Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Chaos im Mikrolaser

22.06.2011
Einen Mikrolaser mit einzigartigen Eigenschaften haben Würzburger Physiker realisiert. Zudem ist es ihnen gelungen, den Laser zu chaotischem Verhalten zu bringen. In Zukunft lässt sich das möglicherweise für eine neue, abhörsichere Art der Datenübertragung nutzen.

Im Mikrokosmos chaotisches Verhalten auslösen: Das haben Stephan Reitzenstein und sein Team vom Physikalischen Institut der Universität Würzburg in Kooperation mit dem israelischen Kollegen Ido Kanter geschafft, wie die Zeitschrift „Nature Communications“ aktuell berichtet. Die Forscher schickten dafür bei einem winzig kleinen Laser beständig einen Teil des ausgestrahlten Lichts in den Laser zurück – und brachten so den Prozess der Lichtemission „aus dem Takt“. Der Mikrolaser gab fortan Lichtteilchen (Photonen) in einer chaotischen Pulsfolge ab.


Ein Quantenpunkt-Mikrolaser schickt Licht aus, das über einen Spiegel gezielt in den Laser zurückgeworfen wird. Das stört den Laserbetrieb derart, dass es zu einem chaotischen Emissionsverhalten kommt. Rechts das Ergebnis einer Messung zur Photonenstatistik, aus der Physiker eine chaotische Pulsfolge erkennen – denn ohne Chaos würden überhaupt keine Pulse auftreten. Bild: Ferdinand Albert

„Dieses Chaos ist aus grundlagenphysikalischer Sicht äußerst interessant“, erklärt Reitzenstein. Aber die gezielte Rückkopplung biete auch Anwendungsmöglichkeiten. „Sie könnte in Zukunft für optische Verstärker und Schalter eingesetzt werden. Außerdem verspricht die Gegenkopplung zweier Mikrolaser über eine weite Strecke eine Synchronisation der chaotischen Pulsfolge, und damit könnte man eine neuartige, abhörsichere Art der Datenübertragung realisieren.“

Mikrolaser made in Würzburg

Die Mikrolaser werden mit einem ausgeklügelten Verfahren im Mikrostrukturlabor des Lehrstuhls für Technische Physik hergestellt. Sie sehen aus wie winzige Türme mit einem Durchmesser von weniger als einem Zehntel eines menschlichen Haares, und sie bestehen aus einer speziellen Abfolge von extrem dünnen Halbleiterschichten. Durch einen aufwändig hergestellten Ringkontakt lassen sie sich elektrisch betreiben.

Im Zentrum der Mikrolaser werden bei der Herstellung spezielle Nano-Strukturen angebracht, die Licht abgeben können, so genannte Quantenpunkte. Ihre Eigenheit: „Die Mikrolaser sind so konstruiert, dass die Photonen, die von den Quantenpunkten emittiert werden, sich mit besonders hoher Wahrscheinlichkeit in die Lasermode einkoppeln und so für einen sehr effizienten Laserbetrieb nutzbar sind“, wie Reitzenstein sagt.

Nah dran am ultimativen Modell

Wegen ihrer speziellen Konstruktion lassen sich die Würzburger Mikrolaser mit wenigen Mikroampere und nur etwa zehn Quantenpunkten betreiben. In gewöhnlichen Halbleiterlasern seien dagegen Pumpströme im Milliampere-Bereich sowie einige 1.000 bis 10.000 Quantenpunkte nötig.

„Weltweit wird intensiv geforscht, um einen ‚ultimativen‘ Mikro- oder Nanolaser zu realisieren, der lediglich einen einzigen Quantenpunkt als aktives Medium enthält“, erklärt Reitzenstein. Diesem Ziel seien die Würzburger Physiker mit ihrem Modell nun schon sehr nahe gekommen.

Chaotische Pulsfolge erzeugt

Derart „hochgezüchtete“ Quantenpunkt-Mikrolaser reagieren sehr empfindlich auf Fluktuationen bei der Menge der Lichtteilchen im Laser-Resonator. So kann selbst die Emission eines einzelnen Photons den Laserbetrieb durcheinanderwirbeln. Nun haben die Wissenschaftler den Spieß umgedreht und das ausgestrahlte Licht mit einem Spiegel beständig, präzise und kontrolliert auf den Mikrolaser zurückgeworfen, um dessen Betrieb zu stören.

Dabei zeigte sich: Wenn die Laser wenige zehn Nanowatt Lichtleistung ausstrahlen, ist der Einfluss der Rückkopplung nicht direkt messbar. „Vielmehr sind aufwändige Messungen zur Photonenstatistik notwendig, um das erwartete chaotische Verhalten nachzuweisen“, so Reitzenstein. Doch damit hatten die Physiker Erfolg: Sie konnten nachweisen, dass eine Störung des Lasers zu einer chaotischen Pulsfolge führt, bei der jeder Lichtpuls nur etwa 100 Photonen enthält.

Die nächsten Forschungsschritte

„Aktuell bereiten wir Experimente zur Synchronisation zweier Laser bis hin zum Quantenlimit von lediglich einem hin- und herlaufenden Photon vor“, sagt Reitzenstein. „Gelingt uns das, ist ein weiterer Schritt hin zu einem fundamentalen Verständnis der Synchronisation und zu einer abhörsicheren Datenübertragung getan.“

Und noch eine weitere Hürde gilt es zu nehmen: Derzeit funktionieren die Mikrolaser nur in großer Kälte, bei weniger als minus 150 Grad Celsius. Ein Betrieb bei Raumtemperatur sollte aber möglich sein, wenn man die Quantenpunkte für diesen Zweck optimiert. Dieses Ziel verfolgen die Physiker aktuell in einem eigenen Projekt.

„Observing chaos for quantum-dot microlasers with external feedback”, Ferdinand Albert, Caspar Hopfmann, Stephan Reitzenstein, Christian Schneider, Sven Höfling, Lukas Worschech, Martin Kamp, Wolfgang Kinzel, Alfred Forchel & Ido Kanter, Nature Communications, doi 10.1038/ncomms1370

Kontakt

Dr. Stephan Reitzenstein, Physikalisches Institut der Universität Würzburg,
T (0931) 31-85116, stephan.reitzenstein@physik.uni-wuerzburg.de

Robert Emmerich | Uni Würzburg
Weitere Informationen:
http://www.uni-wuerzburg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Forscher sorgen mit ungewöhnlicher Studie über Edelgase international für Aufmerksamkeit
26.06.2017 | Universität Bremen

nachricht NAWI Graz-Forschende vermessen Lichtfelder erstmals in 3D
26.06.2017 | Technische Universität Graz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hyperspektrale Bildgebung zur 100%-Inspektion von Oberflächen und Schichten

„Mehr sehen, als das Auge erlaubt“, das ist ein Anspruch, dem die Hyperspektrale Bildgebung (HSI) gerecht wird. Die neue Kameratechnologie ermöglicht, Licht nicht nur ortsaufgelöst, sondern simultan auch spektral aufgelöst aufzuzeichnen. Das bedeutet, dass zur Informationsgewinnung nicht nur herkömmlich drei spektrale Bänder (RGB), sondern bis zu eintausend genutzt werden.

Das Fraunhofer IWS Dresden entwickelt eine integrierte HSI-Lösung, die das Potenzial der HSI-Technologie in zuverlässige Hard- und Software überführt und für...

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Future Security Conference 2017 in Nürnberg - Call for Papers bis 31. Juli

26.06.2017 | Veranstaltungen

Von Batterieforschung bis Optoelektronik

23.06.2017 | Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

„Digital Mobility“– 48 Mio. Euro für die Entwicklung des digitalen Fahrzeuges

26.06.2017 | Förderungen Preise

Fahrerlose Transportfahrzeuge reagieren bald automatisch auf Störungen

26.06.2017 | Verkehr Logistik

Forscher sorgen mit ungewöhnlicher Studie über Edelgase international für Aufmerksamkeit

26.06.2017 | Physik Astronomie