Durchbruch in optischen Technologien mit Vakuum-Laser-Glühen

Forscher der Tohoku University und der Toyohashi University of Technology haben einen bedeu­tenden Fort­schritt erzielt, indem sie eine neue Methode zur Her­stellung trans­parenter magnetischer Materialien durch Laser­tempern im Vakuum entwickelt haben. Dieser Durch­bruch stellt einen neuartigen Ansatz für die Inte­gration magneto-optischer Materialien in optische Geräte dar – eine langjährige Heraus­forderung in diesem Bereich.

„Der Schlüssel zu dieser Errungen­schaft liegt in der Her­stellung von 'Cer-substi­tuiertem Yttrium-Eisen-Granat (Ce:YIG)', einem trans­parenten magne­tischen Material, unter Verwendung einer speziellen Laser­behandlung“, erklärt Taichi Goto, außer­ordentlicher Professor am Electrical Communication Research Institute (RIEC) der Tohoku-Universität. „Diese Methode löst die zentrale Heraus­forderung, magneto-optische Mate­rialien in optische Schalt­kreise zu integrieren, ohne diese zu beschädigen – ein Problem, das die Fortschritte bei der Minia­turisierung optischer Kommu­nikations­geräte bisher behindert hat“.

Magneto-optische Isola­toren sind für die Gewähr­leistung einer stabilen optischen Kommu­nikation unerlässlich. Sie regeln sozusagen den Verkehr für Lichtsignale, damit sie sich in eine Richtung bewegen können, aber nicht in die andere. Zu ihnen zählt auch die Ver­bindung Yttrium-Eisen-Granat (YIG, engl. Yttrium Iron Garnet), deren physikalische Eigen­schaften durch Dotierung mit ausgewählten Elementen wie Bismut oder Cer ange­passt werden kann. Die Integration dieser Isolatoren in photonische Schaltungen auf Silizium­basis ist aufgrund der damit verbun­denen Hoch­temperatur­prozesse jedoch eine Herausforderung.

Aus diesem Grund konzen­trierten sich Goto und seine Kollegen auf das Laser­tempern – eine Technik, bei der bestimmte Bereiche eines Materials selektiv mit einem Laser erhitzt werden. Dies ermöglicht eine präzise Steuerung, wobei nur die Ziel­regionen beein­flusst werden, ohne die umliegenden Bereiche zu beeinträchtigen.

Frühere Unter­suchungen nutzten diese Methode, um Bismut-substituierte Yttrium-Eisen-Granat-Schichten (Bi:YIG), die auf einem di­elektri­schen Spiegel abge­schieden wurden, selektiv zu erhitzen. Dadurch kann das Bi:YIG kristal­lisieren, ohne den dielektrischen Spiegel zu beeinträchtigen.

Bei der Arbeit mit Ce:YIG, einem Material, das sich aufgrund seiner magnetischen und optischen Eigenschaften ideal für optische Geräte eignet, treten jedoch Probleme auf, da es an der Luft zu unerwünschten chemischen Reak­tionen kommt.

Um dies zu vermeiden, haben die Forscher ein neues Gerät entwickelt, um die mittels Hoch­frequenz-Ionen­strahl-Sputtering-System (RF-IBS) auf Quarz­glas und Silizium ab­geschie­denen Materialien im Vakuum mit einem Laser zu erhitzen. Dies ermöglichte eine präzise Erwärmung kleiner Bereiche von etwa 60 Mikrometer, ohne das umgebende Material zu verändern.

„Das mit dieser Methode hergestellte transparente magnetische Material dürfte die Entwicklung von kompakten magneto-optischen Isolatoren, die für eine stabile optische Kommu­nikation unerlässlich sind, erheblich verbessern“, freut sich Goto. „Darüber hinaus eröffnet es Möglichkeiten für die Entwicklung leistungs­starker minia­turi­sierter Laser, hochauflösender Displays und kleiner optischer Geräte.“

Universität Tohoku / LK