Optoelektronik Neue VCSEL-Technologie halbiert die Produktionszeiten

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Forscher der TU Berlin haben durch den Ersatz von Bragg-Spiegeln durch nanopräzise Oberflächengitter die VCSEL-Produktion revolutioniert. Die Fertigungszeit verkürzt sich um 50 Prozent, gleichzeitig lassen sich verschiedene Laserwellenlängen parallel auf einem Wafer realisieren.

Forscher der TU Berlin haben einen innovativen Ansatz für die Produktion von VCSEL-Laserdioden entwickelt, der die Fertigungsindustrie aufhorchen lassen dürfte. Das Team um Prof. Dr. Stephan Reitzenstein vom Fachgebiet „Optoelektronik und Quantenbauelemente“ hat in Zusammenarbeit mit der Universität Łódź (Polen) durch den Ersatz der aufwendigen oberen Bragg-Spiegel durch präzise eingeätzte optische Gitter eine Methode entwickelt, die Produktionszeiten um 50 Prozent reduziert und gleichzeitig verschiedene Laserwellenlängen in einem einzigen Produktionsschritt realisiert.

Bewährte Technologie mit neuen Möglichkeiten

VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) sind bereits seit mehr als zwei Jahrzehnten im Einsatz und haben sich als Schlüsselkomponenten etabliert. Diese Laserdioden, die ihr Licht senkrecht zum Halbleiterchip abstrahlen, können im Gegensatz zu Laserdioden mit seitlichem Lichtaustritt den Laserstrahl sehr gut in Lichtwellenleiter einkoppeln. Grund hierfür ist die runde Geometrie mit kleiner Bauform sowie eine gute Strahlqualität und Fokussierbarkeit. VCSEL werden deshalb in großen Rechenzentren für die effiziente Informationsübertragung zwischen Servern eingesetzt. Auch in Handys kommen sie zur Gesichtserkennung zum Einsatz.

Gitter statt aufwendige Spiegelschichten

Ein VCSEL besteht im Wesentlichen aus einer aktiven Schicht, in der die Lichtteilchen entstehen, sowie darüber und darunter aus Schichten von sogenannten Bragg-Spiegeln. Sie reflektieren das Licht immer wieder in die aktive Schicht zurück, damit es dort die Entstehung von weiteren Lichtteilchen anregt – der typische Laser-Effekt. Die oberen Spiegelschichten reflektieren das Laserlicht geringfügig weniger, so kann ein Teil des Laserstrahls austreten und genutzt werden.

Die neue Technologie verspricht erhebliche Kosteneinsparungen in der industriellen Produktion. Während die herkömmliche Herstellung der komplexen Spiegelschichten etwa zwölf Stunden dauert, können die Berliner Forscher durch ihre Gitter-basierte Lösung rund sechs Stunden einsparen. „Der große Unterschied ist zum einen, dass wir nicht mehr so viele Halbleiterschichten nacheinander aufbringen müssen. Das ist ein langwieriger und teurer Prozess“, erklärt Erstautor Niels Heermeier.

Präzision im Nanometer-Bereich ermöglicht Flexibilität

„Der noch wichtigere Vorteil des Strichgitters ist, dass hier in einem Produktionsschritt Laserdioden mit verschiedenen Ausgangswellenlängen auf einem Halbleiterwafer gleichzeitig gefertigt werden können“, erklärt Heermeier. Dazu werden beim Ätzverfahren mehrere geometrische Parameter des Strichgitters je nach Diode variiert: die Dicke der Gitterbalken, ihr Abstand zueinander sowie die Tiefe der eingeätzten Rillen dazwischen. „Diese Flexibilität haben wir beim Aufbringen der Spiegelschichten nicht, denn diese müssen auf dem gesamten Wafer aufwachsen und legen damit die Eigenschaften für alle Laserdioden einheitlich fest.“

Um die neuen Mikrolaser mit ihren individuellen Eigenschaften präzise fertigen zu können, ist eine extrem hohe Genauigkeit notwendig: Weniger als fünf Nanometer dürfen die Größen von ihrem Sollwert abweichen. Verglichen mit dem Abstand der Erde zum Mond von fast 400.000 Kilometern entspräche dies einer maximal zulässigen Abweichung von zwei Metern. Möglich wurde diese Leistung nur durch eine am Fachgebiet vorhandene, mit Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und der TU Berlin beschaffte Elektronenstrahl-Lithografieanlage, die von den Forschenden jeweils in einem komplexen Prozess auf ihre Aufgabe hin angepasst werden muss.

Breites Anwendungsspektrum in Wachstumsmärkten

Die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig und treffen aktuelle Wachstumsmärkte. Neben der bewährten Anwendung in Rechenzentren zur effizienten Signaleinkopplung in Glasfaserleitungen könnten die Mikrolaser auch für das Lidar-Verfahren (Light Detection and Ranging) verwendet werden, das beim autonomen Fahren eine große Rolle spielt. Hier liefern Anordnungen mit Laserdioden verschiedener Wellenlängen, wie sie mit dem neuen Verfahren leicht hergestellt werden können, mit einer wesentlich besseren Auflösung.

Die neuen VCSEL-Dioden könnten auch ein wichtiger Baustein für die Hardware des sogenannten neuromorphen Rechnens mit optischen Prozessoren werden, die das Team von Stephan Reitzenstein zusammen mit Kollegen an den Universitäten Berkeley und MIT in Boston entwickelt. Diese Computer sind analog zum menschlichen Gehirn aufgebaut und arbeiten statt mit elektrischen Schaltkreisen mit optischen Bauelementen und Licht als Informationsträger.

„Wichtig ist dabei, dass die Wellenlänge des Lichts aus den Laserdioden exakt gleich ist. Schon kleinste Abweichungen in der Herstellung können aber zu unterschiedlichen Wellenlängen führen“, erklärt Reitzenstein. Mit der neuen Methode wäre es möglich, nach Produktion des optischen Chips die Wellenlängen nachzumessen und dann durch nachträglich eingeätzte Gitterstrukturen exakt einander anzugleichen.

Quantenphysik als Forschungsbonus

Auch für die Grundlagenforschung sind die neuen Mikrolaser interessant, denn durch einen Zufall konnten die Forschenden der kooperierenden Arbeitsgruppe in Polen in herkömmlichen VCSEL-Dioden erstmals den exotischen Quantenzustand eines „Bose-Einstein-Kondensats“ mit Lichtteilchen realisieren. Dieses Phänomen lässt sich nun mit den neuen, einfacher einstellbaren Laserdioden genauer untersuchen.

Das Team plant bereits den nächsten Entwicklungsschritt: den vollständigen Ersatz auch der unteren Spiegelschichten durch Gitter-Strukturen. „Diese Aufgabe ist allerdings wesentlich komplexer, weil dann das Trägermaterial der Diode auf der Unterseite entfernt werden muss“, gibt Reitzenstein zu bedenken. Aus seiner Sicht kommt deshalb dem neuen „Center for Integrated Photonics Research“ (CIPHOR) als zentraler Bestandteil des neuen Experimentalphysik-Baus auf dem Ost-Campus der TU Berlin eine besondere Bedeutung zu. Dieser wird ab 2028 entstehen und mit exzellent ausgestatteten Reinräumen neue Fertigungsmöglichkeiten eröffnen. (heh)

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