Ein ringförmiger Mikroresonator mit enormem Potenzial

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Ein ringförmiger Mikroresonator mit enormem Potenzial
Forscher der EPFL haben ein Hybridgerät entwickelt, das die bestehende und allgegenwärtige Lasertechnologie deutlich verbessert.

Das Team des Photonic Systems Laboratory (PHOSL) der EPFL hat eine Laserquelle im Chip-Maßstab entwickelt, die die Leistung von Halbleiterlasern verbessert und gleichzeitig die Erzeugung kürzerer Wellenlängen ermöglicht. Diese bahnbrechende Arbeit, die von Professorin Camille Brès und dem Postdoc-Forscher Marco Clementi von der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und Technik der EPFL durchgeführt wurde, stellt einen bedeutenden Fortschritt im Bereich der Photonik dar und wirkt sich gleichzeitig auf die Telekommunikation, die Messtechnik und andere hochpräzise Anwendungen aus.

Die Studie, die in der Zeitschrift Light: Science & Applications veröffentlicht wurde, zeigt, wie es den Forschern des PHOSL in Zusammenarbeit mit dem Laboratory of Photonics and Quantum Measurements gelungen ist, Halbleiterlaser in photonische Schaltkreise aus Siliziumnitrid mit Mikroresonatoren zu integrieren. Durch diese Integration entsteht ein Hybridgerät, das sehr gleichmäßiges und präzises Licht im nahen Infrarotbereich und im sichtbaren Spektrum aussenden kann und damit eine technologische Lücke schließt, die lange Zeit eine Herausforderung für die Industrie darstellte.

"Halbleiterlaser sind in der modernen Technologie allgegenwärtig, man findet sie in allem, sowohl in Smartphones als auch in der Glasfaserkommunikation. Ihr Potenzial wurde jedoch durch mangelnde Kohärenz und die Unfähigkeit, effizient sichtbares Licht zu erzeugen, eingeschränkt", erklärt Professorin Brès. "Unsere Arbeit verbessert nicht nur die Kohärenz dieser Laser, sondern verschiebt auch ihre Emission in das sichtbare Spektrum und eröffnet damit neue Anwendungsmöglichkeiten."

Kohärenz bezieht sich in diesem Zusammenhang auf die Gleichförmigkeit der Phasen der Lichtwellen, die vom Laser ausgesendet werden. Eine hohe Kohärenz bedeutet, dass die Lichtwellen synchronisiert sind, was zu einem Strahl mit einer sehr genauen Farbe oder Frequenz führt. Diese Eigenschaft ist entscheidend für Anwendungen, bei denen es auf die Genauigkeit und Stabilität des Laserstrahls ankommt, wie z. B. bei der Zeitmessung und der Präzisionsdetektion.

Höhere Genauigkeit und verbesserte Funktionalität

Der Ansatz des Teams besteht darin, kommerziell erhältliche Halbleiterlaser mit einem Siliziumnitrid-Chip zu koppeln. Dieser winzige Chip wird mit der standardmäßigen und kostengünstigen CMOS-Technologie erstellt. Dank der außergewöhnlich verlustarmen Eigenschaften des Materials wird nur wenig oder gar kein Licht absorbiert oder entweicht. Das Licht des Halbleiterlasers fließt durch mikroskopisch kleine Wellenleiter in extrem kleine Hohlräume, in denen der Strahl eingefangen wird. Diese Hohlräume, die sogenannten Mikroresonatoren, sind sorgfältig so konstruiert, dass sie bei bestimmten Frequenzen mitschwingen und selektiv die gewünschten Wellenlängen verstärken, während sie die anderen abschwächen, wodurch eine größere Kohärenz im ausgesendeten Licht erreicht wird.

Die andere wichtige Errungenschaft des Hybridsystems ist seine Fähigkeit, die Frequenz des Lichts aus dem kommerziellen Halbleiterlaser zu verdoppeln und so den Übergang vom nahen Infrarotspektrum zum sichtbaren Spektrum zu ermöglichen. Die Beziehung zwischen Frequenz und Wellenlänge ist umgekehrt proportional, d. h. wenn die Frequenz verdoppelt wird, halbiert sich die Wellenlänge. Obwohl das Nahinfrarotspektrum für die Telekommunikation genutzt wird, sind höhere Frequenzen für den Bau kleinerer und effizienterer Geräte, die kürzere Wellenlängen benötigen, wie Atomuhren und medizinische Geräte, von entscheidender Bedeutung.

Diese kürzeren Wellenlängen werden erreicht, wenn das im Hohlraum gefangene Licht einen Prozess durchläuft, der als volloptisches Poling bezeichnet wird und im Siliziumnitrid die so genannte Nichtlinearität zweiter Ordnung induziert. Nichtlinearität bedeutet in diesem Zusammenhang, dass es eine signifikante Änderung, einen Größensprung, im Verhalten des Lichts gibt, die nicht direkt proportional zu seiner Frequenz ist, die sich aus seiner Wechselwirkung mit dem Material ergibt. Siliziumnitrid unterliegt normalerweise nicht diesem spezifischen nichtlinearen Effekt zweiter Ordnung, und das Team hat eine elegante technische Meisterleistung vollbracht, um ihn zu induzieren: Das System nutzt die Fähigkeit des Lichts, wenn es im Hohlraum resoniert, eine elektromagnetische Welle zu erzeugen, die die nichtlinearen Eigenschaften des Materials hervorruft.

Befähigungstechnologie für zukünftige Anwendungen

"Wir verbessern nicht nur die bestehende Technologie, sondern erweitern auch die Grenzen der Möglichkeiten von Halbleiterlasern", erklärt Marco Clementi, der eine Schlüsselrolle in dem Projekt spielte. "Indem wir die Lücke zwischen Telekommunikation und sichtbaren Wellenlängen schließen, öffnen wir die Tür für neue Anwendungen in Bereichen wie der biomedizinischen Bildgebung und der Präzisionszeitmessung."

Eine der vielversprechendsten Anwendungen dieser Technologie liegt in der Metrologie, insbesondere bei der Entwicklung kompakter Atomuhren. Die Geschichte der Fortschritte in der Navigation beruht auf der Tragbarkeit präziser Zeitmesser, von der Bestimmung des Längengrads auf See im 16. Jahrhundert bis hin zur präzisen Navigation bei Weltraummissionen und der Verbesserung der Geolokalisierung heute. "Dieser wichtige Fortschritt legt den Grundstein für zukünftige Technologien, von denen einige erst noch konzipiert werden müssen", betont Marco Clementi.

Mit ihrem umfassenden Wissen über Photonik und Materialwissenschaften könnte das Team kleinere und leichtere Geräte entwerfen und den Energieverbrauch und die Produktionskosten von Lasern senken. Ihre Fähigkeit, ein grundlegendes wissenschaftliches Konzept zu übernehmen und es mithilfe der Standardfertigung der Industrie in eine praktische Anwendung umzusetzen, unterstreicht das Potenzial zur Lösung komplexer technologischer Herausforderungen, die zu unvorhergesehenen Fortschritten führen können.

Referenzen

Clementi, M., Nitiss, E., Durán-Valdeiglesias, E., Belahsene, S., Liu, J., Kippenberg, T. J., Debrégeas, H., & Brès, C.-S. (2023). A chip-scale second-harmonic source via injection-locked all-optical poling. Light: Science & Applications. https://doi.org/10.1038/s41377’023 -01329-6