Frequenzkämme finden Einzug in reale Anwendungen
Ein optischer Frequenzkamm besteht aus einer Lichtquelle mit abstandsgleichen Spektrallinien, die als Zähne eines Kamms zu sehen sind. Da die Frequenzen der Spektrallinien bekannt sind, wird der Kamm dazu verwendet, unbekannte Frequenzen über die Messung von akustischen Tönen zu messen. Letztgenannte zeigen den Unterschied zwischen den unbekannten und den Kammfrequenzen auf. Optische Frequenzkämme sind unter Verwendung von modusgekoppelten Pulslasern, in denen die gleichen Abstände zwischen Linien durch die Wiederholungsrate der Laser definiert ist, realisiert worden. Über die Kopplung eines Dauerstrichlasers an eine ausgefeilte Silica-Mikrokavität ist vor Kurzem eine neue Klasse monolithischer Frequenzkammgeneratoren entstanden. Dieser neue Ansatz verspricht eine bislang nicht erreichte Effizienz und Kompaktheit. Die am EU-finanzierten Projekt μCOMB (Microresonator based frequency comb generators) arbeitenden Forscher haben mehrere Schritte in Richtung einer Realisierung solcher Geräte gemacht. Unter Verwendung von kristallinen Resonatoren wurden Mikroresonatorfrequenzkämme für den mittleren Infrarotbereich entwickelt – ein Wellenlängenbereich, der von besonderer Bedeutung für die molekulare Sensorik ist. Zu diesem Zweck erforschte und verfeinerte das μCOMB-Team mehrere Herstellungsverfahren bezüglich der Erzeugung von sogenannten Kerr-Kämmen mit verschiedenen Trägermaterialien und -strukturen. Zu diesen zählen lithographisch definierte Mikroringe, welche mit einem komplementären Metall-Oxid-Halbleiter kompatibel sind und welche die Integration von Resonatoren und Kopplungswellenleitern in eine monolithische Struktur ermöglichen. Um solche Frequenzkämme einer Anwendung näher zu bringen, musste ein Hindernis überwunden werden. Bei einer Erzeugung in nitridbasierten kristallinen oder Siliziumresonatoren zeigen diese ein Phasenrauschen, welches sich in Form einer Linienverbreiterung äußert. Wie sich zeigte, ist der Grund für dieses Rauschen nicht – wie noch vor dem μCOMB-Projekt angenommen – externer Natur, sondern ein intrinsischer Bestandteil des Kammbildungsprozesses. Die Erklärung von Phänomenen, welche bis vor Kurzem noch nicht entschlüsselt worden waren, führte zu effizienten Maßnahmen zur Überwindung dieses Hindernisses. Ferner wurden die Bedingungen für eine Rauschleistung mit einer niedrigen Phase identifiziert. Die Realisierung modusgekoppelter Zustände bei Mikroresonatoren, welche einen Ausgang ermöglichen, der kurze Pulse mit einer Wiederholungsrate kombiniert, war eine bahnbrechende Errungenschaft. Diese rauscharmen Zustände ebneten den Weg für vollständig stabilisierte Kerr-Kämme, die nunmehr im Bereich des Möglichen sind. Nur wenige Tage nach dem Ende des μCOMB-Projekts wurde mit einem Mikroresonatorfrequenzkamm eine bis dato unerreichte hohe zeitliche Kohärenz für Oktavenspektra demonstriert.
Schlüsselbegriffe
Frequenzkämme, Spektrallinien, Dauerstrichlaser, Mikroresonator, molekulare Sensorik
