Oberflächenemitter erreicht Watt-Leistungen

Auf Chips integrierte Halbleiterlaser gewinnen zunehmend an Bedeutung in der optischen Datenübertragung. Diese Oberflächenemitter oder kurz VCSEL (für „vertical-cavity surface-emitting laser“) strahlen ihr Licht senkrecht zur Chipebene mit allerdings nur geringer Leistung im Milliwatt-Bereich ab. Japanischen Wissenschaftlern gelang es nun, diese Leistung um ein Vielfaches bis auf einige Watt zu erhöhen. Damit eröffnen sich für diese Halbleiterlaser mit hoher Strahlqualität und variabel einstellbaren Wellenlängen weitere Anwendungsfelder – etwa für die Materialbearbeitung oder in der Lasermedizin.

Bisher gelang es nur durch die Kopplung zahlreicher Oberflächenemitter, Lasermodule mit Leistungen im Watt-Bereich zu konzipieren. Susumu Noda und seine Kollegen von der Kyoto University fanden nun einen eleganteren Weg. In Kooperation mit Entwicklern des Unternehmens Hamamatsu Photonics kombinierten sie mehrere Schichten aus Verbindungshalbleitern (Galliumarsenid, Aluminiumgalliumarsenid, Indiumgalliumarsenid) mit einem hauchdünnen, zweidimensionalen photonischen Kristall aus Galliumarsenid. Hochrein und fast defektfrei über ein CVD-Verfahren aufgedampft, konnten sie in diesen photonischen Kristall zahlreiche, symmetrisch angeordnete Luftkammern integrieren. Darin sehen Noda und Kollegen den Grund für die starke Lichtemission.

Elektrisch angeregt erreichten die Forscher mit ihrem Prototypen eines PCSELs – photonic crystal surface emitting laser – Leistungswerte von bis zu 3,4 Watt im Pulsbetrieb. Bei kontinuierlicher Lichtemission ließen sich immerhin noch 1,5 Watt erzielen. „Um die große Leistung des Lasers zu demonstrieren, richteten wir den Laserstrahl auf ein Blatt Papier, in das sich sofort ein kleines Loch brennen ließ“, sagt Noda. Mit dem bisher gewählten Aufbau der verschiedenen Schichten aus Verbindungshalbleitern bewegten sich die Wellenlängen zwischen 941,15 und 941,51 Nanometern.

Dieses Ergebnis zeigt, dass sich durch die geschickte Integration von photonischen Kristallen die Leistung von Oberflächenemittern signifikant erhöhen lässt. „Diese Laser können für die Materialbearbeitung, für das Pumpen von Festkörperlasern, für Sensoren und für medizinische Zwecke genutzt werden“, so Noda. Wegen der hohen Strahlqualität seien nun auch kompakte, linsenfreie Lasersysteme möglich, die man etwa in quantenoptischen Experimenten nutzen könnte.

In weiteren Versuchen wollen die japanischen Forscher einen einzelnen Chip entwickeln, der eine Emissionsleistung von bis zu zehn Watt erreichen soll. Durch die Kooperation mit dem Unternehmen Hamamatsu ist davon auszugehen, dass solche Halbleiterlaser relativ schnell bis zur Marktreife getrieben werden könnten.

Jan Oliver Löfken

PH