Wissenschaftler aus Yale haben einen neuen Typ von Siliziumlaser entwickelt, der Schallwellen zur Lichtverstärkung nutzt. Eine Studie über die Entdeckung erscheint in der Online-Ausgabe der Zeitschrift Science .

In den letzten Jahren besteht ein zunehmendes Interesse daran, optische Technologien – wie Faseroptik und Freiraumlaser – in winzige optische oder „photonische“ integrierte Schaltkreise zu übertragen. Die Verwendung von Licht anstelle von Elektrizität für integrierte Schaltkreise ermöglicht das Senden und Verarbeiten von Informationen mit Geschwindigkeiten, die mit herkömmlicher Elektronik unmöglich wären. Forscher sagen, dass die Siliziumphotonik – optische Schaltkreise auf der Basis von Siliziumchips – dank ihrer Kompatibilität mit bestehender Mikroelektronik eine der führenden Plattformen für solche Technologien sei.

„ Wir haben in den letzten Jahren ein explosionsartiges Wachstum bei Silizium-Photonik-Technologien erlebt“, sagte Peter Rakich, außerordentlicher Professor für angewandte Physik an der Yale, der die Forschung leitete. „Wir beginnen nicht nur, diese Technologien in kommerziellen Produkten zu sehen, die dazu beitragen, dass unsere Rechenzentren einwandfrei funktionieren, sondern wir entdecken auch neue photonische Geräte und Technologien, die für alles von der Biosensorik bis zur Quanteninformation auf einem Chip transformativ sein könnten.“ Es ist wirklich eine aufregende Zeit für das Feld.“

Die Forscher sagten, dieses schnelle Wachstum habe einen dringenden Bedarf an neuen Siliziumlasern für die Stromversorgung der neuen Schaltkreise geschaffen – ein Problem, das aufgrund der indirekten Bandlücke von Silizium in der Vergangenheit schwierig war. „Die intrinsischen Eigenschaften von Silizium sind zwar für viele optische Technologien im Chip-Maßstab sehr nützlich, machen es jedoch äußerst schwierig, Laserlicht mit elektrischem Strom zu erzeugen“, sagte Nils Otterstrom, ein Doktorand im Rakich-Labor und Erstautor der Studie. „Es ist ein Problem, das Wissenschaftler seit mehr als einem Jahrzehnt behindert. Um dieses Problem zu umgehen, müssen wir andere Methoden finden, um das Licht auf einem Chip zu verstärken. In unserem Fall nutzen wir eine Kombination aus Licht- und Schallwellen.“

Das Laserdesign bündelt verstärktes Licht in einer Rennbahnform und fängt es in kreisförmiger Bewegung ein. „Das Rennstreckendesign war ein wesentlicher Teil der Innovation. Auf diese Weise können wir die Verstärkung des Lichts maximieren und die nötige Rückkopplung liefern, damit Laser entstehen können“, sagte Otterstrom.

Um das Licht mit Schall zu verstärken, nutzt der Siliziumlaser eine spezielle Struktur, die im Rakich-Labor entwickelt wurde. „Es handelt sich im Wesentlichen um einen Wellenleiter im Nanomaßstab, der sowohl Licht- als auch Schallwellen eng einschließen und ihre Wechselwirkung maximieren soll“, sagte Rakich.

„ Das Einzigartige an diesem Wellenleiter ist, dass es zwei unterschiedliche Kanäle für die Lichtausbreitung gibt“, fügte Eric Kittlaus, Mitautor der Studie und Doktorand im Rakich-Labor, hinzu. „Dadurch können wir die Licht-Schall-Kopplung so gestalten, dass bemerkenswert robuste und flexible Laserdesigns möglich sind.“

Ohne eine solche Struktur, erklärten die Forscher, wäre die Verstärkung von Licht mittels Schall in Silizium nicht möglich. „Wir haben Licht-Schall-Wechselwirkungen genutzt, die in diesen optischen Schaltkreisen praktisch nicht vorhanden waren, und sie in den stärksten Verstärkungsmechanismus im Silizium umgewandelt“, sagte Rakich. „Jetzt sind wir in der Lage, es für neue Arten von Lasertechnologien zu nutzen, die vor 10 Jahren niemand für möglich gehalten hätte.“

Otterstrom sagte, es gebe zwei Hauptherausforderungen bei der Entwicklung des neuen Lasers: „Erstens die Entwicklung und Herstellung eines Geräts, bei dem die Verstärkung größer ist als der Verlust, und dann die kontraintuitive Dynamik dieses Systems herauszufinden“, sagte er. „Wir beobachten, dass es sich bei dem System zwar eindeutig um einen optischen Laser handelt, dieser aber auch sehr kohärente Hyperschallwellen erzeugt.“

Das Forschungsteam sagte, dass diese Eigenschaften zu einer Reihe potenzieller Anwendungen führen könnten, die von integrierten Oszillatoren bis hin zu neuen Schemata zur Kodierung und Dekodierung von Informationen reichen. „Mit Silizium können wir eine Vielzahl von Laserdesigns erstellen, jedes mit einzigartiger Dynamik und potenziellen Anwendungen“, sagte Co-Autor Ryan Behunin, Assistenzprofessor an der Northern Arizona University und ehemaliges Mitglied des Rakich-Labors. „Diese neuen Fähigkeiten erweitern unsere Fähigkeit, Licht in photonischen Siliziumschaltkreisen zu steuern und zu formen, erheblich.“