Ein rauscharmer, leistungsstarker Femtosekundenlaser im Münzgröße
Von der Erforschung von Werkstoffen und Molekülen bis zur optischen Telekommunikation, Quantentechnologie und optischer Spektroskopie, Femtosekundenlaser könnten Forschung und Innovation revolutionieren. Das Problem ist, dass diese Laser – bei denen mit optischen Resonatoren ultrakurze Hochleistungspulse erzeugt werden – groß und teuer sind. Das wird sich bald ändern, unter anderem dank der Arbeit im EU-finanzierten Projekt FEMTOCHIP. Das Team wollte die Funktionalität der Femtosekundenlaser erreichen, aber mit einem viel kleineren und günstigeren Gehäuse. Nämlich einem Mikrochip. „Wir haben Fachleute zu ultraschneller Lasertechnologie, Mikrointegration, Werkstoffkunde und Industrieanwendungen zusammengebracht, um die vielen technischen Hürden zu überwinden, durch die Femtolaser auf Chips bisher unmöglich waren“, sagt Franz Kärtner, Gruppenleiter am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY, dem Projektträger.
Ein leistungsstärkerer Laser auf einer kompakten Silizium-Photonik-Plattform
Das Projektergebnis ist eine Integrationsplattform mit dicken Wellenleitern auf Siliziumbasis für integrierte Photonikschaltungen, über die komplexe Schaltungen auf der Basis von Siliziumnitrid erstellt werden können. Der integrierte und modengekoppelte Hochleistungslaser bietet eine Spitzenleistung von über 100 Watt (W) und eine Pulsbreite von unter 100 Femtosekunden für Pulsanwendungen mit geringem zeitlichem Jitter. Das Team hat auch optische Hochleistungsverstärker vorgestellt, mit denen die Ausgangsleistung auf fast 2 W verstärkt werden kann. „Vor dem Projekt lag die maximale Ausgangsleistung eines integrierten Geräts mit Halbleiterverstärker bei nur 2 Milliwatt“, erklärt Neetesh Singh, leitender Wissenschaftler am DESY. „Wenn wir unsere Lösung mit den besten integrierten Verstärkern der letzten 30 Jahre vergleichen, dann liegt unser Ergebnis ungeachtet der Wellenlänge bei der 10-fachen Leistung.“ Weitere wichtige Ergebnisse sind der erste integrierte gütegeschaltete Hochenergielaser, ein breitbandiger apodisierter Gitterreflektor und ein gechirpter Pulsverstärker mit 800 W Spitzenleistung am Ausgang. Das Team hat auch einen Puls-Interleaver demonstriert, mit dem die Wiederholrate von 217 Megahertz auf 14 Gigahertz erhöht wurde – alles auf einer kompakten Silizium-Photonik-Plattform. „Unsere Ergebnisse sind nicht nur mit vielen faserbasierten Systemen vergleichbar, sie übertreffen sogar die besten optischen Halbleiterverstärker und bieten ausgezeichnete Strahlqualität“, ergänzt Singh.
Reale Probleme mit Silizium-Photonik lösen
Im FEMTOCHIP-Projekt wurde die Grundlage für rauscharme Hochleistungs-Femtosekundenlaser in Münzgröße gelegt, die der Wissenschaft und Industrie zu einem Bruchteil der Kosten zur Verfügung stehen werden. Diese Laser könnten als außergewöhnlich leistungsstarke Plattform für zahlreiche Anwendungen dienen. Die FEMTOCHIP-Lösungen könnten zum Beispiel als Laserquelle dienen, um komplexe Femtosekunden-Hochleistungslaserquellen zu erstellen. Durch den extrem geringen Jitter könnten sie auch als Taktgeber und Sampler für photonikbasierte Analog-Digital-Wandler dienen und damit die Systeme zur Zeiterfassung und Positionierung verbessern. „Mit dem beispiellosen Maß an Ausgangsleistung kann die Silizium-Photonik jetzt im Sinne von Hochleistung auf einem Miniatursystem erforscht werden, sodass die Silizium-Photonik wirklich in der realen Welt anwendbar ist“, schließt Kärtner.
Schlüsselbegriffe
FEMTOCHIP, Femtosekundenlaser, Mikrochip, Laser, Werkstoffkunde, Silizium-Photonik, Schaltungen
