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TU Berlin

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Nanophotonik

Im diesem Themenbereich erforschen wir den Einsatz von Halbleiternanostrukturen in neuartigen photonischen Bauelementen. Hierzu gehören modengekoppelte Laser, Halbleiterverstärker, vertikal emittierende Laser, Emitter einzelner und verschränkter Photonen auf Quantenpunktbasis für Datenkommunikation und -kryptographie. Ein weiterere Schwerpunkt liegt in der Entwicklung spezieller synchronisierbarer Femtosekunden-Lasersysteme für Komponenten in zukünftigen THz Datennetzen und -bussen.

Kantenemitter

Halbleiterlaser mit Quantenpunkten

Abbildung 1: Schematischer Querschnitt eines Kantenemitters.
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Für optische Datenübertragung werden zwei Typen von Lasern benutzt: Kantenemitter und Oberflächenemitter. Kantenemitter sind einfacher herzustellen und haben meist eine grössere optische Ausgangsleistung als Oberflächenemitter, aber sie erfordern eine Zerlegung des Halbleiterausgangsmaterials, des Wafers, in mm2-grosse Stücke, die einzelnen Laserdioden. Das macht das Testen und den Einbau dieser Bauelemente in Module teurer.

Die Schichtstruktur der Laserdiode wird epitaktisch gewachsen (à MOCVD) unter Verwendung verschiedener Halbleitermaterialien. Sie muss zwei wesentliche Aufgaben erfüllen: sie sollte Licht führen („optischer Wellenleiter“) als auch einen p-n-Übergang für die Injektion und die Rekombination elektrischer Ladungsträger darstellen. Die Standardstruktur, welche diese Aufgaben erfüllt, ist die Doppel-Heterostruktur (Nobelpreis 2000, Prof. Zh. Alferov) mit separater optischer Wellenführung. In der aktiven Zone des Halbleiterlasers sind die Quantenpunkte eingebaut.

Bei Kantenemittern werden die Spiegel, welche die Laserkavität begrenzen, im einfachsten Fall durch Brechen des Halbleiterwafers entlang einer Kristallachse erzeugt. Die Reflektivität dieser Kristallfacetten hängt vom Brechungsindex des Halbleitermaterials ab und beträgt bei GaAs ca. 32 %. In manchen Fällen werden die Facetten zusätzlich mit hochreflektierenden oder Antireflex-Schichten versehen.

Direktmodulierte Laser

Abbildung 3: Prinzip der digitalen optischen Datenübertragung mit einem direktmodulierten Laser.
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Zur Übertragung digitaler Daten in Glasfasernetzwerken müssen digitale elektrische Signale in digitale optische Signale (Lichtpulse) umgesetzt werden. Dieser grundlegende Prozess findet meist in einem Halbleiterlaser oder einer Halbleiter-LED statt. Abbildung 3 zeigt schematisch das elektrische Signal (links) und das entstandene optische Signal (rechts). Die Modulation erfolgt hierbei direkt über die Stromversorgung der Laserdiode.

Modengekoppelte Quantenpunkt-Halbleiterlaser (Erzeugung kurzer Pulse)

Abbildung 4: Methoden zur Kurzpulserzeugung mit Halbleiterlasern.
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Abbildung 5: Prinzip der optischen Datenübertragung mit einem modengekoppelten Laser.
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Es gibt eine Reihe sich gegenseitig ergänzender Methoden zur Erzeugung kurzer optischer Pulse (ps - fs) mit Halbleiterlasern (HLL), wie in Abbildung 4 gezeigt.

Die Güteschaltung (Q-Switching, QS) basiert auf gezielter Änderung der Kavitätsverluste (Güte, „Q“) der Laserdiode nach dem elektrischen Pumppuls. Dies kann zum einen durch eine sättigbare Absorbersektion (passives QS) oder durch eine extern angesteuerte Verlustsektion (z.B. eine elektrisch gesteuerte Absorbersektion, aktives QS) realisiert werden. Die plötzliche Absenkung der Kavitätsverluste führt dazu, dass die Laserdiode die Laserschwelle überschreitet und ein kurzer optischer Puls emittiert wird, dessen Länge u.a. von der Zahl der in der Laserdiode gespeicherten Ladungsträger abhängt.

Modenkopplung basiert auf der phasenstarren Kopplung der longitudinalen Moden einer Laserdiode und der daraus folgenden Erzeugung einer modalen Interferenz, welche einen Zug schmalster optischer Pulse ergibt. Aktive Modenkopplung wird mit Hilfe externer elektrischer Modulation erzielt. Passive und hybride Modenkopplung erfordern eine Absorbersektion (elektrisch ansteuerbar), ähnlich wie beim Q-Switching.

Für hochbitratige Datenübertragung werden optische Kurzpulsquellen als optische Kammgeneratoren für den Frequenzbereich ab 5 GHz verwendet. Hierzu wird einem modengekoppelten Laser ein Modulator nachgeschaltet und damit der elektrische Datenstrom in einen optischen transferiert. (siehe Abb. 5)

Die Datenübertragungsrate hängt hierbei von der Modenkopplungsfrequenz des Lasers ab. Für Anwendungen wie Zeitbereichs- und Wellenlängenmultiplexen spielt zu dem die Kürze der optischen Pulse, deren zeitliche Stabilität (Jitter) sowie ihre spektrale Breite eine entscheidende Rolle.

Mit modengekoppelten Lasern können prinzipiell optische Pulsbreiten im Bereich unter 1 ps realisiert werden. Um die Effekte der Dispersion in Glasfasern und die gegenseitige Beeinflussung verschiedener Wellenlängenkanäle zu minimieren, werden „fourierlimitierte“ optische Pulse angestrebt. In diesem Fall ist das Produkt der spektralen Breite des Pulses und seiner zeitlichen Länge, durch die Wellennatur des Lichtes miteinander verknüpft, minimal.

Modengekoppelte Laser sind sehr gut geeignet für Anwendungen, die optische Pulsbreiten im Pikosekundenbereich mit hohen Wiederholraten ab 5 GHz benötigen.

Gegenüber modengekoppelten Lasern bieten Laser im Q-Switch-Betrieb den Vorteil einer variablen Wiederholrate. Allerdings liegen die minimalen erreichbaren Pulsbreiten deutlich über denen für die Modenkopplung.

Optische Verstärker

Schematische Darstellung eines Quantenpunkt-SOA mit Glasfaserkopplung.
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Optische Verstärker  werden zur Verstärkung kontinuierlicher als auch dynamischer optischer Signale verwendet. Es gibt verschiedene Typen von optischen Verstärkern z. B. basierend auf dotierten Glasfasern (Erbium dotierte optische Verstärker, engl. EDFA) oder auf Halbleitermaterialen.

Optische Halbleiterverstärker (engl: semiconductor optical amplifier, SOA) zeichnen sich insbesondere durch ihre geringe Größe und ihre kostengünstige Produktion aus, außerdem sind sie leicht mit anderen opto-elektronischen Komponenten integrierbar. Insbesondere für den Einsatz im so genannten O-Band (1260 nm bis 1360 nm) sind kaum kommerziell erhältliche und kostengünstige Alternativen zu SOAs vorhanden.

Ein SOA ist ähnlich wie ein Halbleiterlaser aufgebaut. Das Halbleitergewinnmaterial wird elektrisch gepumpt, um durch stimulierte Emission Verstärkung zu erzielen. Durch spezielle Prozessierung des Materials kann erreicht werden, dass das Licht in einem Wellenleiter geführt wird.

Der Unterschied zum Laser liegt  nun darin, dass im Idealfall kein Resonator vorhanden ist und das lasing somit unterdrückt wird. Wird nun von außen Licht in den SOA eingekoppelt, wird dies während nur eines Durchgangs durch den SOA verstärkt (stimulierte Emission), ohne dass eine Rückkopplung durch Reflexion an den Facetten stattfindet (Wanderwellenverstärker, engl. travelling wave amplifier). Die Unterdrückung des Resonators wird praktisch durch Entspiegelung der Facetten erreicht, die Lichtinjektion erfolgt mittels spezieller Glasfasern (engl. taper). Diese werden ebenfalls dazu benutzt, um das verstärkte Licht nach dem SOA wiederum in eine Glasfaser zu koppeln.

Ein Einsatzgebiet für SOAs stellen optische Datenkommunikationsnetze dar. Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung für z. B. Internetanwendungen findet heutzutage in der Regel optisch über Glasfasernetzwerke statt. Dabei werden im Wesentlichen zwei Wellenlängenbänder bei 1,3 µm und bei 1,5 µm verwendet, die im Bereich des Dispersionsminimums bzw. des Absorptionsminimums herkömmlicher Glasfasern liegen.

In dieser Gruppe werden SOAs für den Wellenlängenbereich um 1,3 µm untersucht, die in kurzreichweitigen Metropolitan Area Networks und Access Networks eingesetzt werden sollen. Diese Netzwerke bestehen vereinfacht aus einem Sender, eventuell mehreren Teilern, um verschiedene Empfänger zu erreichen, den Empfängern und den zwischengeschalteten Verstärkern.

Laser mit hoher Brillianz

Verlauf des Brechungsindex eines PBC-Wellenleiters (links). Der rechte Teil zeigt ein elektronenmikroskopisches Bild einer epitaktisch gewachsenen Laserstruktur.
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Modellliertes Nahfeld eines Laser-Barrens aus 9 Einzelemittern
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Laser haben heutzutage ein vielfältiges Einsatzspektrum, dessen Anwendungsfelder sich beständig ausdehnen. Aufgrund ihrer anderen Lasertypen überlegenen Eigenschaften wäre es wünschenswert, weitere Bereiche der Laseranwendungen mittels Laserdioden abdecken zu können. Insbesondere bei Hochleistungsbetrieb steht dem jedoch bisher noch die nicht ausreichende Strahlqualität heutiger Hochleistungsdiodenlasermodule entgegen, die aus einzelnen oder mehreren multimodig emittierenden Breitstreifenlasern bestehen. Barren aus Breitstreifenlasern erreichen bereits Ausgangsleistungen von über 100 Watt pro Barren, wobei die Strahlqualitäten besonders in lateraler Richtung mit Strahlparameterprodukten um 500 mm*mrad sehr gering sind.

Für viele Anwendungen ist jedoch neben hoher absoluter Ausgangsleistung eine hohe Brillanz unabdingbar. Insbesondere direkte Anwendungen wie Schweissen, Schneiden und Bohren werden erst durch eine hohe Brillanz, und damit eine gute Fokussierbarkeit des Laserstrahls, ermöglicht. Eine maximale Brillanz und damit eine optimale Fokussierbarkeit bei gegebener Leistung erreicht man durch grundmodige Emission des Bauelements mit einem gaußförmigen Strahlprofil, jede Abweichung von der Gaußform führt dagegen zu einer Verbreiterung des Strahls.

Schmalstreifenlaser, bei denen der Laserstreifen so schmal ist, dass keine höheren Moden anschwingen können, liefern grundmodige Emission. Hier ist jedoch die maximale Ausgangsleistung durch das Auftreten von katastrophalem optischen Spiegel-Schaden aufgrund einer zu hohen optischen Leistungsdichte an der Facette limitiert. Die Vergrößerung des optischen Feldes durch eine einfache Verbreiterung des Wellenleiters kann jedoch zum Anschwingen höherer Moden führen, was direkt zu einer Verringerung der Brillanz führt. PBC-Lasern (PBC: Photonic Band Crystal, photonische Bandstruktur) besitzen dagegen einen in vertikaler Richtung sehr breiten Wellenleiter und damit eine sehr große Ausdehnung des vertikalen Nahfeldes, wodurch sich sowohl extrem schmale Fernfelddivergenzen und insbesondere runde Strahlprofile als auch sehr hohe Gesamtausgangsleistungen erzielen lassen. Das Anschwingen höherer vertikaler Moden wird dabei durch das Wachstum von sich abwechselnden Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex im Wellenleiter unterdrückt wird, die als photonischer Kristall wirken. PBC-Laser zeigten daher bisher extrem schmale vertikale Strahldivergenzen bis zu 5° sowie sehr hohe einmodige Ausgangsleistungen von bis zu 10.7 W im Pulsbetrieb.

 

 

Oberflächenemitter

VCSEL

Abbildung 2: Simulation eines Feldes von VCSELn. Die unteren und oberen Bragg-Spiegel sind deutlich zu erkennen.
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Ein „vertical cavity surface emitting laser“ (VCSEL) ist, wie der Name schon sagt, ein Oberflächenemitter. VCSEL-Strukturen besitzen unter- und oberhalb der aktiven Zone Braggspiegel, durch die die Kavität definiert wird. Die Kontaktierung erfolgt von oben, wodurch die Herstellung ohne Brechen des Wafers auskommt und große Stückzahlen parallelel gefertigt werden können.

 

QP-Laser zeichnen sind durch ihre einzigartigen Eigenschaften aus:

  • extrem niedrige Schwellstromdichten
  • verringerte Temperaturabhängigkeit des Schwellstroms
  • erhöhte Strahlungsresistenz und unterdrückte Facettendegradation
  • reduzierter alpha-Faktor
  • vollständige Unterdrückung der Filamentation der transversalen Grundmode
  • Stabilitätsverbesserung hinsichtlich externer optischer Rückkopplung

 

Gegenwärtig beinhalten konventionelle Hochfrequenz-Lasermodule mit Faseranschluss eine Temperaturstabilisierung der Laserdiode mittels eines Peltierkühlers, eines am Ort der Diode befindlichen Temperatursensors und einer externen Regelung / Stromversorgung. Durch die verringerte Temperaturempfindlichkeit des Schwellstroms von Quantenpunktlasern im Bereich von -40°C bis 80°C kann u.U. auf eine solche Stabilisierung und damit auf die genannten Baugruppen verzichtet werden. Das senkt die Modulaufbaukosten und den Stromverbrauch des Moduls.

Einzelphotonenemitter

Abb.7: Ein EPE, dessen Struktur auf dem VCSEL-Konzept aufsetzt. Über eine strompfadbegrenzende Apertur oberhalb eines QPes wird der Einzel-QP-Betrieb realisiert.
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Eine wesentliche Verbesserung der Sicherheit bei der Übertragung von Daten stellt derzeit eine der wichtigsten Herausforderungen der Kommunikationsbranche dar. Aktuelle „sichere“ Übertragung basiert auf dem Einsatz von starken Verschlüsselungsalgorithmen, wobei die Schlüssel im Klartext und über konventionelle Kanäle verbreitet werden. Dadurch sind heimliche Lauschangriffe möglich. Gleichzeitig halten aufgrund von steigender Rechenleistung und effizienteren Algorithmen die Entschlüsselungsverfahren damit Schritt. Die einzig sichere Lösung besteht in der Realisierung von quantenkryptographischen Übertragungsverfahren. Die Quantenkryptographie ist herkömmlichen Verschlüsselungstechnologien weit überlegen, da sie theoretisch absolute Abhörsicherheit gewährleistet. Von daher besteht der Bedarf an kleinen, kompakten, effizienten quantenkryptographischen Geräten, die plug-and-play fähig sind.  Das zentrale Bauelement einer quantenkryptographischen Sendeeinheit ist ein Einzelphotonenemiiter (EPE) mit definierter Polarisation der Photonen. Bezüglich der Polarisationseigenschaften sind zwei unterschiedliche Ansätze erfolgsversprechend: Zum einen einzelne Photonen mit definierter linearer Polarisation und zum anderen Kaskaden von zwei polarisationsverschränkten Photonen. Zentrales Element eines EPE ist ein quantisiertes System mit diskreten Energieniveaus. Hierfür kommen z.B. isolierte Atome, Moleküle oder Quantenpunkte in Frage. Quantenpunkte bieten dabei entscheidende Vorteile: Im Gegensatz zum isolierten Atom, lassen sich die diskreten Energieniveaus eines Quantenpunktes auch nicht-resonant anregen. Eingebettet in eine geeignete Halbleiterstruktur lässt sich somit eine elektrisch betriebene Struktur realisieren.

Der am weitesten verbreitete Ansatz eines HL-SPEs ähnelt stark einer VCSEL-Struktur und ist in Abb. 3 dargestellt. Der Unterschied zum VCSEL besteht nun darin, dass nicht möglichst viele sonder nur EIN QP zur elektrisch getriggerten Einzelphotonenemission beitragen soll. Eine mögliche Realisierung davon besteht im Einsatz einer Strompfadbegrenzung (Abb. 7), so dass nur ein einzelner QP elektrisch gepumpt wird.

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