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CEA-Leti

Siliziumphotonik als Schlüssel für MIR-Integration

20. Januar 2026, 8:11 Uhr | Iris Stroh

CEA-Leti stellt auf der SPIE Photonics West neue Forschungsergebnisse vor, die wichtige Fortschritte bei der Integration von Quantenkaskadenlasern (QCLs) in Silizium-Photonik-Plattformen für Anwendungen im mittleren Infrarotbereich (MIR) zeigen.

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Mittelinfrarotlicht spielt eine entscheidende Rolle in Anwendungen wie der Gassensorik, der chemischen Spektroskopie, der biomedizinischen Diagnostik und sicherheitsrelevanten Systemen, da viele Moleküle in diesem Spektralbereich starke Absorptionssignaturen aufweisen. Trotz der Bedeutung dieser Technologie sind photonische MIR-Systeme bislang oft groß, kostspielig und nur schwer in großen Stückzahlen herzustellen. Die direkte Integration von MIR-Lichtquellen in photonische Siliziumplattformen bietet einen Weg zu kleineren, robusteren und besser produzierbaren Systemen – und bringt die MIR-Photonik näher an das Integrationsniveau heran, der im nahen Infrarotbereich bereits etabliert ist.

Drei Architekturen, drei Integrationsstrategien

In dem Vortrag auf der Photonics West demonstrierte und verglich CEA-Leti drei unterschiedliche hybride III-V/Silizium-QCL-Architekturen, die jeweils spezifische Herausforderungen bei der Integration adressieren:

Eine Architektur basiert auf einem hybriden Distributed-Feedback-QCL auf einer Silicon-on-Nothing-on-Insulator-Struktur mit adiabatischer Kopplung. Dieser Ansatz ermöglicht eine stabile Einmoden-Emission bei etwa 4,3 µm sowie eine effiziente optische Leistungsübertragung aus dem III-V-Aktivbereich in Siliziumwellenleiter. Dank des hohen Brechnungsindexkontrasts der Siliziumphotonik lassen sich Rückkopplung und Lichtführung sehr präzise realisieren, wodurch sich diese Architektur gut für skalierbare photonisch integrierte Schaltungen in der Spektroskopie und chemischen Sensorik eignet.

Der zweite Ansatz nutzt einen hybriden QCL mit einer externen, in Silizium realisierten Distributed-Bragg-Reflector-Resonatorstruktur. Hier sind optische Verstärkung und optische Rückkopplung voneinander getrennt: Das III-V-Material sorgt für die Verstärkung, während die Wellenlängenselektion und die Rückkopplung in Silizium-Distributed-Bragg-Reflektor-Resonatoren (DBR) implementiert werden. Diese Trennung bietet eine verbesserte Designflexibilität und ebnet den Weg für abstimmbare und multifunktionale MIR-Quellen für fortschrittliche spektroskopische und sensorische Systeme.

Die dritte Architektur setzt auf extrem kompakte QCL-Mikrolichtquellen auf Basis photonischer Kristalle und Mikroringresonatoren. Die Miniatur-Lichtquellen belegen dank der Nutzung starker optischer Begrenzung und Resonanzeffekte nur eine Grundfläche von weniger als 100 µm². Diese starke Miniaturisierung ermöglicht eine hohe Integrationsdichte und unterstützt neue Systemarchitekturen, bei denen Größe, Leistungsaufnahme und Integrationsdichte entscheidend sind.

Von der passiven Plattform zum aktiven Host

Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass Siliziumphotonik eine aktive Rolle in Laser-Systemen im mittleren Infrarotbereich spielen kann. Durch die Kombination von adiabatischer optischer Kopplung, siliziumbasierter Rückkopplung und Cavity-Engineering sowie ultrakompakten Laserkonzepten etabliert CEA-Leti mehrere praktikable Integrationswege anstelle einer einzigen, universellen Lösung. Die Arbeit zeigt, wie verschiedene Architekturen zwischen Stabilität, Flexibilität und Platzbedarf abwägen, und damit Designern ein praktisches Toolkit für MIR-Photoniksysteme zur Verfügung steht.

»Durch die Kombination von Quantenkaskadenlasern mit Siliziumphotonik bringen wir Quellen im mittleren Infrarotbereich näher an den Integrationsgrad und die Skalierbarkeit heran, die Siliziumplattformen bereits im nahen Infrarotbereich erreicht haben«, erklärt Alexis Hobl, Präsentator und Hauptautor der Studie.

Ausblick

Zukünftige Arbeiten werden sich auf die weitere Verbesserung der optischen Kopplungseffizienz, der Fertigungsrobustheit und des thermischen und elektrischen Managements sowie auf die Integration zusätzlicher On-Chip-Photonikfunktionen wie Filter, Multiplexer und interferometrische Schaltungen konzentrieren. Der Nachweis der Reproduzierbarkeit im Wafer-Maßstab und die Entwicklung von packaging-ready Designs werden wichtige Meilensteine auf dem Weg zu vollständig integrierten Photoniksystemen im mittleren Infrarotbereich sein.