Winziger Laser für Photonik-Chips
Koaxialer Nanozylinder aus Verbindungshalbleitern emittiert Infrarotlicht.
Sollen in Zukunft Photonik-Chips Daten viel schneller verarbeiten als heutige Prozessoren, sind zuverlässige und zugleich winzige Laserquellen nötig. Näher an dieses Ziel rückten nun amerikanische Wissenschaftler mit einer filigranen Zylinderstruktur aus Verbindungshalbleitern. Ihr erster Prototyp eines Nanolasers konnte infrarote Lichtpulse aussenden, die ideal für die optische Leitung und Verarbeitung digitaler Daten geeignet sind.
Abb.: Schematischer Aufbau des Koaxial-Nanolasers (links oben). Die Aufnahme eines Rasterelektronenmikroskop zeigt die filigrane Struktur des Quantenwalls aus Verbindungshalbleiter und Siliziumdioxid (links unten). Die TEM-artige Mode der Axialstruktur, die symmetrisch in der transversalen Ebene ist, weist keine Entartung auf und ist in besonderem Maße lokalisiert. (Bild: UCSD, M. Khajavikhan et al.)
„Diese Technologie zeigt einen Weg auf, um Laser kompatibel auf Plattformen aus Siliziumbasis zu integrieren", sagt Mercedeh Khajavikhan von der University of California, San Diego (UCSD). Das wäre eine zentrale Voraussetzung, um mit heute verfügbaren Methoden einen Nanolaser in eine Chipstruktur zu integrieren. Und der grundlegende Aufbau der neuen und vielseitigen Lichtquelle weist in diese Richtung. Denn er besteht aus einem sogenannten Quantenwall aus dem Verbindungshalbleiter Indiumgalliumarsenphosphid, der auf einem Träger aus Indiumsphosphid deponiert wurde. Diese nur einige hundert Nanometer kleine Struktur umhüllten Khajavikhan und Kollegen mit einer dünnen Schicht aus Siliziumdioxid.
Fein strukturiert mit einem Elektronenstrahl erhielten sie eine filigrane, koaxiale Zylinderstruktur, deren elektromagnetischen Eigenschaften eine resonante Anregung und Aussendung von infraroten Laserpulsen ermöglichte. So konnten die Forscher ihren Prototyp mit einem zweiten Laser bei 1064 Nanometer Wellenlänge so optisch pumpen, dass er infrarote Laserpulse über einen relativ weiten Bereich von 1221 bis 1629 Nanometern emittierte. Dieser Prozess funktionierte sowohl tiefgekühlt auf fast minus 270 Grad als auch bei Raumtemperatur.
„Die erste potenzielle Anwendung könnte eine schwellenfreie Lichtquelle für die Kontrolle der Kommunikation auf einem Chip sein“, erklärt Khajavikhan. Dadurch könnte ein solches Modul viel schneller moduliert werden als bisher existierende Laser und damit sehr wichtig für zukünftige Datenübermittlungen werden, ist der Forscher überzeugt. Weitere Anwendungen sieht er beispielsweise in Sensorsystemen, die dank des Nanolasers über eine sehr kleine, fokussierte Lichtquelle zur Analyse von organischen Molekülen oder biologischen Objekten wie Viren verfügen könnten.
Bis es soweit ist, müssen allerdings noch einige Hürden überwunden werden. Denn bisher wird der Nanolaser noch mit einem weiteren Laserstrahl angeregt. Ideal für die Integration in einen Photonik-Chip wäre jedoch eine elektrisch kontrollierbare Anregung.
Jan Oliver Löfken
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