VCSEL ohne Linsen Verlustarme Faserkopplung auf unter 500 Mikrometern

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Forscher haben winzige, im 3D-Mikrodruck gefertigte Wellenleiter entwickelt, die das Licht mehrerer Multimode-VCSELs nahezu verlustfrei in eine einzige Faser einkoppeln. Damit werden komplexe und justierungsempfindliche Linsensysteme überflüssig.

Die Einkopplung von Licht aus mehreren Laserquellen in eine einzige optische Faser, dem sogenannten Beam Combining, in der Optoelektronik ist nicht trivial. Insbesondere bei Multimode-Lasern wie VCSELs (Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers) war das bisher ein mechanischer und optischer Flaschenhals. Um Strahlqualität und Helligkeit zu erhalten, mussten Entwickler bislang auf sperrige, diskrete Linsensysteme zurückgreifen. Das kostet nicht nur Bauraum, sondern treibt aufgrund enger Justagetoleranzen auch die Kosten in der Aufbau- und Verbindungstechnik in die Höhe.

Ein Forschungsteam der Hebrew University of Jerusalem hat nun in Zusammenarbeit mit dem Industrieunternehmen Civan Lasers eine Entwicklung präsentiert, die das optische Packaging verändern könnte: die erste echte Multimode-Photonic-Lantern (MM-PL).

Adiabatische Übergänge ersetzen diskrete Optik

Photonische Laternen (Photonic Lanterns) sind prinzipiell nicht neu. Bisherige Bauteile dienten jedoch in der Regel dazu, mehrere Singlemode-Eingänge in einen Multimode-Ausgang zu überführen. Das Team um Prof. Dan M. Marom und Yoav Dana hat dieses Konzept nun für Multimode-Eingänge (N-MM PL) weiterentwickelt.

Das Problem bei der Kombination von Multimode-Strahlern ist das sogenannte Etendue-Limit (die Erhaltung des geometrischen Flusses): Kombiniert man solche Strahlen mit herkömmlichen Optiken, geht unweigerlich die Helligkeit (Radianz) des Lichts verloren. Die neu entwickelte MM-PL umgeht dieses Problem. Durch präzise berechnete, adiabatische (allmähliche) Wellenleiterübergänge im Inneren des Bauteils werden die Moden der einzelnen VCSEL-Eingänge perfekt an die Moden der Zielfaser angepasst. Das Licht wird weicher und ohne Streuverluste in die Faser geführt.

Kompakt und skalierbar

Für Hardware-Entwickler besonders interessant sind die Skalierbarkeit und der extrem kleine Formfaktor der 3D-gedruckten Bauteile. Das System wurde per Zwei-Photonen-Lithografie (3D-Mikrodruck) hergestellt und in verschiedenen Konfigurationen getestet:

• Miniaturisierung: Die Bauteile haben eine Gesamtlänge von weniger als 500 µm. Das ist ein Bruchteil dessen, was herkömmliche Linsensysteme beanspruchen.

• Hohe Portdichte: Die Forscher demonstrierten Versionen mit 7, 19 und bis zu 37 Eingängen. Letztere Konfiguration bündelt das Licht von 37 VCSELs (mit je sechs Moden, also insgesamt 222 räumlichen Moden).

• Exzellente Effizienz: Die optischen Einfügedämpfungen (Insertion Loss) bei der Einkopplung in eine handelsübliche 50-µm-Multimode-Faser liegen bei Werten mit -0,6 dB (für 19 Ports) und -0,8 dB (für 37 Ports).

Monolithisches Packaging senkt Produktionskosten

Neben den rein optischen Werten bietet das 3D-Druck-Verfahren Vorteile für die AVT. Da der Strahlkombinierer als monolithischer Block direkt auf optische Schnittstellen oder Faserfacetten gedruckt werden kann, entfallen aufwendige optische Justageschritte (Active Alignment) in der Fertigungslinie. Das System ist inhärent tolerant gegenüber mechanischen Vibrationen und thermischer Ausdehnung, was die Zuverlässigkeit im Feld drastisch erhöht.

Einsatzgebiete von Datacom bis Lidar

Die Beteiligung von Civan Lasers an dem Projekt unterstreicht die hohe Industrierelevanz. Zu den primären Zielanwendungen der neuen Technologie gehören:

• Optische Datenübertragung: In Rechenzentren kann die Technologie das Space-Division Multiplexing (SDM) vorantreiben, um die Bandbreite von Glasfaserverbindungen auf kleinstem Raum zu vervielfachen.

• Materialbearbeitung: Die Skalierung von kompakten High-Power-Faserlasern durch das effiziente Bündeln vieler günstiger Einzelemitter.

• Lidar und Sensorik: Für Lidar-Systeme in Fahrzeugen oder medizinische Bildgebung ermöglicht die Technik deutlich kleinere und robustere Sensorköpfe.

Mit der Multimode-Photonic-Lantern gelingt der Sprung von sperriger Makro-Optik zu integrierter Mikro-Optik beim VCSEL-Packaging. Es ist davon auszugehen, dass diese per 3D-Druck gefertigten Mikro-Optiken in naher Zukunft in den ersten kommerziellen Lasersystemen und Transceiver-Modulen zu finden sein werden. (heh)

Nature Communications: Massive-scale spatial multiplexing of multimode VCSELs with a 3D-printed photonic lantern

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