Passt auf eine Fingerspitze: Physiker haben den ersten Mikrolaser für sichtbares Licht jenseits von Rot entwickelt – er liefert scharf abgegrenztes Laserlicht in frei wählbaren Wellenlängen vom UV-Bereich über alle sichtbaren Farben bis ins Nahinfrarot. Möglich wurde dies durch die Kombination einer FP-Laserdiode mit einem photonischen Wellenleiter, der das Laserlicht in den gewünschten Wellenbereich bringt. Diese Lasertechnik ermöglicht neue Anwendungen in der Quantenkommunikation, bei optischen Atomuhren oder für Sensoren.
Laser sind in Alltag, Technik und Forschung längst allgegenwärtig. Ihr kohärentes Licht dient als Messhilfe, Allzweckwerkzeug, Kommunikationsmittel oder Sensor und wird in unzähligen Varianten vom ultrakurzen Puls bis zur Trägerwelle für Daten eingesetzt. Auch für die optische Datenübertragung und -verarbeitung und die Quantentechnologie spielen Laser eine entscheidende Rolle.
Chiptaugliche Mikrolaser gesucht
Doch für photonische Chips fehlt noch die passende Lasertechnologie: Sie werden bisher durch große Lasersysteme gespeist, die ganze Tische füllen und teuer sind. Zwar gibt es Laserdioden, die günstig und klein genug für die Integration in Mikrochips sind. Diese Fabry-Pérot-Dioden (FP) produzieren aber für die meisten Zwecke ein zu unscharfes, zu viele Wellenlängen umfassendes Laserlicht, zudem sind sie nur schwer regulierbar. Andere Mikrolaser in Chipgröße sind zwar präzise genug, decken aber nur den infraroten und roten Wellenbereich ab.
„Für Anwendungen wie die Quantenoptik, optische Atomuhren sowie atomare und molekulare Physik sind jedoch On-Chip-Laser im sichtbaren Bereich des Lichts nötig, die eine schmale Linienbreite haben und über einen weiten Bereich einstellbar sind“, erklären Mateus Corato-Zanarella von der Columbia University in New York und seine Kollegen.
Miniatur-Ringresonatoren bringen Laserstahlen in Form
Eine solchen hochpräzisen und frei einstellbaren Mikrolaser in Chipgröße haben die Forscher nun entwickelt. Dies gelang ihnen, indem sie gängige FP-Laserdioden mit speziellen Wellenleitern aus dem Halbleitermaterial Siliziumnitrid kombinierten. Diese Wellenleiter bilden winzige Ringresonatoren mit variabler Ringweite, deren Form die Laserstrahlen auf die gewünschte Weise moduliert.
„Indem wir diese aufwendig designten Bauteile miteinander kombinierten, konnten wir eine robuste und vielseitige Laser-Plattform konstruieren, die skalierbar ist und alle Farben des Lichts erzeugen kann“, sagt Zanarella. Noch wichtiger jedoch: Die erzeugten Laserstrahlen haben eine fundamentale Linienbreite von nur wenigen Kilohertz, wie sie für quantenoptische Anwendungen benötigt wird und eine in der Glasfaser gemessene Leistung von bis zu zehn Milliwatt. Die Physiker haben ihr neues Lasersystem bereits zum Patent angemeldet.
Anwendung von Quantentechnik über Atomuhren bis zu LIDAR
„Dies bricht mit dem Paradigma, dass Hochleistungslaser tischgroß und zehntausende Dollar teuer sein müssen“, sagen die Forscher. Ihr miniaturisiertes Lasersystem könnte in vielen Bereichen eingesetzt werden, in denen zurzeit noch große Laser benötigt werden. Dazu gehören die Quanten-Telekommunikation und Quantencomputer, deren Qubits meist mithilfe von Lasern manipuliert werden, aber auch optische Atomuhren, die durch den Einsatz kleiner On-Chip-Laser kleiner und transportierbar werden könnten.
„Die integrierte Photonik ist ein spannendes Feld, das unsere Welt revolutionieren wird – die Spanne reicht von der optischen Telekommunikation über Quantentechnologien bis zum Biosensing“, sagt Senrioaturoin Michal Lipson von der Columbia University. Die miniaturisierte Laserplattform könnte zudem LIDAR-Systeme für den Unterwasser-Einsatz optimieren oder ganz neue Technologien ermöglichen wie das „Li-Fi“ – eine auf optischem Licht statt auf Mikrowellen beruhende Form des WLANs. (Nature Photonics, 2022; doi: 10.1038/s41566-022-01120-w)
Quelle: Columbia University School of Engineering and Applied Science
