Ausländisches Team baut stabilere und effizientere Kammlaser

Kürzlich hat sich das Lasertechnologie-Startup illumtra mit dem Deutschen Forschungszentrum für Elektronensynchrotron (DESY) in Hamburg zusammengetan, um gemeinsam erfolgreich an der Entwicklung eines Kammlasers zu arbeiten, der stabiler und effizienter im Design ist.
Der Höhepunkt dieser Entwicklung ist die Demonstration eines Mikroresonators mit programmierbaren synthetisierten Reflexionen, der eine individuelle Injektionsrückmeldung zum Antrieb des Lasers liefert. Diese Technologie bietet erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Selbstinjektionsschlössern und kann mit Standard-Lithographietechniken hergestellt werden.
Die Kammlaser sind in der Lage, Lichtquellen in einem breiten Farbspektrum mit Frequenzabständen von 100 GHz bis 1 THz zu emittieren. Der Einsatz dieser Technologie ist für die Datenübertragung in den Bereichen optische Kommunikation und künstliche Intelligenz von großem Wert.
Der Vorteil von Kammlasern ist die Reinheit der von ihnen emittierten Farben. In Anwendungen wie der optischen Kommunikation besteht Bedarf an einem Laser, der mehrere reine Lichtfarben aussenden kann, und Kammlaser erfüllen diesen Bedarf.
Um die Reinheit von Kammlasern zu verbessern, ist die Selbstinjektionsverriegelung zu einer Standardmethode in der Industrie geworden. Diese Methode verwendet einen Ringresonator, um Rauschen herauszufiltern, bewirkt, dass Licht durch Rayleigh-Rückstreuung von zufälligen Defekten innerhalb des Rings zurückreflektiert wird, und wird zur Verriegelung wieder in den Laser injiziert.
„Das Problem beim Vertrauen auf zufällige Fehler besteht darin, dass sie farbabhängig sein können und die Intensität nicht stark und stabil genug ist“, sagte John Jost, einer der Autoren des Papiers und Mitbegründer von Enlightenment. „Es gibt insbesondere einige Einschränkungen.“ wenn wir mehr Licht zurück in den Laser bringen wollen, da dies für eine effektive Injektionsverriegelung von entscheidender Bedeutung ist.“
Der entscheidende Durchbruch bei dieser Forschung war die Entwicklung eines speziellen Modus, der eine gerichtete Rückstreuung des Lichts innerhalb des Ringresonators ermöglicht. Dieser Modus ist speziell für eine bestimmte Farbe optimiert und stellt sicher, dass mehr Licht effizient zum Laser zur Injektionsverriegelung zurückgeschickt wird.
Die Kammlaser von Illumtra verfügen über integrierte Lichtquellenfunktionen, wodurch sie sich besonders für optische I/O-Lösungen und verteilte Computer- und Speicherarchitekturen eignen.
Um die Wirksamkeit zu bestätigen, führten die Autoren verschiedene Tests mit maßgeschneiderten Nanoring-Resonatoren mit unterschiedlichen Strukturen durch. Sie haben eine Halbleiterlaserdiode an einen Photonenchip mit integriertem Ringresonator angedockt. Die Technik wurde im C-Band validiert, könnte aber theoretisch in allen Telekommunikationsbändern gleichermaßen effektiv sein. Der eigentliche Resonator ist auf einem integrierten photonischen Chip mit Siliziummanteltechnologie aufgebaut und in einen photonischen Kristallringresonator aus Siliziumnitrid eingebettet.
Jost sagte: „Die in dieser Arbeit verwendeten photonischen integrierten Schaltkreise wurden auf Produktionslinien in Industriequalität hergestellt, sodass die Technologie für die Massenproduktion bereit ist.“ Er bemerkte weiter: „Diese Fähigkeit, die Lichtstreuung präzise zu steuern, eröffnet völlig neue Möglichkeiten für fortschrittlichere Designs, die es uns ermöglichen, das Spektrum des Kammlasers an die Anforderungen der realen Welt anzupassen und so eine beispiellose Flexibilität zu ermöglichen.“
Der Laser kann in perfekter Kombination mit einer Vielzahl photonischer integrierter Schaltkreise eingesetzt werden, beispielsweise zum Aufbau schneller optischer I/O-Einheiten oder optischer feldprogrammierbarer Gate-Arrays. Die Technologie wird erhebliche Auswirkungen auf datenintensive Anwendungen, etwa im Bereich der generativen künstlichen Intelligenz, haben und auch starke Impulse für die Entwicklung neuer Rechen- und Speicherarchitekturen geben.