Licht aus der Chipfabrik

"SC12" – die Gebäude-Bezeichnung ist genauso nüchtern, wie der erste optische Eindruck: Die Büro-Etagen sind vollgepflastert mit mausgrauen Intel-Cubicles. Silicon-Valley-Sozialismus: Weil von jedem die Idee für den nächsten entscheidenden Durchbruch kommen kann, arbeiten hier alle unter den gleichen Bedingungen. Im Herzen dieses Gebäudes liegen die Labor-Räume, in denen Intel an Chips der übernächsten Generation forscht – Bausteine, die mit Licht statt Elektronen arbeiten. "Heute ist Optik noch eine Nischentechnologie für uns", hat Intel-Vizepräsident Pat Gelsinger vorgegeben. "Morgen wird es der Mainstream eines jeden Chips sein, den wir bauen."

Denn die rein elektronische Informationsübertragung in Computern wird schon bald an ihre physikalischen Grenzen stoßen. Weltweit forschen Wissenschaftler deshalb seit Jahren an einer optischen Alternative. 2005 ist den Intel-Labs ein entscheidender Schritt auf diesem Weg geglückt: Forscher des Chipherstellers hatten den ersten Siliziumlaser gebaut, der sich auf kleinstem Raum in die heutige Prozessortechnik integrieren lässt.

Das ist so bemerkenswert, weil es eigentlich gar nicht gehen dürfte: Denn Silizium ist ein so genannter indirekter Halbleiter. Bei dem dauert es relativ lange, bis die Ladungsträger miteinander rekombinieren und dabei ein Photon aussenden – zu lange für einen effizienten Laserbetrieb, weil die Energie der inzwischen in andere nicht strahlende Prozesse wandert.

Die Wissenschaftler in den Intel-Labors nutzen jedoch eine physikalische Hintertür, den so genannten Raman-Effekt: Dabei strahlt ein externer Pumplaser Photonen in das Lasermedium ein und regt das Medium zu Schwingungen an. Das aus dem Medium wieder austretende Licht, das aufgrund inelastischer Streuung eine leicht veränderte Wellenlänge hat, wird dann mit Spiegeln in einem Resonator zu kohärentem Laserlicht verstärkt.

"Das ist nicht wirklich neu, man kann das auch mit Glasfasern machen", sagt Mario Paniccia, Leiter des Photonics Technology Lab. "Aber wir haben herausgefunden, dass der Effekt in Silizium 10.000 mal stärker ist. Das heißt, was man in einem Kilometer Glasfaser machen kann, kann man in einem Zentimeter Silizium erreichen."

"Die Photonik ist jetzt etwa an dem Punkt, wo die Röhre durch den Transistor ersetzt wurde", ergänzt Paniccia. Aus dem Raman-Laser lässt sich unter anderem relativ leicht ein optischer Modulator – der elektrische in optische Signale wandelt –: machen, denn Elektroden müssen aus dem Silizium-Wellenleiter ständig freie Ladungsträger absaugen. Tun sie das nicht, wird der Laser schwächer, oder geht ganz aus.

"20 Megahertz Übertragungsbandbreite war der Weltrekord für solche optischen Modulatoren vor zwei Jahren, als wir angefangen haben", erzählt Paniccia stolz. "Wir sind zu einem Gigahertz gegangen, haben letzes Jahr zehn Gigabit pro Sekunde geschafft und dieses Jahr bekommen wir, hoffentlich, eine noch höhere Geschwindigkeit bei einem kleineren Energiebedarf. Die Rate unseres Fortschritts ist sehr schnell. Wir reden hier nicht über 20 Prozent; wir reden hier über Größenordnungen, die wir pro Jahr erreichen."

Mitunter sind die Schwierigkeiten nicht physikalischer, sondern rein technischer Natur, denn die Optik ist für den Chipriesen ja ein völlig neues Gebiet. "Unsere Wellenleiter beispielsweise sind in der Regel etwa einen Mikrometer dick", erläutert Paniccio. "Aber eine Lichtleitfaser hat acht Mikrometer Durchmesser". Also muss man einfache Techniken entwickeln, um Glasfasern optimal an die Chips anzukoppeln - und das möglichst ohne aufwendiges Justieren.

"Was wir jetzt machen können, ist das, was auch Cisco und Konsorten machen", meint Paniccio zuversichtlich. "Aber die tun es in 19-Zoll-Schränken. Wenn wir mit Silizium 90 Prozent der Performance für einen Bruchteil der Kosten hinbekommen, können wir daraus einen Massenmarkt machen."

Den "heiligen Gral", einen elektrisch gepumpten Silizium-Laser haben auch die Intel-Labs bisher noch nicht realisiert. Doch nur mit einer in die CMOS-Herstellungsprozesse integrierbaren elektronisch gesteuerten, entsprechend winzigen Lichtquelle könnte man auch die Kommunikation zwischen Chips oder gar innerhalb eines Prozessors optisch realisieren. Die Versuche verschiedener Forschungsgruppen, einen solchen Solizium-Laser aus Nano-Kristallen zu bauen, hält Mario Paniccia allerdings bestenfalls für akademisch interessant. "Viele dieser Veröffentlichungen sind beeindruckend, aber wenn man sich die Grafiken anschaut, dann sind die oft mit AU beschriftet - Arbitrary Units. Was da wirklich rauskommt, wissen wir nicht".

Intel setzt deshalt auf eine Kooperation mit der Universität von Santa Barbara. Die Gruppe von Professor John Bowers ist spezialisiert auf das so genannte Wafer Bonding. "Wir nehmen die Vorteile unseres photonischen Bauelementes aus Silizium und befestigen das lichtverstärkende Medium - ein III/V-Halbleiter - einfach darauf", erklärt Paniccio. "Das Licht wird in der dünnen oberen Schicht elektrisch erzeugt und dann im Silizium verstärkt, moduliert - was auch immer. Mit diesem hybriden Ansatz haben wir die Vorteile beider Welten miteinander verheiratet."

Alexander W. Fang und seine Kollegen aus der Arbeitsgruppe von Professor Bowers - haben mittlerweile einen solchen Laser gebaut, den sie "evanescent" nennen: Das eigentliche Lasermaterial besteht aus einer Abfolge dünner Schichten III/V-Halbleiter die auf einem Silizium-Wellenleiter befestigt sind. Auch dieser Laser muss noch optisch gepumpt werden, sendet aber kontinierlich Licht bei 1568 Nanometern Wellenlänge.

"Tatsächlich haben wir auch noch einige Randbedingen gestellt, sagt Paniccia. "Die Herstellung muss kompatibel sein mit dem CMOS-Prozessen. Es hat großartige Forschungsarbeiten gegeben, aber die haben Temperaturen von 800 Grad Celsius benötigt. In einer Fab kann man das nicht machen - die letzten Prozessschritte bei uns sind bei 400 Grad." Fang und Kollegen haben diese Hürde gemeistert - der Laser könnte also nahtlos in den Prozess der Chip-Herstellung integriert werden. "Diese Struktur", schreiben die Forscher in einem Aufsatz für die Fachzeitschrift IEEE Photonics Technology Letters (Vol 18, No. 10, S. 1143), "kann für elektrisch gepumpte Anordungen wie Laser, Verstärker oder Modulatoren verwendet werden." Man müsse lediglich die III/V-Schicht dotieren und die Rückseite noch "ein wenig bearbeiten". (wst)