Nieuwe micro-laser voor toepassing en onderzoek

Schematische Darstellung eines Mikrolasers mit nanometergenau strukturiertem Oberflächengitter. Der kompakte Halbleiterlaser erzeugt einen gerichteten Lichtstrahl mit einem exakt auf die jeweilige Anwendung abgestimmten Strahlprofil.

Door de dikte van de balken in het raster, de afstanden ertussen en de diepte van de groeven kan de golflengte van de laserstralen worden ingesteld. Onder het raster zijn de enkele Bragg-spiegels boven de actieve laag (lichtgrijs) zichtbaar, waarin de straling ontstaat. Daaronder bevinden zich heel veel lagen van Bragg-spiegellagen. (Opname met de elektronenmicroscoop)

Schematische opbouw van de nieuwe microlaser met de onderste laag van Bragg-spiegelparen (DBR), de actieve laag in rood, de enkele lagen van Bragg-spiegelparen erboven (DBR) en het raster (MHCG).

Een innovatief micro-laserconcept op basis van zogenaamde oppervlakte-emitter (VCSEL) heeft het vakgebied „Opto-elektronica en kwantumcomponenten“ van de TU Berlin onder leiding van Prof. Dr. Stephan Reitzenstein ontwikkeld. Bij de nieuwe micro-lasers gaat het om verticaal opgebouwde laserdiodes, waarbij de bovenste, lichtreflecterende lagen grotendeels zijn vervangen door een in het halfgeleermateriaal ingesloten optisch rooster. Op deze manier was het enerzijds mogelijk om het productieproces van de laserdiodes bijna de helft te verkorten. Anderzijds biedt het inbrengen van een optisch rooster een methode waarmee in één productiestap meerdere diodes met verschillende laserfrequenties kunnen worden vervaardigd. De resultaten zijn tot stand gekomen in samenwerking met onderzoekers van de Universiteit van Łódź (Polen) en zijn nu gepubliceerd in het vakblad „Optica“.

Ze worden al meer dan twee decennia gebruikt: laserdiodes die hun licht loodrecht op de halfgeleiderchip uitstralen waarin ze zich bevinden. Deze „VCSEL“ (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) kunnen, in tegenstelling tot laserdiodes waarbij het licht uit een zijvlak komt, de laserstraal zeer goed in een lichtgeleider koppelen. De reden hiervoor is de ronde geometrie met een kleine bouwvorm, evenals een goede straalkwaliteit en focusbaarheid. VCSEL worden daarom bijvoorbeeld gebruikt in grote datacenters, waar ze de efficiënte gegevensoverdracht tussen individuele servers mogelijk maken. Ook in mobiele telefoons worden ze ingezet voor gezichtsherkenning.

Tijdbesparing voor de industriële productie

„Een VCSEL bestaat in wezen uit een actieve laag, waarin de lichtdeeltjes ontstaan, en daarboven en daaronder uit lagen van zogenaamde Bragg-spiegels. Zij reflecteren het licht steeds weer terug in de actieve laag, zodat het daar de vorming van verdere lichtdeeltjes stimuleert. Dit is het typische laser-effect dat ervoor zorgt dat alle lichtstralen uiteindelijk perfect in fase oscilleren“, legt Stephan Reitzenstein uit. „De bovenste spiegellagen reflecteren het laserlicht iets minder. Zo kan een deel van de laserstraal ontsnappen en worden gebruikt.“

De onderzoekers hebben nu een groot deel van de bovenste spiegellagen vervangen door een fijn streepraster, dat ze met behulp van een lithografisch proces in het halfgeleermateriaal etsen. Door de diffractie van de lichtgolven aan het rooster en hun daaropvolgende interferentie kunnen vergelijkbare effecten worden bereikt als met de op complexe wijze vervaardigde spiegellagen. „Het grote verschil is dat wij niet meer zoveel halfgeleiderlagen achtereen hoeven aan te brengen. Dit is een langdurig en kostbaar proces dat ongeveer twaalf uur duurt. Door het gebruik van het rooster besparen we daar ongeveer de helft van“, legt Niels Heermeier uit, de eerste auteur van de studie. Deze tijds- en kostenbesparing is een belangrijke factor voor de industriële productie.

Verschillende laserdiodes in één productiestap vervaardigen

„Het nog belangrijkere voordeel van het streepraster is dat hiermee in één productiestap laserdiodes met verschillende uitgangsfrequenties tegelijk op een halfgeleiderwafer kunnen worden gemaakt“, legt Heermeier uit. Hiervoor worden tijdens het etsproces meerdere geometrische parameters van het streepraster variabel gemaakt, afhankelijk van de diode: de dikte van de rasterbalken, de onderlinge afstand en de diepte van de ingesneden groeven daartussen. „Deze flexibiliteit hebben we niet bij het aanbrengen van de spiegellagen, omdat deze over de hele wafer moeten groeien en daarmee de eigenschappen voor alle laserdiodes uniform vastleggen.“

Om de nieuwe micro-lasers met hun individuele eigenschappen nauwkeurig te kunnen vervaardigen, is een uiterst hoge precisie vereist: minder dan vijf nanometer mag afwijken van de nominale maat. Vergeleken met de afstand van de aarde tot de maan van bijna 400.000 kilometer zou dit overeenkomen met een maximale afwijking van twee meter. Deze prestatie werd mogelijk gemaakt door een in het vakgebied aanwezige elektronenstrahl-lithografiesysteem, dat met middelen van de Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) en de TU Berlin is aangeschaft en dat door de onderzoekers in een complex proces op hun taak moet worden aangepast.

Toepassingen voor datacenters, autonoom rijden en optische computers

Naast de toepassing in datacenters voor efficiënte signaalkoppeling in glasvezelverbindingen, zouden de micro-lasers ook kunnen worden gebruikt voor de zogenaamde LIDAR-technologie (Light Detection and Ranging), die afstanden meet met behulp van laserstralen en bijvoorbeeld een grote rol speelt bij autonoom rijden. Hier leveren opstellingen met laserdiodes van verschillende golflengten – zoals die met de nieuwe methode gemakkelijk kunnen worden vervaardigd – een veel betere resolutie.

De nieuwe VCSEL-diodes zouden ook een belangrijke bouwsteen kunnen worden voor de hardware van de zogenaamde neuromorfe computers met optische processoren, die de groep van Stephan Reitzenstein samen met collega’s aan de universiteiten van Berkeley en MIT in Boston ontwikkelt. Deze computers zijn opgebouwd volgens het principe van het menselijk brein en werken in plaats van met elektrische schakelingen met optische componenten en licht als informatiedrager. Vaak komt dit licht van een opstelling van meerdere laserdiodes op de optische chip. „Het is daarbij belangrijk dat de golflengte van het licht uit de laserdiodes exact gelijk is. Zelfs kleinste afwijkingen in de productie kunnen echter leiden tot verschillende golflengten“, legt Stephan Reitzenstein uit. Met de nieuwe methode zou het mogelijk zijn om na de productie van de optische chip de golflengten te meten en vervolgens door achteraf ingebrachte rasterstructuren precies op elkaar af te stemmen.

Op weg naar de ultracompacte laserdiode

Ook voor fundamenteel onderzoek zijn de nieuwe micro-lasers interessant, omdat de onderzoekers van de samenwerkende werkgroep in Polen in conventionele VCSEL-diodes voor het eerst de exotische kwantumtoestand van een „Bose-Einstein-condensaat“ met lichtdeeltjes konden realiseren. Deze fenomenen kunnen nu met de nieuwe, eenvoudiger instelbare laserdiodes nauwkeuriger worden bestudeerd.

„De volgende stap zal zijn om ook de onderste spiegellagen van de nieuwe VCSEL-diodes te vervangen door een tweede streepraster“, zegt Reitzenstein. Daarmee zou het apparaat nog compacter en sneller te produceren zijn. „Deze taak is echter veel complexer, omdat dan het draagmateriaal van de diode aan de onderkant moet worden verwijderd.“ Vanuit het perspectief van Stephan Reitzenstein krijgt het nieuwe „Center for Integrated Photonics Research“ (CIPHOR) als centraal onderdeel van het nieuwe experimentele natuurkundegebouw op de oost-campus van de TU Berlin een bijzondere betekenis. Dit zal vanaf 2028 worden gerealiseerd en met uitstekend uitgeruste cleanrooms nieuwe fabricagemogelijkheden openen.