Technische Physik

Der Wissenschaftler und sein Team verändern die Nanostrukturen mit atomarer Präzision, um die weltumspannenden Datenströme zu beschleunigen.

Der weltweite Datenstrom schwillt an. Immer schneller sollen immer mehr digitalisierte Informationen rund um den Globus gesandt werden. War vor wenigen Jahren ein ISDN-Anschluss noch eine Besonderheit, wird der DSL-Anschluss heute zum Standard. Diesen steten Wandel hin zum „immer mehr und immer schneller“ treibt Professor Dr. Johann Peter Reithmaier voran. Er ist Direktor des Instituts für Nanotechnologie und Analytik (INA), Leiter der Technischen Physik an der Universität Kassel und Mitglied im Center of Interdisciplinary Nanostructure Science and Technology (CINSaT). In der Forschung auf dem Weg zum „photon on demand“ setzt er Meilensteine.

Zusammen mit seinen Mitarbeitern und Studenten erzeugt und verändert er Nanostrukturen in verschiedenen Materialien, wie zum Beispiel Silizium (Si), Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphid (InP) oder auch Diamant und Graphit. Reithmaier will vor allem die optischen Eigenschaften dieser Materialien für Anwendungen in der Informationstechnologie, Telekommunikation oder Sensorik beeinflussen, indem die Wissenschaftler die Geometrien der Nanostrukturen oder die Komponenten der Bauteile mit atomarer Präzision zum Beispiel in Länge, Höhe und Breite verändern, ohne die chemischen oder physikalischen Eigenschaften der Materialien zu verändern. Reithmaier entwickelt zum Beispiel Halbleiter-Laser aus diesen neuartigen nanostrukturierten Materialien, welche Daten – übersetzt in optische Signale – zehn Mal schneller als bisher übermitteln können, oder optische Verstärker, die mehrere Wellenlängen gleichzeitig verstärken können. Er arbeitet an neuartigen temperaturstabilen Hochleistungslasern zum optischen Pumpen von Glasfaserlasern, die ohne Kühlung auskommen, sowie von Lasern, die in der Gassensorik eingesetzt werden können. Reithmaier entwickelt schließlich auch ultimativ miniaturisierte Lichtemitter, die auf Verlangen nur noch ein einzelnes Lichtteilchen (Photonen) aussenden und in der Quantenkryptographie oder Quanteninformationsverarbeitung eingesetzt werden
sollen.

Reithmaier sieht Breitbandkommunikationsnetze auf der Basis von optischen Glasfaseranschlüssen und Wellenlängenmulitplexverfahren kommen, die lokale Netzwerke in Häusern, Unternehmen oder Institutionen erschließen werden, und optoelektronische Wellenlängenfilter, welche die elektronische Post zielgenau ihren Adressaten erreichen lassen (vgl. Bild 1). Entsprechende Konzepte wurden bereits vor einigen Jahren entwikkelt, jedoch fehlen noch Komponenten, die eine kostengünstige Implementation der hochbitratigen Systeme mit zum Beispiel 10 GBit / s für den Endverbraucher ermöglichen. Nanostrukturierte optische Materialien, sagt Reithmaier, haben das Potential, durch zusätzliche Freiheitsgrade in der Herstellung neuartige Eigenschaften oder die Kombination von verschiedene  Eigenschaften überhaupt erst oder wesentlich kostengünstiger realisieren zu können. Er zielt damit auf die Erschließung zukünftiger Massenmärkte in optischen Technologien.

Mit dem exponentiellen Wachstum der Datenströme wachsen die Anforderungen an die Netze in den Haushalten und Unternehmen, aber auch jene, die an die „Backbone“-Netze gestellt werden, denn die Daten müssen die Meere überspringen, um die Kontinente zu erreichen. Schon vor dem jüngsten Jahrtausendwechsel hatten die Fachleute erkannt, dass es nicht genügte, die Technologie des Datentransfers zu verbessern, sondern dass es einer neuen Technik bedurfte. „Wavelength Division Multiplexing“ (WDM), das Wellenlängenmultiplexverfahren, wurde entwickelt. Statt Licht aus einem modulierenden Laser mit nur einer Wellenlänge durch ein Glasfaserkabel zu schicken, um das optische Signal (Licht an / Licht aus) am anderen Ende der Leitung wieder in ein elektrisches umzusetzen, wurde Licht verschiedener Wellenlängen verwandt. Die Information wurde auf verschiedene Wellenlängen-Kanäle verteilt. Die Lichtsignale störten sich untereinander nicht. Die Übertragungskapazität stieg innerhalb weniger Jahre um den Faktor 1000 auf 10 Terabit je Sekunde und überstieg im Jahr 2000 den Bedarf bei weitem.

Den Wissenschaftlern stellte sich die Herausforderung, optoelektronische Bauelemente, wie Laser und optische Verstärker, zu entwickeln, die eine große Bandbreite von Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen generieren oder verstärken konnten. Bisher wurde in solchen Systemen für jede verwendete Wellenlänge ein individueller Laser eingesetzt und für jedes Frequenzband ein speziell abgestimmter optischer Verstärker. Das ließ die Systeme sehr teuer werden. Reithmaier arbeitete mit seiner Forschergruppe noch am Mikrostrukturlabor der Universität Würzburg sowie in Kooperation mit europäischen Universitäten und Industriefirmen im Rahmen eines internationalen EU-Projektes, das er koordinierte, als er begann, ein künstliches nanostrukturiertes Halbleitermaterial zu entwickeln, das die optische Verstärkungsbandbreite um den Faktor sechs von bisher 50 bis auf 300 Nanometer vergrößerte. Mit diesem neuartigen Material kann der infrarote Spektralbereich mit einer Wellenlänge von 1,4 bis 1,7 Mikrometer abgedeckt werden. Damit könnten die meisten in der optischen Telekommunikation eingesetzten Wellenlängen mit einem Material generiert oder verstärkt werden.

Dieses „optisch aktive Material“ kann Basis für eine Leuchtdiode, einen Halbleiter-Laser und einen optischen Verstärker sein. Das Prinzip ist stets dasselbe: Eine Spannung wird angelegt und Elektronen durchfließen das Material. In den Quantenpunkten rekombinieren Elektronen und Löcher und setzen damit Energie frei. Während eine Leuchtdiode Licht vieler Wellenlängen in alle Richtungen abgibt, erzeugt ein Laser kohärentes, gerichtetes, monochromatisches Licht. Um das Licht zu verstärken, wird es im Laser mehrfach durch das verstärkende Material geleitet. Dies geschieht zum Beispiel durch zwei Spiegel, die gegenüberliegend das aktive Material umgeben und einen optischen Resonator bilden (vgl. Bild 5). Auch Gitterstrukturen, die nötig sind, um nur Licht einer bestimmten Wellenlänge passieren zu lassen, vermögen die Funktion der Spiegel zu übernehmen (vgl. Bild 6).

Ein weiteres Problem der Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung mit vielen Wellenlängen ergibt sich durch die Notwendigkeit, ab einer bestimmten Wegstrecke die Signale wieder verstärken zu müssen. Dies wird momentan über Glasfaserverstärker bewerkstelligt. Dazu werden speziell dotierte Glasfasern optisch mit Halbleiterlasern gepumpt. Für eine Wellenlänge benötigt man typischerweise einige 10 bis 100 mW. Bei der parallelen Übertragung von 100 Wellenlängen multipliziert sich dies hoch auf eine optische Pumpleistung von mehr als 10 W. Diese Hochleistungspumpmodule benötigen jedoch eine genaue Temperaturkontrolle, da sonst die Wellenlänge wegdriftet und die relativ schmalen Absorptionsbanden der Glasfaserverstärker nicht mehr getroffen werden. Die Kühlung ist jedoch sehr aufwändig und bestimmt den Preis eines solchen Moduls typischerweise mit bis zu 90 Prozent. Insofern wäre es wünschenswert, über ein temperaturstabiles Lasermaterial zu verfügen, das den Bau von ungekühlten wellenlängenstabilen Pumpmodulen erlaubte. Um dem Dilemma zu entkommen, hat Reithmaier einen Quantenpunkthochleistungslaser als Pumpquelle entwickelt, der den konventionellen Hochleistungslaser als „Pumpstation“ ersetzten soll. Durch die gezielte Kontrolle der Quantenpunktgeometrie, wie Dichte, Größe und Größenverteilung der Quantenpunkte, will Reithmaier ein maßgeschneidertes Verstärkungsprofil (vgl. Bild 9) einstellen, um die üblicherweise zu langen Wellenlängen wegdriftende Laseremission intern zu kompensieren.

Reithmaier hat mit der Entwicklung von Einzelphotonenquellen noch ein weiteres Forschungsziel vor Augen, das im Vergleich zu Quantenpunkthochleistungslasern genau in entgegengesetzter Richtung liegt. Mit einem einzelnen Photon will er die geringstmöglichste Lichtleistung eines Lichtemitters erzielen, während der Emissionszeitpunkt und die Zahl der Photonen, nämlich genau eines, vollkommen kontrollierbar sein sollen. Reithmaier will das „photon on demand“ (vgl. Bild 10). Solche neuartigen künstlichen Lichtquellen sind zentrale Komponenten der optischen Übertragung von sogenannten Quantenschlüsseln über Glasfasern oder auf dem Weg zur Realisierung von Quantencomputern. In beiden Anwendungen nutzen die Wissenschaftler die grundlegenden Eigenschaften der Quantenmechanik, um zum Beispiel abhörsicher Daten zu übertragen oder neuartige Computer zu bauen. Dieses Forschungsfeld gilt prinzipiell der ultimativen Miniaturisierung optolektronischer Bauteile, da hier nur noch mit einzelnen Photonen und Elektronen gearbeitet wird. Mit weniger als einem Photon oder einem Elektron ist eine Optik oder Elektronik nicht mehr vorstellbar. Der Forschergruppe gelang es erstmals, die kohärente Kopplung von einem Photon mit einem elektronischen Quantenpunktzustand in einer Mikrokavität zu demonstrieren (Reithmaier et al., Nature 432, 197 (2004)). Dieses Grundlagenexperiment ist ein Meilenstein auf dem Weg zur Realisierung künftiger Quanteninformationssysteme auf der Basis nanophotonischer Komponenten in miniaturisier- und skalierbaren Festkörpersystemen.

Die Industrie zeigt wachsendes Interesse, Nanostrukturierungstechnologien zur Verbesserung von Material- und Bauelementeigenschaften einzusetzen. Die neuen und wachsenden Freiheitsgrade, über die Geometrie der Nanostrukturen die Material- und Bauelementeigenschaften unabhängig von Materialien und ermöglichen es, neuartige Materialeigenschaften zu erzeugen. Um zu konkreten Anwendungen in der Praxis zu gelangen, reicht es jedoch nicht aus, nur bestimmte Effekte zu demonstrieren. Es müssen alle für die Anwendung relevanten Eigenschaften gleichzeitig erfüllt (bei Hochleistungslasern zum Beispiel Ausgangsleistung, Effizienz, Wellenlänge, Strahlqualität, Strahlstabilität, Lebensdauer, etc.) und zusätzliche Verbesserungen erzielt werden, wie die verbesserte Temperaturstabilität. Auf dem Gebiet der Quantenpunkt-Hochleistungslaser (QP) und der QP-Halbleiterverstärker ist die Forschung schon relativ weit fortgeschritten und eine mögliche Kommerzialisierung ist in greifbarer Nähe. Dennoch sind noch viele Fragen offen, wie zum Beispiel die statistischen Schwankungen der QP-Größe weiter reduziert werden kann, die auch grundlegende Untersuchungen des Quantenpunktwachstums noch über einige Jahre erfordern wird. Das CINSaT unterstützt diese Aktivitäten auch finanziell, zum Beispiel durch einen erheblichen Beitrag zum weiteren Ausbau der Epitaxiemöglichkeiten am INA.

Autor: Claus-Peter Müller - v. d. Grün

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