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Laserdioden Winzige neue Laser schließen erstmals die „grüne Lücke“

Von Henning Wriedt 4 min Lesedauer

Anbieter zum Thema

NIST National Institute of Standards and Technology
Heitec AG
IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG
Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Forscher des National Institute of Standards and Technology haben eine wichtige technologische Lücke geschlossen, indem sie orange, gelbe und grüne Laser entwickelt haben, die klein genug sind, um sie auf einem Chip zu integrieren. Rauscharme, kompakte Laser in diesem Wellenlängenbereich sind wichtig für Quantensensorik, Kommunikation und Informationsverarbeitung.

Optische Spektren von vier µOPO-Geräten mit geringen Unterschieden in RW. Frequenzen größer als 490 THz werden mit nur zwei Geräten erzeugt. Es gibt einige Lücken und Überschneidungen, die darauf zurückzuführen sind, dass die Ausgangsspektren dieser vier Geräte nicht perfekt aufeinander abgestimmt sind. Die geometrischen Unterschiede zwischen den Geräten wurden nicht so optimiert, dass ihre OPO-Spektren komplementär sind, was zu diesen Lücken und Überlappungen führt. Eine weitere Optimierung der geometrischen Unterschiede zwischen diesen Geräten kann einen weiteren Freiheitsgrad zur Maximierung der spektralen Abdeckung darstellen. Die oberen vertikalen Linien zeigen die Übergangswellenlängen der verschiedenen Quantensysteme innerhalb der grünen Lücke.(Bild: NIST)
Optische Spektren von vier µOPO-Geräten mit geringen Unterschieden in RW. Frequenzen größer als 490 THz werden mit nur zwei Geräten erzeugt. Es gibt einige Lücken und Überschneidungen, die darauf zurückzuführen sind, dass die Ausgangsspektren dieser vier Geräte nicht perfekt aufeinander abgestimmt sind. Die geometrischen Unterschiede zwischen den Geräten wurden nicht so optimiert, dass ihre OPO-Spektren komplementär sind, was zu diesen Lücken und Überlappungen führt. Eine weitere Optimierung der geometrischen Unterschiede zwischen diesen Geräten kann einen weiteren Freiheitsgrad zur Maximierung der spektralen Abdeckung darstellen. Die oberen vertikalen Linien zeigen die Übergangswellenlängen der verschiedenen Quantensysteme innerhalb der grünen Lücke.
(Bild: NIST)

Die Herstellung von grünem Licht ist eine Herausforderung, an der Wissenschaftler seit Jahren mit überschaubarem Erfolg arbeiten. Während rote und blaue Laser zuverlässig erforscht sind, bleibt das grüne Licht eine schwer fassbare Technologie. Diese „grüne Lücke“ im Lichtspektrum tritt auf, weil herkömmliche Halbleiter-Laser für gelbe und grüne Wellenlängen ineffizient arbeiten.

Doch die nachfolgend erklärte Innovation des National Institute of Standards and Technology (NIST) ist spannend: Wird die Lücke geschlossen, eröffnet dies neue Türen für revolutionäre Technologien wie Unterwasserkommunikation und fortschrittliche medizinische Behandlungen.

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Schmales Spektrum

Grüne Laserpointer gibt es seit 25 Jahren, aber sie erzeugen Licht in einem schmalen grünen Spektrum und sind nicht in Chips integriert, wo sie mit anderen Komponenten zusammenarbeiten könnten, um nützliche Aufgaben zu erfüllen. Jetzt haben Wissenschaftler des National Institute of Standards and Technology (NIST) die grüne Lücke geschlossen, indem sie eine winzige optische Komponente modifiziert haben: einen ringförmigen Mikroresonator, der klein genug ist, um auf einen Chip zu passen.

Eine Miniaturquelle für grünes Laserlicht könnte die Unterwasserkommunikation verbessern, da Wasser in den meisten aquatischen Umgebungen für blaugrüne Wellenlängen nahezu transparent ist. Weitere potenzielle Anwendungen sind vollfarbige Laserprojektionsbildschirme und die Laserbehandlung von Krankheiten wie der diabetischen Retinopathie, einer Wucherung der Blutgefäße im Auge.

Kompakte Laser in diesem Wellenlängenbereich sind auch für Anwendungen in der Quanteninformatik und -kommunikation von Bedeutung, da sie potenziell Daten in Qubits, der Grundeinheit der Quanteninformation, speichern könnten. Derzeit sind diese Quantenanwendungen von Lasern abhängig, die in Bezug auf Größe, Gewicht und Leistung recht groß sind, was ihre Einsatzfähigkeit außerhalb des Labors einschränkt.

Mikroresonatoren aus Siliziumnitrid

Seit mehreren Jahren verwendet ein Team unter der Leitung von Kartik Srinivasan vom NIST und dem Joint Quantum Institute (JQI), einer Forschungspartnerschaft zwischen dem NIST und der University of Maryland, Mikroresonatoren aus Siliziumnitrid, um infrarotes Laserlicht in andere Farben umzuwandeln. Wenn Infrarotlicht in den ringförmigen Resonator gepumpt wird, kreist das Licht Tausende Male, bis es eine Intensität erreicht, die hoch genug ist, um ausreichend stark mit dem Siliziumnitrid zu interagieren. Diese Wechselwirkung, die als optisch-parametrische Oszillation (OPO) bezeichnet wird, erzeugt zwei neue Lichtwellenlängen, die als Leerlauf und Signal (idler) bezeichnet werden.

In früheren Studien haben die Forscher einige einzelne Farben des sichtbaren Laserlichts erzeugt. Abhängig von den Abmessungen des Mikroresonators, die die erzeugten Lichtfarben bestimmen, erzeugten die Wissenschaftler rote, orange und gelbe Wellenlängen sowie eine Wellenlänge von 560 nm, genau an der haarigen Grenze zwischen gelbem und grünem Licht. Allerdings konnte das Team nicht alle gelben und grünen Farben erzeugen, die notwendig sind, um die grüne Lücke zu schließen.

„Wir wollten nicht nur ein paar Wellenlängen abdecken“, sagte der NIST-Wissenschaftler Yi Sun, Mitarbeiter der Studie. „Wir wollten den gesamten Bereich der Wellenlängen in der Lücke abdecken“. Um das zu bewerkstelligen, modifizierte das Team den Mikroresonator auf zwei Arten. Zunächst verdickten die Wissenschaftler ihn leicht. Durch die Veränderung seiner Abmessungen konnten die Forscher leichter Licht erzeugen, das tiefer in die grüne Lücke eindrang, bis zu Wellenlängen von 532 nm. Mit dieser erweiterten Reichweite konnten die Forscher die gesamte Lücke abdecken.

Darüber hinaus setzte das Team den Mikroresonator mehr Luft aus, indem es einen Teil der darunter liegenden Siliziumdioxidschicht wegätzte. Dies hatte den Effekt, dass die Ausgangsfarben weniger empfindlich auf die Mikroresonatorabmessungen und die Wellenlänge der Infrarotpumpe reagierten. Die geringere Empfindlichkeit gab den Forschern mehr Kontrolle über die Erzeugung leicht unterschiedlicher grüner, gelber, oranger und roter Wellenlängen aus ihrer Komponente.

150 verschiedene Wellenlängen

Als Ergebnis konnten die Forscher mehr als 150 verschiedene Wellenlängen über die grüne Lücke erzeugen und fein abstimmen. „Zuvor konnten wir große Änderungen – von Rot zu Orange zu Gelb zu Grün – bei den Laserfarben vornehmen, die wir mit OPO erzeugen konnten, aber es war schwierig, kleine Anpassungen innerhalb jedes dieser Farbbänder vorzunehmen“, so Srinivasan.

Die Wissenschaftler arbeiten nun daran, die Energieeffizienz zu erhöhen, mit der sie die Grünlücken-Laserfarben erzeugen, denn derzeit beträgt die Ausgangsleistung nur wenige Prozent der Leistung des Eingangslasers. Eine bessere Kopplung zwischen dem Eingangslaser und dem Wellenleiter, der das Licht in den Mikroresonator leitet, sowie bessere Methoden zur Extraktion des erzeugten Lichts könnten die Effizienz erheblich steigern. (sb)

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