Flacher Laser aus Nanoantennen

Metamaterialien aus symmetrisch angeordneten Nanostrukturen bilden eine Grund­lage für extrem flache Linsen, Tarn­kappen-Effekte für bestimmte Wellen­längen­bereichen und Werk­stoffe mit nega­tivem Brechungs­index. Einem Forscher­team in Singapur gelang es jetzt, einen Laser aus einem Areal winziger Nano­zylinder zu ent­wickeln. Extrem flach und sogar durch­sichtig könnten solche Laser­quellen in Zukunft in optische Chips inte­griert werden.

Arseniy Kuznetsov und seine Kollegen von der Agency for Science, Techno­logy and Research in Singapur nutzten für ihren Proto­typ Nano­zylinder aus dem Halb­leiter­material Gallium­arsenid, symme­trisch ange­ordnet auf einer Unter­lage aus Silizium­dioxid. Dieses Areal aus Nano­ntennen ließ sich mit einem weiteren Laser zur Aus­sendung von Laser­licht anregen. Die Wellen­länge des emit­tierten Lichts ließ sich sowohl über Größe und Anord­nung der Nano­zylinder als auch über die Tempe­ratur gezielt ver­ändern.

Bisher legten nur theoretische Modelle nahe, dass sich aus diesen Nano­antennen flache Laser mit einer genau defi­nierten Wellen­länge bauen lassen sollten. „Aber dieses wichtige Puzzle­stück bei der Ent­wick­lung von Nano­antennen-Modulen fehlte bisher“, sagt Kuznetsov. Um die Lücke zu schließen, depo­nierte sein Team zuerst eine hauch­dünne Schicht aus Gallium­arsenid auf einer Silizium­dioxid-Ober­fläche. Mit Elek­tronen­strahlen und litho­grafi­schen Ätz­pro­zessen formten sie daraus eine symme­trische Struktur aus zahl­reichen Nano­zylindern. Jeder Nano­zylinder war zwischen 100 und 140 Nano­meter dick, 250 Nano­meter hoch und bildete mit seinen Nach­barn das opto­elek­tro­nisch aktive Areal.

Diese symmetrisch aufgebaute Struktur regten die Forscher mit Femto­sekunden­pulsen mit 780 Nano­meter Wellen­länge und einer Wieder­hol­rate von ein­hundert Kilo­hertz an. Dabei bauten sich in den Nano­zylindern sowohl hori­zon­tale und verti­kale Dipol­reso­nanzen auf. Die verti­kalen Reso­nanzen bildeten die Grund­lage für die Emis­sion von Laser­licht mit einer Wellen­länge von etwa 830 Nano­metern. Die hori­zon­tale Reso­nanz bei 790 Nano­meter wurde für die Licht­emis­sion nicht weiter genutzt.

Um das Laserlicht aus dem Areal auszukoppeln, positio­nierten die Forscher ihre Nano­zylinder in Abständen von 300 Nano­metern ent­lang einer Achse und 540 Nano­metern in der anderen Rich­tung. Die weiter von­ein­ander ent­fernten Reihen an Nano­zylindern boten ein über ihre Perio­di­zität fest­ge­legtes Beugungs­ver­halten, so dass das Laser­licht unter einem festen Winkel zwischen 4 und 25 Grad nach oben abge­strahlt wurde.

In weiteren Prototypen variierten die Forscher den Durch­messer der Nano­zylinder auf bis zu 140 Nano­meter. Mit zuneh­mender Dicke ver­schob sich die Wellen­länge des Laser­lichts von 830 Nano­meter auf 850 Nano­meter. Auch die Abstände zwischen den Zylin­dern hatten einen Ein­fluss auf die Wellen­länge. Mit einem perio­dischen Abstand von 590 Nano­metern zwischen den Nano­zylindern ließ sich die Wellen­länge auf bis zu 920 Nano­meter ver­schieben. Auch mit stei­gender Tempe­ratur – die Experi­mente wurden zwischen 77 und 200 Grad Kelvin durch­ge­führt – ergab sich eine Rot­ver­schie­bung um bis zu 15 Nano­meter.

Kuznetsov und seine Kollegen zeigten mit diesem Experi­ment erst­mals, dass symme­trisch auf­ge­baute Areale aus zylin­drischen, halb­leitenden Nano­antennen für den Bau von flachen Lasern mit vari­abler Wellen­länge geeignet sind. Mit anderen Materi­alien außer Gallium­arsenid und anderen Abständen zwischen den Nano­zylindern wollen sie das Poten­zial dieser Laser weiter unter­suchen. Für eine mögliche Anwen­dung dieser Laser in Photonik-Chips oder auch neu­artige Leucht­dioden müsste die derzeit ange­wandte optische Anregung mit einem weiteren Laser noch auf eine rein elek­trische Anregung mit ange­legten Span­nungen umge­stellt werden.

Jan Oliver Löfken

RK