Dank topologischer Isolatoren war es möglich, 30 Laser zu einem Laser mit höherer Leistung zu kombinieren.

VCSELs sind der beliebteste Lasertyp. Sie sind in Smartphones, Computernetzwerken oder medizinischen Geräten zu finden. Sie emittieren Licht aus Quantenmulden oder -punkten, die sich zwischen Spiegeln befinden. Die Vertiefungen und Punkte sind extrem klein, ihre Größe wird in Bruchteilen eines Mikrometers gemessen. Dies ist einerseits ein Vorteil, da es eine Miniaturisierung und einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb ermöglicht, andererseits begrenzt die Größe die Leistung des Lasers. Nach jahrzehntelanger Arbeit wurde nun eine Lösung entwickelt, um die Leistung von VCSELs zu erhöhen, so dass sie auch in Bereichen eingesetzt werden können, in denen sie bisher nicht verwendet werden konnten.

Seit Jahrzehnten versuchen Forscher, die Leistung von VCSELs (vertical cavity surface emitting lasers) zu erhöhen, indem sie sie zwingen, in Gruppen zu arbeiten. Sie wollten mehrere Laser zu einem einzigen mit vervielfachter Leistung kombinieren. Leider führten minimale Ungenauigkeiten in den Herstellungsverfahren dazu, dass diese Laser in kleinen unabhängigen Gruppen arbeiteten, deren Emissionen nicht miteinander synchronisiert waren. Es war daher nicht möglich, einen kohärenten Laserstrahl zu erzeugen.

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Erst jetzt haben Forscher um Sebastian Klembt von der Universität Würzburg und Mordechai Segev vom israelischen Technion Institute of Technology eine Methode entwickelt, um 30 VCSELs zum kohärenten Arbeiten zu zwingen. Sie erreichten dies, indem sie die Laser so anordneten, dass die Geometrie des Ganzen mit dem übereinstimmt, was die Wissenschaftler aus ihrer Forschung über topologische Isolatoren gelernt hatten.

Topologische Isolatoren sind ungewöhnliche Materialien. Sie sind homogen, doch im Inneren sind sie Isolatoren, während ihre Oberfläche ein Leiter ist. Solche Materialien wurden schon vor langer Zeit entdeckt, aber die Geschichte ihrer Verwendung in Lasern ist erst 8 Jahre alt, als Segev und Forscher an der Universität Rostock den ersten photonischen topologischen Isolator vorstellten. In diesem Laser bewegte sich das Licht entlang der Kanten einer zweidimensionalen Matrix von Wellenleitern und wurde nicht durch deren Unebenheiten gestört. Einige Jahre später zeigten Segev und eine andere Gruppe von Mitarbeitern, dass es möglich war, viele solcher Laser zusammenarbeiten zu lassen. Das System wies jedoch erhebliche Einschränkungen auf. Das Licht zirkulierte in der Ebene des Systems, das es erzeugte. Dies wiederum bedeutete, dass die Leistung des Systems durch die Größe der lichtemittierenden Vorrichtung begrenzt war. Die Forscher vergleichen dies mit einem Kraftwerk, das nur eine Steckdose hat.

Das neue topologische VSCEL-Array besteht aus zwei Arten von Wabenmatrizen mit nanoskaligen Säulen an den Spitzen. Die eine Art von Matrix ist eine gestreckte Matrix und die andere eine komprimierte Matrix. Wissenschaftler haben eine spezielle Schnittstelle zwischen diesen beiden geschaffen. Wenn die Parameter stimmen, entsteht eine topologische Schnittstelle, an der Licht zwischen den Lasern fließen muss. Dieser kontinuierliche, topologisch geschützte Lichtfluss bedeutet, dass das Licht jedes Lasers alle anderen Laser erreichen muss, damit man einen kohärenten Strahl erhält, erklärt Segev. Das Licht zirkuliert also im gesamten Array, wird aber auch von den einzelnen Lasern emittiert, die das Array bilden.

Eine geringe Kopplung in der Ebene reicht aus, um eine Reihe einzelner Emissionsquellen dazu zu zwingen, wie eine einzige Quelle zu wirken, heißt es in Science.