Integrierte Photonik Frequenzstabile Laser schrumpfen auf Chipgröße

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Für Quantencomputer und die Präzisionsspektroskopie sind hochstabile, schmalbandige Laser notwendig. Bisher sind diese Systeme groß und empfindlich. Zwei Fraunhofer-Institute entwickeln nun eine chipbasierte Alternative: Ein durchstimmbares Feedback-Element, das photonische Siliziumnitrid-Wellenleiter mit piezoelektrischen Oberflächenwellen kombiniert.

Für die Ansteuerung von Ionenfallen in Quantencomputern, optische Atomuhren oder hochauflösende industrielle Messsysteme sind schmalbandige und frequenzstabile Laser eine Grundvoraussetzung. Bislang stoßen konventionelle, makroskopische Lasersysteme jedoch an ihre Grenzen. Sie benötigen meist aufwendige externe Resonatoren (External Cavity), was sie groß, komplex und vor allem extrem empfindlich gegenüber mechanischen Vibrationen macht.

Das neu gestartete Forschungsprojekt PISA (Durchstimmbarer piezoelektrischer SAW-Laser mit ultraschmalbandiger Linienbreite) adressiert dieses Problem durch konsequente Miniaturisierung. Ziel der beiden Partner, dem Fraunhofer IMS und dem Fraunhofer ISIT, ist es, die Laserfrequenzstabilisierung erstmals vollständig chipbasiert umzusetzen.

Materialkombination: SiN trifft auf AlScN

Technologisch setzen die Forscher auf eine Kombination aus integrierter Photonik und Akustoelektronik. Den optischen Kern bilden verlustarme photonische Wellenleiter aus Siliziumnitrid (SiN). Diese werden mit Strukturen zur Erzeugung piezoelektrischer Oberflächenwellen (Surface Acoustic Waves, SAW) auf Basis von Aluminium-Scandium-Nitrid (AlScN) gekoppelt.

Durch diese heterogene Integration entsteht ein durchstimmbares, ultraschmalbandiges Feedback-Element direkt auf dem Chip. Da die Frequenzstabilisierung quasi als Festkörper-Lösung (Solid-State) ohne makroskopische mechanische Komponenten realisiert wird, ist das System prinzipbedingt unempfindlich gegenüber Vibrationen. Ein weiterer entscheidender Faktor für die spätere Skalierung: Der gewählte Materialansatz ist vollständig CMOS-kompatibel und ermöglicht perspektivisch eine kostengünstige Serienfertigung.

Linienbreite von 1 MHz und nutzbare Spin-offs

Auf Systemebene streben die Entwickler Linienbreiten von etwa 1 MHz an. Mit diesem Wert sind hochintegrierte, chipbasierte Feedback-Systeme möglich, die einen deutlichen Fortschritt darstellen und schnelle Regelbarkeiten ermöglichen.

Ein interessanter Nebenaspekt des Projekts: Die im Zuge der Entwicklung entstehenden photonisch-akustischen Einzelbausteine lassen sich auch isoliert für andere optoelektronische Anwendungen nutzen. Das Fraunhofer IMS nennt hier beispielsweise SAW-basierte Bragg-Reflektoren, Phasenschieber oder Amplitudenmodulatoren, die als einstellbare Filter oder photonische Schaltelemente in der optischen Datenkommunikation eingesetzt werden könnten.

Über das Projekt PISA

Innerhalb des Verbunds übernimmt das Fraunhofer IMS in Duisburg die photonische Auslegung, Simulation und Fertigung der SiN-Wellenleiterstrukturen. Das Fraunhofer ISIT in Itzehoe bringt seine Expertise in der Abscheidung piezoelektrischer AlScN-Dünnfilme und im Design der akustischen Oberflächenwellen ein. Das Vorhaben wird vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) gefördert und läuft bis Mitte 2028. (heh)

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