Laser op silicium maakt optische chip mogelijk

Onderzoekers van Intel hebben een doorbraak bereikt in lasers op silicium. Deze technologie, waarvan de chipproducent begin januari al gewag maakte, is nu verfijnd en maakt optische chips mogelijk.

Intels referentie-ontwerp van een silicium-laser haalt datatransmissiesnelheden tot 4 Gigabit per seconde. Deze foto toont een prototype chip met acht lasers.

In januari hadden de Intel-onderzoekers al een werkende silicium-laser, maar die had geen continue straal en stopte dus na een bepaalde tijd. De aanvankelijke oplossing was om de laser in pulsen te laten werken, maar dat beperkt het nut enorm. De oplossing is onlangs gevonden in een stralingseigenschap, het ‘Raman Effect’. “Hiermee is een fundamentele barrière overkomen”, meldt Intel-onderzoeker Mario Paniccia.
“We hebben nu de eerste continue-golf laser op één chip ontwikkeld.” Paniccia is hoofd van Intels groep voor fotonisch onderzoek. Hij heeft met zijn team een methode ontwikkeld voor het genereren van een laserstraal met een silicium-constructie, ofwel chip. Tot op heden gebruiken lasers dure optische componenten, die worden gecombineerd met elektronica om data te kunnen verzenden. “Het combineren van die elementen, de ‘packaging’, zorgt nu voor ongeveer 60 procent van de kosten van een laser.”

Snelheid

Toch zijn lasers aantrekkelijk voor ict-gebruik doordat ze data op zeer hoge snelheden en met een hoge bandbreedte kunnen versturen. “Eén glasvezel kan alle telefoongesprekken in de VS van een jaar transporteren”, vat Intel-manager Victor Krutul samen. De telecomindustrie gebruikt allang lasers.
Intels doorbraak levert een complete laser op, inclusief lichtbron, lichtpad en -routering, modulator en fotoreceptor. “Dat alles is nu samengebracht in één stukje silicium”, zegt Paniccia. Hij meldt dat het huidige referentie-ontwerp datatransmissiesnelheden tot 4 Gigabit per seconde aankan. “En we gaan naar 10 Gb”, verzekert hij.

Massaproductie

De implementatie van een complete laser op één chip opent de weg naar de massamarkt. Op termijn maakt dit optische verbindingen mogelijk en betaalbaar tussen niet alleen netwerksegmenten, maar ook servers, pc’s en zelfs chips en processoren in computers.
Paniccia ziet ook andere toepassingen voor lasertechnologie: “Lasers worden al wel ingezet voor medisch gebruik, maar ze kosten dertig- tot vijftigduizend dollar per stuk. Daarnaast is er behoefte aan diverse golflengtes, om te opereren in verschillende materialen, zoals een kies of een tumor. Nu zijn daar verschillende lasers voor nodig. Onze doorbraak maakt het mogelijk een schakelbare laser te ontwikkelen.” Hij ziet verder mogelijkheden voor chemo-analyse en spectrografie.
Krutul: “Intel past nu massaproductietechnieken van cmos-chips (complementary metal-oxyde semiconductors, red.) toe op andere gebieden.” Hij stelt dat silicium-lasers op zich niet nieuw zijn. “Vergelijk het met auto’s; die waren er ook al vóór het T-model van Henry Ford, maar hij heeft het naar de massa gebracht.”

Reguliere lasers vereisen relatief omvangrijke en complexe apparatuur.

Paniccia benadrukt dat de Intel-onderzoekers pertinent met standaard cmos-productieprocessen wilden werken. “Anders gebruik je toch weer gespecialiseerde productielijnen en stijgen de kosten.” Daarmee blijft de massamarkt buiten bereik, zo redeneert hij. “We wilden ook af van actieve lasers, die afstemming vereisen, wat het geheel weer complex en dus duur maakt.”

Kilometers glasvezel

Silicium lijkt op het eerste oog niet geschikt voor fotonische toepassingen. Het absorbeert licht en geeft dat af als hitte. Reguliere lasers gebruiken dan ook exotische materialen die licht juist versterken. Intel heeft toch een manier gevonden om silicium effectief te gebruiken voor een laser.
De nu bereikte silicium-oplossing komt niet uit de lucht vallen. “We zijn hier al meer dan tien jaar mee bezig”, zegt Paniccia. Bovendien bouwt het Intel-onderzoek voort op veel wetenschappelijk voorwerk. De nu onthulde verfijning is gebaseerd op het Raman Effect, dat in 1928 is geformuleerd door Venkata Raman, die hiervoor in 1930 de Nobel-prijs ontving. “Dat effect is twee jaar na de eerste laser gedemonstreerd.” De eerste werkende robijnlaser is in 1960 gebouwd.
“Het Raman Effect wordt veel gebruikt in de telecommunicatie voor lange afstanden (long haul). Daarbij heeft een Raman-versterker kilometers aan glasvezel nodig om de gewenste versterking te bereiken. Silicium heeft echter een kristalstructuur, waardoor de versterking tienduizend keer sterker is dan bij glasvezel. De versterking kan dus in centimeters in plaats van kilometers.” Paniccia en zijn collega’s doen hun doorbraak gedetailleerd uit de doeken in een artikel in de nieuwe editie van het wetenschapsblad Nature.