Ein Gerät, das so klein ist, dass es mit bloßem Auge fast unsichtbar ist, könnte der Schlüssel für zukünftige optische Sensorchips werden. Ein Forschungsteam an der University of Colorado Boulder hat einen hochleistungsfähigen optischen „Rennstrecken“-Mikroresonator entwickelt, der den Lichtverlust deutlich reduzieren kann und so die Tür zu Anwendungen wie chemischer Detektion, Navigationsausrüstung und sogar Quantenmessung öffnet. Der entsprechende Artikel wurde in der neuen Ausgabe von Applied Physics Letters veröffentlicht.
Das Ergebnis dieser Forschung ist die Schaffung eines optischen Wellenleiter-Mikroresonators auf einem Chip. Die Dicke des Mikroresonators beträgt nur 1/10 eines menschlichen Haares. Der Mikroresonator kann als Mikrogerät verstanden werden, das „Licht einfängt“. Das Licht zirkuliert darin kontinuierlich und nimmt allmählich an Intensität zu. Wenn das Licht stark genug ist, können Wissenschaftler damit verschiedene spezielle optische Operationen durchführen. Bright, der Erstautor des Artikels
Laut Lu besteht ihr Ziel darin, diesem Gerät einen effizienten Betrieb bei geringeren optischen Leistungen zu ermöglichen.
Das Team konzentrierte sich auf „Racetrack“-Resonatoren, ein Gerät, das nach seiner länglichen Form benannt wurde, die einer Rennstrecke ähnelt. Sie haben speziell ein glattes Kurvendesign namens „Eulesche Kurve“ übernommen, das häufig auf Straßen und Schienen zu finden ist, da Autos bei hohen Geschwindigkeiten nicht plötzlich im rechten Winkel abbiegen können, und das Gleiche gilt auch für die Lichtausbreitung. Wenn es sich zu stark biegt, „rutscht“ es.
Durch die Verwendung solcher glatten Biegungen werden optische Verluste erheblich reduziert, sodass Photonen länger im Resonator verbleiben und dadurch die Wechselwirkungen verbessert werden. Bei zu großem Lichtverlust kann der Resonator nicht genügend Licht speichern und seine Leistung wird stark reduziert.
Die Mikroresonatoren wurden mittels Elektronenstrahllithographie in einem Reinraum hergestellt. Im Gegensatz zur herkömmlichen Photolithographie, die durch die Wellenlänge des Lichts begrenzt ist, kann diese Technologie eine Präzision im Sub--Nanometerbereich erreichen und eignet sich für die Verarbeitung mikro{2}}optischer Strukturen. Aufgrund der extrem geringen Größe des Geräts können selbst kleinste Staubpartikel oder Defekte die Lichtausbreitung beeinträchtigen. Daher ist eine saubere Umgebung von entscheidender Bedeutung.
Ebenso wichtig ist die Materialauswahl. Das Team verwendete eine Art Chalkogenid-Halbleiterglasmaterial. Diese Art von Material verfügt über eine hohe Transparenz und starke nichtlineare Eigenschaften, wodurch es sich sehr gut für photonische Geräte eignet. Allerdings sind sie schwer zu verarbeiten und erfordern ein Gleichgewicht zwischen Leistung und Herstellungsaufwand. Durch die Reduzierung von Biegeverlusten gelang es dem Team, Geräte mit extrem -niedrigen-Verlusten zu entwickeln, deren Leistung mit aktuellen Plattformen für fortschrittliche Materialien vergleichbar ist.
Das Forschungsteam gab an, dass dieser Mikroresonator in Zukunft voraussichtlich eine Schlüsselkomponente in photonischen Systemen werden und in Mikrolasern, biochemischen Sensoren und Quantennetzwerkgeräten verwendet werden kann. Das ultimative Ziel besteht darin, diese Technologie zu optischen Chips weiterzuentwickeln, die in großem Maßstab hergestellt werden können.
