High-Speed-Modulation dank Kristallsymmetrie

Nichtlineare Optik ist in zahlreichen Gebieten der Wissenschaft und Technik von herausragender Bedeutung – insbesondere für die Erzeugung der zweiten Harmonischen, also der Verdopplung der Frequenz eines Lichtstrahls. Auf diese Weise wird beispielsweise unsichtbares Infrarotlicht zum sichtbaren Lichtzeiger eines Laserpointers. In der Spektroskopie erreicht man mit dieser Methode neue Wellenlängen, die mit herkömmlichen Laserquellen nicht verfügbar sind. Zudem liegen bedeutende Anwendungen im Bereich der photonischen Datenübertragung und Quantenkommunikation oder der Sensorik, da sich durch die Modulation des Signals – also das An- und Abschalten der Konvertierung – Informationen in das Licht einschreiben lassen. Um das Potenzial dieser Technologie vollends auszuschöpfen, muss die Modulation des Lasers möglichst schnell und effizient geschehen. Physiker und Chemiker der Friedrich-Schiller-Universität Jena haben dafür nun gemeinsam mit Kollegen vom Politecnico di Milano eine besonders wirkungsvolle Methode entwickelt. Über ihren Erfolg berichten sie im Fachmagazin „Nature Photonics“.

Das Beste aus zwei Methoden

Um die zweite Harmonische zu erzeugen, strahlen die Jenaer Forscher um Prof. Dr. Giancarlo Soavi, dessen Arbeitsgruppe Teil der von der Europäischen Union geförderten Forschungsinitiative „Graphene Flagship“ und dem Jenaer Sonderforschungsbereich „Nonlinear Optics down to Atomic scales“ (SFB 1375 „NOA en) ist, ultrakurze Laserpulse auf ein 2D-Material. Solche nur aus einer Lage von Atomen bestehenden ultradünnen Stoffe eignen sich besonders gut für nanoskalige Bauteile, da sie sich dank ihrer Flexibilität und mechanischen Eigenschaften leicht auf photonischen Plattformen integrieren lassen.

Für ihre neue Methode verbinden Soavi und seine Kollegen die Vorteile zweier verschiedener Ansätze: „Zum einen kann man durch das Anlegen einer elektrischen Spannung die Eigenschaften des Materials verändern und somit Einfluss auf die Intensität des austretenden Lichts nehmen. Das funktioniert sehr effizient aber relativ langsam“, erklärt Prof. Soavi. „Zum anderen besteht die Möglichkeit, das Material mit einem zweiten Lichtstrahl anzuregen. Dies geschieht zwar äußerst schnell, da Licht schneller ist als elektrischer Strom, aber die dabei erzielte Modulation der zweiten Harmonischen fällt eher schwach aus.“ Mit ihrer neuen Methode kombinieren die Jenaer Wissenschaftler nun die Vorteile der elektrischen und der optischen Modulation.

Symmetrie der Kristalle hilft

Entscheidend dafür ist das verwendete 2D-Material. „Wir nutzen dafür sogenannte Übergangsmetall-Dichalkogenid-Monolagen, also atomar dünne Halbleiter, die aufgrund ihrer Kristallsymmetrie sehr spezielle optische Eigenschaften aufweisen“, sagt Sebastian Klimmer, der im Rahmen seiner Masterarbeit an dem Thema forschte. Dank dieser Eigenschaften ist es möglich, mithilfe eines zweiten Lichtpulses, die Polarisation – oder Schwingungsebene – der emittierten zweiten Harmonischen zu manipulieren und dadurch das detektierte Signal schnell und effizient an- und abzuschalten. Dabei sind im Gegensatz zu bisherigen rein optischen Ansätzen die beiden Impulse senkrecht zueinander polarisiert. Solange beide Strahlen getrennt voneinander auf das extrem dünne Material auftreffen, schwingt das emittierte Licht entlang einer Ebene, die von einem Polarisationsfilter blockiert wird (Aus-Zustand). Sobald beide Laserpulse sich aber überlappen, dreht sich die Polarisation des Signals um 90 Grad und kann somit den Filter ungehindert passieren (An-Zustand). „Die besondere Symmetrie des verwendeten Materials Molybdändisulfid ermöglicht die effiziente optische Modulation – und damit Schaltprozesse im Femtosekunden-Bereich“, sagt Prof. Soavi.

Diese Entwicklung aus dem SFB 1375 „NOA“ und der Forschungsinitiative „Graphene Flagship” ebnet möglicherweise neuartigen integrierten High-Speed-Frequenzwandlern den Weg, die etwa bei der schnellen Datenübertragung Verwendung finden.