Zwei Materialien, doppelte Wirkung: Max-Planck-Wissenschaftler entwickeln hybride photonische Chips, die Lichtfarben umwandeln können
Photonische Chips werden immer weiter miniaturisiert. Die heutigen Bauteile sind so klein, dass sie auf einen Fingernagel Platz haben und dennoch in der Lage sind, Licht zu erzeugen, zu manipulieren und zu messen. Um einen spezifischen optischen Effekt erzeugen zu können, sind photonische Chips auf ein konkretes Material angewiesen. Forscher am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL) haben nun zwei unterschiedliche Materialien innerhalb desselben Bauelements verwendet und damit zwei nichtlineare optische Effekte kombiniert. Die kürzlich in Advanced Photonics veröffentlichten Ergebnisse zeigen, wie Materialien mit komplementären Eigenschaften zusammenwirken und die Fähigkeiten integrierter photonischer Schaltungen erweitern können. Dieser Ansatz könnte in künftige Anwendungen einfließen, die von hochauflösender Spektroskopie und Telekommunikation bis hin zu LiDAR und der Erzeugung von Superkontinuum reichen.
Photonischer Chip aus hybridem Material
Die nichtlineare Optik beschreibt, wie intensives Licht die Reaktion eines Materials auf dieses Licht selbst verändert. Diese Wechselwirkungen zwischen Licht und Material können neue Lichtfarben und -frequenzen erzeugen und sind von zentraler Bedeutung für Technologien wie optische Frequenzkämme, die Spektroskopie und die optische Kommunikation.
Die meisten integrierten photonischen Schaltkreise leiten Licht durch ein Kernmaterial, während die Ummantelung hauptsächlich dazu dient, das Licht zu begrenzen. Wissenschaftler*innen aus der Forschungsgruppe ›Mikrophotonik‹ unter der Leitung von Dr. Pascal Del'Haye haben nun ein Bauelement entworfen, bei dem Licht sowohl mit dem Kern als auch mit der Ummantelung in Wechselwirkung treten kann.
Das Bauelement besteht aus einem Siliziumnitrid-Ringresonator, der von Quarz (Siliziumdioxid) umgeben ist. Ringresonatoren sind in der Lage, Licht für bis zu eine Million Umläufe zu speichern. Das zirkulierende optische Feld erstreckt sich zu einem Drittel in die Quarzummantelung hinein. Diese Überlappung ermöglicht, dass sich die unterschiedlichen optischen Eigenschaften der beiden Materialien gleichzeitig entfalten und ergänzen/verstärken können.
Das Quarzglas der Ummantelung sorgt für Raman-Verstärkung, einen Prozess, bei dem Licht mit molekularen Schwingungen in Wechselwirkung tritt und mit einer neuen Frequenz austritt. Siliziumnitrid des Kerns weist hingegen eine starke Kerr-Nichtlinearität auf, die optische Frequenzkämme erzeugen kann – präzise räumlich angeordnete Reihen von Lichtfrequenzen, die auch als „optisches Lineal“ bezeichnet werden.
Siliziumnitrid wird aufgrund seiner geringen optischen Verluste und seines breiten Betriebsbereichs bereits häufig in der integrierten Photonik eingesetzt. Indem die Wissenschaftler es zuließen, dass ein Teil des Lichts mit dem umgebenden Siliziumdioxid der Ummantelung in Wechselwirkung tritt, gelang es ihnen, ausreichend Raman-Verstärkung in die Siliziumnitrid-Plattform einzubringen, um eine Raman-Laseremission zu erzeugen.
Von Raman-Signalen zu breiten Frequenzkämmen
Um das Konzept zu testen, pumpten die Forscher den Ringresonator mit einem Laser und konnten eine Farbverschiebung des Lasers messen, die durch Raman-Streuung in Quarzglas erzeugt wird.
Als die Eingangsleistung weiter erhöht wurde, zeigte das Gerät einen weiteren nichtlinearen Prozess. Durch Vierwellenmischung im Siliziumnitridkern entstanden zusätzliche Frequenzen sowohl um das ursprüngliche Pumplicht als auch um das durch Raman-Streuung erzeugte Licht.
Schließlich vervielfachten sich diese Frequenzen zu breiten optischen Frequenzkämmen. Durch Anpassung der Abmessungen des Siliziumnitrid-Wellenleiters veränderten die Forscher die Ausbreitung verschiedener Wellenlängen durch den Resonator und verbesserten die Wechselwirkung zwischen den optischen Moden.
Das optimierte Bauelement erzeugte Frequenzkämme, die sich über mehr als 400 Nanometer erstreckten, wobei Kammlinien nicht nur um die Pumplänge, sondern auch um mehrere Raman-verschobene Wellenlängen auftraten.
Die Hülle als Teil des Bauteils
„Die Experimente zeigen, dass eine Schicht, die normalerweise als Stützstruktur betrachtet wird, zu einem aktiven Bestandteil eines photonischen Bauteils werden kann. Anstatt dass ein einziges Material alle gewünschten optischen Eigenschaften bereitstellen muss, ermöglicht unser Ansatz, dass verschiedene Materialien die Funktionen beisteuern, die sie am besten erfüllen“, sagt Arghadeep Pal, der Hauptautor der Arbeit und Doktorand im Del’Haye Research Lab. „Genauso wie Menschen mit unterschiedlichen Fachkenntnissen durch Zusammenarbeit mehr erreichen können, können Materialien mit unterschiedlichen Stärken zusammenwirken, um neue Möglichkeiten zu erschließen.“
Das Bauelement erreichte einen Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung von mehr als 32%. Die Forscher gehen davon aus, dass durch weitere technische Optimierungen die Kohärenz verbessert werden könnte, ohne den hohen Wirkungsgrad zu beeinträchtigen.
„Was uns überrascht hat, war, wie stark der Mantel zum nichtlinearen Verhalten des Bauelements beitragen konnte“, sagt Prof. Shuangyou Zhang, Co-Autor der Studie, der am MPL tätig war und derzeit an der Technischen Universität Dänemark forscht.
Der Ansatz weist auf ein allgemeineres Konstruktionsprinzip für die integrierte Photonik hin: Die Kombination von Materialien mit unterschiedlichen nichtlinearen Eigenschaften könnte neue Wege zur Erzeugung und Steuerung von Licht auf einem Chip eröffnen. Ähnliche Hybridsysteme könnten potenziell breitbandige Superkontinuum-Quellen, selbstreferenzierte Frequenzkämme und andere nichtlineare photonische Technologien ermöglichen.
„Die hybride Integration verschafft uns einen leistungsstarken neuen Freiheitsgrad beim Entwurf effizienter und vielseitiger nichtlinearer photonischer Schaltungen“, sagt Del’Haye.
Indem sie den Siliziumnitridkern und den Siliziumdioxidmantel zusammenwirken lassen, anstatt den Mantel lediglich als passive Schicht zu behandeln, haben die Forscher einen neuen Weg zur Erweiterung der Möglichkeiten integrierter photonischer Schaltungen aufgezeigt.
Originalpublikation in Advanced Photonics
Arghadeep Pal, Alekhya Ghosh, Shuangyou Zhang, et al. “Hybrid nonlinear effects in photonic integrated circuits,” Advanced Photonics 8(4), 046008 (23 Jun 2026).
DOI:10.1117/1.AP.8.4.046008
Wissenschaftlicher Kontakt
Dr. Pascal Del’Haye
Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts, Erlangen
Forschungsgruppenleiter ›Mikrophotonik‹
https://mpl.mpg.de / pascal.delhaye@mpl.mpg.de
