Nanolaser

Bislang kleinster Halbleiter-Laser konstruiert

Austin (USA)/Hsinchu (Taiwan) – Ein gefülltes Nanostäbchen aus Galliumnitrid ist das Herzstück des derzeit kleinsten Halbleiter-Lasers der Welt. Er lässt sich mit dem bloßen Auge nicht erkennen, kann aber gebündeltes grünes Licht aussenden. Der Bau gelang einem Forscherteam von Universitäten in Taiwan und den USA, das in der Zeitschrift „Science“ über seine neue Lichtquelle berichtet. Solche Nanolaser gelten als Schlüsselkomponente für die Entwicklung von extrem schnellen Photonikchips.

„Nun lässt sich die Integration von nanoelektronischen und nanophotonischen Elementen in einer einzigen Technologieplattform vorstellen“, sagt Ken Shih von der University of Texas in Austin. Zusammen mit Kollegen der National Tsing-Hua University in Hsinchu gelang es ihm, ein kristallines Nanostäbchen aus dem Verbindungshalbleiter Galliumnitrid mit einem Kern aus Indiumgalliumnitrid zu züchten. Diese Materialkombination hat sich auch für die Lichterzeugung in Leuchtdioden bewährt. Deponiert auf einem hauchdünnen Silberfilm, konnte das Nanostäbchen mit dem Licht eines weiteren Lasers zur Emission von grünem Laserlicht angeregt werden.

Von zentraler Bedeutung für diesen Lasertyp sind spezielle Schwingungszustände in dem Nanostäbchen, sogenannte Plasmonen. Physiker nennen diese Laser daher auch Spaser, eine Abkürzung für Surface Plasmon Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Vereinfacht lassen sich Plasmonen als oszillierende Elektronen vorstellen. Bei diesen Schwingungen zwischen verschiedenen Energieniveaus entsteht das korrelierte, gebündelte grüne Laserlicht.

Da jedes Nanostäbchen kaum dicker ist als 30 Millionstel Millimeter, erreicht es die Größenordnung von elektronischen Komponenten in heutigen Computerchips. „Die Größenunterschiede zwischen elektronischen und photonischen Elementen stellten bisher eine enorme Hürde für die optische Datenverarbeitung auf einem Chip dar“, erklärt Shih. In weiteren Experimenten gilt es nun, den neuen Nanolaser mit elektronischen Komponenten auf einem einzigen Chip zu verknüpfen. So könnten in einigen Jahren erste Prototypen entstehen, in denen digitale Daten mit Hilfe von Lichtteilchen sehr viel schneller verarbeitet werden als mit den heute verfügbaren rein elektronischen Schaltkreisen.