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Freiraumoptik Neue Laser-Architektur schafft den Sprung aus dem Labor

Von Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter 2 min Lesedauer

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Dem Start-up Vector Photonics und dem Fraunhofer UK ist ein Durchbruch in der Optoelektronik gelungen: Erstmals wurde die PCSEL-Technologie für die optische Freiraumkommunikation unter realen Umweltbedingungen erfolgreich getestet. Teure strahlformende Optiken werden überflüssig.

Dr. Richard Taylor, CEO und Gründer von Vector Photonics, mit dem PCSEL und dem optischen Kommunikationssystem bei der erfolgreichen Vorführung über den Fluss Clyde.(Bild: Vector Photonics)
Dr. Richard Taylor, CEO und Gründer von Vector Photonics, mit dem PCSEL und dem optischen Kommunikationssystem bei der erfolgreichen Vorführung über den Fluss Clyde.
(Bild: Vector Photonics)

Für Entwickler von Systemen zur optischen Freiraumkommunikation (Free-Space Optical Communication, FSO) kündigt sich eine vielversprechende neue Laserquelle an. Dem schottischen Start-up Vector Photonics ist es in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Centre for Applied Photonics (Fraunhofer CAP) gelungen, sogenannte Photonic Crystal Surface Emitting Lasers (PCSEL) erstmals erfolgreich außerhalb des Labors für die Datenübertragung einzusetzen.

Bei dem Feldtest in Glasgow wurde eine Datenverbindung über eine Distanz von 500 Metern quer über den Fluss Clyde aufgebaut. Dabei wurden Daten mit 50 MBit/s übertragen. Die Fehlerrate lag dabei deutlich unter den üblichen Schwellenwerten der Vorwärtsfehlerkorrektur (Forward Error Correction, FEC). Das optische System dafür wurde vom Fraunhofer CAP entworfen und konstruiert.

Laut Dr. Richard Taylor, CEO von Vector Photonics, hebt dieser Test die Technologie von einem Technology Readiness Level (TRL) 4/5 auf 6/7. Der Grund: Das System konnte beweisen, dass es auch unter realen Umweltbedingungen wie Temperaturschwankungen, Windturbulenzen und Niederschlag zuverlässig funktioniert. Bisherige Versuche waren auf ideale Laborbedingungen und Simulationen beschränkt.

Was ist PCSEL?

Ein Photonic-Crystal-Surface-Emitting-Laser (PCSEL) ist eine Halbleiter-Laserdiode, in die eine zweidimensionale photonische Kristallstruktur direkt integriert ist. Dieser photonische Kristall fungiert als Resonator. Das physikalische Prinzip dahinter basiert auf der Beugung des Lichts innerhalb der periodischen Kristallstruktur.
Diese Architektur ermöglicht es, das Licht perfekt senkrecht zur Chipoberfläche abzustrahlen (Oberflächenemission), und das bei einer vergleichsweise großen Fläche. Das Resultat ist ein kohärenter, extrem schmalbandiger Singlemode-Strahl mit sehr hoher Leistung, geringer Divergenz und exzellenter Strahlqualität. Ein weiterer Vorteil für Entwickler ist, dass sich Wellenlänge und Strahlprofil durch das Design des photonischen Kristalls exakt maßschneidern lassen.

Warum PCSEL für die Systementwicklung interessant ist

Für die Optoelektronik-Praxis sind PCSELs hochinteressant, da sie die Vorteile zweier etablierter Laserarten auf Chipebene vereinen: Sie bieten die hohe optische Leistung von kantenemittierenden Lasern (Edge Emitting Lasers, EEL) gepaart mit der hohen Modulationsgeschwindigkeit und der reinen Oberflächenemission von VCSELs (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers).

Für FSO-Anwendungen bringen sie einen entscheidenden Systemvorteil auf Board-Level mit: PCSELs emittieren schmale, extrem helle Strahlen mit exzellenter Strahlqualität und sehr geringer Divergenz, was Signalverluste über große Distanzen minimiert. Da sie die Oberflächenemission mit einem kohärenten Singlemode-Ausgang kombinieren, ist eine effiziente Einkopplung in Freiraumoptiken möglich, ohne dass aufwendige und kostenintensive strahlformende optische Elemente (Beam-Shaping) in das System integriert werden müssen.

Ein hohes Skalierungspotenzial

Obwohl die im Test erreichten 50 MBit/s die Vorgaben des konkreten Experiments bereits übertrafen, liegt die naturgemäß erreichbare Datenrate von PCSELs laut den Entwicklern noch deutlich höher. Vector Photonics sieht die Technologie als Basis für kompakte FSO-Systeme der nächsten Generation. Einsatzgebiete sind beispielsweise schnelle, kabellose Breitbandverbindungen zwischen Gebäuden oder in der Satellitenkommunikation.

Da sich die Wellenlänge der PCSEL-Technologie extrem flexibel vom UV- bis zum fernen Infrarotbereich anpassen lässt, zielt das Unternehmen langfristig auch auf den Einsatz in optischen Interconnects für KI-Rechenzentren, hochauflösenden Lidar-Systemen sowie der additiven Fertigung. (heh)

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