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Hochleistung mit vertikal emittierenden Laserdioden
Heinz-Maier-Leibnitz-Preis für Ulmer Optoelektroniker
Die ständig wachsende globale Vernetzung von Computersystemen, vor allem aber die zunehmende Hinwendung zu bildhafter - im Unterschied zu rein textualer - Information verlangen nach immer stärkeren digitalen Datenflüssen. Über größere Entfernungen - interkontinental bis interstädtisch - wird der Datenstrom ganz überwiegend bereits von optischen Glasfasern getragen. Doch auch auf lokaler Ebene steigt der Bedarf an höheren Datenraten. Beispiele für solche Umgebungen sind Firmengelände und -gebäude, Universitäten, Forschungseinrichtungen und ebenso mobile Systeme wie Flugzeuge und Bahnen. Die optische Datenübertragung bietet sich auch im Fall solcher lokaler Netzwerke an, jedoch sind die in der Telekommunikation verwendeten Komponenten dafür in der Regel zu teuer.
Moderne Bauelemente versprechen hier Entlastung und Leistungssteigerung zugleich. In der Abteilung Optoelektronik der Universität Ulm wurde in den vergangenen Jahren unter Leitung von Prof. Dr. Karl Joachim Ebeling intensiv an der Entwicklung eines neuen Typs von Laserdioden gearbeitet, der als Schlüsselkomponente für lokale optische Datenübertragungssysteme gilt und sich überdies für Anwendungen in der Spektroskopie, der optischen Scanner-, Drucker- und Speichertechnik empfiehlt. Die Rede ist von Laserdioden mit Vertikalresonatoren.
Laserdioden werden aus epitaktisch mit laseraktivem Medium beschichteten Wafern (Halbleiterplatten) hergestellt. Konventionell geschieht das durch chemische Behandlung und anschließende Spaltung. An den Spaltkanten, den Stirn- und Rückseiten dieser Elemente, entstehen Spiegelflächen, die das Licht reflektieren: aus Spiegeln und laseraktiver Zone entsteht ein Resonator, der das Bauelement zum Laserbauelement macht. Über eine Spaltkante wird das Laserlicht ausgekoppelt. Bei diesen Kantenemittern, deren laseraktives Medium in Längsrichtung des Chips verläuft und sich über die gesamte Länge des Bauelementes erstreckt, beträgt die geringste in der Praxis erreichbare Resonatorlänge etwa 100 Mikrometer. Diese Länge stellt ein Vielfaches diverser Wellenlängen dar, die im Verstärkungsband des laseraktiven Mediums liegen. Damit ist die Bedingung für viele Wellenlängen erfüllt mit der Folge, daß der Laser mehrmodig schwingt. Viele Anwendungen erfordern aber einmodiges Licht, also Strahlung, die nur auf einer einzigen Wellenlänge emittiert wird. Um aus dem Konglomerat mehrerer Wellenlängen die erforderliche einmodige Emission zu isolieren, sind zusätzliche Filter erforderlich. Das verteuert die Herstellung.
Bereits 1979 war der Japaner Ken Iga vom Tokyo Institute of Technology auf die Idee gekommen, den Resonator senkrecht statt waagerecht anzuordnen. Dadurch würde es möglich sein, extrem kurze Resonatoren zu bauen, die das Licht einmodig abgeben, und zwar nach oben, senkrecht zur Resonatoroberfläche. Filter wären dann verzichtbar, und die Bauelemente ließen sich bei Bedarf zu zweidimensionalen Lasermatrizen anordnen, was mit Kantenemittern nicht möglich ist. Erst zehn Jahre später sollte es den AT&T Bell Laboratories in Holmdel (New Jersey) gelingen, diese Idee in die Praxis umzusetzen. Das Hauptproblem bildeten die Spiegel, die beim Senkrechtemitter nicht durch Waferspaltung entstehen, sondern epitaktisch aufgewachsen werden und wegen der geringen Resonatorlänge sehr stark sein müssen, damit der Laser trotz der kurzen Durchgangszeit des Lichtes durch das aktive Medium anschwingt. Bragg-Spiegel, eine Vielschichtstruktur aus Aluminiumarsenid und Galliumarsenid, die in hochmodernen Epitaxieanlagen erzeugt werden, gewährleisten Reflexivitäten von über 99%, mehr als dreimal so viel wie die Spiegel eines konventionellen Kantenemitters.
In der Gegenwart sind die Ulmer Optoelektroniker um Prof. Ebeling in der Forschung an und Weiterentwicklung von Laserdioden mit Vertikalresonatoren weltweit führend. Mit Wirkungsgraden (Konversionseffizienzen) bei der Umwandlung von elektrischer in optische Energie von über 50 % erzielen sie mittlerweile mit einer einzigen ihrer Vertikal-Laserdioden Übertragungsraten von 12,5 Gigabit/s. Um sich darunter etwas vorstellen zu können, muß man vergleichsweise wissen, daß 1 ISDN-Telefonkanal 64 Kilobit/s beansprucht. Damit entspricht die Leistung einer einzigen Diode rund 200.000 (!) solcher Telefonkanäle.
Die Vertikallaserdioden lassen sich dank senkrechter Lichtabstrahlung in zweidimensionalen Arrays konfigurieren. Arrays, die aus 20 Dioden bestehen (und eine Fläche von 0,25 Quadratmillimetern belegen), erreichen in Ulm eine Ausgangsleistung von 1 Watt - auch dies ein Wert, der weltweit keine Parallelen hat. Ein besonderes Qualitätsmerkmal der Ulmer Vertikalemitter ist ihre Rauscharmut. Die Emissionen gelten in Hinsicht auf die Schrotrauschbegrenzung als nicht mehr verbesserungsfähig.
In der Vergangenheit sind die Arbeiten mehrfach mit hochkarätigen Wissenschaftspreisen ausgezeichnet worden. Jüngster Ertrag ist ein Heinz-Maier-Leibnitz-Preis 1999 der DFG, den Dr. Rainer Michalzik erhält. Michalzik gehört seit 1990 zu Ebelings Abteilung und hat mit einer Dissertation und zahlreichen weiteren Publikationen zu diesem Thema wesentlichen Anteil an der Optimierung der Vertikalemitter. Seit März ist er Gastwissenschaftler in den Bell Laboratories in Holmdel, USA, wo er sich in seinen Forschungsarbeiten mit der nächsten Generation lokaler optischer Netzwerke befaßt.
Criteria of this press release:
Electrical engineering, Energy, Information technology, Media and communication sciences
transregional, national
Personnel announcements, Research results
German
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