Laserleistung bündeln: 3D-Druck löst ein altes Problem der Photonik
Forschende bündeln Licht von 37 Lasern in einer einzigen Glasfaser. Eine 3D-gedruckte photonische Laterne reduziert Verluste und spart Platz.
Darstellung einer mikroskaligen photonischen Laterne, die direkt auf einen VCSEL-Chip gedruckt wurde. Das Licht lässt sich damit zu einer einzigen Glasfaser bündeln.
Foto: Yoav Dana
Laser gehören heute zu den wichtigsten Werkzeugen moderner Ingenieurtechnik. Sie schneiden Metall, übertragen Daten durch Glasfasernetze und dienen als Lichtquelle für Sensoren. Viele Anwendungen benötigen hohe optische Leistung. Diese entsteht häufig durch große Arrays aus Halbleiterlasern. Doch deren Strahlen effizient zusammenzuführen ist technisch schwierig.
Ein Forschungsteam der Hebräischen Universität Jerusalem hat nun ein winziges optisches Bauteil entwickelt, das genau dieses Problem adressiert. Die Gruppe um den Physiker Dan M. Marom demonstrierte eine sogenannte photonische Laterne, die Licht von bis zu 37 Halbleiterlasern in eine einzige Glasfaser bündelt. Die Ergebnisse erschienen in der Fachzeitschrift Nature Communications. Erstautor der Studie ist Yoav Dana.
Die Arbeit zeigt, dass sich große Laserarrays deutlich kompakter koppeln lassen als bisher.
Inhaltsverzeichnis
Wenn viele Laser gemeinsam arbeiten sollen
Leistungsstarke Lichtquellen entstehen heute häufig aus VCSEL-Arrays. VCSEL steht für Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser. Diese Halbleiterlaser senden ihr Licht senkrecht aus der Chipoberfläche aus. Dadurch lassen sich Tausende Bauelemente auf einem einzigen Wafer herstellen.
VCSEL spielen in vielen Technologien eine Rolle. Beispiele sind Lidar-Sensoren, optische Datenübertragung oder industrielle Beleuchtungssysteme. Je nach Design können solche Laser mehrere räumliche Moden erzeugen. Man spricht dann von multimodalen Strahlprofilen. Genau das erschwert die Kopplung in Glasfasern.
Das Problem: Die Anzahl der optischen Freiheitsgrade einer Quelle muss zur Faser passen. Ist das nicht der Fall, entstehen Verluste oder die Strahlqualität sinkt. Viele bisherige Lösungen nutzen freie optische Systeme mit Linsen oder Spiegeln. Diese Aufbauten sind jedoch groß, empfindlich gegenüber Fehljustierung und schwer zu skalieren.
Eine photonische Laterne im Mikromaßstab
Hier setzt das Konzept der photonischen Laterne an. Diese spezielle Wellenleiterstruktur verbindet mehrere Eingänge mit einem gemeinsamen Ausgang. Ursprünglich entwickelte die Forschung solche Strukturen für die Astronomie. Dort sollten sie Licht aus Teleskopen effizient in Spektrographen einkoppeln.
Klassische photonische Laternen verbinden mehrere Single-Mode-Wellenleiter mit einem Multimode-Wellenleiter. Die neue Architektur verfolgt einen anderen Ansatz. Sie kombiniert mehrere multimodale Laserquellen direkt in einer Multimode-Faser.
Die Forschenden fertigten das Bauteil mithilfe eines hochauflösenden 3D-Druckverfahrens. Zum Einsatz kam eine Technik der Zwei-Photonen-Polymerisation, bei der Laserstrahlen eine Struktur direkt im Mikrometermaßstab schreiben. Die gesamte Laterne entsteht dabei unmittelbar auf den Laserchips.
Bis zu 222 optische Moden
Das Team testete mehrere Varianten des Bauteils. Demonstriert wurden photonische Laternen mit 7, 19 und 37 Laserquellen. Jeder der VCSEL erzeugte sechs räumliche Moden. In der größten Struktur ergeben sich damit insgesamt 222 Modenfreiheitsgrade.
Das System koppelt diese Moden in eine Standard-Multimodefaser mit 50 µm Kerndurchmesser. Trotz der hohen Komplexität bleibt die Struktur extrem klein. Die Laterne mit 37 Eingängen misst lediglich 470 µm Länge. Damit ist sie weniger als einen halben Millimeter lang.
Photonic Lantern – Schnittstelle zwischen Laserquellen und Multimodefasern
Eine photonische Laterne ist eine spezielle Wellenleiterstruktur, die mehrere optische Eingänge in einen gemeinsamen Ausgang überführt. Sie wird eingesetzt, um Licht effizient zwischen Single-Mode- und Multimode-Systemen zu übertragen.
Funktionsprinzip
Mehrere einzelne Wellenleiter werden schrittweise zu einem einzigen Wellenleiter zusammengeführt. Dieser Übergang erfolgt adiabatisch, sodass sich die optischen Moden ohne starke Streuverluste anpassen können.
Typische Anwendungen
- Astronomie: Einkopplung von Teleskoplicht in Spektrographen
- Optische Kommunikation
- Hochleistungslasersysteme
- Lidar-Sensorik
Technische Eckdaten der neuen Architektur
- bis zu 37 VCSEL-Laser
- 6 Moden pro Laserquelle
- insgesamt bis zu 222 räumliche Moden
- Kopplungsverlust: ca. −0,6 bis −0,8 dB
- Bauteillänge: etwa 470 µm
Verluste bleiben gering
Entscheidend ist die Effizienz der Kopplung. Die Messungen zeigen vergleichsweise geringe Verluste. Die Forschenden bestimmten Kopplungsverluste von etwa −0,6 dB bei einer Laterne mit 19 Eingängen. Bei der größten Struktur mit 37 Laserquellen lagen sie bei −0,8 dB.
Ein wichtiger Punkt ist die Strahlhelligkeit. In der Optik lässt sich die sogenannte Radiance – also Leistung pro Fläche und Raumwinkel – nicht erhöhen. Systeme können sie nur erhalten oder verringern.
Die photonische Laterne berücksichtigt deshalb gezielt die Modenstruktur der Laserquellen. Die Architektur passt die Modenkapazität des Wellenleiters an die Zahl der Eingangsmoden an. Dadurch bleibt die Helligkeit des kombinierten Strahls weitgehend erhalten.
Alternative zur kohärenten Strahlkombination
In der Lasertechnik existieren verschiedene Methoden, um mehrere Strahlen zu kombinieren. Eine Möglichkeit ist die kohärente Strahlkombination. Dabei müssen Phase, Frequenz und Polarisation der Laser exakt synchronisiert werden. Diese Technik kann sehr hohe Strahlqualität liefern, erfordert jedoch komplexe Regelungssysteme.
Die photonische Laterne nutzt dagegen eine inkohärente Strahlkombination. Die einzelnen Laser arbeiten unabhängig voneinander. Das System führt ihre Strahlen lediglich in einem gemeinsamen Wellenleiter zusammen. Der Vorteil liegt in der Robustheit. Systeme werden einfacher und lassen sich leichter skalieren.
Bedeutung für Lasertechnik und Kommunikation
Die neue Architektur könnte mehrere Anwendungen beeinflussen. In der industriellen Laserbearbeitung könnte sie helfen, Hochleistungslaser kompakter aufzubauen. Auch optische Kommunikationssysteme könnten profitieren, wenn viele Laserquellen effizient in eine einzige Faser eingespeist werden sollen.
Ein weiterer Vorteil betrifft die Integration. Die photonische Laterne reduziert die Anforderungen an die exakte Ausrichtung der Laser. Das erleichtert die Integration in kompakte optische Module. Noch befindet sich die Technologie im Forschungsstadium. Die Ergebnisse zeigen jedoch, dass sich selbst große Laserarrays in sehr kleine optische Strukturen integrieren lassen.
Damit fügt sich die Entwicklung in einen größeren Trend der Photonik ein: Immer mehr optische Funktionen wandern von großen Aufbauten in integrierte Mikrostrukturen.
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