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News: Vertikallaserdioden für moderne Hochleistungsdatenverbindungen

Die üblichen Laserdioden, wie sie z.B. in CD-Playern vorkommen, strahlen ihr Licht seitlich ab. Sie sind viel zu groß für die zukünftigen Anforderungen aus den Bereichen der Telekommunikation und der Computernetze. Laserdioden mit Vertikalresonatoren sind aufgrund ihrer geringen Maße und höheren Leistung eine vielversprechende Alternative.
Die Ansprüche an den Datentransfer steigen ständig. In modernen Computernetzen, beispielsweise im Internet, wird die Übertragung mittels 32 paralleler Kanäle mit Datenraten von über einem Gigabit (eine Milliarde Binärzeichen) pro Kanal und Sekunde gefordert. Diese Größenordnungen lassen sich effizient nur mit Hilfe optischer Glasfasern verwirklichen. Als Sendequelle dienen dabei winzige Laserdioden, deren Abmessungen unter denjenigen eines Salzkorns liegen. Klassische Laserdioden, wie sie beispielsweise auch in jedem CD-Player zu finden sind, haben Kantenabmessungen von 200 Mikrometern (zwei Zehntelmillimeter). Aus dem sandwichartig aufgebauten Chip, der aus einem Halbleiterkristall gebrochen wird, strahlen sie ihr Licht horizontal aus.

Neuartige Laserdioden mit Vertikalresonator emittieren das Licht dagegen senkrecht zur Oberfläche. Sie werden erst seit Anfang der 90er Jahre intensiv beforscht. Mit ihren kleinen Abmessungen von nur zehn Mikrometern (ein Hundertstelmillimeter) Kantenlänge sind sie die kleinsten Mikrolaser der Welt. Die aktive Zone des Lasers besteht aus atomlagengenau maßgeschneiderten, nanostrukturierten Quantenfilmen, die sich zwischen höchstreflektierenden optischen Resonatorspiegeln befinden. Sie lassen sich einzeln oder in parallelen Arrays (Reihen) ohne Spalten und Brechen einfach und damit auch kostengünstig herstellen und montieren. Darüber hinaus erzielen sie höhere Leistungen als die horizontal emittierenden Dioden. Aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile sind Vertikallaserdioden Schlüsselkomponenten für moderne Hochleistungsdatenverbindungen.

Maßgeblichen Anteil an der Entwicklung moderner Vertikallaserdioden hat Prof. Dr. Karl Joachim Ebeling, Leiter der Abteilung Optoelektronik der Universität Ulm. Bereits 1991 stellten er und seine Arbeitsgruppe die erste kontinuierlich emittierende Vertikallaserdiode in Europa dar. 1992 erzielten sie die damals weltweit kleinsten Schwellströme von 650 Mikroampere, 1993 den größten Durchstimmbereich (8,2 Nanometer) in der Emissionswellenlänge und die kleinsten Emissionslinienbreiten (30 Megahertz). 1995 wurden von der Arbeitsgruppe mit zehn Gigabit pro Sekunde höchste Übertragungsraten erzielt.

Inzwischen haben die Ulmer Optoelektroniker Laserquellen entwickelt, die ohne Vorstrom auskommen, das heißt ohne eine kontinuierlich anliegende Spannung für den Laserstart, und dabei Datenübertragungsraten von 2,5 Gigabit pro Sekunde auf einmodigem Licht (einer Strahlung, die nur in einer einzigen Wellenlänge emittiert wird) ermöglichen. Die höchste Ausgangsleistung beziffert sich mit 4,8 Milliwatt. Als technologische Errungenschaft besonders hervorzuheben, ist das epitaktische Wachstum höchstreflektierender, aber elektrisch niederohmiger AlGaAs-Bragg-Spiegel sowie elektrooptischer Quantenfilme mit einem inneren Wirkungsgrad von über 95%. Die damit realisierbaren Vertikallaserdioden benötigen im technisch relevanten Temperaturbereich von -40° bis +80° C Schwellströme von weniger als 500 Mikroampere. 2,5 Gigabit pro Sekunde Datenübertragung lassen sich durch hochfrequente Ansteuerung auf zehn Gigabit bei über 500 Metern Faserstrecke erhöhen. Weniger als 10-11 betragen die – damit äußerst minimalen – Bitfehlerraten. Diese Werte, die nicht nur bei Einzelelementen, sondern auch bei dichtgepackten Laserarrays mit 14 Elementen für die Parallelübertragung erzielt werden, sind in der Welt bislang unerreicht. Sie charakterisieren den Rang der Ulmer Arbeitsgruppe, die an der Entwicklung von Vertikallaserdioden weltweit maßgeblich beteiligt ist und in Europa eine unangefochtene Spitzenstellung einnimmt. Professor Karl Joachim Ebeling wurde für seine Arbeiten über Vertikallaserdioden in der optischen Verbindungstechnik am 12. Dezember mit dem Karl-Heinz-Bekurts-Preis 1997 ausgezeichnet.

Vertikallaser könnten künftig auch in optischen Backbones für Datennetze sowie in Interchipverbindungen eine Rolle spielen. Ferner ist ihr Einsatz in der optischen Speichertechnik für CD-Player vorstellbar. Wenn sie, was gleichfalls im Bereich des Möglichen liegt, eines Tages anstelle von Infrarot-Leuchtdioden in der Steuer- und Sensortechnik eingesetzt würden, stünde ihnen dank ihrer hohen Effizienz und billigen Herstellbarkeit die Übernahme von Massenmärkten bevor.

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