Optoelektronik: Licht schaltet Licht
Optische Bauelemente aus Silizium könnten sich einfach in Schaltkreise einbauen lassen
Rein optische Lichtmodulatoren aus III/V-Verbindungshalbleitern sind Stand der Technik. Silizium als Rohmaterial würde die Integration in Schaltkreise voranbringen, bisher gibt es solche Lichtmodulatoren aus Silizium zwar, aber sie sind klobig, schalten langsam – und das auch nur bei extrem hohen Lichtintensitäten des Pumpstrahls. Ein Ring-Resonator aus Silizium scheint diese Widrigkeiten zu umgehen, er reagiert mit deutlichen Modulationen der Lichttransmission auf winziges Variieren des Brechungsindexes und schaltet zehn Millionen mal schneller als die Vorläufermodelle aus Silizium. Das Einsatzfeld ist die Telekommunikation.
Das direkte Schalten eines Lichtstahls durch einen anderen ohne Umweg über elektrische Signale ist ein langjähriges Ziel der Optoelektronik. Das ideale Trägermaterial wäre Silizium – wegen der langjährigen Erfahrung in der Fertigung. Vor kurzem gelang es zwar, rein optische Bauelemente aus Silizium herzustellen, die Lichtstahlen ablenken, aufteilen, zusammenführen und filtern. Allerdings ist der Weg des Lichts fest eingestellt und kann während des Betriebs nicht geändert werden – schon gar nicht in Echtzeit.
Optische Schalter und Lichtmodulatoren aus III/V-Verbindungshalbleitern, beispielsweise GaAs, gibt es bereits, nicht so entsprechendes aus Silizium. Einer der Gründe ist die niedrige elektrische Polarisierbarkeit, daher sind die schwachen nichtlinearen optischen Effekte erst bei extrem hohen Lichtintensitäten zu beobachten. Ein geläufiger Effekt der nichtlinearen Optik ist der lichtintensitätsabhänge Brechungsindex. Zudem dürfen die Bauelemente nicht zu klobig werden, sie sollen schließlich auf einen Chip Platz finden.
Lichtmodulator schaltet dank Resonator-Aufbau um Größenordungen schneller als bisheriger MOS-Aufbau
Elektroingenieure an der Cornell-Universität haben nunmehr einen schnellen optischen Schalter aus Silizium konstruiert, wie sie in ihrem Artikel in der Ausgabe vom 28. Oktober 2004 der Zeitschrift Nature auf Seite 1081 in Band 431 beschreiben. Der Lichtschalter ist ein Ringresonator, in dem sich kleine Variationen des Brechungsindex auswirken. Der Transmissionsanteil des Lichts lässt sich innerhalb von 500 Picosekunden modulieren, und das mit einer Lichtpulsenergie von nur 25 Picojoule.
Ein Problem des bisher bekannten MOS-Aufbaus war, dass Brechungsindex oder Absorptionskoeffizient nur sehr schwach mit der Konzentration der freien Ladungsträger variieren. Das führt zu Bauelementegrößen von einigen Millimetern – solch klobige Lichtmodulatoren wären uninteressant für künftige technische Einsatzfelder.
Ein Ring-Resonator aus Silizium mit einem Durchmesser von 10 µm erscheint geeigneter. Ein solches Bauelement lässt sich mittels Elektronenstrahllithografie und Plasma-Ionen-Ätzung formen. Eine Änderung des Brechungsindex um ein Promille kann die Transmission drastisch ändern, das Drehen am Brechungsindex ändert die Resonanz-Wellenlänge, was wiederum zu einer Modulation der transmittierten Lichtintensität führt.
Intensive, kurze Pump-Pulse eines Titan-Saphir-Lasers setzen mittels zwei-Photonen-Absorption Ladungsträger – also Elektron-Loch-Paare – frei und beeinflussen so den Brechungsindex. Die Antwortzeit des Resonators beträgt einige Picosekunden.