Mikrolaser mit großer Leistung

US-Forscher wollen die optische Kommunikation mit neuartigen Strahlungsquellen revolutionieren.

Amerikanische Wissenschaftler haben den bislang kleinsten Laser entwickelt, der bei Raumtemperatur eingesetzt werden kann. Die Strahlungsquelle ist weniger als ein Kubikmikrometer groß – und damit kleiner als die Wellenlänge des Lichtes, das sie abgibt (Sub-Wavelength Laser, SWL) Es ist der erste solche Laser, der ohne Tieftemperaturkühlung auskommt.

Yeshaiahu Fainman, Leiter der "Ultrafast and Nanoscale Optics"-Gruppe an der University of California in San Diego (UCSD), hat den Mikrolaser entwickelt. Er hofft nun, dass es bald möglich sein wird, mehrere solcher Komponenten nebeneinander zu platzieren, ohne dass es zu Interferenzen kommt. Ein Array aus solchen SWLs könnte der optischen Kommunikation deutlich schnelleren Datenraten bescheren.

Um den Prototypen zu bauen, modifizierten die Forscher zunächst einen so genanten Mikroscheiben-Laser. Bei diesem Gerätetyp wird eine mikroskopisch kleine Scheibe aus verschiedenen Materialien optisch von einem größeren Laser "gepumpt". So stimuliert, erzeugt der Halbleiter-Kern Licht, das vor dem Austritt von den Kanten der Scheibe teilweise reflektiert wird. Ergänzt man diese Mikroscheibe nun um eine Metallschicht, lässt sich verhindern, dass der Laser andere Komponenten in nächster Nähe stört. Das Problem dabei: Der Wirkungsgrad reduziert sich so sehr stark. Dagegen half bislang nur eine Tieftemperaturkühlung auf -196 Grad Celsius mithilfe flüssigem Stickstoff. Praktisch umsetzbar ist das nur schlecht.

Fainman fand nun zusammen mit Postdoc Maziar Nezhad und weiteren UCSD-Kollegen eine einfachere Methode, die Effizienz des Lasers zu erhöhen, was dann auch die Kühlung entbehrlich machte. Dazu ergänzten sie eine Siliziumdioxid-Schicht gefolgt von Aluminium rund um den Laserresonator aus einem Indium-Gallium-Arsenid-Phosphid. Die äußere Metallschicht agiert dadurch wie ein Schild, isoliert den Laser wie gewünscht von Interferenzen und bildet gleichzeitig einen hocheffizienten Kühlkörper. Die Siliziumdioxidschicht verhindert wiederum, dass das Metall den Gesamtwirkungsgrad reduziert.

Aluminium wurde von Fainman aufgrund seiner optischen Eigenschaften gewählt – es reflektiert ausreichend gut. Wichtiger noch sei aber die korrekte Dicke der Siliziumdioxid-Schicht, die das Metall vom Halbleiterkern trennt, sagt der Forscher. Wenn die Schicht zu dünn sei, interagiere das Metall zu stark mit dem optischen Feld, was sehr verlustträchtig sei.

"Diese Arbeit ist sehr spannend und könnte einen wichtigen Fortschritt auf dem Gebiet der Nanolaser darstellen", meint Naomi Halas, Stanley C. Moore-Professorin für Elektro- und Computertechnik an der Rice University, die auch dem Labor für Nanophotonik der Hochschule vorsteht. "Die Verwendung von Metallschichten in Verbindung mit einer cleveren Designgeometrie erlaubte es, die Strukturen so zu verkleinern, dass man derartige Komponenten deutlich breiter in Kommunikationssystemen einsetzen könnte."

In ihrer Studie zeigten die UCSD-Forscher, dass ihr Laser Wellenlängen von 1,43 Mikrometern bei Raumtemperatur abgeben kann. Für das Projekt gab es unter anderem Geld von der US-Militärforschungsbehörde DARPA. Zumindest theoretisch könnte der Mikrolaser noch weiter verbessert werden, indem andere Metalle mit nochmals besseren optischen Eigenschaften eingesetzt werden. Das seien zum Beispiel Gold und Silber, sagt Fainman.

Eine weitaus größere Herausforderung besteht nun aber darin, die Laser vollständig in optoelektronische Geräte zu integrieren. Die komplexe optische "Pumpe" des stimulierenden Außenlasers muss beispielsweise durch eine elektrische Ansteuerung ersetzt werden. "Das wäre auch deshalb wünschenswert, weil sie effizienter wäre", sagt Richard De La Rue, Professor für Optoelektronik an der University of Glasgow.

Neben dem Einsatz in optischen Hochgeschwindigkeitsnetzen könnten sich die UCSD-Laser auch für biomedizinische bildgebende Verfahren oder die optische Mikroskopie eignen, meint Fainman. Hier wäre ebenfalls das Ziel, ein Array aus Strahlungsquellen zu schaffen. Expertin Halas sieht auch auf dem Gebiet der Grundlagenforschung wichtige Fortschritte bei dem Projekt. Das neue Laserresonator-Design erlaube es, "über Laser ganz neu nachzudenken".

(bsc)