... geeignete Laser für die optische Datenübertragung und neuartige Laserdisplays zu entwickeln
Wenn Daten mit Licht übertragen werden oder zukünftig Displays hochbrillante Bilder in neuartiger Qualität liefern, dann haben diese Anwendungen etwas gemeinsam: Sie basieren auf leistungsstarken Diodenlasern. Im Rahmen des europäischen Forschungsprojektes „WWW.BRIGHTER.EU“ arbeitet das Ferdinand- Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) gemeinsam mit 22 Partnern an der Entwicklung von Diodenlasern für diese neuartigen Anwendungen. Das Projekt vereint sowohl führende europäische Forschungseinrichtungen als auch Unternehmen der Lasertechnologie, um neue Anwendungsbereiche für die winzigen Halbleiterchips zu erschließen und deren industrielle Nutzung vorzubereiten.
Das EU-Projekt läuft seit Oktober 2006 als Folgeprojekt von zwei vorangegangenen Projekten (ULTRABRIGHT, WWW.BRIGHT.EU) und kann bereits zahlreiche ausgezeichnete Ergebnisse vorweisen. So hat das FBH einen neuartigen Diodenlaser entwickelt, der als Schlüsselbauelement in Laserdisplays und bei der optischen Freiraumkommunikation eingesetzt werden kann. Bislang standen dafür nur sehr teure, großvolumige Laser mit der erforderlichen Leistung zur Verfügung. Der Vorteil der auf Lasertechnologie basierenden Displays sind gestochen scharfe Bilder mit einer hohen Brillanz und einer ausgezeichneten Bildqualität. Die optische Freiraumkommunikation wird unter anderem dort bevorzugt, wo hochbitratige Verbindungen gefragt sind und Glasfaserkabel entweder nicht vorhanden (Raumfahrt) oder zu teuer sind.
Für beide Anwendungen werden Laser benötigt, die Licht mit hoher Strahlqualität und Leistung bei einer einzigen Wellenlänge im Bereich um 1060 Nanometer (nm) aussenden. Zugleich muss die Herstellung der Diodenlaser einfach und kostengünstig sein. Daraus ergeben sich für die Forscher besondere Herausforderungen. Besonders anspruchsvoll ist es, die benötigte hohe Wellenlängenselektivität mit den derzeitigen Standards der III/ V-Halbleitertechnologie zu erreichen. In den Halbleiterchip muss dazu eine Struktur mit periodischer Variation im Sub-Mikrometer- Bereich, ein so genanntes Bragg-Gitter (siehe Abb.1), als Resonatorspiegel eingebracht werden. Damit kann aus der Vielzahl möglicher Wellenlängen genau eine herausgefiltert werden. Zugleich soll das Gitter möglichst viel Licht in den Resonator zurück reflektieren, also einen hohen Reflexionskoeffizienten besitzen.
Dem FBH ist es gelungen, die Struktur mit den gewünschten Eigenschaften von der Oberfläche eines weitgehend prozessierten Halbleiterwafers in die Schichtstrukturen einzubringen. Anstelle aufwändiger holografischer oder Elektronenstrahl-Belichtungsverfahren nutzt das Ferdinand-Braun-Institut dafür die wesentlich produktivere, industriekompatible Projektionslithografie mit einem Waferstepper. Diese Anlage ermöglicht die kostengünstige Fertigung. Die wissenschaftlich- technologische Herausforderung besteht vor allem darin, das Gitter-Design an die für die Bearbeitung im Waferstepper erforderlichen großen Gitterperioden anzupassen – ohne Abstriche beim Reflexionsvermögen des Bragg-Gitters zu machen.
Für Oberflächengitter gibt es nicht nur vielfältige Designs und Herstellungsverfahren, sie sind auch schwierig zu simulieren. Um schnell genug zu den gewünschten Resultaten zu kommen – nicht zuletzt, um die Spitzenstellung des FBH bei Diodenlasern zu halten –, waren aufwändige Simulationen daher unumgänglich. Wegen der einfachen Prozessierung kamen keine „einfachen“ Gitter infrage, sondern ausschließlich Gitter höherer Ordnungen. So wurde für das Design des Oberflächengitters mit hohem und reproduzierbar herstellbarem Reflexionsvermögen schließlich ein Simulationsprogramm mit einer dem mathematischen Problem angepassten numerischen Methode (Mode-Matching) gewählt. Diese Methode ermöglicht es, mit relativ geringem Zeitaufwand, den Reflexionskoeffizienten des Gitters und verschiedene Designparameter zu simulieren. Dazu gehören insbesondere die Tiefe des Gitters und das Verhältnis der Breite des ungeätzten Bereiches zur Gitterperiode (Tastverhältnis). Ein Ergebnis dieser Simulation ist in Abb. 2 dargestellt. Man erkennt, dass lediglich in einem sehr engen Bereich des Tastverhältnisses um 90 Prozent ein großer Reflexionskoeffizient erreicht werden kann.
„Die heute mit unserem Trapezlaser erreichten Werte sind nur Dank der ausgefeilten Simulationen möglich, die uns ganz genau gezeigt haben, wie wir das Design und die Prozesse optimal aufsetzen müssen“, sagt der Leiter des EU-Projektes am FBH, Bernd Sumpf. Gut vier Wochen lang wurden dazu Simulationen mit den verschiedenen Parametern durchgeführt, Ergebnisse ausgewertet und Werte angepasst. Die im Projekt vorgegebene Ausgangsleistung von drei Watt bei gleichzeitig sehr guter Strahlqualität konnte bereits vor dem gesetzten Meilensteintermin erreicht werden. Inzwischen liegen auch schon die ersten positiven Ergebnisse der Projektpartner vor. Nach einer sehr kurzen, nur 3-wöchigen Testphase hat die University of Cambridge mit dem FBH-Laser bereits ausgezeichnete Ergebnisse bei der Demonstration des Einsatzes in der optischen Datenübertragung erzielt und diese publiziert. Ähnliche Ergebnisse sind laut Bernd Sumpf auch vom dänischen Projektpartner RISOE National Laboratory zu erwarten, das die Laser für die Displaytechnologie derzeit testet.
