Sogenannte Oberflächenemitter sind Halbleiter-Laser, die ihr Licht
senkrecht zur Ebene des Halbleiterwafers aussenden, auf dem sie sich
befinden. Sie verbrauchen nur wenig Energie und werden daher unter
anderem in optischen Computermäusen oder Laserdruckern verwendet.
Christian Gierl und Karolina Zogal vom Institut für
Mikrowellentechnik und Photonik der TU Darmstadt haben solche Laser nun
um entscheidende Schritte weiterentwickelt.
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| Der
Aufbau des durchstimmbaren Halbleiterlasers der TU Darmstadt.
Anschlussprojekte sollen folgen. Bild: Institut für
Mikrowellentechnik und Photonik. |
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| Der
kleine Laser, hier eine Vergrößerung von 500 Mikrometern,
deckt einen großen Wellenlängenbereich von 100 Nanometern
ab. Bild: Institut für Mikrowellentechnik und Photonik |
Dazu nutzen sie einen weiteren Vorteil der Oberflächenemitter: Die
Halbleiter-Laser sind wesentlich dünner als breit, daher liegen
die vom Laser ausgehenden verschiedenen Lichtwellenlängen sehr
weit auseinander. Dieser große freie Spektralbereich erlaubt es,
die am stärksten emittierende Wellenlänge sehr weit
durchzustimmen, aus dem Laser also einen Sender zu machen, der
über einen weiten Wellenlängenbereich hinweg eingestellt
werden kann – ähnlich wie ein Funkgerät, das auf
verschiedenen Frequenzen bzw. Wellenlängen senden kann.
Flexible Membran steuert Wellenlänge des emittierenden LichtsIm Rahmen des EU-Projekts „Subtune“ gelang es dem Physiker
Gierl und der Materialwissenschaftlerin Zogal einen Halbleiter-Laser,
der vom Subtune-Partner Walther Schottky Institut der TU München
stammt, über einen Wellenlängenbereich von mehr als 100
Nanometer durchzustimmen; das ist der bislang größte mit
einem Halbleiter-Laser erzielte Wellenlängenbereich, in dem
zugleich seine hervorragenden Emissionseigenschaften, wie hohe
Ausgangsleistung und spektrale Reinheit, erhalten bleiben.
Um diese große Durchstimmbarkeit zu erreichen, entwickelten die
Wissenschaftler eine Membran auf der Oberfläche des Lasers, die
sich kontrolliert verbiegen lässt. Die Membran wirkt als ein
Spiegel, der mehr als 99 Prozent des Laserlichtes reflektiert. Jeder
Laser enthält zwei gegenüber liegende Spiegel, die das Licht
hin- und her reflektieren, damit es in einem aktiven Bereich des Lasers
immer wieder verstärkt wird. Der Abstand der Spiegel, der durch
die Darmstädter Neuentwicklung präzise und flexibel
eingestellt werden kann, bestimmt die Wellenlänge des emittierten
Lichtes.
Sprung in die Anwendung unproblematischDer kleine Laser, hier eine Vergrößerung von 500
Mikrometern, deckt einen großen Wellenlängenbereich von 100
Nanometern ab. Bild: Institut für Mikrowellentechnik und Photonik
Die Darmstädter Wissenschaftler haben aber nicht nur eine
grundlegende Technik entwickelt, sondern darüber hinaus auch
dafür gesorgt, dass der Sprung in die Anwendung leicht fallen
sollte: Sie erreichten die große Durchstimmbarkeit im
technologisch interessanten Bereich der
Telekommunikationswellenlängen um 1550 Nanometer und entwickelten
zusätzlich den weltweit ersten weit abstimmbaren Laser im Bereich
von 2000 Nanometern.
„Die Telekommunikations-Branche ist an dieser Technologie stark
interessiert, weil in einem zukünftigen Glasfasernetz Haushalte
mit unterschiedlichen Wellenlängen versorgt werden
müssen“, erläutert Gierl. Ohne durchstimmbare Laser
würde für jede Wellenlänge ein eigener Typ
Halbleiter-Laser hergestellt werden müssen. „Mit
durchstimmbaren Lasern entfällt dieser Aufwand, es muss nur ein
Laser-Typ gefertigt werden“, sagt Gierl.
Der Wellenlängenbereich um 2000 Nanometer sei außerdem
besonders interessant für die Sensorik von Gasen, denn er rege
Vibrationen von Gasmolekülen wie Kohlendioxid an. Anhand der
exakten Wellenlängen, die bei solchen Anregungen absorbiert
werden, lassen sich Gase identifizieren und quantifizieren. „Weil
dieser Absorptionseffekt sehr stark ist, erreicht ein Gassensor, der
auf unserer Technik basiert, eine sehr hohe Empfindlichkeit und ist
dabei extrem kompakt und Energieeffizient“, so Gierl. Aufgrund
der Durchstimmbarkeit könnte auch hier ein einziger Laser für
den Nachweis verschiedener Gase verwendet werden.
Weitere Projekte sollen letzte Lücke zur Anwendungsreife schließenEinen weiteren Vorteil sehen die Forscher in der einfachen Herstellung
ihrer neuartigen Laser: „Das Verfahren, mit dem wir die Membran
direkt auf den Laser aufbringen, ist zwar neu“, sagt Gierl.
„Aber wir verwenden dafür grundlegende Methoden, die in der
Halbleiterindustrie etabliert sind.“ Es handelt sich um ein
photolithographisches Verfahren, quasi eine Art Gravurtechnik für
die Chipherstellung, mit der sich Strukturen von der Größe
weniger Mikrometer herstellen lassen. „Wir können damit
Chips mit vielen durchstimmbaren Oberflächenemittern herstellen,
die alle Aufgaben erfüllen, die für die entsprechende
Anwendung nötig sind“, sagt Gierl.
Ein Anschlussprojekt soll nun die letzten Lücken zur
Anwendungsreife schließen. Dazu gehört, dass das Laserlicht
schnell moduliert werden kann, damit es Informationen mit hoher
Datenrate übertragen kann. Außerdem wollen die Forscher ihre
Chips in einem Modul integrieren, das einem USB-Stick ähnelt und
sich leicht in Telekommunikations-Anwendungen integrieren lässt.
Für die Weiterentwicklung der Gassensoren arbeiten die Forscher
bereits mit dem Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien
sowie der Leister Technologies AG im schweizerischen Kaegiswil
zusammen. Zudem wurde der neue Lasers bereits erfolgreich in einem
Kommunikationsnetzwerk beim Subtune-Partner Tyndall, einer
Forschungseinrichtung in Cork (Irland), erprobt.
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