Ein optischer Hochleistungsverstärker für Mikrogeräte

Forscher des DESY haben einen millimeterkleinen Hochleistungsverstärker mit mehr als einem Watt Ausgangsleistung auf siliziumbasierten optischen Mikrochips realisiert. Dieser Ausgangsleistung ist ein Vielfaches dessen, was bislang in diesem winzigen Maßstab erreichbar war, und ermöglicht den Einsatz von On-Chip-Verstärkern hoher Leistung im Sinne der integrierten Photonik, anstatt externer Verstärker. So könnten erheblich einfacher und günstiger als bislang miniaturisierte Geräte und Sensoren betrieben werden.

Hochleistungsverstärker sind kritische Komponenten in modernen optischen Systemen. „Um sie breiter einsetzen zu können, sollen solche Systeme sehr klein sein analog zur Mikroelektronik – möglichst im Millimeterbereich – allerdings ohne weniger Leistung zu erbringen. Außerdem sollten sie in Massen produzierbar sein und dadurch wenig kosten“, sagt Neetesh Singh, vom DESY. Die Miniaturisierung stoße allerdings an Grenzen, weil ein optisches System umso weniger Energie speichern und Leistung zur Verfügung stellen kann, je kleiner es ist. Bis dato ist es nicht gelungen, entsprechend kleine optische Hochleistungsverstärker zu bauen, die sich auf einem Mikrochip integrieren lassen. Stattdessen sind solche Mikrosysteme im Einsatz bislang auf externe, viel größere Benchtop-Verstärker angewiesen.

In der neuen Studie hat das Team um Singh einen Large-Mode-Area-Wellenleiter, den es zuvor eigens entwickelt hatte, erstmals verwendet, um ein Lichtsignal auf kleinstem Raum zu verstärken. Entscheidend ist dabei die Querschnittsfläche des vom Wellenleiter geführten elektrischen Feldes, „Mode“ genannt. In den aktuellen Versuchen ist es Singhs Team gelungen, die Moden-Querschnittsfläche in einem photonischen Wellenleiter aus Siliziumnitrid und Aluminiumoxid von nur einem auf dreißig Quadratmikrometer zu vergrößern. So konnte die Ausgangsleistung von wenigen Dutzend Milliwatt auf über ein Watt vergrößert werden.

Zu verdanken ist dies einem ausgeklügelten Design der nur vier Quadratmillimeter großen Mikrochip-Oberfläche, auf der das Lichtsignal durch einen schmalen eingebetteten Siliziumnitrid-Wellenleiter geschickt wird, der mit einer Aluminiumoxid-Schicht kontrollierter Dicke bedeckt ist. Der Siliziumnitrid-Wellenleiter kann dabei mehrfach durch eine LMA-Region führt werden. Das im Wellenleiter geführte optische Signal startet wie in anderen photonischen Wellenleitern klein, schwach und im Wellenleiter geführt. Dann jedoch durchläuft es eine gezielt gestaltete Verjüngung des Wellenleiters. „Dadurch wird die Mode sozusagen aus dem Wellenleiter herausgepresst, vergrößert dabei erheblich ihren Querschnitt und schwebt nun wie eine Wolke durch die über dem Wellenleiter gelegene Aluminiumoxid-Schicht“, erklärt Singh. „Dabei bleibt sie jedoch mit dem ursprünglichen Wellenleiter als Führung verbunden wie ein Heißluftballon mit seinem Korb.“

Die Aluminiumoxid-Schicht steckt voller Thulium-Ionen, die durch eine optische Pumpe – einem externen Laser – in einen angeregten Zustand versetzt sind. Mit diesen Ionen wechselwirken nun die Signal-Photonen der Mode in einem vergleichsweise großen Bereich, der als „Large Mode Area“ oder „LMA-Bereich“ bezeichnet wird. Und eben weil die Mode nun so groß ist, können die Photonen mit sehr vielen energiegeladenen Ionen wechselwirken und ihnen Energie entziehen: „Wie ein großer Schneepflug mehr Schnee auf einmal kehren kann als eine kleine Schneeschaufel, kann eine große Mode mehr Ionen beinhalten“, sagt Singh.

Noch weiter verstärken die Forscher das Signal, indem sie es mehrfach durch den LMA-Bereich schicken. Dazu weitet sich der Wellenleiter wieder aus, zieht dadurch die über ihm schwebende Signalwolke zurück in den engen Siliziumnitrid-Wellenleiter, macht am Rande des Chips eine 180-Grad-Kurve, leitet das Signal erneut durch den LMA-Bereich und verjüngt sich dabei wieder, so dass die Mode erneut in die energiereiche Schicht gepresst wird, um noch mehr Leistung zu tanken.

Am Ende erhält man so ein wesentlich stärkeres Signal als zu Anfang. Und das auf kleinstem Raum, integriert auf einem Mikrochip. Wobei die Qualität des Signals erhalten bleibt. Externe Verstärker werden so in vielen Systemen unnötig, und die Systeme dadurch nicht nur kleiner, sondern auch kostengünstiger und zuverlässiger.

„Unser Mikro-LMA-Hochleistungsverstärker erlaubt uns in Zukunft komplexe optische Schaltungen mit hoher Ausgangsleistung zu integrieren, so wie wir dies schon lange aus der Mikroelektronik kennen. Das erlaubt uns in der Zukunft komplexe optische Systeme für Beschleuniger, Röntgenquellen oder auch viele andere Anwendungen kostengünstig mit hoher Zuverlässigkeit herzustellen,“ betont Franz Kärtner vom DESY.

DESY / RK