Laser sind Transformationsgeräte, aber eine technische Herausforderung verhindert, dass sie es noch mehr sind. Das von ihnen emittierte Licht kann in den Laser selbst zurückreflektiert und ihn destabilisieren oder sogar deaktivieren. In realen Maßstäben wird diese Herausforderung durch sperrige Geräte gelöst, die Magnetismus verwenden, um die schädlichen Reflexionen zu blockieren. Im Chipmaßstab jedoch, wo Ingenieure hoffen, dass Laser eines Tages Computerschaltkreise transformieren werden, haben sich effektive Isolatoren als schwer fassbar erwiesen.
Vor diesem Hintergrund sagen Forscher der Stanford University, dass sie einen einfachen und effektiven Isolator im Chip-Maßstab entwickelt haben, der in einer Schicht aus halbleiterbasiertem Material aufgebracht werden kann, die hunderte Male dünner ist als ein Blatt Papier.
„Die Isolierung im Chip-Maßstab ist eine der großen offenen Herausforderungen in der Photonik“, sagte Jelena Vučković, Professorin für Elektrotechnik an der Stanford University und leitende Autorin der Studie, die am 1. Dezember in der Zeitschrift erscheint Naturphotonik.
„Jeder Laser benötigt einen Isolator, um zu verhindern, dass Rückreflexionen in den Laser gelangen und ihn destabilisieren“, sagte Alexander White, Doktorand in Vučkovićs Labor und Mit-Erstautor der Arbeit, und fügte hinzu, dass das Gerät Auswirkungen auf den Computeralltag habe, aber könnte beeinflussen auch Technologien der nächsten Generation wie Quantencomputing.
Klein und passiv
Der nanoskalige Isolator ist aus mehreren Gründen vielversprechend. Erstens ist dieser Isolator „passiv“. Es erfordert keine externen Eingaben, komplizierte Elektronik oder Magnetik – technische Herausforderungen, die den Fortschritt bei Chip-Scale-Lasern bisher behindert haben. Diese zusätzlichen Mechanismen führen zu Geräten, die für integrierte Photonikanwendungen zu sperrig sind und elektrische Interferenzen verursachen können, die andere Komponenten auf den Chips beeinträchtigen.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der neue Isolator ebenfalls aus gängigem und bekanntem Material auf Halbleiterbasis besteht und unter Verwendung bestehender Halbleiterverarbeitungstechnologien hergestellt werden kann, was möglicherweise den Weg zur Massenproduktion erleichtert.
Der neue Isolator hat die Form eines Rings. Es besteht aus Siliziumnitrid, einem Material, das auf dem am häufigsten verwendeten Halbleiter – Silizium – basiert. Der starke primäre Laserstrahl tritt in den Ring ein und die Photonen beginnen sich im Uhrzeigersinn um den Ring zu drehen. Gleichzeitig würde ein zurückreflektierter Strahl in der entgegengesetzten Richtung in den Ring zurückgeschickt und sich gegen den Uhrzeigersinn drehen.
„Die Laserleistung, die wir einbringen, zirkuliert viele Male und ermöglicht es uns, uns im Inneren des Rings aufzubauen. Diese zunehmende Leistung verändert den schwächeren Strahl, während der stärkere unbeeinflusst bleibt“, erklärt Co-Erstautorin Geun Ho Ahn, Doktorandin in der Elektrotechnik das Phänomen, das bewirkt, dass der schwächere Strahl aufhört zu schwingen. „Das reflektierte Licht, und nur das reflektierte Licht, wird effektiv ausgelöscht.“
Der Primärlaser verlässt dann den Ring und wird in der gewünschten Richtung „isoliert“.
Vučković und sein Team haben einen Prototyp als Proof of Concept gebaut und konnten zwei Ringisolatoren in einer Kaskade koppeln, um eine bessere Leistung zu erzielen.
„Die nächsten Schritte umfassen die Arbeit an Isolatoren für verschiedene Lichtfrequenzen“, sagte Co-Autor Kasper Van Gasse, Postdoktorand in Vučkovićs Labor. „Sowie eine engere Integration von Komponenten im Chip-Maßstab, um andere Verwendungen des Isolators zu erkunden und die Leistung zu verbessern.“
Mehr Informationen:
Alexander D. White et al, Integrierte passive nichtlineare optische Isolatoren, Naturphotonik (2022). DOI: 10.1038/s41566-022-01110-y