Hybride Frequenzkammquellen im Chip-Format, basierend auf modengekoppelten III-V-Quantenstrichlasern und Siliziumnitrid-Mikroresonatoren hoher Güte

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Koos; Dr. Andrei Vladimirov
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 491234846

Optische Frequenzkammquellen im Chip-Format haben das Potenzial, eine Reihe von Anwendungen in Industrie und Wissenschaft zu revolutionieren, beispielsweise auf dem Gebiet der massiv parallelen Datenübertragung per Wellenlängenmultiplex, im Zusammenhang mit optischen Distanzmessungen und LiDAR, oder im Hinblick auf ultra-breitbandige photonisch-elektronische Signalverarbeitungsverfahren. Allerdings wurde das Potenzial solcher Ansätze bislang nur in Laborexperimenten gezeigt, während der Einsatz außerhalb des Labors noch immer an grundlegenden Unzulänglichkeiten heute verfügbarer Kammquellen scheitert. So ist es derzeit insbesondere nicht möglich, Frequenzkammquellen zu realisieren, die breitbandige Spektren und geringes Phasenrauschen aufweisen und sich gleichzeitig auf Basis einfacher Pumpkonzepte energieeffizient im Chip-Format realisieren lassen.HybridCombs verfolgt das Ziel, diese Technologielücke durch die Erforschung, Realisierung und experimentelle Demonstration einer neuen Klasse von kompakt integrierbaren Frequenzkammquellen zu schließen, die die spezifischen Vorteile von Solitonen-basierten Kerr-Frequenzkämmen mit den Stärken modengekoppelter Laser auf Basis niedrigdimensionaler Strukturen aus III-V-Verbindungshalbleitern miteinander verbinden. Auf technologischer Ebene werden dazu hybride Multi-Chip-Module genutzt, die modengekoppelte Laser oder reflektierende Halbleiterverstärker auf Basis von III-V-Quantenstrichmaterialien mit dedizierten optisch linearen oder nichtlinearen Bauteilen auf Basis von Siliziumnitrid kombinieren und die damit die Stärken beider Integrationsplattformen gezielt zusammenführen. Innerhalb des Projektes soll zunächst ein theoretisches Modell erarbeitet werden, mit dem sich ein simultanes „Injection-Locking“ einer Vielzahl von Longitudinalmoden eines Quantenpunktlasers oder -Verstärkers durch einen optisch linearen oder nichtlinearen Siliziumnitrid-Schaltkreis quantitativ beschreiben lässt. Darauf aufbauend sollen entsprechende III-V- und Siliziumnitridbauteile sowie die zugehörigen Konzepte für optische Chip-Chip-Verbindungen auf Basis 3D-gedruckter Koppelelemente realisiert werden. Dies dient als Basis für die angestrebten hybriden Frequenzkammquellen, von denen wir uns eine bislang unerreichte Leistungsfähigkeit im Hinblick auf Linienbreiten und Leistungsaufnahme erhoffen und deren Tragfähigkeit schließlich in ausgewählten Anwendungen experimentell unter Beweis gestellt werden soll. Das Projektkonsortium umfasst international führende Gruppen aus Frankreich und Deutschland, die über hervorragende Voraussetzungen verfügen, das vorgeschlagene Projekt an der Grenze des heute Machbaren erfolgreich umzusetzen. Wir gehen davon aus, dass die angestrebten Frequenzkammquellen entscheidende Vorteile gegenüber heute verfügbaren Bauteilen aufweisen und damit eine Reihe von wissenschaftlichen und industriellen Anwendungen überhaupt erst ermöglichen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartner: Professor Guillaume Huyet, Ph.D.; Professor Kamel Merghem; Professor Abderrahim Ramdane