Klein, aber leuchtstark

Ein großer Teil der weltweiten Kommunikation läuft heute über optische Signale. Zur Datenverarbeitung muss man diese Lichtpulse allerdings meist in elektrische Signale zurückverwandeln, was Datenrate und Ver­arbeitungs­ge­schwin­digkeit deutlich begrenzt. Fortschritte in Richtung schneller optischer Datenverarbeitung wiederum hängen von der Fähigkeit ab, hinreichend miniaturisierte optische Komponenten auf einem Chip zusammenzufügen. Insbesondere lassen sich Kommunikationssignale auf den gängigen Wellenlängen im nahen Infrarotbereich nicht einfach auf kleinen Dimensionen verstärken. Bislang sind Infrarot-Verstärker deshalb noch recht groß. Ein Team aus China und den USA konnte nun jedoch einen leistungsfähigen Miniatur-Verstärker für den Nahinfrarot-Bereich vorstellen.

Der Verstärker basiert auf einem Zweikomponenten-Nanodraht und besitzt weniger als einen Mikrometer Durchmesser. Damit eignet er sich für integrierte photonische Schaltungen. Zudem arbeitet er bei der gängigen Wellenlänge von 1,55 Mikrometer, die ein Standard in der optischen Telekommunikation ist. Für diese Wellenlänge eignen sich Erbium-dotierte Fasern besonders gut, denn ein interner Übergang dieses Elements entspricht sehr gut dem gebräuchlichen Telekommunikations-Infrarot.

Bislang hatten Erbium-dotierte Verstärker mit dem Problem zu kämpfen, dass bei dieser Wellenlänge in den Verstärker-Elementen hohe Verluste auftreten und der mittlere Verstärkungsgrad aufgrund der begrenzten Erbium-Konzentration gering ist. Die Wissenschaftler der chinesischen Hunan University und der University of California in Los Angeles umgingen diese Schwierigkeit, indem sie ihre Glasfaser aus zwei Komponenten aufbauten. Der Kern besteht aus einem Silizium-Nanodraht, der im nahen Infrarot nur sehr geringe Verluste verursacht. Diesen umhüllten sie mit einem Erbium-Ytterbium-Silikat, das zwar deutlich stärker absorbiert, mit Hilfe von Pump­strahlung jedoch das Infrarot-Signal verstärken kann. Die Nanodrähte stellten die Wissenschaftler über Gold-katalysierte Dampfabscheidung her.

Eine besondere Herausforderung für die Forscher war die exakte Geometrie des Nanodrahts. Denn bei zu geringem Durchmesser des Siliziumkerns steigen die Verluste deutlich an. Bei einem zu großen Durchmesser koppelt das Signal aber schlechter in die Erbium-Ytterbium-Zone. Außerdem hängt die Grenzleistung der Pumpstrahlung, ab der sich eine effektive Verstärkung erzielen lässt, von der Dicke des Siliziumkerns ab. Nach einigen Versuchen mit unterschiedlich dicken Nanodrähten stellte sich schließlich eine Dicke von 300 Nanometern für den Siliziumkern, ummantelt von einem 150 Nanometer starken Erbium-Ytterbium-Silikat, als optimal heraus. Dabei erreicht über die Hälfte der Signalleistung die Verstärkungszone im äußeren Mantel.

Die Ytterbium-Ionen dienen dazu, den Absorptionsquerschnitt des Erbiums zu erhöhen. Der Vorteil, die beiden Elemente in einem Silikat zu verbinden, liegt in der deutlich höheren Erbium-Konzentration, die sich so erreichen lässt. Denn so lassen sich um zwei bis drei Größenordnungen höhere Kon­zen­tration an optisch aktiven Erbium-Ionen erzielen im Vergleich etwa zu kon­ven­tionell mit Erbium dotiertem Silizium. Die Anregung des Erbiums bewirkt ein Halbleiter-Pumplaser mit einer Wellenlänge von 980 Nanometern. Wenn sowohl das Infrarot-Signal als auch die Pumpstrahlung anliegen, beobachten die Forscher eine deutlich erhöhte Lichtemission.

Die Forscher ermittelten in ihrem Nanodraht eine Verstärkung des Signals um rund 31 dB/mm. Das ist mehr als zwanzigfach besser als bisherige, ver­gleich­bare Elemente. Um sicher zu gehen, ob das verstärkte Signal wirklich durch stimulierte Emission hervorgerufen wird und nicht durch spontane Emission, überprüften die Wissenschaftler die Eigenschaften des Aus­gangs­signals. Sowohl die mittlere Halbwertsbreite als auch die Frequenz ent­sprechen exakt dem nicht verstärkten Signal, was ein wichtiges Indiz für die gewünschte stimulierte Emission ist.

Das neue Design ist nicht nur flexibel, sondern mit 600 Nanometern Durch­messer auch klein: Ähnliche bisherige Elemente sind rund zehn Mal größer. Diese Eigenschaften sind natürlich für die Nanophotonik interessant. In Zukunft wollen die Forscher deshalb untersuchen, wie sich ihr Nanodraht in größerem industriellen Maßstab herstellen lässt. Sollten sich herkömmliche lithographische Verfahren dabei bewähren, könnten solche Verstärker schon bald zur Serienreife kommen. Solche Nanodrähte mitsamt den notwendigen Pumplasern in optische Schaltungen zu integrieren, stellt jedoch eine weitere technologische Herausforderung dar.

Dirk Eidemüller

RK