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Die Technik geht immer mehr in Richtung Miniaturisierung und Energieeffizienz. Dies gilt auch für elektronische Chips. Licht und Optik im weiteren Sinne sind für die Herstellung kompakter und tragbarer Chips von grosser Bedeutung. Forschende des Photonic Systems Laboratory unter der Leitung von Professorin Camille Brès haben erfolgreich ein neuartiges Prinzip zur Einführung optischer Nichtlinearität zweiter Ordnung in Siliziumnitrid-Chips angewandt. Ein erster Bericht wurde in der Zeitschrift Nature Photonics veröffentlicht.
Verschiedene Farben des Lichts
«Bei einem grünen Laserpointer zum Beispiel ist der Laser selbst nicht grün, weil diese besonders schwierig herzustellen sind. Also ändern wir die Frequenz eines vorhandenen Lasers. Er emittiert mit einer Frequenz, die halb so hoch ist wie die von Grün, dann verdoppeln wir sie, indem wir die Nichtlinearität in einem Kristall nutzen, der uns Grün liefert. Unsere Studie besteht darin, diese Funktionalität in Chips zu integrieren, die mit den für die Elektronik entwickelten Standardtechniken (CMOS) hergestellt werden können. Auf diese Weise werden wir in der Lage sein, verschiedene Lichtfarben auf einem Chip effizient zu erzeugen», erklärt Camille Brès. Der gezeigte Ansatz wurde bisher noch nie umgesetzt. Derzeitige photonische Chips, die mit CMOS-Prozessen kompatibel sind, verwenden standardmässige photonische Materialien wie Silizium, die keine Nichtlinearität zweiter Ordnung besitzen und daher von Natur aus nicht in der Lage sind, Licht auf diese Weise umzuwandeln: «Dies erweist sich als Hindernis für die Weiterentwicklung der Technologie», so die Professorin.
Ein Verstärkerring
Forschende der Fakultät für Ingenieur- und Naturwissenschaften haben eine Technik zur Erzeugung von Nichtlinearität entwickelt, mit der Licht in Bereiche umgewandelt werden kann, in denen dies normalerweise nicht möglich ist. Um diese Umwandlung effektiv zu gestalten, haben sie einen Resonator verwendet – eine ringförmige Struktur, die die nichtlinearen Prozesse des Lichts vergrössert. Siliziumnitrid-Resonatoren, deren Technologie an der EPFL entwickelt wurde und die nun von der Ligentec SA kommerzialisiert werden, weisen sehr geringe Verluste auf, so dass das Licht sehr lange in den Resonatoren zirkuliert: «Die Nichtlinearität entsteht durch die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie. Dieser Austausch muss lange dauern, wenn der Prozess funktional und effizient sein soll. Der Chip ist jedoch ein kleines Objekt, bei dem wir nicht von grossen Entfernungen profitieren», erklärt Edgars Nitiss, PhD und Mitautor. Das in den Resonator eingeleitete Licht wird eingefangen und durchläuft die Zeit, die notwendig ist, um die nichtlineare Wechselwirkung zu verstärken.
Zwei Autos auf dem Highway
«Dank dieser Technik wird die Effizienz des Chips erheblich verbessert. Aber es gibt eine neue Einschränkung. Wenn wir einen Resonator verwenden, sind wir in Bezug auf die verfügbaren Farben eingeschränkt», sagt Camille Brès. In der Tat hängt die Wirksamkeit eines nichtlinearen Effekts auch von der Phasenübereinstimmung zwischen den verschiedenen interagierenden Farben ab, wobei diese zwangsläufig unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten haben. «So wie zwei Autos auf der Autobahn. Wir wollen, dass das eine auf der Überholspur langsamer wird, während das andere beschleunigt, damit sie nebeneinander herrollen und so interagieren können», erläutert Jianqi Hu, Doktorand und Mitautor des Projekts. Normalerweise wird dies in einem Resonator nur in sehr eingeschränkten Fällen erreicht. Die Forschenden haben eine Lösung gefunden, um diese Einschränkung zu umgehen und trotz des Resonators einen Zugang zu einer Palette von mehreren Farben zu ermöglichen. In dem Resonator breiten sich Lichtwellen aus und erzeugen eine kohärente Wechselwirkung, die die Eigenschaften des Materials verändert. Es wird eine Selbstorganisation der Struktur auf vollständig optische Weise erreicht, die die Phasenfehlanpassung unabhängig von der Eingangsfarbe automatisch ausgleicht. «Auf diese Weise umgehen wir eine kritische Einschränkung von Resonatoren und profitieren gleichzeitig von deren stark verbesserter Effizienz», so Camille Brès.