Wissenschaftler integrieren zum ersten Mal einen Hochleistungs-Laser-Mode-Locker auf einem nanophotonischen Chip

Der Einsatz von Lasern im täglichen Leben ist relativ weit verbreitet und kann auch ein wichtiges Werkzeug zur Beobachtung, Analyse und Quantifizierung von Dingen in der Natur sein, die für das bloße Auge unsichtbar sind – Aufgaben, die in der Vergangenheit leider nur eingeschränkt möglich waren die Notwendigkeit, große, teure Instrumente zu verwenden.
Ein Team von Wissenschaftlern der City University of New York und des California Institute of Technology hat experimentell einen neuen Weg zur Herstellung leistungsstarker, ultraschneller Laser auf nanophotonischen Chips demonstriert – sie haben die weltweit ersten elektrisch gepumpten modengekoppelten Laser mit hoher Leistung demonstriert Spitzenimpulsleistung integriert auf Dünnschicht-Lithiumniobat-Fotochips. Die Forschung wurde kürzlich als Titelgeschichte in der Zeitschrift Science veröffentlicht.
Laut Teamleiter Qiushi Guo basiert die Forschung auf miniaturisierten modengekoppelten Lasern, die einen einzigartigen Laser aussenden, der in Femtosekundenintervallen eine Folge ultrakurzer Impulse kohärenten Lichts aussendet.
Ultraschnelle modengekoppelte Laser spielen eine zentrale Rolle bei der Aufklärung der Geheimnisse der schnellsten Zeitskalen der Natur. Dazu gehört die Untersuchung der Bildung und des Aufbrechens molekularer Bindungen bei chemischen Reaktionen und die Erforschung der Dynamik der Lichtausbreitung in turbulenten Medien.
Es ist die Entwicklung modengekoppelter Laser, die aufgrund ihrer schnellen Impulsspitzenintensitäten und breiten Spektralabdeckung auch die Entwicklung einer Vielzahl von Photoniktechnologien vorangetrieben hat, darunter optische Atomuhren, Bio-Imaging und lichtbasierte Datenberechnung in Computern.
Leider sind selbst moderne modengekoppelte Laser immer noch teuer und stromhungrig, was dazu geführt hat, dass ihr Einsatz weitgehend auf Laborumgebungen beschränkt ist.
Das Ziel des oben genannten Teams: den Bereich der ultraschnellen Photonik zu revolutionieren, indem große Laborsysteme in Systeme in Chipgröße umgewandelt werden, die in Massenproduktion hergestellt und im Feld eingesetzt werden können. Sie wollen die Dinge nur kleiner machen, aber sie wollen auch sicherstellen, dass diese ultraschnellen Laser in Chipgröße eine zufriedenstellende Leistung erbringen. Sie benötigen beispielsweise eine ausreichende Spitzenimpulsintensität, vorzugsweise mehr als 1 Watt, um sinnvolle Systeme im Chip-Maßstab zu bauen.
Allerdings ist die Realisierung und Integration effizienter modengekoppelter Laser auf einem Chip eine anspruchsvolle Aufgabe. Diese Forschung nutzt Dünnschicht-Lithiumniobat (TFLN), eine innovative Materialplattform. Mit diesem Material ist es möglich, Laserimpulse präzise zu steuern und effizient zu formen, indem ein externes elektrisches HF-Signal hinzugefügt wird.
In ihren Experimenten kombinierte Guos Team geschickt die hohen Laserverstärkungseigenschaften von III-V-Halbleitern mit den hocheffizienten Impulsformungsfähigkeiten der nanophotonischen TFLN-Wellenleiter und demonstrierte schließlich einen Laser mit einer Ausgangsspitzenleistung von bis zu 0,5 Watt .
Zusätzlich zu seiner kompakten Größe verfügt der von ihnen vorgestellte modengekoppelte Laser über eine Reihe aufregender neuer Funktionen, die für zukünftige Anwendungen vielversprechend sein können.
Durch die präzise Abstimmung des Pumpstroms des Lasers erkannte Guo beispielsweise die Möglichkeit, die Ausgangsimpulswiederholungsfrequenz über einen weiten Bereich von 200 MHz fein abzustimmen. Mithilfe der robusten Rekonfigurierbarkeit des Demonstrationslasers hofft das Team, frequenzstabilisierte Kammquellen im Chip-Maßstab zu ermöglichen, die für Präzisionssensoranwendungen von entscheidender Bedeutung sind.
Während die Realisierung skalierbarer, integrierter, ultraschneller photonischer Systeme für tragbare und handgehaltene Geräte zusätzliche Herausforderungen für Kuos Team darstellt, markiert die aktuelle Demonstration einen wichtigen Meilenstein bei der Überwindung großer Hürden.
Diese Errungenschaft ebnet den Weg für den Einsatz von Mobiltelefonen zur Diagnose von Augenkrankheiten oder zur Analyse von E. coli und gefährlichen Viren in Lebensmitteln und der Umwelt. Es könnte auch dazu beitragen, künftige Atomuhren im Chip-Maßstab zu entwickeln, die die Navigation ermöglichen, wenn GPS beschädigt oder nicht verfügbar ist.
Mit dieser jüngsten Demonstration haben Wissenschaftler eine große Hürde überwunden. Dennoch freuen sich Wissenschaftler nun darauf, die zusätzlichen Hürden bei der Entwicklung skalierbarer, integrierter, ultraschneller photonischer Systeme zu überwinden, die auf tragbaren und handgehaltenen Geräten verwendet werden können.