Optische Solitonen im Terahertzbereich

Die Optik ist ein Gebiet, das sich als Prüfstand für eine Vielzahl physikalischer Phänomene anbietet. Mit quantenoptischen Versuchsanordnungen können Forscher zum Beispiel grundlegende Eigenschaften wie die Quantenverschränkung oder Anwendungen wie sichere Kommunikationsprotokolle untersuchen. Optische Fasern und extern gepumpte Mikroresonatoren – planare oder ringförmige Strukturen im Mikrometermaßstab, die Licht einschließen – sind zwei Systeme, in denen die Eigenschaften und Anwendungen von Solitonen untersucht werden können, d. h., von Wellenpaketen, die ihre Form bei der Ausbreitung durch ein dispersives Medium beibehalten.

Theoretische Arbeiten sagten die Bildung optischer Solitonen auch in anderen Plattformen voraus, z. B. in Quantenkaskadenlasern (QCLs), die in Ringresonatoren eingebettet sind. Eindeutige experimentelle Beweise für das Einsetzen des dissipativen Soliton-Regimes in Halbleiter-Ringlasern zu finden, erwies sich jedoch als schwierig.

Paolo Micheletti und Kollegen aus der Gruppe von Jérôme Faist und Giacomo Scalari am Institut für Quantenelektronik der ETH Zürich, haben ihr Fachwissen über Halbleiterlaser mit fortschrittlicher Optik kombiniert, um optische Solitonen im Terahertzbereich mit einem Ring-QCL zu erzeugen. Das Ergebnis, das Anfang dieses Monats in Science Advances veröffentlicht wurde, ebnet den Weg für eine Erweiterung des Einsatzgebietesvon Halbleiterlasern als Quellen für ultrakurze Pulse bei Terahertz-Frequenzen.

Das Gleichgewicht wahren

Anfang der 2000er Jahre wurden extern gepumpte Mikroresonatoren als neue Plattform für die Erzeugung optischer Frequenzkämme und – unter bestimmten Bedingungen – optischer Resonatorsolitonen, die als dissipative Kerr-Solitonen (DKS) bekannt sind, erkannt. DKS sind selbstorganisierte Wellenformen, die ihre Form nicht verändern, während sie sich in dispersiven, nichtlinearen und verlustbehaftete Medien ausbreiten. DKS entstehen durch einen doppelten Balanceakt: Zum einen müssen die Verluste im optischen Resonator durch das externe optische Pumpen für einen passiven Mikroresonator ausgeglichen werden (oder, bei Vorhandensein eines aktiven Mediums im Resonator, durch die Verstärkung im aktiven Lasermedium). Zum anderen hängt es damit zusammen, wie das Wellenpaket bei seiner Ausbreitung durch das nichtlineare Medium beeinflusst wird: Für die Bildung von Solitonen müssen sich der Effekt der Dispersion (d. h. die Abhängigkeit der Gruppengeschwindigkeit des Solitons von der Frequenz) und die Kerr-Nichtlinearität dritter Ordnung gegenseitig aufheben.

QCLs sind bereits als alternative und vielseitige Quellen für Kerr-Frequenzkämme bekannt. Ihre Kerr-Nichtlinearität ist groß und ihre Abstimmbarkeit der Wellenlänge bedeutet, dass sie einen großen Frequenzbereich abdecken können. Insbesondere wurden QCL-Kämme im mittleren Infrarot und im Terahertzbereich eingesetzt, die beide für Spektroskopie- und Sensoranwendungen von großer Bedeutung sind. Ein natürlicher weiterer Schritt ist die Untersuchung der Solitonen-Bildung: Letztes Jahr berichteten Mitglieder der Faist-Gruppe über die Erzeugung von Solitonen im mittleren Infrarotbereich in einem Ring-QCL mit hoher optischer Intensität im Wellenleiter und geringen optischen Verlusten. In dieser und weiteren Arbeiten identifizierten Sie zwei Bedingungen, die erfüllt sein müssen damit DKS auftreten. Erstens muss die optische Rückstreuung hinreichend niedrig sein, dass der Laser nur in eine Richtung, d.h. unidirektional, emittiert. Zweitens muss der Resonator so konstruiert sein, dass eine anomale Dispersion gewährleistet ist, die zum Ausgleich der großen Kerr-Nichtlinearität erforderlich ist.

Bei Terahertz-Frequenzen weisen die halbleiterbasierten Heterostrukturen von QCLs eine große normale Dispersion auf: Dies stellt eine zusätzliche Herausforderung zur Anforderung der anomalen Dispersion für die Bildung von Terahertz-Solitonen in Halbleiterlasern dar. Die Geometrie von Ring-QCLs – ohne einen bevorzugten Punkt zur Auskoppelung des Lichts – erschwert auch die Extraktion optischer Leistung, was bedeutet, dass die Charakterisierung des Kammzustands nicht trivial ist. Die Arbeit von Paolo Micheletti und Kollegen hat beide Engpässe erfolgreich überwunden und den lang ersehnten Nachweis von optischen Terahertz-Solitonen in Ring-QCLs erbracht.

Ein sorgfältig konzipiertes System

Der aktive Bereich des Ring-QCL ist ein schmaler Steg zwischen zwei konzentrischen Metallhohlleitern, die auf ein Substrat trockengeätzt werden, um einen Ring mit einem Durchmesser von 800 μm zu bilden. Eine Benzocyclobuten (BCB)-Schicht wird durch Spin-Coating (Schleuderbeschichtung) aufgebracht, eingebrannt und geätzt, so dass ihre Höhe derjenigen der Wellenleiter entspricht. Auf diese Weise wird der aktive Bereich in BCB eingehüllt, aber nicht von ihm bedeckt: Dieses Design wird als Wellenleiterplanarisierung bezeichnet. Über dem aktiven Bereich wird ein breiter Metallkontakt positioniert, der sich auf die BCB-Fläche erstreckt, sodass die Bonddrähte anstatt auf den Wellenleiter über der BCB-Schicht angebracht werden können. Dieses Detail ist entscheidend, da Drähte Defekte in den aktiven Bereich einbringen können.

Durch die Planarisierung kann die Breite der Wellenleiter wesentlich geringer sein als bei Drähten, die in direktem Kontakt mit dem aktiven Bereich stehen. Eine Geometrie mit derart schmalen Wellenleitern, die durch einen ähnlich schmalen Spalt getrennt ist, begünstigt die Selektion einer einzigen Lasermode, der durch anomale Dispersion gekennzeichnet ist. Daher ist die Planarisierung der Wellenleiter der Schlüssel zur Solitonen-Bildung in dem von Micheletti und Mitarbeitern betrachteten Ring-QCL. Gleichzeitig ermöglicht dieses Design die Integration einer Bullseye-Antenne in die BCB-Schicht, um die Lichtextraktion aus dem Resonator zu verbessern, was wiederum den Nachweis erleichtert, dass tatsächlich ein optisches Soliton vorhanden ist.