Der Laser ist so klein, dass man ein Mikroskop braucht, um ihn richtig sehen zu können. Doch nicht nur die Größe begeistert die Wissenschaftler der Sandia National Laboratories.
Es heißt, dass der Laser jetzt mit anderen optischen Geräten im Mikromaßstab kombiniert werden kann, um selbstfahrende Autos sicherer, Rechenzentren effizienter, biochemische Sensoren tragbarer und Radare sowie andere Verteidigungstechnologien vielseitiger zu machen.
Sandia hat ein Patent für seine neue Methode zur Integration vieler verschiedener Materialien auf Silizium erhalten – dem gleichen Ausgangsmaterial, das Halbleiterfabriken zur Herstellung von Mikrochips verwenden.
Diese Methode ermöglicht es Sandia, optische Hochgeschwindigkeitsgeräte mit hoher Bandbreite zu bauen, darunter Indiumphosphidlaser, Lithiumniobat-Modulatoren, Germaniumdetektoren und verlustarme akusto-optische Isolatoren – alles wichtige Komponenten für optische Hochleistungssysteme.
Der Bau eines Lasers auf Silizium ist eine herausfordernde und ungewöhnliche Leistung, die Amerikas Führungsposition in der Halbleitertechnologie ausbauen könnte. Andere Organisationen, darunter die University of California, Santa Barbara und Intel Corp., haben ähnliche Laser gebaut, aber Sandia hat die Klasse der integrierbaren Geräte erweitert. Zum ersten Mal könnten diese Geräte auf optischen Mikrochips, auch photonische integrierte Schaltkreise genannt, zusammenarbeiten.
„Dies ermöglicht es den USA, eine Führungsrolle zu übernehmen und weniger von ausländischen Produktionskapazitäten abhängig zu sein“, sagte Patrick Chu von Sandia.
Chu ist Co-Leiter des National Security Photonics Center, einer Gruppe von mehr als 60 Photonik-Wissenschaftlern und -Ingenieuren im Mikrosystemtechnik-, Wissenschafts- und Anwendungskomplex von Sandia.
Die Integration mit Silizium ist ein wichtiger Schritt in Richtung zukünftiger Produktion
Silizium ist das Lebenselixier der Halbleiterindustrie und ein großartiges Material für die Herstellung von Computerchips. An sich sei es jedoch ein schlechtes Material für die Herstellung von Lasern, sagte der Sandia-Forscher Ashok Kodigala, Miterfinder des neuen Integrationsprozesses.
Seine Herausforderung bestand darin, eine Möglichkeit zu entwickeln, wie optische Komponenten aus verschiedenen Materialien auf einem Silizium-Mikrochip koexistieren können. Solche Materialien können nicht einfach an Ort und Stelle geklebt werden, sondern Kodigala hat sie stattdessen in komplexen Schichten mit Silizium verschmolzen, ein Prozess, der auch als heterogene Integration bezeichnet wird.
Das Sandia-Team demonstrierte erfolgreich heterogene Integrationstechniken zur Herstellung hybrider Siliziumgeräte: Hybridlaser und -verstärker aus Indiumphosphid und Silizium sowie Modulatoren aus Lithiumniobat und Silizium, die Informationen im von den Lasern erzeugten Licht kodieren.
Darüber hinaus wurden leistungsstarke und schnelle Germaniumdetektoren entwickelt, um mit den Lasern und Modulatoren auf derselben Plattform Schritt zu halten.
Halbleiterfabriken könnten die Sandia-Technik nutzen
Sandia baute seine Chip-Laser mit dem Ziel, die Technologie auf die Industrie zu übertragen. Das Team verwendete viele der gleichen Werkzeuge, die auch in kommerziellen Halbleiterfabriken zu finden sind, und die Laser erzeugen Licht in Wellenlängen, die üblicherweise in der Telekommunikationsindustrie verwendet werden und als C-Band und O-Band bezeichnet werden.
„Sobald wir diese photonische Plattform in einem nationalen Labor demonstrieren, können wir diese Technologie an US-Unternehmen weitergeben, wo sie sich auf die Produktion in noch größerem Maßstab für kommerzielle und US-amerikanische Regierungsanwendungen konzentrieren können“, sagte Kodigala.
Photonische Halbleiter unterstützen CHIPS und Science Act
Präsident Biden sorgte im Jahr 2022 für Schlagzeilen, als er den CHIPS and Science Act unterzeichnete, eine überparteiliche Förderung der Halbleiterindustrie in Höhe von 52,7 Milliarden US-Dollar. Während erwartet wird, dass die Gesetzgebung die Produktion von in den USA hergestellten Computerchips steigern wird, steuert sie auch die Finanzierung von photonischen Halbleitern.
Sandia investiert auch in optische Mikrochips, weil diese mehr Informationen übertragen als herkömmliche. Doch Herausforderungen bei der Herstellung hätten ihre weitverbreitete Einführung verhindert, sagte Chu. Obwohl die Technologie in wissenschaftlichen Kreisen gut bekannt sei, seien bei den meisten Mikrochips immer noch elektronische Technologien vorherrschend, sagte er.
Mit einer Arbeitsplattform zum Aufbau photonischer Schaltkreise hat sich Sandia in die Lage versetzt, die Industrie und andere Institutionen bei der Forschung und Entwicklung im Bereich Photonik in den kommenden Jahren zu unterstützen. Sandia-Forschung wird derzeit nicht durch das CHIPS-Gesetz finanziert.
„Wir wissen, dass unser Prozess skalierbar ist, deshalb unterstützen wir die Mission des CHIPS Act auf diese Weise“, sagte Chu. „Sandia ist bestrebt, mit anderen zusammenzuarbeiten und gemeinsam mit der Entwicklung neuer Technologien zu beginnen.“