Schweizer Forscher verkleinern Labor-Laser auf einen einzigen Chip

Kippenberg vom EPFL. „Unser Ergebnis zeigt, dass dies nicht nur möglich ist, sondern mit einer überraschend eleganten Architektur erreicht werden kann, die die Gemeinschaft der integrierten Photonik übersehen hat", fügte Kippenberg hinzu. EPFLs chipbasierter ultraschneller Laser im Laboraufbau. Bildnachweis: Zheru Qiu/EPFL.

Photonischer-Chip-Meilenstein: In dieser Arbeit wurde ein ultraschneller Laser mithilfe photonischer Chips verkleinert, um Licht durch mikroskopische Wellenleiter statt durch sperrige Laborgeräte zu leiten. Diese Geräte erzeugen extrem präzise Lichtpulse, die nur wenige hundert Femtosekunden – also Billionstel einer Millisekunde – andauern.

Hochgeschwindigkeitslaser sind für fortschrittliche Anwendungen wie Augenchirurgie, Mikrobearbeitung und Atomuhren unverzichtbar.

Technik und Auswirkungen

Das Team der EPFL hat etwas erreicht, das viele im Fachbereich für unmöglich hielten: Sie haben den ersten integrierten Chip-basierten Ultrakurzzeitlaser entwickelt, der die rohe Leistungsfähigkeit seiner riesigen, tischgroßen Vorgänger erreicht. Um dies zu verwirklichen, musste das Team der EPFL die Funktionsweise grundlegend überdenken.

Statt elektrischen Strom durch Kupferleiter zu leiten, leiten photonische Chips Licht durch mikroskopische Kanäle, sogenannte Wellenleiter, die in einen Wafer eingraviert sind. Doch wenn man immense Laserleistung in Kanäle drückt, die tausendmal dünner sind als ein menschliches Haar, interagiert das Licht gewaltsam mit sich selbst.

In herkmmlichen Lasersystemen fhrt dieser strukturelle Spannungsdruck dazu, dass die hyper-schnellen Pulse destabilisiert werden und sich selbst zerreien. Die Lsung lag in einem vergessenen, jahrzehntealten Faserlaser-Konzept: dem Mamyshev-Oszillator.

Was die Studie zeigt

Einsatz in GPS und Medizin. hnlich einem hochselektiven Photonensicherheitskontrollpunkt fngt dieses Design Licht in einem Laserresonator zwischen zwei optischen Filtern ein, die auf vllig unterschiedliche Farbspektren abgestimmt sind.

Whrend schwaches, chaotisches Licht die Prfung nicht besteht und erlischt, da es nicht durch beide Barrieren hindurchdringen kann, verhalten sich hochleistungsfhige Pulse anders. Im winzigen Kanal breiten sich intensive Pulse breites Farbspektrum aus.

Dies ermöglicht es dem Licht, beide Filter zu durchlaufen, zurückzulaufen und an Leistung zu gewinnen. „Dieses Design ist besonders attraktiv, da es keine Komponenten erfordert, die auf diesem Erbium-dotierten Siliziumnitrid-Chip schwer herzustellen sind", erklärte Zheru Qiu, einer der Hauptautoren der Publikation.

Technik und Auswirkungen

Noch besser: Die Mamyshev-Architektur profitiert sogar, die andere Chip-Designs zerstören. Die Implikationen, einen 42-Zentimeter langen Laserpfad in eine mikroskopische Spirale zu falten, sind immens. Interessanterweise können diese photonischen Chips genau wie Computerprozessoren auf Siliziumwafern in Massenproduktion gefertigt werden.

Eine einzige Produktionscharge kann gleichzeitig mehr als 1.000 völlig unabhängige Ultrakurzpuls-Laser liefern. Die Fertigung in diesem Maßstab wird die Produktionskosten drastisch senken. Spitzenleistungen im Kilowatt-Bereich, die früher Zehntausende Hälfte eines Raumes einnahmen, könnten bald in erschwinglichen, tragbaren Geräten eingesetzt werden.

Die Technologie könnte in verschiedenen Bereichen Anwendung finden. In naher Zukunft knnten Umweltteams mit taschengroen Sensoren Mikroverunreinigungen in Echtzeit erfassen. rzte knnten in abgelegenen Drfern mit tragbaren Gerten fortschrittliche medizinische Diagnostiken durchfhren.

Schlielich werden diese winzigen Laser kompakte, hochportable Atomuhren antreiben und den Weg fr Navigationssysteme der nchsten Generation ebnen, die auch bei vollstndigem Ausfall des Satelliten-GPS einwandfrei funktionieren. Die Studie wurde am 3. Juni in der Zeitschrift Nature verffentlicht.