Leichter lasern
Halbleiter-Nanolaser mit sehr niedriger Laserschwelle für integrierte Photonik.
Integrierte elektronische Schaltkreise auf einem einzelnen Mikrochip befinden sich nicht nur in Computern und Handys. In ihrer Funktionalität und Effizienz haben integrierte elektronische Schaltkreise aber größtenteils ihre Grenzen erreicht. Schnellere, kompaktere und effizientere Möglichkeiten sind daher gefragt: In einer aktuellen Studie zeigen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Humboldt-Universität zu Berlin (HU) gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen aus den USA und China, dass sich diese Möglichkeiten mithilfe von integrierten photonischen und elektrischen Schaltkreisen auf einem Chip erweitern lassen.
Abb.: Der Nanokavitätenlaser besteht aus einer Schicht Wolframatome, die in Selen eingebettet ist. (Bild: S. Wu et al.)
Durch die Kombination aus zweidimensionalen Halbleiterschichten mit atomarer Dicke und Halbleiter-Nanoresonatoren konnte das Forscherteam einen Nanolaser mit ultraniedriger Laserschwelle realisieren. „Solche Nanosysteme benötigen eine sehr geringe Leistung zum Lasern. Sie erzeugen daher nur minimale Hitze und können sehr gut auf einem Micro-Chip integriert werden“, erläutert Fariba Hatami vom Institut für Physik der HU.
Bringt man eine Lichtquelle mit einem Resonator zusammen, werden die Nicht-Strahlungsprozesse unterdrückt, wodurch die Wahrscheinlichkeit spontaner Emission steigt. Ist die Wahrscheinlichkeit groß genug, reicht die spontane Emission aus, um die Lichtquelle zum Lasern zu bringen. „Als Nanoresonatoren wurden zweidimensionale photonische Kristalle aus Galliumphosphid hergestellt und verwendet“, erläutert Hatami.
Photonische Kristalle sind periodische Strukturen aus zwei Materialien mit unterschiedlichem optischem Brechungsindex. Sie besitzen daher eine photonische Bandlücke. Die Periodizität im Brechungsindex wird bei 2D-photonischen Kristallen durch Herstellung von winzigen periodischen Luftlöchern in einer sehr dünnen Membran mit einer Schichtdicke von etwa 130 Nanometern erreicht. Werden einige der Luftlöcher hintereinander weggelassen, entsteht ein Nanoresonator mit ausreichend großem Gütefaktor und kleinem Volumen. Die optischen Moden sind dann in solchen Nanoresonatoren stark quantisiert. Idealerweise sind alle zufällig emittierten Photonen an eine optische Mode gekoppelt. Dadurch werden die anderen Verlustprozesse unterdrückt und ein energetisch effizienter Nanolaser realisiert.
HU / DE
