Eine On-Chip-Zeitlinse erzeugt ultraschnelle Pulse

Gepulste Femtosekundenlaser, die Licht in ultraschnellen Bursts emittieren, die ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde dauern, sind leistungsstarke Werkzeuge, die in einer Reihe von Anwendungen eingesetzt werden, von Medizin und Fertigung bis hin zu Sensoren und Präzisionsmessungen von Raum und Zeit. Heutzutage sind diese Laser in der Regel teure Tischsysteme, was ihre Verwendung in Anwendungen mit Beschränkungen hinsichtlich Größe und Stromverbrauch einschränkt.

Eine On-Chip-Femtosekunden-Impulsquelle würde neue Anwendungen im Quanten- und optischen Computing, in der Astronomie, in der optischen Kommunikation und darüber hinaus erschließen. Es war jedoch eine Herausforderung, abstimmbare und hocheffiziente gepulste Laser auf Chips zu integrieren.

Jetzt haben Forscher der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) eine hochleistungsfähige On-Chip-Femtosekunden-Impulsquelle entwickelt, die ein Werkzeug verwendet, das direkt aus der Science-Fiction zu stammen scheint: eine Zeitlinse.

Die Forschung ist veröffentlicht in Natur.

„Gepulste Laser, die hochintensive, kurze Pulse erzeugen, die aus vielen Lichtfarben bestehen, sind groß geblieben“, sagte Marko Lončar, Tiantsai Lin-Professor für Elektrotechnik am SEAS und leitender Autor der Studie.

„Um diese Quellen praktikabler zu machen, haben wir uns entschieden, einen bekannten Ansatz zur Realisierung konventioneller – und großer – Femtosekundenquellen zu verkleinern, indem wir eine hochmoderne integrierte Photonik-Plattform nutzen, die wir entwickelt haben. Wichtig ist, dass unsere Chips hergestellt werden Mikrofabrikationstechniken, wie sie zur Herstellung von Computerchips verwendet werden, wodurch nicht nur Kosten und Größe reduziert werden, sondern auch die Leistung und Zuverlässigkeit unserer Femtosekundenquellen verbessert wird.“

Herkömmliche Linsen, wie Kontaktlinsen oder solche, die in Lupen und Mikroskopen zu finden sind, beugen Lichtstrahlen, die aus verschiedenen Richtungen kommen, indem sie ihre Phase ändern, sodass sie denselben Ort im Raum treffen – den Brennpunkt.

Zeitlinsen hingegen „biegen“ Lichtstrahlen auf ähnliche Weise – aber sie ändern die Phase von Lichtstrahlen in der Zeit und nicht im Raum. Auf diese Weise werden verschiedene Lichtfarben, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreiten, neu getaktet, sodass sie jeweils zur gleichen Zeit auf die Fokusebene treffen.

Stellen Sie sich ein Autorennen vor, bei dem jede Lichtfarbe ein anderes Auto ist. Zuerst verschiebt die Zeitlinse die Abfahrtszeit jedes Autos und stellt dann ihre Geschwindigkeit so ein, dass sie zur gleichen Zeit an der Ziellinie ankommen.

Um Femtosekundenpulse zu erzeugen, verwendet das Gerät des Teams eine Reihe von optischen Wellenleitern, Kopplern, Modulatoren und optischen Gittern auf der Lithiumniobat-Plattform, die von Lončars Labor entwickelt wurde.

Das Team leitet zunächst einen einfarbigen Dauerstrich-Laserstrahl durch einen Amplitudenmodulator, der die Lichtmenge steuert, die durch die Zeitlinse geht, eine Funktion, die einer Blende in einer herkömmlichen Linse ähnelt. Das Licht breitet sich dann durch den „biegsamen“ Teil der Linse aus, in diesem Fall einen Phasenmodulator, wo ein Frequenzkamm mit verschiedenen Farben erzeugt wird. Um auf die Auto-Analogie zurückzukommen, erzeugt der Phasenmodulator die Autos verschiedener Farben zu unterschiedlichen Startzeiten und gibt sie dann frei.

Dann kommt die letzte Komponente des Lasers hinzu – ein Fischgrätengitter entlang des Wellenleiters. Das Gitter ändert die Geschwindigkeit der verschiedenen Lichtfarben, um sie alle im Rennen Hals an Hals in eine Linie zu bringen, so dass sie gleichzeitig die Ziellinie (oder Brennebene) erreichen

Da das Gerät steuert, wie schnell sich verschiedene Wellenlängen ausbreiten und wann sie auf die Fokusebene treffen, wandelt es den kontinuierlichen, einfarbigen Laserstrahl effektiv in eine breitbandige, hochintensive Impulsquelle um, die ultraschnelle Bursts von 520 Femtosekunden erzeugen kann.

Das Gerät ist hochgradig abstimmbar, auf einem 2 x 4 mm großen Chip integriert und benötigt aufgrund der elektrooptischen Eigenschaften von Lithiumniobat deutlich weniger Strom als Tischgeräte.

„Wir haben gezeigt, dass integrierte Photonik gleichzeitig Verbesserungen bei Energieverbrauch und Größe bietet“, sagte Mengjie Yu, ein ehemaliger Postdoktorand bei SEAS und Erstautor der Studie.

„Hier gibt es keine Kompromisse; Sie sparen gleichzeitig Energie und Platz. Sie erhalten einfach eine bessere Leistung, wenn das Gerät kleiner und integrierter wird. Stellen Sie sich vor – in Zukunft können wir Femtosekunden-Pulslaser in unseren Taschen herumtragen, um zu spüren, wie frisches Obst ist oder unser Wohlbefinden in Echtzeit verfolgen oder in unseren Autos zur Entfernungsmessung.“

Als nächstes will das Team einige der Anwendungen sowohl für den Laser selbst als auch für die Zeitlinsentechnologie untersuchen, darunter Linsensysteme wie Teleskope sowie ultraschnelle Signalverarbeitung und Quantennetzwerke.