Integrierte elektronische Schaltkreise auf einem einzelnen Mikrochip gehören mittlerweile zu unserem alltäglichen Leben. Sie befinden sich nicht nur in Computern und Handys, ihre Anwendung in der Informationstechnologie, in der medizinischen Diagnostik als auch in der Umwelttechnik haben unsere Lebensqualität drastisch verändert. In ihrer Funktionalität und Effizienz haben integrierte elektronische Schaltkreise aber größtenteils ihre Grenzen erreicht. Schnellere, kompaktere und effizientere Möglichkeiten sind daher gefragt: In einer aktuellen Studie zeigen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Humboldt-Universität zu Berlin (HU) gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen aus den USA und China, dass diese Möglichkeiten mithilfe von integrierten photonischen und elektrischen Schaltkreisen auf einem Chip erweitert werden können. Die Ergebnisse wurden nun in der aktuellen Onlineausgabe der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Durch die Kombination aus zweidimensionalen Halbleiterschichten mit atomarer Dicke und Halbleiter-Nanoresonatoren konnte das Forscherteam einen Nanolaser mit ultraniedriger Laserschwelle realisiert. „Solche Nanosysteme benötigen eine sehr geringe Leistung zum Lasern. Sie erzeugen daher nur minimale Hitze und können sehr gut auf einem Micro-Chip integriert werden“, erläutert Dr. Fariba Hatami vom Institut für Physik der HU.

Bringt man eine Lichtquelle mit einem Resonator zusammen, werden die Nicht-Strahlungsprozesse unterdrückt, wodurch die Wahrscheinlichkeit spontaner Emission steigt. Ist die Wahrscheinlichkeit groß genug, reicht die spontane Emission aus, um die Lichtquelle zum „Lasern“ zu bringen. „Als Nanoresonatoren wurden zweidimensionale photonische Kristalle aus Galliumphosphid (GaP) hergestellt und verwendet“, erläutert Hatami.

Photonische Kristalle sind periodische Strukturen aus zwei Materialien mit unterschiedlichem optischem Brechungsindex. Sie besitzen daher eine photonische Bandlücke. Die Periodizität im Brechungsindex wird bei 2D-photonischen Kristallen durch Herstellung von winzigen periodischen Luftlöchern in einer sehr dünnen GaP-Membran mit einer Schichtdicke von etwa 130 Newtonmeter erreicht. Werden einige der Luftlöcher hintereinander weggelassen, entsteht ein Nanoresonator mit ausreichend großem Gütefaktor und kleinem Volumen. Die optischen Moden sind dann in solchen Nanoresonatoren stark quantisiert. Idealerweise sind alle zufällig emittierten Photonen (Spontanemission) an eine optische Mode gekoppelt. Dadurch werden die anderen Verlustprozesse unterdrückt und ein energetisch effizienter Nanolaser realisiert.


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https://www.hu-berlin.de/pr/pressemitteilungen/pm1503/pm_150318_00

Quelle: Humboldt-Universität zu Berlin  (03/2015)


Publikation:
Monolayer semiconductor nanocavity lasers with ultralow thresholds: Sanfeng Wu, Sonia Buckley, John R. Schaibley, Liefeng Feng, Jiaqiang Yan, David G. Mandrus, Fariba Hatami, Wang Yao, Jelena Vučković, Arka Majumdar, Xiaodong Xu.
http://dx.doi.org/10.1038/nature14290