Forskere på DTU Fotonik har lavet en ny form for miniature-laser, der er velegnet til anvendelser inden for eksempelvis kommunikation eller sensorer baseret på integreret fotonik.
Ved første øjekast ser det ud, som om den bryder med den traditionelle laserkonfiguration, hvor man har et aktivt medie, der udsender lys, som er placeret mellem to spejle - idet den tilsyneladende kun har et spejl i den ene ende.
En laser behøver to spejle, så lyset kan fare frem og tilbage mellem spejlene inden i laseren og blive forstærket, og hvor kun en lille del slipper ud gennem det ene spejl.
En sådan konfiguration giver det udsendte lys de særlige egenskaber, der er forbundet med laserlys: en meget koncentreret stråle, hvor alle fotoner er i fase. Det er i modsætning til almindeligt lys, der udsendes i mange retninger, og hvor de enkelte fotoner kommer hulter til bulter.
I gaslasere som f.eks. en helium-neon-laser bruger man højreflekterende spejle. I halvlederlasere, hvor lysudsendelsen kommer fra materialer baseret på gallium-arsenid eller indium-phosphid eller lignende kombinationer, vil facetterne på halvlederkrystallen kunne fungere som laserens spejle.
I integreret optik kan man placere små kvanteprikker som aktivt materiale i en fotonisk krystal, der kan være et todimensionelt halvledermateriale med huller. I en sådan struktur kan man forsyne en bølgeleder med et spejl alene dannet ud fra hullerne.
Hul med kobling til nanokavitet
Det er udgangspunktet for den nye laser. Men det særlige er, at den sædvanlige form for spejl kun findes i den ene ende af bølgelederen med det aktive materiale. Ved den anden ende af bølgelederen placeres kun et enkelt mindre hul - eller ingen huller overhovedet - hvorefter bølgelederen fortsætter på den anden side. Det vil normalt ikke være nok til at virke som et effektivt spejl i laseren.
Det smarte ved konfigurationen er en kobling mellem det lille hul og en nanokavitet ved siden af. Det giver en særlig form for resonans opkaldt efter den italiensk-amerikanske fysiker Ugo Fano, som beskrev denne første gang i midten af 1900-tallet.
Denne form for Fano-laser udtænkte og beskrev professor Jesper Mørk teoretisk i en artikel i Physical Review Letters i 2014.
I en ny artikel i Nature Photonics har han nu sammen med bl.a. Yui Yu og Kresten Yvind fra sin forskergruppe præsenteret den første realisering af en sådan Fano-laser.
»Det unikke er, at ‘Fano-spejlet’ kun har en høj refleksionskoefficient i et smalt spektralt område, og at spejlets egenskaber kan kontrolleres via nanokaviteten,« fortæller Jesper Mørk.
I artiklen i Nature Photonics viser forskerne, at de kan opnå meget korte pulser i picosekundområdet fra en sådan laser.
»I den teoretiske artikel viste vi, at sådanne lasere har potentiale til at blive moduleret ved frekvenser over 1 terahertz. Det er to størrelsesordener bedre end de bedste lasere i dag,« beretter Jesper Mørk.
