21.06.2004 - DIODENLASER

Laser hinter Gittern

TSB-Preis für die Entwicklung von Hochleistungslaserdioden

Klaus Oberzig

DFB-Laser Bild: FBH/Schurian

Lasergeräte können mit einer Technologie, die von Forschern des Ferdinand-Braun-Instituts für Höchstfrequenztechnik (FBH) in Berlin-Adlershof entwickelt wurde, wesentlich präziser und kostengünstiger als bisher hergestellt werden. Das Verfahren, das bereits auf grosses Interesse der Industrie trifft, erhielt am 21. Juni 2004 den mit 10.000 Euro dotierten "Transferpreis WissensWerte" des TSB Förderverein Technologiestiftung Berlin e.V., der in diesem Jahr zum zweiten Mal verliehen wurde.

Ebenso wie die Informationstechnik, deren  Computer von saalgroßen Elektronengehirnen heute zu mikroskopisch kleinen Prozessoren geschrumpft sind, hat sich auch die Lasertechnik immer weiter miniaturisiert. Derzeit verbreiten sich Halbleiter-Laser und  Laserdioden mit großer Dynamik in vielen Anwendungsbereichen und bereiten damit den Übergang vom Zeitalter des Elektrons zum Jahrhundert des Photons. Der Laser, das gebündelte Licht, erweist sich als innovativer Tausendsassa in den unterschiedlichsten Feldern, von der Informations- und Kommunikationstechnik bis zur Unterhaltungselektronik und Messtechnik.

Das Ferdinand-Braun-Instituts für Höchstfrequenztechnik (FBH) forscht über die Grundlagen neuartiger Halbleiterlaserdioden, insbesondere auf der Basis von Galliumarsenid (GaAs). Eine dieser Dioden kommt im so genannten „Distributed Feedback Laser“ (DFB-Laser) zum Einsatz. Aufgrund seiner stabilen Wellenlänge und schmalen Linienbreite wird der DFB-Laser vor allem in der Messtechnik (Zeit- und  Längenmesstechnik) sowie in der Sensorik (Spektroskopie-Nachweis von Stoffen) eingesetzt.

Bisher gab es im Wesentlichen zwei Klassen von Diodenlasern. Die einen sind hochbrilliant, das heißt, sie strahlen in einem genau definierten Wellenlängenbereich mit hoher Strahlqualität, haben aber eine geringe Ausgangsleistung von nur einigen tausendstel Watt (mW). Die andern haben weitaus mehr Power (einige Watt), besitzen jedoch nur eine geringere Strahlqualität und spektrale Bandbreite. Der DFB-Laser aus dem Adlershofer FBH erreicht nun eine Leistung von mehr als 0,4 Watt. Laser in CD-Playern haben z.B. eine Leistung von 0,002 bis 0,005 Watt. Der neue DFB-Laser weist überdies eine enorme Brillianz auf. Dies ist entscheidend für Anwendungen in der Telekommunikation wie auch in der Materialanalyse.

Die Ausgangsleistung und die Brillianz konnten erhöht werden, weil es im FBH gelang, periodische Strukturen mit zirka 200 Nanometer Länge, sogenannte Bragg-Gitter, in Hochleistungsdiodenlaser zu integrieren. Ein solches Gitter sieht aus wie Ackerfurchen, allerdings unvorstellbar kleine Ackerfurchen. Zweihundert Furchen nebeneinander sind nur so breit wie der Durchmesser eines einzelnen Haares. Die neue Technologie beruht auf dem exakt definierten kristallinen Schichtwachstum unterschiedlicher Kristallmaterialien im Nanometer-Bereich. In diese Schichten wird das Bragg-Gitter geätzt und in einem zweiten Schritt überwachsen, wie eine Schneedecke, die de Furchen bedeckt.

Genau dieser zweite Schritt konnte durch die neuen Schichtstrukturen qualitativ so gut ausgeführt werden, dass die hohen Leistungen auch mit großer Zuverlässigkeit gepaart sind. Der neue Laser erzeugt brillantes Licht mit gleichsam fein justierbaren Wellenlängen von 760 bis 980 Nanometer (rotes bis infrarotes licht). Die Unschärfe der Wellenlänge ist so gering, dass die Wellenlänge auf 7 Stellen hinter dem Komma angegeben werden kann. Bei geringen Schwankungen der Stromversorgung und der Umgebungstemperatur lassen sich diese Werte voraussichtlich noch weiter verbessern.

Die Erfindung der FBH-Forscher, schon 2001 zum Patent angemeldet, wurde von einem Spin-off-Unternehmen des Instituts, dem Adlershofer Unternehmen eagleyard Photonics GmbH, zur Marktreife weiter entwickelt. Das Adlershofer Unternehmen, das sich auf die Produktion von Halbleiterlaserdioden spezialisiert hat, war im Mai 2002 gegründet worden und arbeitet heute mit 11 Beschäftigten. Das Unternehmen will das Komponentengeschäft in Zukunft ausweiten, indem es das Angebot an verfügbaren Wellenlängen erweitert und die optische Leistung erhöht. Damit soll der Umsatz bis 2005 auf mehr als 1,5, Mio € erhöht werden.

Eagleyard ist nicht die einzige Firma, die im Umfeld des FBH entstanden ist.  Mittlerweile gibt es einen Cluster von sechs Start-up-Firmen, die unmittelbar von den Technologien des zur Leibniz-Gemeinschaft gehörenden Instituts profitieren. Diese Start-ups sind entweder eigene Ausgründungen aus dem Institut oder haben sich wegen der Synergieeffekte, die sich aus der unmittelbaren Nachbarschaft des Institutes ergeben, für den Standort Berlin-Adlershof entschieden. „Unser Transfer-Modell funktioniert“, bestätigt FBH-Direktor Günther Tränkle. „Der Ansatz ist, herausragende Forschungsergebnisse zu produzieren, die in einem zweiten Schritt kommerziell nutzbar sind."  

Mehr im Internet:
Ferdinand-Braum-Institut für Höchstfrequenztechnik Berlin (FBH)
eagleyard Photonics Berlin