Per Infrarot ins Wohnzimmer: Walter Schottky Institut entwickelt universell einsetzbaren Laser

Für die Informationsgesellschaft ist der schnelle Austausch von stetig wachsenden Datenmengen zu einem elementaren Bedürfnis geworden. Jeder, der zu Hause vor seinem Rechner sitzt und per Internet eine beliebige Seite in der Welt anklickt, möchte nicht lange warten, um die gebotenen Inhalte zu sehen. Während auf längeren Strecken die Datenpakete zügig über optische Glasfaserverbindungen laufen, gleicht die Abzweigung zum Endanwender immer noch einem Umstieg vom Überschalljet in ein Leichtflugzeug. Hier quälen sich die Informationen meist über antiquierte Kupferkabel und benötigen zudem spezielle Konverter, die aus den optischen Impulsen elektrische Signale formen.

Eine direkte Anbindung des Endanwenders an den optischen Datenhighway erschien bislang nicht möglich, da die massenhafte Verbreitung entsprechender Lasersysteme als viel zu teuer galt. Mit einem am Walter Schottky Institut (WSI) der TU München in Garching entwickelten neuartigen Halbleiterlaser könnte sich das jedoch bald ändern. Diese spezielle Ausführungsform emittiert das Laserlicht nicht über die Spaltkanten des Chips, sondern senkrecht zur Waferebene. Mit diesen „Vertical-cavity surface-emitting laser“ (VCSEL) genannten Lasern ist eine drastische Senkung der Herstellungskosten verbunden. Die Bauelemente können in hoher Packungsdichte auf einer Halbleiterscheibe hergestellt und ohne Vereinzelung vorab getestet werden.

Hinzu kommt der Wegfall optischer Korrekturglieder bei der Einkopplung in Glasfasern sowie ihr geringer Energieverbrauch bei gleichzeitig hohen Wirkungsgraden. Obwohl VCSEL bereits seit Längerem kommerziell verfügbar sind und unter den Halbleiterlasern – die am meisten verbreitete Laserform – eine dominierende Stellung einnehmen, sind die bisherigen Bauelemente nur eingeschränkt tauglich. Bei ihnen beträgt die Emissionswellenlänge 850 nm, die Übertragungsdistanzen sind auf einige hundert Meter begrenzt.

Bei den am WSI entwickelten Lasern handelt es sich dagegen um Laser mit Emissionswellenlängen um 1.55 µm, exakt die Wellenlänge, die in den optischen Glasfasernetzen Verwendung findet. Sie weisen hier ein Dämpfungsminimum auf, Distanzen von bis zu 100 km sind ohne zusätzliche Verstärkerstufen überbrückbar. Es verwundert daher nicht, dass das enorme Einsatzpotential derartiger Sendeelemente zwar in den letzten Jahren zu intensiver weltweiter Forschungstätigkeit führte. Die technologischen Schwierigkeiten erschienen jedoch im Gegensatz zu den kurzwelligen Lasern extrem hoch, und die Forschungsergebnisse waren weit von verwertbaren Bauelementen entfernt.

Nach Aussagen der Garchinger Wissenschaftler um Prof. Markus-Christian Amann (Lehrstuhl für Halbleitertechnologie) lag das Hauptproblem bislang in einer zu großen Erwärmung der Laser, welche die geforderte Ausgangsleistung selbst bei niedrigen Temperaturen verhinderte. Der Durchbruch gelang den Forschern am WSI unter anderem durch den Einsatz spezieller Halbleiterstrukturen, die zum Teil gezielt quantenmechanische Effekte nutzen. Außerdem durch eine neuartige Bauform, die die Erwärmung drastisch reduziert und Laserkenndaten ermöglicht, die erstmals anwendungstauglich sind und teilweise um Größenordnungen über denen anderweitig verfolgter Konzepte liegen.

Obwohl die optische Telekommunikation über Glasfasern für diese neuen Laser das mit Abstand größte Marktpotential bietet, könnten nach Ansicht der Garchinger Wissenschaftler in naher Zukunft langwellige VCSEL in vielen anderen Bereichen als Schlüsselkomponenten dienen. Als Beispiele nennen sie hier optische Verbindungen zwischen den einzelnen Komponenten eines Computers. Der Datenaustausch würde so wesentlich beschleunigt. Die extrem kleinen Versorgungsspannungen des am WSI demonstrierten VCSEL seien mit der angepeilten Senkung des Leistungskonsums zukünftiger Chipgenerationen am ehesten vereinbar. Zudem biete die größere Wellenlänge einen besseren Schutz der Augen. Als weiteren wichtigen Punkt sehen die Entwickler Anwendungen im Bereich der Gassensorik, da viele Spurengase Resonanzlinien im entsprechenden Wellenlängenbereich haben. Die Existenz preisgünstiger optischer Nachweissysteme sei ein wesentlicher Faktor in der immer wichtiger werdenden Umweltanalytik.

Kontakt:

Dr. Markus Ortsiefer
Lehrstuhl für Halbleitertechnologie
Walter Schottky Institut
Tel. 089-289-12788
Fax 089-320-6620
E-Mail: ortsiefer@wsi.tu-muenchen.de