Maßgeschneiderte Farbstoffe für Photonik-Chips

Über den Einbau von Selen-Atomen kontrollieren Forscher das optische Verhalten von Molekülen

Atlanta (USA) - Photonische Kristalle, Lichtleiter und lichtaktive Farbstoffe sind die Schlüsselmodule für zukünftige Photonik-Chips. Diesen könnten prinzipiell digitale Daten viel rascher verarbeiten als die heute genutzten Elektronen in Silizium-Prozessoren. Auf diesem noch langen Entwicklungsweg gelang nun amerikanischen Wissenschaftlern ein weiterer Schritt nach vorne. Wie sie in der Zeitschrift "Science" berichten, konnten sie Farbstoffmoleküle so exakt designen, dass sie bei geringen Verlusten genau die gewünschten Lichtteilchen zum Schalten optischer Prozessoren liefern könnten.

Das Team um Seth Marder experimentierte an der Georgia Institute of Technology in Atlanta mit Polymethin-Molekülen. Diese Farbstoffmoleküle konnten sie so maßschneidern, dass sie das zum Schalten notwendige nichtlineare Verhalten bei bemerkenswert geringen Strahlungsverlusten aufwiesen. "Alle optischen Schalter benötigen Materialien mit großen Nichtlinearitäten in der dritten Ordnung und geringe optische Verluste", schreiben die Forscher. Die gewünschten Farbstoffe sollen dabei ein Photon mit einer anderen Wellenlänge aussenden als zur optischen Anregung zuvor genutzt wurde. Strahlungsverluste durch Lichtstreuung, Absorption oder andere unerwünschter Prozesse sollen dabei möglichst vermieden werden. Genau mit diesen Eigenschaften sollen die datentragenden Lichtteilchen ihre Information zwischen zwei getrennten optischen Schaltkreise übertragen können.

Das optische Anregungsverhalten dieser langkettigen, organischen Polymethin-Moleküle konnten sie beispielsweise über zusätzliche Butylphenyl-Seitengruppen, Pyrylium-Ringe und eingebundene Selenatome gezielt verändern. Begleitet von quantenchemischen Berechnungen gelang ihnen ein Moleküldesign, womit Lichtteilchen für den bevorzugten Wellenlängenbereich zwischen 1300 und 1550 Nanometern erzeugt werden konnten. Das Absorbtions, Emissions- und Streuverhalten der synthetisierten Moleküle analysierten sie durch die Laseranregung der verschiedenen Farbstoffe in einer Chloroform-Lösung. Ein Molekül mit sieben Methin-Einheiten und eingebautem Selenatom zeigte nach einer Anregung mit 1300-Nanometer Femtosekunden-Pulsen die gewünschten, geringen Streuverluste. Dabei lag das Emissionsmaximum bei viel versprechenden 1081 Nanometern.

Aufbauend auf diesen Ergebnissen können nun langlebige Polymethin-Moleküle entwickelt werden, mit denen sich optische Schaltkreise verwirklichen ließen. So wird in den kommenden Jahren mit immer ausgefeilteren Prototypen für Photonik-Chips zu rechnen sein. Bis ein erster Lichtchip allerdings die Leistungsfähigkeit heutiger Silizium-Prozessoren erreichen wird, lässt sich noch nicht absehen.