Starker Laser auf dem Chip

Kyoto (Japan) - Moderne Laser passen mühelos auf einen Chip und finden zunehmend Anwendung bei der optischen Datenübertragung. Bisher waren diese sogenannten Oberflächenemitter für andere Anwendungen – etwa in der Medizin oder der Materialbearbeitung – mit einer Leistung von wenigen Milliwatt zu schwach. Doch einer japanischen Forschergruppe gelang es nun, die Laser um ein Vielfaches intensiver strahlen zu lassen. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature Photonics“ berichten, eröffnen sich für diese Laser mit hoher Strahlqualität und variabel einstellbaren Wellenlängen weitere Anwendungsfelder.

Mit dem Einsatz von photonischen Kristallen gelang Susumu Noda und seinen Kollegen von der Kyoto University der Sprung in die Watt-Klasse. In Kooperation mit Entwicklern des Unternehmens Hamamatsu Photonics kombinierten sie mehrere Schichten aus Verbindungshalbleitern basierend auf Elementen wie Gallium, Arsen und Indium mit einem hauchdünnen, zweidimensionalen photonischen Kristall aus Galliumarsenid. Hochrein und fast defektfrei in einer speziellen Kammer aufgedampft, konnten sie in diesen photonischen Kristall zahlreiche, symmetrisch angeordnete Luftblasen integrieren. Genau darin sehen Nora und Kollegen den Grund für die starke Lichtemission.

Elektrisch angeregt erreichte der Prototyp Leistungswerte von bis zu 3,4 Watt im Pulsbetrieb. Bei kontinuierlicher Lichtemission ließen sich immerhin noch 1,5 Watt erzielen. Mit dem bisher gewählten Aufbau der verschiedenen Schichten aus Verbindungshalbleitern bewegten sich die Wellenlängen im nahen Infrarot-Bereich. „Um die große Leistung des Lasers zu demonstrieren, richteten wir den Laserstrahl auf ein Blatt Papier, in das sich sofort ein kleines Loch brennen ließ“, sagt Nora.

Dieses Ergebnis zeigt, dass durch die geschickte Integration von photonischen Kristallen die Leistung von winzigen Lasern signifikant erhöht werden kann. „Diese Laser können für die Materialbearbeitung, für Sensoren und für medizinische Zwecke genutzt werden“, schaut Noda in die nahe Zukunft. In weiteren Versuchen will er einen einzelnen Chip entwickeln, der eine Emissionsleistung von bis zu zehn Watt erreichen soll.