Nachgehakt: Integrierte Photonik Bei gleicher infraroter Anregung erzeugt die Struktur mehr sichtbares Licht

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Marcus Ossiander von der TU Graz erklärt im Interview, wie eine Metaoberfläche die nichtlineare Frequenzkonversion einer Quantenwell-Struktur verstärkt und welche technischen Hürden auf dem Weg zur Integration in photonische Chips noch zu lösen sind.

Forscher der TU Graz, der Harvard University und der University of Texas at Austin haben eine dünne GaAs/AlGaAs-Halbleiterschicht mit einer dielektrischen Metaoberfläche kombiniert. Die Quantenwell-Schicht erzeugt eine starke nichtlineare optische Antwort, während die Metaoberfläche das einfallende Licht gezielt in die Struktur einkoppelt und dort verstärkt. Bei etwa 1.550 nm erzeugten die Forscher Licht an der Grenze zum sichtbaren Spektrum bei etwa 775 nm.

Im folgenden Interview erläutert Marcus Ossiander, Associate Professor am Institut für Experimentalphysik der TU Graz und Mitautor der Studie, die Messung, die Bedeutung des Faktors 72.000 und die noch offenen technischen Herausforderungen.

Herr Ossiander, welche Eingangs- und Ausgangswellenlängen sowie welche optischen Leistungen wurden dabei verwendet?

Für unsere Demonstration haben wir infrarotes Licht mit einer Wellenlänge von etwa 1.550 nm und sichtbares Licht mit einer Wellenlänge von etwa 775 nm erzeugt. Aufgrund der verfügbaren Laser verwendeten wir für die Umwandlung nur einen kleinen Teil des einfallenden Spektrums mit weniger als 1 mW bei einer Gesamtleistung von 30 bis 100 mW.

Mit welcher Referenzstruktur wurde verglichen?

Alle Vergleiche im Paper beziehen sich auf Lithiumniobat, den wahrscheinlich heute meistverwendeten Kristall in der nichtlinearen Optik.

Was genau bezeichnet die offiziell genannte 72.000-fache Steigerung? Bezieht sich der Faktor auf die Konversionsleistung, die Konversionseffizienz, die nichtlineare Suszeptibilität oder eine andere Messgröße?

Die effektive nichtlineare Suszeptibilität zweiter Ordnung wurde um etwa den Faktor 270 erhöht und die 72.000-fache Steigerung bezieht sich auf einen Vergleich der Lichtintensität im Material, also auf das Quadrat der Überhöhung der effektiven nichtlinearen Suszeptibilität zweiter Ordnung. Das heißt: Bei gleichem infrarotem elektrischem Feld im Material bräuchten wir mit unserer neuen Struktur nur ein 72.000stel der anregenden infraroten Lichtintensität, um eine feste sichtbare Lichtintensität zu erzeugen.

Wenn man das Verhältnis der pro einfallender Lichtintensität erzeugten sichtbaren Lichtintensität berechnet, muss man den Brechungsindex der Materialien mit einbeziehen. Das verkleinert die Verbesserung etwas. Unsere Struktur erzeugt aus der gleichen einfallenden infraroten Lichtleistung aber immer noch mehr als 20.000-mal mehr sichtbare Lichtleistung als Lithiumniobat.

Welche Funktion übernimmt die Metaoberfläche im konkreten physikalischen Prozess? Wie lenkt oder formt das Titandioxid-Muster das elektrische Feld, damit die gewünschte nichtlineare Tensorskomponente der GaAs/AlGaAs-Quantentöpfe angeregt wird?

Die Metaoberfläche beziehungsweise das Titandioxid-Muster übernimmt dabei zwei Rollen: Erstens lenkt sie die einfallende Strahlung per Beugung um. Das ist ähnlich wie ein Beugungsgitter oder ein Gitterkoppler, der sich frei im Raum ausbreitendes Licht in einen photonischen Chip koppelt. Danach propagiert das Licht ähnlich wie in einem Wellenleiter entlang der Vielschichtstruktur. Die Propagation entlang der Vielschichtstruktur ermöglicht dann die Nutzung des Tensorelements.

Zweitens ist die Metaoberfläche so angepasst, dass sie die Strahlung für längere Zeit in der Vielschichtstruktur hält. Dadurch „staut“ sich das Licht, und die Lichtintensität wird künstlich erhöht. Das führt zu einer zusätzlichen starken Erhöhung der nichtlinearen Polarisation.

Welche Rolle spielt dabei der Einfallswinkel von 0,3 °, und wie empfindlich ist die Konversion gegenüber Winkelabweichungen?

Ein Winkel zwischen 0,3 ° und einigen Grad funktioniert. Aus Symmetriegründen darf der Einfallswinkel nur nicht genau 0 ° betragen. Wir haben aber bereits eine technische Lösung, die mithilfe einer komplizierteren Metaoberfläche auch einen Einfallswinkel von 0 ° ermöglicht.

Welche technischen Randbedingungen sind für eine spätere Integration entscheidend?

Im Moment wird das Material noch gewachsen und anschließend einzeln und aufwendig von den Wachstumswafern auf Saphirwafer übertragen. Außerdem absorbiert das Material derzeit bei der Wellenlänge der zweiten Harmonischen leicht. Beides sollte noch verbessert werden.

Wie groß sind Konversionseffizienz, optische Verluste, nutzbare Bandbreite und erforderliche Eingangsleistung?

Diese Fragen sind immer schwer zu beantworten, da sie stark von der jeweiligen Anwendung abhängen. In unserem Fall schätzen wir die Konversionseffizienz auf 10⁻⁴. Wir verwenden allerdings kleine Eingangslichtleistungen und ein sehr dünnes Sample. Eine Vergrößerung dieser Parameter ist einfach und erhöht die Konversionseffizienz jeweils quadratisch.

Optische Verluste bei der fundamentalen Wellenlänge existieren, sind aber schwer zu messen und derzeit eher technischer Natur. Sie entstehen durch die Übertragung auf Saphir und nicht durch das Material selbst. Verluste bei der zweiten Harmonischen verursacht das Material selbst; der Brechungsindex beträgt 3,4 + 0,1j. Letzteres muss man für Wellenleiteranwendungen noch angehen.

Bei der Verwendung von Resonanzen (wie hier zweifach, einmal im Material und einmal im Metaoberfläche angewandt) tauscht man Bandbreite gegen Signalüberhöhung. Wir können die nutzbare Bandbreite von etwa 100 nm bis 1 nm einstellen; höhere Bandbreiten führen zu niedrigeren Überhöhungen.

Lässt sich die Struktur mit bestehenden Verfahren auf einen photonischen Chip integrieren, und welche Anwendungen halten Sie unter diesen Bedingungen für realistisch?

Die Vielschichtstruktur lässt sich gut in photonische Chips integrieren. In diesem Fall bräuchte es keine Metaoberfläche, sondern ein spezielles Mode- und Dispersions-Engineering. Man muss dafür noch die Absorption der zweiten Harmonischen und einige technische Feinheiten lösen. Hier sind wir allerdings guter Dinge.

Direkte Anwendungen wären hier zum Beispiel nichtlineare, ultrabreitbandige Verstärker für die Telekommunikation und ultraschnelle, lichtgetriebene Transistoren zur optischen Signalverarbeitung. (heh)

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