Forscher entwickeln rein optischen Ansatz zum Pumpen chipbasierter Nanolaser

Forscher haben ein neues rein optisches Verfahren zum Ansteuern mehrerer hochdichter Nanolaser-Arrays entwickelt. Der Ansatz könnte chipbasierte optische Kommunikationsverbindungen ermöglichen, die Daten schneller verarbeiten und übertragen als heutige elektronische Geräte.

„Die Entwicklung optischer Verbindungen, die mit hochdichten Nanolasern ausgestattet sind, würde die Informationsverarbeitung in den Rechenzentren verbessern, die Informationen über das Internet übertragen“, sagte der Leiter des Forschungsteams Myung-Ki Kim von der Korea University.

„Dies könnte das Streamen von Ultra-High-Definition-Filmen ermöglichen, interaktive Online-Begegnungen und Spiele in größerem Umfang ermöglichen, die Expansion des Internets der Dinge beschleunigen und die schnelle Konnektivität bereitstellen, die für Big-Data-Analysen erforderlich ist.“

Die Studie, veröffentlicht in Optikdemonstriert, dass dicht integrierte Nanolaser-Arrays – bei denen die Laser nur 18 Mikrometer voneinander entfernt sind – vollständig mit Licht aus einer einzigen optischen Faser angesteuert und programmiert werden können.

„Optische Geräte, die auf einem Chip integriert sind, sind eine vielversprechende Alternative zu elektronischen integrierten Geräten, die Schwierigkeiten haben, mit den heutigen Anforderungen an die Datenverarbeitung Schritt zu halten“, sagte Kim.

„Durch den Wegfall der großen und komplexen Elektroden, die normalerweise zum Ansteuern von Laserarrays verwendet werden, haben wir die Gesamtabmessungen des Laserarrays reduziert und gleichzeitig die Wärmeerzeugung und Verarbeitungsverzögerungen eliminiert, die mit elektrodenbasierten Treibern einhergehen.“

Elektroden durch Licht ersetzen

Die neuen Nanolaser könnten in optischen integrierten Schaltungssystemen verwendet werden, die Informationen auf einem Mikrochip über Licht erfassen, erzeugen, übertragen und verarbeiten. Anstelle der in elektronischen Chips verwendeten feinen Kupferdrähte verwenden optische Schaltungen Lichtwellenleiter, die viel höhere Bandbreiten bei geringerer Wärmeentwicklung ermöglichen. Da die Größe optischer integrierter Schaltungen jedoch schnell in den Nanometerbereich reicht, besteht ein Bedarf an neuen Wegen, um ihre Lichtquellen in Nanogröße effizient anzusteuern und zu steuern.

Um Licht zu emittieren, müssen Laser in einem Prozess, der als Pumpen bezeichnet wird, mit Energie versorgt werden. Bei Nanolaser-Arrays wird dies typischerweise unter Verwendung eines Elektrodenpaars für jeden Laser innerhalb eines Arrays erreicht, was einen erheblichen Platz- und Energieverbrauch auf dem Chip erfordert und gleichzeitig Verarbeitungsverzögerungen verursacht.

Um diese kritische Einschränkung zu überwinden, ersetzten die Forscher diese Elektroden durch einen einzigartigen optischen Treiber, der durch Interferenz programmierbare Lichtmuster erzeugt. Dieses Pumplicht wandert durch eine optische Faser, auf die Nanolaser gedruckt sind.

Um diesen Ansatz zu demonstrieren, verwendeten die Forscher eine hochauflösende Transferdrucktechnik, um mehrere photonische Kristall-Nanolaser mit einem Abstand von 18 Mikrometern herzustellen. Diese Arrays wurden auf die Oberfläche einer optischen Mikrofaser mit einem Durchmesser von 2 Mikron aufgebracht.

Dies musste so erfolgen, dass die Nanolaser-Arrays genau auf das Interferenzmuster ausgerichtet waren. Das Interferenzmuster könnte auch modifiziert werden, indem die Polarisation und Impulsbreite des Fahrstrahls angepasst werden.

Laserfahren mit einer einzigen Faser

Die Experimente zeigten, dass das Design es ermöglichte, mehrere Nanolaser-Arrays mit Licht anzusteuern, das durch eine einzelne Faser wanderte. Die Ergebnisse stimmten gut mit numerischen Berechnungen überein und zeigten, dass die gedruckten Nanolaser-Arrays vollständig durch die Interferenzmuster des Pumpstrahls gesteuert werden konnten.

„Unsere volloptische Laserantriebs- und Programmiertechnologie kann auch auf chipbasierte Silizium-Photoniksysteme angewendet werden, die eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung von optischen Chip-zu-Chip- oder On-Chip-Verbindungen spielen könnten“, sagte Kim.

„Allerdings müsste nachgewiesen werden, wie unabhängig die Moden eines Silizium-Wellenleiters gesteuert werden können. Wenn dies gelingen würde, wäre dies ein großer Fortschritt in der Weiterentwicklung von optischen On-Chip-Verbindungen und optischen integrierten Schaltkreisen.“