Halbleiter-Laser TU Darmstadt erzielt größten Wellenlängenbereich

Der Aufbau des durchstimmbaren Halbleiterlasers der TU Darmstadt. Anschlussprojekte sollen folgen.
Der Aufbau des durchstimmbaren Halbleiterlasers der TU Darmstadt. Anschlussprojekte sollen folgen.

Wissenschaftler der TU Darmstadt haben mit Kooperationspartnern im EU-Projekt »Subtune« einen neuen Halbleiter-Laser entwickelt. Mit einem Spektrum von 100 nm erreicht er den größten bislang mit einem einzelnen HL-Laser abgedeckten Bereich. Der HL-Laser könnte Glasfasernetze für die Telekommunikation effizienter machen und Gassensoren verfeinern.

Im Rahmen des Projekts  gelang es dem Physiker Christian Gierl und der Materialwissenschaftlerin Karolina 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.

Basis der Weiterentwicklung von Christian Gierl und Karolina Zogal, Mitarbeiter am Institut für Mikrowellentechnik und Photonik der TU Darmstadt, sind energiesparende Oberflächenemitter. Überdies ist bei diesen Halbleiter-Lasern von Vorteil, dass sie wesentlich dünner als breit sind, weshalb die vom Laser ausgehenden verschiedenen Lichtwellenlängen sehr weit auseinander liegen. Dieser große freie Spektralbereich erlaubt es, die am stärksten emittierende Wellenlänge sehr weit durchzustimmen. Der resultierende Wellenlängenbereich von mehr als 100 nm ist der bis dato größte mit einem Halbleiter-Laser erzielte Wellenlängenbereich, »in dem zugleich seine hervorragenden Emissionseigenschaften wie hohe Ausgangsleistung und spektrale Reinheit erhalten bleiben«, betont Gierl.

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 Lichts.

Ein wichtiger weiterer Aspekt dieser grundlegenden Technik ist, dass »der Sprung in die Anwendung leicht fallen sollte«, versichert Gierl. Der Grund: Die große Durchstimmbarkeit wurde im technologisch interessanten Bereich der Telekommunikationswellenlängen um 1550 nm erreicht. »Die Telekommunikations-Branche ist an dieser Technologie stark interessiert, weil in einem künftigen 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; dieser Aufwand entfällt mit durchstimmbaren Lasern.

Überdies entwickelten Gierl und Zogal den weltweit ersten weit abstimmbaren Laser im Bereich von 2.000 nm. Dieser Wellenlängenbereich ist interessant für die Sensorik von Gasen, denn er regt 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 auf Basis der neuen Technik »eine sehr hohe Empfindlichkeit und ist dabei extrem kompakt und energieeffizient«. Wegen der Durchstimmbarkeit könnte auch hier ein einziger Laser für den Nachweis verschiedener Gase verwendet werden.