Einem Team von Ingenieuren der UC Berkeley und des Lawrence Berkeley National Laboratory ist die Lösung eines grundlegenden Problems gelungen, das Nanophotonik-Forscher fast zwei Jahrzehnte lang beschäftigte: Wie man Strom an einen Nanoskalalaser liefert, ohne die optischen Eigenschaften zu beeinträchtigen, die das Gerät überhaupt erst funktionsfähig machen.
Der am Montag in Nature Nanotechnology veröffentlichte Durchbruch stellt ein Design namens "orthogonale Optoelektronik" vor, das die elektrischen und optischen Funktionen des Geräts trennt und eine unabhängige Optimierung beider ermöglicht.
Die Kernherausforderung
Nanophotonische Laser nutzen Strukturen, die kleiner als die Wellenlänge des Lichts sind, um Photonen einzufangen und zu kontrollieren. Diese Geräte benötigen einen starken "Brechungsindexkontrast", um Licht eng einzuschließen. Die elektrische Stromversorgung erfordert jedoch typischerweise leitfähige Materialien, die diesen Kontrast verringern und die Leistung beeinträchtigen.
Die Lösung: Nano-Pfosten an den 'Sweet Spots'
Das Team stützt das Gerät auf eine Anordnung mikroskopischer Pfosten (Nanopillaren), die genau an den Stellen positioniert sind, an denen das elektromagnetische Feld des Lichts natürlicherweise auf Null fällt. An diesen Punkten leiten die Pfosten Strom, bleiben aber für das Licht unsichtbar.
"Mit diesem Design gelang uns elektrisch betriebenes Lasern bei Raumtemperatur bei den Wellenlängen, die in der Glasfaserkommunikation verwendet werden," sagte Md Ishfak Tahmid, Co-Leitautor und Doktorand.
Unerwartete Entdeckung
Die Forscher machten eine unerwartete Entdeckung: Ihre Hauptbeschränkung war nicht das optische Design, sondern die Fertigungsgleichmäßigkeit. Die optische Mode erwies sich selbst bei Variationen der Nanopost-Größe als robust, aber kleine Inkonsistenzen beeinflussten stark, wie gleichmäßig der Strom über das Gerät injiziert wurde.
Anwendungen
Der Durchbruch könnte eine neue Generation kompakter, energieeffizienter photonischer Technologien ermöglichen: optische Kommunikation, KI-Rechenzentren, LiDAR für autonome Fahrzeuge, integrierte photonische Schaltungen und Quantenphotonik.
