Der einst laborgroße Laser passt nun auf einen winzigen Chip

Trotz ihrer Bedeutung sind Ultrakurzzeit-Laser bisher in der Regel große und kostspielige Systeme, die ganze optische Tische Forschungslaboren einnehmen. Nach mehr als zwei Jahrzehnten der Arbeit bis dahin ein unerreichbares Ziel gewesen, diese Geräte auf einen photonischen Chip zu verkleinern.

Nun haben Forscher, die an der EPFL geleitet werden, diesen Meilenstein erreicht. In der Zeitschrift Nature berichtet das Team über den ersten integrierten Ultrakurzzeitlaser, der die Leistung herkömmlicher Tischlaser für Femtosekundenpulse erreicht: Er erzeugt Pulse mit einer Dauer 147 Femtosekunden und Energien bis zu 1,05 Nanojoule.

Ultrakurzzeitlaser für photonische Chips. Photonische Chips manipulieren Licht mithilfe mikroskopischer Strukturen, sogenannter Wellenleiter, die auf einem Wafer strukturiert sind. In vielerlei Hinsicht funktionieren sie ähnlich wie elektronische Chips, leiten jedoch Licht statt elektrischer Ströme.

Technik und Auswirkungen

Diese Chips sind bereits weit verbreitet in der Telekommunikation und haben dazu beigetragen, viele optische Technologien zu verkleinern, die früher deutlich größere Geräte erforderten. „Seit mehr als zwanzig Jahren galt ein Femtosekundenlaser mit hoher Pulsenergie auf einem Chip als heiliger Gral der integrierten Photonik", sagt Kippenberg.

Unser Ergebnis zeigt, dass dies nicht nur möglich ist, sondern mit einer überraschend eleganten Architektur verwirklicht werden kann, die übersehen wurde. Ein übersehener Laser-Design Um dieses Ziel zu erreichen, haben die Forscher eine wenig genutzte Laser-Architektur gewählt, den Mamyshev-Oszillator.

Inneren des Laserresonators befindet sich zwischen zwei optischen Filtern ein nichtlinearer Wellenleiter, wobei jeder Filter einen anderen Bereich des Lichtspektrums durchlässt. Wenn ein starker Puls durch den Wellenleiter läuft, verbreitert sich sein Spektrum, sodass ein Teil dieses Lichts beide Filter durchdringen und weiterhin Resonator zirkulieren kann.

Technik und Auswirkungen

Schwächeres Licht verbreitert sich nicht ausreichend und wird herausgefiltert. „Dieses Design ist besonders attraktiv, da es keine Komponente erfordert, die auf diesem Erbium-dotierten Siliziumnitrid-Chip schwierig herzustellen ist", erklärt Zheru Qiu, einer der Co-Autoren der Publikation.

Nach Qius Aussage bietet das Design einen weiteren wesentlichen Vorteil. Photonische Chips führen Licht in extrem kleine Wellenleiter, wodurch nichtlineare Wechselwirkungen zwischen Lichtwellen verstärkt werden. Bei vielen herkömmlichen Lasersystemen können diese Wechselwirkungen die Laserpulse destabilisieren.

Der Mamyshev-Oszillator ist hingegen deutlich weniger empfindlich gegenüber diesen Effekten und eignet sich daher besonders gut für integrierte photonische Bauteile. Kleines Gerät, großes Potenzial Der Laserresonator hat eine Länge von 42 Zentimetern, lässt sich jedoch auf einen Chip falten, der etwa die Fläche eines Streichholzkopfes einnimmt.

Technik und Auswirkungen

Damit ist er deutlich kompakter als herkömmliche faseroptische Ultrakurzzeit-Lasersysteme. Da photonische Chips auf Wafer-Ebene mit Fertigungstechniken hergestellt werden können, die denen für Computerchips ähneln, könnten in einer einzigen Charge potenziell mehr als 1.000 Laserresonatoren produziert werden.

Diese Fähigkeit könnte die Kosten erheblich senken und den Zugang Ultrakurzzeit-Lasertechnologie für Anwendungen in der Sensorik, Spektroskopie und Präzisionsmesstechnik erweitern. „Mit Spitzenleistungen Kilowattbereich kann der Chip anspruchsvolle Anwendungen antreiben, die bisher auf große, teure Laborlaser angewiesen waren", sagt Qiu.

Diese Fortschritte könnten langfristig zu kompakten und erschwinglichen Geräten führen, die zur Detektion, zur Identifizierung versteckter Materialfehler und zur Durchführung medizinischer Diagnostiken eingesetzt werden.

Zudem könnten sie den Weg für

Zudem könnten sie den Weg für tragbare optische Atomuhren ebnen, die zukünftige Kommunikationstechnologien und Navigationssysteme unterstützen.

Quelle: „High-pulse-energy integrated mode-locked laser using Mamyshev oscillator", Xuan Yang, Xurong Li, Jianqi Hu, Zhongshu Liu, Yichi Zhang, Xinru Ji, Jiale Sun, Grigory Lihachev, Zihan Li, Ulrich Kentsch und Tobias J. Kippenberg, 3. Juni 2026, Nature.

DOI: 10.1038/s41586-026-10517-4 Weitere Mitwirkende: EPFL Institut für Elektrotechnik und Mikroingenieurwesen, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)