Neuer Halbleiterlaser leuchtet mit einem besonders kleinen Schwellstrom
Photonische Kristalle im elektrisch gepumpten Laser unterdrücken die spontane Emission
Eine Etappe auf dem Weg zu einer Lichtquelle für einzelne Photonen ist ein Halbleiterlaser, dessen Lichtemission bei einem sehr niedrigen Schwellstrom beginnt; photonische Kristalle unterdrücken die unerwünschte spontane Emission und senken somit den Schwellstrom. Bisherige Laser aus photonischen Kristallen waren meist optisch gepumpt, was für die Technik nicht viel bringt.
Physiker der Technischen Hochschule im koreanischen Daejeon haben einen kompakten, elektrisch gepumpten Laser mit einem besonders niedrigem Schwellstrom von 260 Mikroampere entwickelt. Dazu unterdrückten sie die spontane Emission zugunsten der stimulierten, indem sie die Halbleiter-Laserdiode in einen photonischen Kristall einbauten. Die Forscher berichten ihre Ergebnisse in der Ausgabe vom 3. September der Zeitschrift Science in Band 305 auf Seite 1444 ff..
Streng geheim: Einzelne Photonen auf Bestellung
Das Fernziel ist eine Lampe, die auf Kommandos innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne einzelne Photonen aussendet. Ein Einsatzfeld einzelner Photonen ist die Quantenkryptografie. Bisher verwenden Wissenschaftler notgedrungen mehrere Absorber hintereinander, um die Zahl der Photonen im Lichtpuls immer weiter zu senken und schließlich auf eins zu begrenzen. Da Pulse mit zwei oder mehr Photonen unerwünscht sind, zwingt die Poisson-Statistik dazu, im Mittel nur in jedem zehnten Puls noch ein Photon drin zu lassen.
Laser – egal, ob optisch oder elektrisch gepumpt – beginnen erst ab dem Überschreiten einer Schwelle der aufgenommenen Leistung zu strahlen. Die Ursache ist die Konkurrenz zwischen spontaner und stimulierter Emission, erstere räumt die nötige Besetzungsinversion der beteiligten Energieniveaus ab. Mit abnehmender Lichtwellenlänge steigt die Schwelle dramatisch. Wie lässt sich nun die spontane Emission unterdrücken?
Wie aus der Hochfrequenz-Technik bekannt ist, bilden sich in elektrisch leitenden Hohlräumen nur stehende Wellen bestimmter Resonanzfrequenzen aus, die Wellen anderer Frequenz können sich über kurz oder lang weginterferieren. Hohlräume können zudem spontane Emissionen eingeschlossener, angeregter Atome hemmen oder fördern, je nach Wellenlänge der Strahlung und den Abmessungen des Hohlraums. Eine tiefere Erklärung sind die Vakuumfluktuationen des elektromagnetischen Feldes, mit denen die Atome koppeln.
Spontane Emission unterdrückt: Atom bleibt angeregt
Um diesen Kniff für sichtbares oder infrarotes Licht zu nutzen, wird es an Grenzflächen isolierender Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex teilweise reflektiert. Trifft ein Lichtstrahl bei Übergang von einem Medium ins andere auf einen Brechungsindexsprung, so kommt es zu teilweisen Reflexionen. Eine lange Folge solcher Brechungsindexsprünge macht das Material letztlich für gewisse Wellenlängen undurchsichtig, die nötige Periodenlänge der Brechungsindexmodulationen im Kristall liegt in der Größenordnung der Lichtwellenlänge.
Ein so genannter photonischer Kristall mit einem periodisch wechselnden Brechungsindex hemmt das Ausbreiten eines Lichtstrahls eines bestimmten Wellenlängenbereichs. Allerdings lässt sich durch das gezielte Einbauen von Punktdefekten innerhalb des unterdrückten Wellenlängenbereichs ein Fenster für die Ausbreitung einer vorgegebenen Wellenlänge öffnen. Das Einbauen eines p-n-Übergangs in einen photonischen Kristall unterbindet die unerwünschte spontane Emission weitgehend.
Außer für Halbleiterlaser lassen sich photonische Kristalle wegen ihrer um Größenordungen weiteren Richtungsstreuung bei der Lichtbrechung für kompakte Add-Drop-Multiplexer in der optischen Nachrichtentechnik verwenden. Eine exotische Anwendung ist das Erzeugen von Terahertzstrahlung aus sichtbarem oder infrarotem Licht mittels Doppler-Effekt.
Viele Arbeitsgruppen tummeln sich in dem Modethema der photonischen Kristalle, so auch in Deutschland etwa an der Uni Karlsruhe oder am Max-Planck-Institut in Halle (Saale).