DTU udvikler mikroskopisk laser med rekordhøj kohærens

Kunstnerisk fremstilling af lysintensiteten i en Fano-laser. Illustration: DTU

Mange optiske systemer kræver mikroskopiske lasere med en meget ren form for stråling - en høj kohærens.

En sådan laser har forskere på DTU Fotonik nu udviklet og beskrevet i en ny artikel i Nature Photonics .

I artiklen noterer de, at deres laser har en spektral båndbredde på kun 5,8 MHz, hvilket er 20 gange mindre end i andre mikroskopiske lasere.

Der er tale om en såkaldt Fano-laser, som professor Jesper Mørk har studeret gennem flere år, og som vi tidligere har beskrevet i Ingeniøren.

Læs også: DTU-forskere laver helt ny form for superhurtig laser

Den har nu fået en mindre, men afgørende modifikation.

En Fano-laser udnytter den såkaldte Fano-resonans, som allerede blev beskrevet af den italiensk-amerikanske fysiker Ugo Fano for 60 år siden.

For nogle år siden viste Jesper Mørk først teoretisk og siden eksperimentelt, hvordan denne særlige form for resonans kan udnyttes i forbindelse med mikroskopiske lasere indbygget i fotoniske krystaller.

I fotoniske krystaller kan man styre præcist, hvordan lys kan transmitteres. Det sker i et halvledermateriale med huller i et passende mønter, hvorved der skabes en bølgeleder.

Hvis man i en sådan bølgeleder placerer et aktivt materiale i form af såkaldte kvantepunkter af nanostørrelse, vil der blive udsendt lys. I den ende af bølgelederen opstår en fuldstændig refleksion, så lyset kun kan udbrede sig i en bestemt retning i bølgelederen.

Lyset vil have et bredt spektrum - eller lav kohærens. Men placerer man uden for bølgelederen en nanokavitet - som kan dannes ved ændre mønstret af huller - opstår der en kobling mellem bølgelederen og nanokaviteten, der resulterer i, at lyset, der sendes ud gennem bølgelederen får et meget rent spektrum.

Med en fagterm opstår en såkaldt bound state in the continuum (BIC).

1: Udgangspunktet er en fotonisk krystal med et aktivt område angivet med den røde cirkel. 2: Spejlrefleksion. 3: Hullerne forhindrer lys i at sprede sig, men tillader det kun at følge en given vej i krystallen. 4: Nanokaviteten er et lille område med anden fordeling af huller - eller slet ingen huller. 4: Når lyset kobler til nanokaviteten bliver det reflekteret tilbage pga den såkaldte Fano-resonans. 6: En mindre del af lyset undslipper dog, men nu i form af veldefinerede pulser med en bestemt frekvens - på samme måde som det sker i en konventionel laser. 7: Med elektroder kan man påvirke lyset, der undslipper fra nanokaviteten. Illustration: DTU

Aktivt materiale placeres under bølgelederen

For at opnå den rekordagtige lave båndbredde for denne ‘bound state’, har DTU-forskerne nu udnyttet et ekstra trick.

De har placeret de aktive kvantepunkter nedenunder bølgelederen i en såkaldt ‘buried heterostructure’.

Den afgørende pointe er, at på den måde bliver nanokaviteten fuldstændigt afskærmet fra det aktive materiale.

»At det forholder sig sådan er i virkeligheden lidt overraskende, for lasertilstanden er umiddelbart mindre robust end i mere konventionelle lasere,« forklarer artiklens førsteforfatter seniorforsker Yi Yu.

Men forskerne viser i artiklen såvel teoretisk som eksperimentelt, hvordan den særlige tilstand kan blive til en fordel.

Den høje kohærens gør denne form for laser velegnet til eksempelvis programmerbare fotoniske kredsløb, sensorer, kvanteteknologi og optisk kommunikation, der ved at udnytte fasen af optiske signaler, har meget højere informationskapacitet end intensitetsbaserede optiske kommunikationssystemer, forklarer Jesper Mørk.

Han mener, at laseren kan opfylde en vigtig rolle i fremtidens computere, hvor der benyttes lys til at kommunikere mellem de enkelte processorer. Dermed opnås en stor energibesparelse - men det kræver ultrasmå og effektive lasere.

Emner : Fysik