15.07.2025

Ringlaser strahlt viele Wellenlängen von einem einzigen Chip aus

Forschenede von Harvard und der TU Wien haben einen neuartigen abstimmbaren Halbleiterlaser entwickelt, der die besten Eigenschaften der modernsten Lasertypen vereint und eine gleichmäßige breitbandige Wellenlängenabstimmung in einem einfachen, chipgroßen Design ermöglicht.

Durchstimmbare Laser sind ein wesentlicher Bestandteil vieler Technologien, von der Hochgeschwindigkeits-Telekommunikation über die medizinische Diagnostik bis hin zu Sicherheitsinspektionen von Gaspipelines. Die Lasertechnologie ist jedoch mit vielen Kompromissen verbunden: Laser, die ein breites Spektrum an Wellenlängen oder Farben emittieren, beeinträchtigen die Genauigkeit der einzelnen Farben. Doch Laser, die sich präzise auf viele Farben einstellen lassen, sind kompliziert und teuer, da sie in der Regel bewegliche Teile erfordern. Das neue Gerät könnte eines Tages viele Arten von abstimmbaren Lasern in einem kleineren, kostengünstigeren Paket ersetzen.


Künstlerische Darstellung des neuen abstimmbaren Ringlasers von Harvard und...
Künstlerische Darstellung des neuen abstimmbaren Ringlasers von Harvard und der TU Wien
Quelle: Joshua Mornhinweg / Harvard U

Die Entwicklungsarbeit wurde geleitet von Harvard-Professor Federico Capasso und Prof. Benedikt Schwarz von der TU Wien, mit dem Capassos Gruppe eine langjährige Forschungspartnerschaft unterhält. Die Forscher haben zunächst einen Laser demonstriert, der Licht im mittleren Infrarot-Wellenlängenbereich emittiert, da Quantenkaskadenlaser, auf denen ihre Architektur basiert, typischerweise in diesem Bereich emittieren. „Die Vielseitigkeit dieser neuen Plattform bedeutet, dass ähnliche Laser bei kommerziell relevanteren Wellenlängen hergestellt werden können, z. B. für Telekommunikationsanwendungen, für die medizinische Diagnostik oder für jeden Laser, der im sichtbaren Lichtspektrum emittiert“, so Capasso, der 1994 den Quantenkaskadenlaser miterfand.

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Der neue Laser besteht aus mehreren winzigen ringförmigen Lasern, von denen jeder eine etwas andere Größe hat und die alle mit demselben Wellenleiter verbunden sind. Jeder Ring strahlt Licht einer anderen Wellenlänge aus, und durch Anpassung der Stromzufuhr kann der Laser sanft zwischen verschiedenen Wellenlängen wechseln. Das clevere und kompakte Design stellt sicher, dass der Laser jeweils nur eine Wellenlänge emittiert, auch in rauen Umgebungen stabil bleibt und leicht skaliert werden kann. Die Ringe funktionieren entweder einzeln oder alle zusammen, um einen intensiveren Strahl zu erzeugen.

Durch Anpassung der Ringgröße lässt sich jede gewünschte Laserfrequenz einstellen. Das gesamte Licht jedes einzelnen Lasers wird durch denselben Wellenleiter geleitet und in denselben Strahl geformt. Dies erweitert den Abstimmbereich typischer Halbleiterlaser.

„Das Schöne an unserem Laser ist die Einfachheit des Designs“, fügt Erstautor Johannes Fuchsberger, Doktorand an der TU Wien, hinzu, wo das Team die Geräte in den Reinräumen des Zentrums für Mikro- und Nanostrukturen der Universität herstellte. „Wir haben keine mechanisch beweglichen Teile und ein einfaches Herstellungsschema, das zu einem kleineren Formfaktor führt.“

Die einzigartige Architektur des Lasers schützt auch vor häufigen Problemen wie der optischen Rückkopplung, bei der ein Teil des Laserlichts in die Quelle zurückreflektiert wird und eine Destabilisierung verursachen kann. Da die Ringe des neuen Lasers unidirektional, d. h. entweder im oder gegen den Uhrzeigersinn, emittieren, ist eine Rückreflexion nicht möglich.

Der neue Ringlaser könnte möglicherweise die derzeitigen Technologien für verschiedene Arten von abstimmbaren Halbleiterlasern ersetzen, die je nach Anwendung Vor- und Nachteile haben. So erzeugen beispielsweise Laser mit verteilter Rückkopplung glatte und präzise Strahlen und werden daher in Telekommunikationsfasern verwendet, um optische Signale über große Entfernungen zu senden, aber ihr Abstimmbereich ist eng. Laser mit externem Resonator hingegen haben einen größeren Abstimmungsbereich, sind aber komplexer aufgebaut und haben bewegliche Teile, so dass ihre Laserlinien zum Springen neigen. Sie werden häufig in Gassensoren eingesetzt, die auf undichte Stellen in Pipelines prüfen, da sie Gase wie Methan und Kohlendioxid erkennen können.

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