Vorstellung der neuen Lithium-Niobat-Lasertechnologie
Forschende aus der Schweiz haben einen neuen Lasertyp auf der Basis von Lithium-Niobat (LiNbO3) entwickelt, der die Frequenz oder Intensität von Licht, das durch ein Gerät übertragen wird, steuern kann. Mit Unterstützung der EU-finanzierten Projekte MICROCOMB, OMT, HOT und QUSTEC könnte ihre Arbeit großen Einfluss auf die Technologie der optischen Entfernungsmessung nehmen. Lithium-Niobat – ein synthetisches Salz, das sich aus Niob, Lithium und Sauerstoff zusammensetzt – kommt in großem Umfang auf dem Telekommunikationsmarkt zum Einsatz. Es handelt sich um eines der am häufigsten verwendeten Materialien für elektro-optische Hochgeschwindigkeitsmodulatoren. Wie in einer Pressemitteilung auf „Optics.org“ berichtet wird, liegt sein Nutzwert in den Fähigkeiten, „eine große optische Leistungsmenge zu verarbeiten“ und „seine optischen Eigenschaften zu verändern, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird“. Wie die Forschenden in ihrer in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlichten Studie erläutern, wurde das volle Potenzial dieser Plattform zur Demonstration von frequenzagilen integrierten Lasern mit geringer Linienbreite noch nicht ausgeschöpft, obwohl „die jüngsten Fortschritte abstimmbare integrierte Laser auf der Basis von LiNbO3 nachgewiesen haben“.
Lithium-Niobat mit Siliziumnitrid kombinieren
Um hier Abhilfe zu schaffen, kombinierte das Forschungsteam Lithium-Niobat mit Siliziumnitrid (Si3N4), um einen neuartigen integrierten abstimmbaren Hybridlaser zu schaffen. Zunächst wurden bei dem OMT- und HOT-Projektkoordinator und MICROCOMB-Projektpartner, der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (ETHL) in der Schweiz, photonische integrierte Schaltungen auf der Basis von Siliziumnitrid hergestellt. Die Schaltkreise wurden dann beim MICROCOMB-, OMT- und HOT-Projektpartner IBM Research Europe, ebenfalls in der Schweiz ansässig, mit Lithium-Niobat-Wafern verbunden. Die Studienautorenschaft beschreibt ihren Ansatz: „Unsere Plattform basiert auf der heterogenen Integration von photonischen Si3N4-Schaltkreisen mit ultraniedrigem Verlust, unter Verwendung von Dünnfilm-LiNbO3 und durch das direkte Verbinden auf Wafer-Ebene. Diese Methode unterscheidet sich von der zuvor demonstrierten Integration auf Chiplet-Ebene, und zeichnet sich durch einen niedrigen Ausbreitungsverlust von 8,5 Dezibel pro Meter aus, wodurch Laser mit schmaler Linienbreite (intrinsische Linienbreite von 3 Kilohertz) durch Selbstinjektion mit einer Laserdiode ermöglicht werden. Die Hybrid-Mode des Resonators gestattet eine elektro-optische Laserfrequenzabstimmung mit einer Geschwindigkeit von 12 × 1015 Hertz pro Sekunde bei hoher Linearität und geringer Hysterese unter Beibehaltung der schmalen Linienbreite.“ Der Ansatz des Teams brachte Eigenschaften hervor, die für Laseranwendungen zur Erfassung und Entfernungsmessung von Licht erforderlich sind. Der resultierende Laser zeigte ein geringes Frequenzrauschen – was auf eine stabile Frequenz schließen lässt – und eine schnelle Wellenlängenabstimmung. Anschließend nutzten die Forschenden den Laser, um in einem optischen Entfernungsexperiment mit hoher Präzision Entfernungen zu messen. „Das Bemerkenswerte an diesem Ergebnis ist, dass der Laser gleichzeitig ein geringes Phasenrauschen und eine schnelle Abstimmung im Petahertz-Bereich pro Sekunde bietet, was mit einem solchen integrierten Laser im Chip-Maßstab bislang noch nie erreicht wurde“, bemerkt Studienautor Prof. Tobias J. Kippenberg von der ETHL in der Mitteilung. Neben integrierten Lasern könnte die mit Unterstützung von MICROCOMB (Applications and Fundamentals of Microresonator Frequency Combs), OMT (OMT – Optomechanical Technologies), HOT (Hybrid Optomechanical Technologies) und QUSTEC (QUSTEC: international, interdisciplinary and intersectoral doctoral programme in Quantum Science and Technologies) erstellte Hybridplattform auch zur Entwicklung integrierter Transceiver für die Telekommunikation sowie mikrowellen-optischer Wandler für die Quanteninformationsverarbeitung genutzt werden. Weitere Informationen: Projekt MICROCOMB OMT-Projektwebsite HOT-Projektwebsite QUSTEC-Projektwebsite
Schlüsselbegriffe
MICROCOMB, OMT, HOT, QUSTEC, Laser, integrierter Laser, abstimmbarer Laser, Lithium-Niobat, Siliziumnitrid
