Optoelektronik: Elektrisch gepumptes Licht
Eines Tages soll das Licht die Elektronen ablösen. Noch fehlt es aber an den passenden Schaltern, Reglern und Ventilen, damit Photonen gezielt durch die optischen Chips flitzen. Auch eine geeignete Lichtquelle ist bislang nicht in Sicht. Aber der Lösung dieses Problems ist die Forschung nun einen Schritt näher gekommen.
Computer von heute mögen launische Gesellen sein – gegen die Rechner der Zukunft sind sie musterhaft pflegeleichte, primitive Kisten. Elektronik wird nämlich immer kleiner und damit immer quantenmechanischer. Und Quantenmechanik bedeutet, dass alles ganz anders ist, als der gesunde Menschenverstand es stets geglaubt hat. Besonders klein und quantenmechanisch wird es, wenn die Elektronen dann auch noch durch Photonen verdrängt werden. Rechnen mit Licht soll schneller und viel besser sein – nur schwieriger ist es eben auch. Vor allem für die Wissenschaftler, die auf der Suche nach geeigneten Bauteilen für den optischen Computer sind.
Da wäre das Problem der Lichtquelle. Ganz gewöhnliches Licht mit kreuz und quer schießenden Strahlen unterschiedlichster Wellenlängen eignet sich natürlich nicht – es muss schon das ordentliche Laserlicht sein. Dummerweise sind Laser jedoch immer noch relativ groß und energiehungrig. Außerdem ist ihre Farbauswahl stark eingeschränkt.
Hier fällt dem Physiker jedoch sofort der praktische Raman-Effekt ein, mit dem Laser in der jeweiligen Wunschfarbe leuchten können. Dazu schießt ein Pump-Laser seinen intensiven Strahl auf einen geeigneten Festkörper, der die Energie aufnimmt und gestreut wieder abgibt. Allerdings fliegt nur ein Teil davon als Photon weiter, ein bisschen verschwindet in Schwingungen der Atome. Durch geschickte Zusammensetzung und Geometrie des Festkörpers lässt sich so die Wellenlänge des emittierten Lichtes genau einstellen. Das hätte der Durchbruch für die so genannten Raman-Laser sein können, wenn sie nicht von dem sperrigen Pump-Laser im Hintergrund abhängig wären.
Aus diesem Dilemma haben Forscher um Mariano Troccoli von der Harvard-Universität nun womöglich einen eleganten Ausweg gefunden: Statt ein externes Pump-Monstrum vorzuschalten, bauen sie direkt in ihren Raman-Injektionslaser einen internen Quanten-Kaskaden-Laser. Der besteht aus dünnen Halbleiterschichten, die nur bestimmte Energiezustände zulassen. Fließt ein sehr großer Strom hindurch, versetzt das die Apparatur in einen angeregten Zustand und lässt sie Photonen aussenden – die von anderen Schichten per Raman-Effekt in Laserlicht mit der gewünschten Farbe umgewandelt werden.
Noch ist die Produktion eine knifflige Angelegenheit. In genau vorgegebenen Schichten von wenigen Milliardstel Metern Dicke wechseln sich Galliumindiumarsenide und Alluminiumindiumarsenide ab. Ihre Eigenschaften bestimmen die spätere Wellenlänge des Lichtes. Weil alles so eng miteinander gekoppelt ist, wird zudem ein viel größerer Anteil der später eingesetzten Energie tatsächlich auch in Laserlicht umgesetzt. Die Prototypen von Trocollis Team erreichten im Infrarotlicht bereits Werte, die weit über dem Ertrag üblicher Raman-Laser liegen.
Trotz des Erfolges werden die Raman-Injektionslaser vorerst noch Exoten bleiben, denn sie verlangen Stromstärken von mehr als 2,5 Ampere. Damit sind sie zwar handlicher als ihre Vorgänger, aber noch alles andere als Energiesparer. Und so bleibt den elektronischen Rechnern noch eine Galgenfrist, bis sie eines Tages wirklich gegen ihre optischen Kollegen antreten müssen.
Da wäre das Problem der Lichtquelle. Ganz gewöhnliches Licht mit kreuz und quer schießenden Strahlen unterschiedlichster Wellenlängen eignet sich natürlich nicht – es muss schon das ordentliche Laserlicht sein. Dummerweise sind Laser jedoch immer noch relativ groß und energiehungrig. Außerdem ist ihre Farbauswahl stark eingeschränkt.
Hier fällt dem Physiker jedoch sofort der praktische Raman-Effekt ein, mit dem Laser in der jeweiligen Wunschfarbe leuchten können. Dazu schießt ein Pump-Laser seinen intensiven Strahl auf einen geeigneten Festkörper, der die Energie aufnimmt und gestreut wieder abgibt. Allerdings fliegt nur ein Teil davon als Photon weiter, ein bisschen verschwindet in Schwingungen der Atome. Durch geschickte Zusammensetzung und Geometrie des Festkörpers lässt sich so die Wellenlänge des emittierten Lichtes genau einstellen. Das hätte der Durchbruch für die so genannten Raman-Laser sein können, wenn sie nicht von dem sperrigen Pump-Laser im Hintergrund abhängig wären.
Aus diesem Dilemma haben Forscher um Mariano Troccoli von der Harvard-Universität nun womöglich einen eleganten Ausweg gefunden: Statt ein externes Pump-Monstrum vorzuschalten, bauen sie direkt in ihren Raman-Injektionslaser einen internen Quanten-Kaskaden-Laser. Der besteht aus dünnen Halbleiterschichten, die nur bestimmte Energiezustände zulassen. Fließt ein sehr großer Strom hindurch, versetzt das die Apparatur in einen angeregten Zustand und lässt sie Photonen aussenden – die von anderen Schichten per Raman-Effekt in Laserlicht mit der gewünschten Farbe umgewandelt werden.
Noch ist die Produktion eine knifflige Angelegenheit. In genau vorgegebenen Schichten von wenigen Milliardstel Metern Dicke wechseln sich Galliumindiumarsenide und Alluminiumindiumarsenide ab. Ihre Eigenschaften bestimmen die spätere Wellenlänge des Lichtes. Weil alles so eng miteinander gekoppelt ist, wird zudem ein viel größerer Anteil der später eingesetzten Energie tatsächlich auch in Laserlicht umgesetzt. Die Prototypen von Trocollis Team erreichten im Infrarotlicht bereits Werte, die weit über dem Ertrag üblicher Raman-Laser liegen.
Trotz des Erfolges werden die Raman-Injektionslaser vorerst noch Exoten bleiben, denn sie verlangen Stromstärken von mehr als 2,5 Ampere. Damit sind sie zwar handlicher als ihre Vorgänger, aber noch alles andere als Energiesparer. Und so bleibt den elektronischen Rechnern noch eine Galgenfrist, bis sie eines Tages wirklich gegen ihre optischen Kollegen antreten müssen.
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