Neue On-Chip-Lichtquellen im Bereich der Siliziumphotonik

Die Nachfrage nach hohen Datengeschwindigkeiten und kompakteren sowie kostengünstigeren optischen Geräten ist die treibende Kraft hinter der Einbindung der Photonik in Siliziumchips. Bislang sind zahlreiche effiziente optische Geräte wie etwa Filter, Modulatoren, Mehrkanalgeräte und Detektoren entwickelt worden, die von der neuesten Siliziumtechnologie Gebrauch machen.

Durch die Entwicklung neuer Lichtquellen, bei denen es sich um weitere zentrale Transceiverelemente handelt und deren fachgerechte Integrierung in Siliziumchips wurde im Rahmen des Projekts HYSSOP (Hybrid III-V/silicon laser for the future generation of photonic integrated circuits) versucht, das Haupthindernis zu überwinden, das einer großflächigen Siliziumphotonik-Anwendung im Wege steht. Im Fokus standen Halbleiterlaser, die sowohl aus Silizium als auch aus Halbleitermaterialien der Gruppen III-V gefertigt sind. Zunächst wurden mit einem Silizium-auf-Isolator-Wafer Siliziumwellenleiter hergestellt, die daraufhin zu einem Epitaxial-Halbleiter-Wafer der Gruppe III-V verbunden wurden.

Das Projektteam demonstrierte erfolgreich das Potenzial verschiedener Hybridsiliziumlaser für Anwendungsbereiche wie etwa optische Verbindungen mit kurzer Reichweite und optische Übertragungen über große Entfernungen.

Distributed-Feedback (DFB)-Laser mit integrierten Hochgeschwindigkeitsmodulatoren werden zunehmend im Bereich des 100-Gb-Ethernets angewandt. Wissenschaftler entwickelten unter Verwendung eines Hybridsilizium-DFB-Lasers mit 25 mW mit einem integrierten Modulator, der bei 1 550 nm betrieben wird, ein den Standards entsprechendes Transceivermodul. Der Ausgangsstrom übertraf den zu diesem Standard festgelegten Grenzwert von 10 mW.

Eine weitere wichtige Errungenschaft war die Entwicklung einstellbarer Hybridsiliziumlaser, die sowohl transmitter- als auch receiverseitig für optische Langstreckenverbindungen genutzt werden können. Wissenschaftler führten umfassende Arbeiten durch, um Laser mit einer hohen Einstellbarkeit und einem starken Ausgangsstrom zu demonstrieren. Um den für die Langstreckenkommunikation erforderlichen Stromwert zu erreichen, koppelte das Team einen geräuscharmen optischen Hybridhalbleiterverstärker an den Laser. Hierdurch konnte die Stromleistung wesentlich verbessert werden.

Aufgrund der geringen Kosten sind direkt modulierte Laser sehr attraktiv für eine Anwendung in Zugangsnetzen. Das Team entwickelte solche Laser erfolgreich für Monomodefaserverbindungen mit 10 Gb/s über bis zu 25 km.

Die Siliziumphotonik soll die Telekommunikation und Datenkommunikation über die kommenden zehn Jahre revolutionieren. Das HYSSOP-Projekt leistete hierzu einen wichtigen Beitrag. Durch die Verwendung von Quantendots oder -dashes anstelle von Quantenwells als Aktivmaterial der Hybridlaser sind geräuschärmere Geräte mit einer höheren Leistung möglich.