diese Lücke und gilt daher als das „letzte fehlende Puzzlestück“ der Silizium-Photonik. Da er mit der klassischen CMOS-Technologie kompatibel ist, kann er nahtlos in bestehende Siliziumprozesse integriert werden.
