Forscher haben eine neue Methode zur Herstellung kompakter modengekoppelter Laser auf photonischen Chips entwickelt, bei der Lithiumniobat für die aktive Modenkopplung verwendet wird. Diese Technologie verspricht, groß angelegte Experimente mit ultraschnellen Lasern auf ein Chip-Format zu übertragen, mit Plänen, die Pulsdauer weiter zu verkürzen und die Spitzenleistungen zu erhöhen.
Laser sind im Alltag relativ alltäglich geworden, aber neben der Bereitstellung von Lichtshows auf Rave-Partys und dem Scannen von Barcodes auf Lebensmitteln gibt es für sie noch viele weitere Einsatzmöglichkeiten. Laser sind auch in den Bereichen Telekommunikation, Informatik sowie biologische, chemische und physikalische Forschung wichtig.
Bei letzterer Anwendung sind Laser besonders nützlich, die ultrakurze Impulse von einer Billionstel Sekunde (1 Pikosekunde) oder weniger aussenden können. Mit Lasern, die auf so kleinen Zeitskalen arbeiten, können Forscher physikalische und chemische Phänomene untersuchen, die extrem schnell ablaufen – zum Beispiel das Knüpfen oder Aufbrechen molekularer Bindungen bei chemischen Reaktionen oder die Bewegung von Elektronen innerhalb von Materialien. Diese ultrakurzen Impulse werden auch häufig in Bildgebungsanwendungen eingesetzt, da sie eine extrem hohe Spitzenintensität, aber eine niedrige Durchschnittsleistung aufweisen und so eine Erwärmung oder sogar Verbrennung von Proben wie biologischem Gewebe vermeiden.
In einem in Science veröffentlichten Artikel beschreibt Alireza Marandi, Assistenzprofessor für Elektrotechnik und angewandte Physik am Caltech, eine neue Methode, die sein Labor entwickelt hat, um solche Laser, sogenannte modengekoppelte Laser, auf photonischen Chips herzustellen. Die Laser bestehen aus nanoskaligen Komponenten (ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter) und können in lichtbasierte Schaltkreise integriert werden, ähnlich den strombasierten integrierten Schaltkreisen, die in der modernen Elektronik zu finden sind.
„Wir sind nicht nur daran interessiert, modengekoppelte Laser kompakter zu machen“, sagte Marandi. „Wir freuen uns darauf, einen leistungsstarken modengekoppelten Laser auf einem nanophotonischen Chip herzustellen und ihn mit anderen Komponenten zu kombinieren. Dann werden wir in der Lage sein, ein vollständiges ultraschnelles photonisches System in einem integrierten Schaltkreis zu bauen. Dies wird den Reichtum an ultraschneller Wissenschaft und Technologie, der derzeit zu Experimenten im Metermaßstab gehört, auf Chips im Millimetermaßstab übertragen.“
Ultraschnelle Laser und Nobelpreis-Anerkennung
Solche ultraschnellen Laser sind für die Forschung so wichtig, dass der diesjährige Nobelpreis für Physik an drei Wissenschaftler für die Entwicklung von Lasern verliehen wurde, die Attosekundenpulse erzeugen können (eine Attosekunde ist eine Fünftelsekunde). Allerdings sind solche Laser derzeit extrem teuer und sperrig, und Marandi wies darauf hin, dass seine Forschung nach Möglichkeiten sucht, solche Zeitskalen auf Chips zu erreichen, die viel billiger und kleiner sein können, mit dem Ziel, erschwingliche, einsetzbare ultraschnelle photonische Technologien zu entwickeln.
„Diese Attosekundenexperimente werden fast immer mit ultraschnellen modengekoppelten Lasern durchgeführt“, sagte er. „Einige dieser Experimente können bis zu 10 Millionen US-Dollar kosten, und ein großer Teil davon entfällt auf die Kosten des modengekoppelten Lasers. Wir sind gespannt darauf, darüber nachzudenken, wie wir diese Experimente und Fähigkeiten in der Nanophotonik reproduzieren können.“
Das Herzstück des in Marandis Labor entwickelten nanophotonischen modengekoppelten Lasers ist Lithiumniobat, ein synthetisches Salz mit einzigartigen optischen und elektrischen Eigenschaften, die es ermöglichen, den Laserimpuls durch die Anwendung externer elektrischer Hochfrequenzsignale zu steuern und zu formen. Dieser Ansatz wird als Intracavity Phase Modulation Active Mode Locking bezeichnet.
„Vor etwa 50 Jahren nutzten Forscher die Intracavity-Phasenmodulation, um in Desktop-Experimenten modengekoppelte Laser zu erzeugen, und glaubten, dass diese Methode im Vergleich zu anderen Technologien nicht sehr geeignet sei“, sagte Guo Qiushi, Erstautor der Arbeit und ehemaliger Postdoktorand in Marandis Labor. „Aber wir fanden, dass es perfekt zu unserer Integrationsplattform passt.“
„Unser Laser ist nicht nur klein, sondern weist auch eine Reihe faszinierender Eigenschaften auf. Beispielsweise können wir die Wiederholungsrate der Ausgangsimpulse über einen weiten Bereich präzise abstimmen. Wir können dies nutzen, um stabile Frequenzkammquellen im Chip-Maßstab zu entwickeln, die für die Frequenzmesstechnik und Präzisionsmessung von entscheidender Bedeutung sind“, fügte Guo hinzu, jetzt Assistenzprofessor am Advanced Science Research Center der City University of New York.
Zukünftige Ziele und Forschungsimplikationen
Marandi sagte, sein Ziel bestehe darin, die Technologie weiter zu verbessern, damit sie auf kürzeren Zeitskalen und mit höheren Spitzenleistungen arbeiten könne, mit dem Ziel, 50 Femtosekunden zu erreichen (eine Femtosekunde ist ein Billionstel einer Sekunde), was eine 100-fache Verbesserung gegenüber seinem aktuellen Gerät wäre, das Impulse mit einer Länge von 4,8 Pikosekunden erzeugt.
Der die Forschung vorstellende Artikel mit dem Titel „Ultrafast Mode-Locked Lasers in Nanophotonic Lithium Niobate“ wurde in der Science-Ausgabe vom 9. November veröffentlicht.