High-Speed-Modulation dank Kristallsymmetrie

Nichtlineare Optik ist in zahl­reichen Gebieten der Wissen­schaft und Technik von heraus­ragender Bedeutung – insbesondere für die Erzeugung der zweiten Harmonischen, also der Verdopplung der Frequenz eines Licht­strahls. Auf diese Weise wird beispiels­weise unsicht­bares Infrarot­licht zum sicht­baren Lichtzeiger eines Laserpointers. In der Spektroskopie erreicht man mit dieser Methode neue Wellen­längen, die mit herkömm­lichen Laser­quellen nicht verfügbar sind. Zudem liegen bedeutende Anwendungen im Bereich der photo­nischen Daten­über­tragung und Quanten­kommuni­kation oder der Sensorik, da sich durch die Modulation des Signals – also das An- und Abschalten der Konver­tierung – Informa­tionen in das Licht einschreiben lassen. Um das Potenzial dieser Techno­logie vollends auszu­schöpfen, muss die Modula­tion des Lasers möglichst schnell und effizient geschehen. Forscher der Uni Jena haben dafür nun gemeinsam mit Kollegen vom Politecnico di Milano in Italien eine besonders wirkungs­volle Methode entwickelt.

Um die zweite Harmonische zu erzeugen, strahlen die Wissen­schaftler um Giancarlo Soavi ultrakurze Laserpulse auf ein 2D-Material. Solche nur aus einer Lage von Atomen bestehenden ultra­dünnen Stoffe eignen sich besonders gut für nano­skalige Bauteile, da sie sich dank ihrer Flexi­bi­lität und mecha­nischen Eigen­schaften leicht auf photo­nischen Platt­formen inte­grieren lassen.

Für ihre neue Methode verbinden Soavi und seine Kollegen die Vorteile zwei verschiedener Ansätze. „Zum einen kann man durch das Anlegen einer elektrischen Spannung die Eigen­schaften des Materials verändern und somit Einfluss auf die Inten­sität des aus­tretenden Lichts nehmen. Das funktioniert sehr effizient aber relativ langsam“, erklärt Soavi. „Zum anderen besteht die Möglich­keit, das Material mit einem zweiten Lichtstrahl anzuregen. Das geschieht zwar äußerst schnell, da Licht schneller ist als elektrischer Strom, aber die dabei erzielte Modula­tion der zweiten Harmonischen fällt eher schwach aus.“

Mit ihrer neuen Methode kombinieren die Jenaer Wissen­schaftler nun die Vorteile der elek­trischen und der optischen Modulation. Entscheidend dafür ist das verwendete 2D-Material. „Wir nutzen dafür Übergangs­metall-Dichal­ko­genid-Mono­lagen, also atomar dünne Halb­leiter, die aufgrund ihrer Kristall­symmetrie sehr spezielle optische Eigen­schaften aufweisen“, sagt Team-Mitglied Sebastian Klimmer. Dank dieser Eigen­schaften ist es möglich, mithilfe eines zweiten Licht­pulses, die Polari­sation der emittierten zweiten Harmonischen zu manipu­lieren und dadurch das detekt­ierte Signal schnell und effi­zient an- und abzu­schalten.

Dabei sind im Gegensatz zu bisherigen rein optischen Ansätzen die beiden Impulse senkrecht zueinander polarisiert. Solange beide Strahlen getrennt voneinander auf das extrem dünne Material auftreffen, schwingt das emittierte Licht entlang einer Ebene, die von einem Polari­sations­filter blockiert wird (Aus-Zustand). Sobald beide Laserpulse sich aber überlappen, dreht sich die Polarisation des Signals um 90 Grad und kann somit den Filter ungehindert passieren (An-Zustand). „Die besondere Symmetrie des verwendeten Materials Molybdän­disulfid ermöglicht die effiziente optische Modulation – und damit Schalt­prozesse im Femto­sekunden-Bereich“, so Soavi. Diese Entwicklung ebnet möglicherweise neuartigen integrierten High-Speed-Frequenz­wandlern den Weg, die etwa bei der schnellen Daten­über­tragung Verwendung finden.

FSU / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  S. Klimmer et al.: All-optical polarization and amplitude modulation of second-harmonic generation in atomically thin semiconductors, Nat. Photonics, online 9. September 2021; DOI: 10.1038/s41566-021-00859-y
• Ultraschnelle optische Spektroskopie (G. Soavi), Institut für Festkörperphysik, Friedrich-Schiller-Universität Jena