Wissenschaftler des National Institute of Standards and Technology (NIST) in den USA haben einen neuartigen optischen Chip in Nagelgröße entwickelt, der ein Regenbogenspektrum verschiedener Laserfarben erzeugen kann. Dieser Chip verarbeitet Licht auf ähnliche Weise wie herkömmliche Chips Elektronen und integriert Laser, die mehrere Wellenlängen aussenden können, auf engstem Raum. So entsteht ein optischer „Integrierter Schaltkreis“, der vielversprechende Impulse für Spitzentechnologien wie Künstliche Intelligenz, Quantencomputer und optische Atomuhren liefern soll. Die entsprechende Studie wurde in der neuesten Ausgabe des Fachmagazins Nature veröffentlicht.
Bislang können hochwertige, kompakte und effiziente Laser oft nur wenige Wellenlängen erzeugen. Beispielsweise sind Halbleiterlaser auf die Erzeugung von Infrarotlicht bei 980 Nanometern spezialisiert. Technologien wie optische Atomuhren und Quantencomputer hingegen benötigen vielfältige Lichtquellen. Herkömmliche Laser, die diese Farben erzeugen können, sind jedoch sperrig, teuer und haben einen enormen Energieverbrauch.
Der neu entwickelte photonische Chip gleicht einer raffinierten Schichttorte. Das Team verwendete einen Standard-Siliziumwafer, beschichtet mit Siliziumdioxid (Glas) und Lithiumniobat – einem nichtlinearen optischen Material, das die Farbe des hindurchtretenden Lichts verändern kann. Anschließend wurden darauf Metallelektroden angebracht, um durch Anlegen eines elektrischen Feldes eine Lichtfarbe in eine andere umzuwandeln. Das Team schuf zudem weitere Schnittstellen zwischen Metall und Lithiumniobat, um ein schnelles Ein- und Ausschalten sowie die Regelung der Lichtsignale im Chip zu ermöglichen – eine Schlüsselfähigkeit für die Datenverarbeitung und das schnelle Routing. Das reizvollste „Zuckerguss“-Element auf dieser Torte ist das zweite nichtlineare Material Tantalpentoxid. Es besitzt eine besondere „Magie“: Es kann Laserlicht einer einzigen Farbe „einatmen“ und einen Regenbogen vieler Farben „ausatmen“.
Durch die dreidimensionale Stapelung verschiedener Materialien schuf das Team einen photonischen Chip, der einen effizienten Lichttransport zwischen den Schichten ermöglicht. Jeder einzelne Chip beherbergt Zehntausende photonische Schaltkreise, die jeweils eine einzigartige Farbe ausgeben können.
Neben dem Einsatz in Quantencomputern und optischen Uhren könnte dieser photonische Chip auch als Hochgeschwindigkeitskanal für die Signalübertragung zwischen spezialisierten Chips dienen und KI-Werkzeuge leistungsfähiger und effizienter machen.