15 Sep. Einfach abstimmbarer Infrarotlaser ohne bewegliche Teile
Ein Team aus Forschenden der Technischen Universität Wien und der Havard University hat einen neuen Halbleiterlaser entwickelt, der Infrarotstrahlung mit variabler Wellenlänge erzeugt. Er kommt ohne bewegliche Teile aus, lässt sich auf einem Chip integrieren und ist für einen breiten Spektralbereich geeignet.
Infrarote Laserstrahlung ist unverzichtbar für Wissenschaft und Technik – etwa für medizinische Spektroskopie bei der Analyse von Gewebe; ebenso für die industrielle Detektion von Gasen in Leitungen oder für Prüfverfahren in der Sicherheitstechnik. Auch in der optischen Kommunikation spielen abstimmbare Infrarotlaser eine zentrale Rolle.
Drei Ringlaser aus einem einzigen Array decken eine optische Bandbreite von mehr als 1 THz ab; jeder Ring wird anhand seines Vorspannungsstroms abgestimmt. Bild: Optica Publishing Group
Ringarchitektur unterstützt präzise Emission
Das neue Konzept nutzt ringförmige Halbleiterresonatoren. Jeder Ring besitzt eine definierte Größe und damit eine bestimmte Resonanzfrequenz. Mittels elektrischer Ansteuerung lässt sich gezielt festlegen, welcher Ring aktiv ist und welche Wellenlänge er emittiert. Die Forschenden kombinieren mehrere solcher Ringe,
um eine größere spektrale Abdeckung zu erreichen. Werden mehrere Resonatoren gleichzeitig angesteuert, verstärkt sich die Ausgangsleistung, während die Emission auf eine bestimmte Linie begrenzt bleibt.
Professor Benedikt Schwarz, Leiter der Forschungsgruppe für Optoelektronische Bauelemente an der TU Wien, erklärt: „Abstimmbare Laser, also Laser, deren Lichtwellenlänge verändert und gesteuert werden kann, sind aus vielen Technologien nicht mehr wegzudenken, von der Hochgeschwindigkeitstelekommunikation über die medizinische Diagnostik bis hin zur Sicherheitsüberprüfung von Gasleitungen.“ Weiter führt er aus: „Die Lasertechnologie muss jedoch meistens Kompromisse eingehen: Möchte man einen Laser, der in einem breiten Bereich des Spektrums auf viele verschiedene Wellenlängen eingestellt werden kann, dann ist dafür die Präzision der jeweiligen Wellenlängen geringer. Laser, die präzise auf viele Farben abgestimmt werden
können, benötigten bisher bewegliche Teile, das macht sie komplex und teuer.“
Das besondere Design der neuen Strahlquelle löst ein bekanntes Problem abstimmbarer Laser: Bisher war ein Kompromiss zwischen spektraler Präzision und Flexibilität vonnöten. Systeme mit mechanischen Abstimmelementen erreichten hohe Genauigkeit, waren aber komplex und anfällig. Andere Bauarten deckten einen weiteren Bereich ab, verloren jedoch an Stabilität.
Einzelnes Ringlaserelement aus vier geraden Abschnitten der Länge d, verbunden über vier Viertelkreise vom Radius r (hier: d = 50 µm, r = 260 bis 220 µm). Bild: Optica Publishing Group
Stabiler Betrieb in rauer Umgebung
Ein weiterer Vorteil ist die Stabilität gegenüber optischer Rückkopplung. Bei
herkömmlichen Lasern kann reflektiertes Licht die Quelle destabilisieren. Die
ringförmige Struktur reduziert dieses Risiko und erlaubt zuverlässigen Betrieb
auch unter schwierigen Umgebungsbedingungen.
Co-Autor Theodore Letsou, Doktorand am Massachusetts Institute of Technology
und Mitarbeiter im Labor von Professor Federico Capasso an der Harvard John
A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, erläutert: „Durch die
Anpassung der Ringgröße können wir effektiv jede gewünschte Linie und jede gewünschte Laserfrequenz anvisieren.“ Und Capasso ergänzt: „Die Vielseitigkeit dieser neuen Plattform bedeutet, dass ähnliche Laser bei verschiedenen kommerziell relevanteren Wellenlängen hergestellt werden können, beispielsweise für Telekommunikationsanwendungen, für die medizinische Diagnostik oder für jeden Laser, der im sichtbaren Lichtspektrum emittiert.“
Gefertigt wurde die Strahlquelle in den Reinräumen des Zentrums für Mikro- und
Nanostrukturen an der TU Wien. Johannes Fuchsberger, Doktorand an der TU
Drei Ringlaser aus einem einzigen Array decken eine optische Bandbreite von mehr als 1 THz ab; jeder Ring wird anhand seines Vorspannungsstroms abgestimmt
Wien, betont: „Das Schöne an unserem Laser ist seine einfache Herstellung. Wir haben keine mechanisch beweglichen Teile und ein einfaches Fertigungsschema, das nur wenig Platz braucht.“
Die Zusammenarbeit zwischen der TU Wien und der Harvard University hat bereits mehrere Entwicklungen in der Halbleiterlaserforschung hervorgebracht. Das aktuelle Projekt zeigt, wie die Kombination aus europäischer und US-amerikanischer Forschung neue Lösungen für photonische Anwendungen
erschließt.
Originalveröffentlichung
[J. Fuchsberger et al.: Continuously and Widely Tunable Semiconductor
Ring Lasers, Optica 12,7, 985 (2025), DOI 10.1364/OPTICA.559884]
Quelle: www.tuwien.at
Bild: Joshua Mornhinweg (jmornhinweg.com)