In der Mikroelektronik galt UV-Licht lange als problematisch. Der Grund ist physikalisch: Bei kurzen Wellenlängen steigen Absorptions- und Streuverluste in integrierten Wellenleitern stark an. Die nutzbare Leistung bricht ein. Genau daran scheiterten bisher kompakte UV-Lichtquellen auf Chips.
Dabei nutzen wir ultraviolette Strahlung längst in vielen Bereichen – etwa zur Desinfektion, in der Medizin oder bei der Chipfertigung. Doch eine direkte Integration auf photonischen Chips blieb bislang unpraktisch.
Ein Team der Harvard University unter der Leitung von Marko Lončar zeigt nun, dass es auch anders geht. Die Forschenden demonstrieren eine kompakte UV-Lichtquelle auf Chip-Ebene – mit deutlich höherer Leistung als bisher.
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Der Trick mit der Frequenzumwandlung
Das zentrale Problem ist die Dämpfung. Statt UV-Strahlung direkt zu erzeugen, geht das Team einen Umweg: Es schickt rotes Licht durch einen Kristall aus Lithiumniobat.
In diesem Material läuft ein nichtlinearer optischer Prozess ab, die sogenannte Frequenzaufkonversion. Dabei werden zwei Photonen niedriger Energie in ein einzelnes Photon höherer Energie umgewandelt. Aus rotem Licht entsteht so ultraviolette Strahlung.
Lithiumniobat ist in der Telekommunikation etabliert, vor allem für Infrarot-Anwendungen. Für UV-Licht spielte das Material bisher kaum eine Rolle.
Kees Franken, einer der Erstautoren, sagt: „Wenn man an Dünnschicht-Lithiumniobat denkt, sieht man es nicht als UV-Material, aber wir zeigen, dass es das ist.“
Präzision an der Seitenwand
Damit die Umwandlung effizient funktioniert, muss die innere Struktur des Kristalls exakt angepasst werden. Dabei wird die Ausrichtung der ferroelektrischen Domänen periodisch umgekehrt – ein Verfahren, das als Poling bezeichnet wird.
Genau hier lag lange die Hürde. Bisherige Verfahren zwangen zu einem Kompromiss: Entweder ließ sich die Struktur präzise fertigen, oder die optische Effizienz blieb hoch. Beides zusammen war schwer zu erreichen.
Die Lösung des Teams nennt sich „Sidewall Poling“. Die Forschenden platzieren Metallelektroden direkt an den Seitenwänden der geätzten Wellenleiter. Diese Elektroden werden mit einer Genauigkeit von rund 50 Nanometern positioniert.
Soumya Ghosh, ebenfalls Co-Erstautor, beschreibt den Ansatz so: „Die Kernidee war: Könnten wir die Elektroden nicht einfach direkt auf den Wellenleiter setzen?“ Durch diese Geometrie lässt sich der gesamte Querschnitt des Wellenleiters kontrollieren. Das Licht durchläuft ein exakt strukturiertes Material. Das erhöht die Effizienz der Umwandlung.
Zusätzlich passte das Team die Polungsperiode entlang des Bauelements gezielt an. Solche adaptiven Verfahren gleichen Fertigungstoleranzen bei Schichtdicke und Geometrie aus. Das verbessert die Stabilität der Bauelemente.
120-mal mehr Leistung – was die Zahlen bedeuten
Die Ergebnisse der in Nature Communications veröffentlichten Studie sprechen eine eindeutige Sprache. Auf dem Chip erreicht das Team:
- 4,2 mW UV-Leistung
- eine Wellenlänge von 390 nm
- rund 120-mal mehr Ausgangsleistung als vergleichbare Ansätze
Zum Vergleich: Frühere Demonstrationen kamen meist nur auf wenige Mikrowatt. Das genügte, um das Prinzip zu zeigen – für Anwendungen war es zu wenig.
Mit den jetzt erreichten Werten verschiebt sich die Perspektive. Die Technik bleibt ein Laborsystem, aber sie bewegt sich erstmals in einem Leistungsbereich, der für konkrete Anwendungen interessant wird.
Wo die Technik zum Einsatz kommen könnte
Die neue Lösung zielt auf Anwendungen, bei denen kompakte Lichtquellen bisher fehlen.
Quantencomputer: Bei Ionenfallen braucht man UV-Licht, um einzelne Zustände gezielt anzusprechen. Heute kommen dafür meist externe Laser zum Einsatz. Das macht die Systeme groß und aufwendig. Genau hier setzt der Ansatz an.
Franken sagt dazu: „Wenn man einen skalierbaren Quantencomputer will, der nicht die Größe eines Lastwagens hat, muss man alles auf Chip-Ebene verkleinern, und dazu gehören auch die Lichtquellen.“
Atomuhren: Auch bei Atomuhren spielen Übergänge im UV- oder nahen UV-Bereich eine Rolle. Ohne kompakte Lichtquellen lässt sich das nur schwer miniaturisieren.
Umweltsensorik: UV-Licht eignet sich, um bestimmte Gase gezielt nachzuweisen. Das könnte Sensoren kleiner und robuster machen – etwa für Messungen direkt vor Ort statt im Labor.
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