Ein hocheffektives Lasernetzwerk von der Größe eines Sandkorns

Künstlerische Wiedergabe eines topologischen Arrays von vertikal emittierenden Lasern. Alle 30 Mikrolaser entlang einer topologischen Grenzfläche (blau) fungieren als einer und emittieren gemeinsam kohärentes Laserlicht (rot). Bildnachweis: Pixelwg, Christian Kroneck

Winzige Laser, die zusammen wirken: Topologische Vertical-Cavity-Laser-Arrays

Israelische und deutsche Forscher haben einen Weg entwickelt, um eine Reihe von Vertical-Cavity-Lasern zu zwingen, zusammen als ein einzelner Laser zu wirken – ein hocheffektives Lasernetzwerk von der Größe eines Sandkorns. Die Ergebnisse werden in einem neuen gemeinsamen Forschungspapier präsentiert, das von der renommierten Fachzeitschrift online veröffentlicht wird Wissenschaft am 24.09.2021.

Handys, Autosensoren oder die Datenübertragung in Glasfasernetzen nutzen sogenannte Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL) – Halbleiterlaser, die fest in unserer Alltagstechnik verankert sind. Obwohl das VCSEL-Gerät weit verbreitet ist, hat es eine winzige Größe von nur wenigen Mikrometern, was der Ausgangsleistung, die es erzeugen kann, eine strenge Grenze setzt.

Seit Jahren haben Wissenschaftler versucht, die von solchen Geräten emittierte Leistung zu erhöhen, indem sie viele winzige VCSELs kombinieren und sie zwingen, als einzelner kohärenter Laser zu fungieren, hatten jedoch nur begrenzten Erfolg. Der aktuelle Durchbruch verwendet ein anderes Schema: Es verwendet eine einzigartige geometrische Anordnung von VCSELs auf dem Chip, die den Flug zwingt, in einem bestimmten Weg zu fließen – einer photonischen topologischen Isolatorplattform.

Von topologischen Isolatoren bis zu topologischen Lasern

Topologische Isolatoren sind revolutionäre Quantenmaterialien, die innen isolieren, aber an ihrer Oberfläche Strom leiten – ohne Verlust. Vor einigen Jahren hat die Technion-Gruppe unter der Leitung von Prof. Mordechai Segev diese innovativen Ideen in die Photonik eingeführt und den ersten photonischen topologischen Isolator demonstriert, bei dem Licht um die Kanten eines zweidimensionalen Arrays von Wellenleitern herumläuft, ohne von Defekten oder Störungen beeinflusst zu werden . Dies eröffnete ein neues Feld, das heute als „Topologische Photonik“ bekannt ist, auf dem derzeit Hunderte von Gruppen aktiv forschen.

Im Jahr 2018 fand dieselbe Gruppe auch einen Weg, die Eigenschaften photonischer topologischer Isolatoren zu nutzen, um viele Mikroringlaser zu zwingen, sich zusammenzuschließen und als ein einzelner Laser zu fungieren. Aber dieses System hatte immer noch einen großen Engpass: Das Licht zirkulierte im photonischen Chip und beschränkte sich auf die gleiche Ebene, die zum Extrahieren des Lichts verwendet wurde. Das bedeutete, dass das gesamte System erneut einer Leistungsbegrenzung unterliegt, die durch das Gerät, mit dem das Licht ausgeht, auferlegt wird, ähnlich wie bei einer einzigen Steckdose für ein ganzes Kraftwerk. Der aktuelle Durchbruch verwendet ein anderes Schema: Die Laser werden gezwungen, sich innerhalb des planaren Chips zu verriegeln, aber das Licht wird jetzt von jedem winzigen Laser durch die Oberfläche des Chips emittiert und kann leicht gesammelt werden.

Umstände und Teilnehmer

Dieses deutsch-israelische Forschungsprojekt entstand vor allem während der Corona-Pandemie. Ohne das enorme Engagement der beteiligten Forscher wäre dieser wissenschaftliche Meilenstein nicht möglich gewesen. Die Forschung wurde von dem Doktoranden Alex Dikopoltsev aus dem Team des Distinguished Professor Mordechai Segev vom Physik-Department und dem Electrical & Computer Engineering Department des Technion – Israel Institute of Technology und dem Doktoranden Tristan H. Harder vom Team von Prof Sebastian Klembt und Prof. Sven Höfling am Lehrstuhl für Angewandte Physik der Universität Würzburg und dem Exzellenzcluster ct.qmat — Complexity and Topology in Quantum Matter in Zusammenarbeit mit Forschern aus Jena und Oldenburg. Die Gerätefertigung nutzte die hervorragende Reinraumausstattung der Universität Würzburg.

Der lange Weg zu neuen topologischen Lasern

„Es ist faszinierend zu sehen, wie sich die Wissenschaft entwickelt“, sagte Prof. Segev vom Technion. „Wir gingen von grundlegenden physikalischen Konzepten zu grundlegenden Veränderungen darin und jetzt zu echter Technologie, die jetzt von Unternehmen verfolgt wird. Als wir 2015 anfingen, an topologischen Isolatorlasern zu arbeiten, hielt das niemand für möglich, denn die damals bekannten topologischen Konzepte waren auf Systeme beschränkt, die keinen Gewinn haben – können. Aber alle Laser benötigen Verstärkung. Topologische Isolatorlaser standen also gegen alles, was damals bekannt war. Wir waren wie ein Haufen Wahnsinniger, die nach etwas suchten, das als unmöglich galt. Und jetzt haben wir einen großen Schritt in Richtung echter Technologie gemacht, die viele Anwendungen hat.“

Das israelische und deutsche Team nutzten die Konzepte der topologischen Photonik mit VCSELs, die das Licht vertikal emittieren, während der topologische Prozess, der für die gegenseitige Kohärenz und Verriegelung der VCSELs verantwortlich ist, in der Ebene des Chips stattfindet. Das Endergebnis ist ein leistungsstarker, aber sehr kompakter und effizienter Laser, der nicht durch eine Reihe von VCSEL-Emittern eingeschränkt und ungestört von Defekten oder Temperaturschwankungen ist.

„Das topologische Prinzip dieses Lasers kann grundsätzlich für alle Wellenlängen und damit für eine Reihe von Materialien funktionieren“, erklärt der deutsche Projektleiter Prof. Sebastian Klembt von der Universität Würzburg, der im ct.qmat-Cluster an Licht-Materie-Wechselwirkung und topologischer Photonik arbeitet der Exzellenz. „Wie viele Mikrolaser genau angeordnet und angeschlossen werden müssen, hängt immer ganz von der Anwendung ab. Wir können die Größe des Lasernetzwerks auf ein sehr großes Maß erweitern, und es wird im Prinzip auch für große Zahlen kohärent bleiben. Es ist großartig zu sehen, dass die Topologie, ursprünglich ein Zweig der Mathematik, zu einem revolutionären neuen Werkzeugkasten zum Steuern, Steuern und Verbessern von Lasereigenschaften geworden ist.“

Die bahnbrechende Forschung hat gezeigt, dass es theoretisch und experimentell tatsächlich möglich ist, VCSELs zu kombinieren, um einen robusteren und hocheffizienteren Laser zu erzielen. Damit ebnen die Ergebnisse der Studie den Weg für Anwendungen zahlreicher Zukunftstechnologien wie Medizinprodukte, Kommunikation und eine Vielzahl von realen Anwendungen.

Referenz: „Topological Insulator Vertical-Cavity Laser Array“ von Alex Dikopoltsev, Tristan H. Harder, Eran Lustig, Oleg A. Egorov, Johannes Beierlein, Adriana WolfYaakov Lumer, Monika Emmerling, Christian Schneider, Sven Höfling, Mordechai Segev und Sebastian Klembt, 24.09.2021, Wissenschaft.
DOI: 10.1126/science.abj2232

Förderung: Deutscher Exzellenzcluster ct.qmat – Complexity and Topology in Quantum Matter

Exzellenzcluster ct.qmat

Der Exzellenzcluster ct.qmat–Komplexität und Topologie in Quantenmaterie ist seit 2019 eine gemeinsame Forschungskooperation der Julius-Maximilians-Universität Würzburg und der Technischen Universität (TU) Dresden. Die Forschungsallianz ist eng verknüpft mit den Forschungsgruppen von Prof. Alexander Szameit in Rostock und Prof. Moti Segev in Haifa, Israel. Mehr als 270 Wissenschaftler aus 33 Ländern und vier Kontinenten forschen an topologischen Quantenmaterialien, die überraschende Phänomene unter extremen Bedingungen wie ultratiefen Temperaturen, hohem Druck oder starken Magnetfeldern offenbaren. Der Exzellenzcluster wird im Rahmen der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder gefördert.


Source: SciTechDaily by scitechdaily.com.

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