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Integrierte elektronische Schaltkreise auf einem einzelnen Mikrochip geh?ren mittlerweile zu unserem allt?glichen Leben. Sie befinden sich nicht nur in Computern und Handys, ihre Anwendung in der Informationstechnologie, in der medizinischen Diagnostik als auch in der Umwelttechnik haben unsere Lebensqualit?t drastisch ver?ndert. In ihrer Funktionalit?t und Effizienz haben integrierte elektronische Schaltkreise aber gr??tenteils ihre Grenzen erreicht. Schnellere, kompaktere und effizientere M?glichkeiten sind daher gefragt: In einer aktuellen Studie zeigen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Humboldt-Universit?t zu Berlin (HU) gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen aus den USA und China, dass diese M?glichkeiten mithilfe von integrierten photonischen und elektrischen Schaltkreisen auf einem Chip erweitert werden k?nnen. Die Ergebnisse wurden? nun in der aktuellen Onlineausgabe der Fachzeitschrift Nature ver?ffentlicht.

Durch die Kombination aus zweidimensionalen Halbleiterschichten mit atomarer Dicke und Halbleiter-Nanoresonatoren konnte das Forscherteam einen Nanolaser mit ultraniedriger Laserschwelle realisieren. ?Solche Nanosysteme ben?tigen eine sehr geringe Leistung zum Lasern. Sie erzeugen daher nur minimale Hitze und k?nnen sehr gut auf einem Mikrochip integriert werden“, erl?utert Dr. Fariba Hatami vom Institut für Physik der HU.

Bringt man eine Lichtquelle mit einem Resonator zusammen, werden die Nicht-Strahlungsprozesse unterdrückt, wodurch die Wahrscheinlichkeit spontaner Emission steigt. Ist die Wahrscheinlichkeit gro? genug, reicht die spontane Emission aus, um die? Lichtquelle zum ?Lasern“ zu bringen. ?Als Nanoresonatoren wurden zweidimensionale photonische Kristalle aus Galliumphosphid (GaP) hergestellt und verwendet“, erl?utert Hatami.

Photonische Kristalle sind periodische Strukturen aus zwei Materialien mit unterschiedlichem optischen Brechungsindex. Sie besitzen daher eine photonische Bandlücke. Die Periodizit?t im Brechungsindex wird bei 2D-photonischen Kristallen durch Herstellung von winzigen periodischen Luftl?chern in einer sehr dünnen GaP-Membran mit einer Schichtdicke von etwa 130 Nanometer erreicht. Werden einige der? Luftl?cher hintereinander weggelassen, entsteht ein Nanoresonator mit ausreichend gro?em Gütefaktor und kleinem Volumen. Die optischen Moden sind dann in solchen Nanoresonatoren stark quantisiert. Idealerweise sind alle zuf?llig emittierten Photonen (Spontanemission) an eine optische Mode gekoppelt. Dadurch werden die anderen Verlustprozesse unterdrückt und ein neuartiger Nanolaser realisiert. Dieser soll die Entwicklung der intergrierten Photonik weiter voran bringen.?

Originalver?ffentlichung

Monolayer semiconductor nanocavity lasers with ultralow thresholds: Sanfeng Wu, Sonia Buckley, John R. Schaibley, Liefeng Feng, Jiaqiang Yan, David G. Mandrus, Fariba Hatami, Wang Yao, Jelena Vu?kovi?, Arka Majumdar, Xiaodong Xu:

Onlineausgabe

http://dx.doi.org/10.1038/nature14290

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Dr. Fariba Hatami
Humboldt-Universit?t zu Berlin
Institut für Physik
Tel.: 030 2093-7942
hatami@physik.hu-berlin.de