Ein Forscherteam unter der Leitung von Jelena Vučković, Professorin für Elektrotechnik an der Stanford University, hat Pionierarbeit bei der Integration eines Titan-Edelsteinlasers (Ti:Saphir) auf einem Chip geleistet (der mit einem grünen Laserpointer gepumpt werden kann). Im Vergleich zu jedem anderen derzeit erhältlichen Titan-Edelsteinlaser ist dieser Prototyp vier Größenordnungen kleiner (d. h. ein Zehntausendstel des Originals) und drei Größenordnungen kostengünstiger (d. h. ein Tausendstel des Originals).
Titan-Edelsteinlaser sind aufgrund ihrer hohen Verstärkungsbandbreite und ultraschnellen Impulsabgabe in Bereichen wie modernster Quantenoptik, Spektroskopie und Neurowissenschaften unverzichtbar. Ihre große Größe und ihr hoher Preis (jeweils Hunderttausende US-Dollar) sowie der Bedarf an leistungsstarken Geräten (die jeweils für etwa 30 US-Dollar verkauft werden) zum Pumpen haben jedoch ihre weit verbreitete Verwendung eingeschränkt.
„Am Stanford-Labor für Nano- und Quantenphotonik haben wir mehrere Quantenexperimente durchgeführt, die auf Festkörper-Spin-Quantenbits in Materialien wie Diamant und Siliziumkarbid basieren. Dieses Experiment basiert stark auf kommerziellen Titan-Edelsteinlasern.“ Joshua Yang, ein Doktorand in Vučkovićs Team, erklärt.
Titan-Edelsteinlaser sind nicht nur teuer, sondern auch komplex und erfordern häufig eine regelmäßige Wartung, damit sie einwandfrei funktionieren.Prof. Das Forschungsteam von Vučković führt zahlreiche Experimente durch, für die die Titan-Edelsteinlaser nicht genügend Maschinenzeit haben und daher die Ausrüstung teilen und den Versuchsplan verwalten müssen. Da zudem die für die Experimente benötigte Leistung viel geringer ist als die Ausgangsleistung kommerzieller Titan-Edelsteinlaser, kann die Laserleistung nur um wenige Größenordnungen abgeschwächt werden, was dazu führt, dass ein großer Teil der Laserleistung verschwendet wird.
Yang sagte: „Titan-Saphir-Laser im Chip-Maßstab können aufgrund ihrer geringen Kosten, Kompaktheit und Stabilität die kommerziellen Titan-Edelstein-Lasersysteme ersetzen, die derzeit für unsere Präzisionsexperimente eingesetzt werden.“
Abbildung 1: Der vom Forschungsteam von Prof. Jelena Vučković entwickelte Chip-Scale-Titan-Edelsteinlaser. Der Laser ruht diagonal auf einem Titan-Edelstein, beide ruhen auf einem Viertel.
Cleveres Laserdesign
Der vom Team entwickelte Chip-Laser besteht aus zwei Hauptteilen: einem Wellenleiter und einem Ringresonator.
Eine Schicht aus Titan-Edelsteinen wird auf ein Substrat aus Siliziumdioxid (SiO2) gelegt, das dann auf ein Saphirglas gelegt wird. Die Titan-Edelsteinschicht wird auf eine Dicke von nur wenigen hundert Nanometern geschliffen, geätzt und poliert. Anschließend wurde es mit einem Wellenleiter strukturiert, der als Wirbel aus winzigen Rippen fungiert, die das Licht auf seinem Weg durch ihn leiten.
Zum Erhitzen des Wellenleiters wird eine Miniaturheizung verwendet, die den Brechungsindex des Wellenleiters und die Geschwindigkeit, mit der sich Licht durch den Wellenleiter bewegt, ändert, sodass die Ausgangswellenlänge über einen Wellenlängenbereich von Rot bis Infrarot (derzeit einstellbar) eingestellt werden kann bis 60 nm).
„Der spiralförmige Wellenleiter entspricht einem Verstärker für den Laser, und die Leistung erhöht sich, wenn der Laser ihn durchquert.“ Yang erklärt: „Der Ringresonator fungiert sowohl als Filter zur Modulation der Wellenlänge des Lasers über Mikroheizer als auch als Resonanzhohlraum für den Laser – er fungiert als Rezirkulationspfad für die Laserübertragung.“
Abbildung 2: Optisches Bild eines Titan-Edelstein-Wellenleiterverstärkers mit den Maßen 0,5 mm x 0,5 mm.
Herausforderungen für Titan-Edelsteinlaser im Chip-Maßstab
Die größte Schwierigkeit bei Titan-Edelsteinlasern besteht darin, dass sie für den Betrieb ein hochintensives Pumpen erfordern. Durch die Umsetzung der Titan-Edelstein-Lasertechnologie durch einen hochpräzisen Wellenleiter gelang dem Forschungsteam zwei wichtige Durchbrüche:
Erstens: Da die Pumpintensität die Leistung dividiert durch die Fläche ist, wird die Pumpfläche durch die Verwendung von optischen Wellenleitern aus Titan-Edelsteinen erheblich reduziert. „Das bedeutet, dass nur weniger Leistung (etwa 1000-mal weniger) benötigt wird, um eine ähnliche Pumpintensität wie kommerzielle Titan-Edelsteinsysteme zu erreichen.“ Yang erklärt: „Sogar ein billiger Halbleiterlaser mit grünem Licht ist leistungsstark genug, um diesen Chip-Laser zu pumpen.“
Zweitens wird der Titan-Edelsteinlaser auf dem Chip integriert. „Der Saphirlaser im Chip-Maßstab (ohne weitere bewegliche Teile) verfügt über eine Miniaturisierung, Skalierbarkeit und Haltbarkeit, die von kommerziellen Lasern für die Halbleiterfertigung auf Wafer-Ebene im großen Maßstab nicht erreicht wird.“ Yang fügte hinzu.
Der Höhepunkt dieser Arbeit ist für Yang die Verwendung dieses Chip-Titan-Edelsteinlasers für Quantenexperimente. Er sagte: „Es war eine große Überraschung zu sehen, dass dieses winzige Gerät ein sperriges kommerzielles Lasersystem in einem Quantenelektrodynamik-Experiment (Complex Cavity Electrodynamics, QED) ersetzt. Denn die von uns entwickelten Chip-Laser sind wirklich außergewöhnlich.“
Eine der Herausforderungen, die Vučkovićs Forschungsteam bewältigen musste, um den Titan-Edelsteinlaser im Chip-Maßstab wirklich für Quantenexperimente nutzbar zu machen, war die Optimierung der Kopplung der Pumpquelle. „Für Experimente wird der Laser durch einen Freiraum-Lichtweg gepumpt“, sagt Yang, „aber mit der photonischen Verpackungstechnologie ist es möglich, einen Halbleiterlaser mit grünem Licht zu integrieren, der als Pumpquelle für den Titan-Edelstein in Chipgröße dient.“ Durch die Optimierung der Kopplung des Verpackungssystems und der Pumpquelle kann eine höhere Laserleistung erzielt werden, und der Laser ist sowohl tragbar als auch langlebig.“
Mögliche Anwendungen
Chip-große Titan-Edelsteinlaser haben ein breites Anwendungsspektrum, von Quantentechnologien wie Quantencomputing und Atomuhren bis hin zu medizinischen Anwendungen wie optischer Kohärenztomographie und Zwei-Photonen-Mikroskopie.
„Hoffentlich wird diese Technologie in den nächsten Jahren ausgereift sein und in diesen Bereichen eingesetzt werden“, sagte Yang. Nach seinem Abschluss in diesem Sommer wird er für Brightlight Photonics arbeiten, ein Unternehmen, das sich für die Kommerzialisierung von Titan-Edelsteinlasern im Chip-Maßstab einsetzen wird.
Derzeit arbeiten Jelena Vučković und ihr Forschungsteam an einem abstimmbaren modengekoppelten Titanlaser im Chip-Maßstab.
Gepulste Laser „werden neue Möglichkeiten für Laseranwendungen in der Quantentechnologie, der klassischen Informationsverarbeitung und der Biomedizin eröffnen“, sagte Prof. Vučković.
