MILAS

Monolithisch integrierter Laser aus III-V-Nanodrähten für Silizium-Photonik

Miniaturisierte Siliziumphotonik für erhöhte Integration

Die Silizium-Photonik hat in den letzten Jahren eine stürmische Entwicklung erfahren. Dabei werden Konzepte und Technologien der Mikroelektronik auf optische Systeme übertragen. Zentrale Errungenschaften der Mikroelektronik – hochintegrierte, kompakte und energieeffiziente Systeme, die schnell, preiswert und in hoher Stückzahl hergestelltwerden können – kommen damit der Photonik zugute. Die Kommerzialisierung wird vor allem durch Anwendungen in der Datenübertragung getrieben. So erfährt der weltweite Datenverkehr enorme Zuwachsraten. Die dafür nötige Erweiterung der Infrastruktur ist auf den Einsatz von schnellen, preiswerten, kompakten und energieeffizientenSystemen angewiesen. Dabei werden optische Komponenten gegenüber elektrischer Datenübertragung für immerkürzere Übertragungsstrecken wirtschaftlich.

Heutzutage bestehen optische Systeme aus einer Vielzahl von separaten Einzelkomponenten, hergestellt aus verschiedenen Materialsystemen. Wichtige Komponenten photonischer Systeme konnten bereits auf Silizium demonstriert werden, aber eine integrierte, effiziente, elektrisch betriebene Laserquelle ist kommerziell noch nicht verfügbar. Die Integration eines Lasers auf Silizium würde es ermöglichen, statt der Kombination separater Einzelkomponenten kompakte und preiswerte monolithische Systeme zu verwenden, die komplett auf der technologisch ausgereiften Silizium-Plattform hergestellt werden. Damit kommt dem Silizium-Laser eine strategische Bedeutung zu.
In der Silizium-Photonik wird Licht in mikroskopisch kleinen Silizium-Wellenleitern geführt, die in der obersten Ebene einer Kristallscheibe (Wafer) verlaufen. Diese Scheibe besteht aus einer dünnen Siliziumschicht auf einer Oxidschicht, die wiederum von einer dicken Siliziumschicht getragen wird. Die entscheidende Herausforderung für die Verknüpfung von senkrecht stehenden III-V-Nanodrähten mit planaren Silizium-Wellenleitern ist nun, Licht zwischen den beiden Elementen effizient zu koppeln. Dies soll in diesem Projekt erreicht werden, indem die Nanodrähte als geordnete Reihe auf einem Silizium-Wellenleiter gezüchtet werden. Bei geeigneter Wahl der Nanodrahtanordnung und -abmessungen wirkt die Nanodrahtreihe wie ein optisches Gitter auf dem Wellenleiter, so dass eine gute Lichtkopplung erreicht wird. Durch eine geschickte Platzierung von Spiegeln wird zudem aus der Nanodrahtreihe und dem Wellenleiterabschnitt unter der Reihe ein gemeinsamer Laserresonator gebildet. Dieser kann je nach Ausführung entweder optisch oder elektrisch zum Lasern angeregt werden.

MILAS – enorm hoher Nutzen für die Gesellschaft

Photonische Technologien sind bereits jetzt von hoher volkswirtschaftlicher Bedeutung. Aufgrund seiner strategischen Rolle würde ein Silizium-Laser ganz allgemein gesehen zu einer noch weitergehenden Verbreitung und Durchdringung solcher Technologien führen. Von ganz offensichtlicher gesellschaftlicher Bedeutung ist dabei insbesondere die Datenübertragung, die mittlerweile den Alltag vieler Unternehmen und Bürger stark prägt. Aufgrund der möglichen Steigerungen in der Energieeffizienz vieler Systeme könnte ein Silizium-Laser zudem auch einen Beitrag zur Energiewende leisten.

Projektdetails

Koordinator

Dr.Lutz Geelhaar
Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik
Hausvogteiplatz 5-7, 10117Berlin
+49 30 20377 359

Projektvolumen

400.000 € (100% Förderanteil durch das BMBF)

Projektdauer

15.04.2018 - 30.09.2020

Projektpartner

Paul-Drude-Institut für FestkörperelektronikBerlin