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FÖRDERUNG DES WISSENSCHAFTLICHEN NACHWUCHSES

SIGRID- UND VIKTOR-DULGER-PREIS
JOHANNES MICHAEL OSTERMANN:
„Diffractive Optics for Polarization Control of Vertical-Cavity
Surface-Emitting Lasers“
Warum wird Nanotechnologie für eine besonders schnelle Computermaus benötigt?
Welche Rolle spielt die Polarisation von Vertikallaserdioden, wenn die Sauerstoffzu-
fuhr in einem Verbrennungsprozess reguliert werden soll? Die Fortschritte auf dem
Gebiet der Optik und deren technologische Umsetzung sind Teil unseres Alltags
geworden. Wir erleben sie, wenn wir den Telefonhörer abheben und unsere Worte
mit Licht durch Glasfasern ans andere Ende der Welt übertragen werden. Für seine
Arbeiten über Glasfasern erhielt Charles Kuen Kao 2009 den Nobelpreis. Neun
Jahre zuvor wurde die Forschung von Zhores Alferov und Herbert Kroemer eben-
falls mit dem Nobelpreis gewürdigt. Sie hatten maßgeblichen Anteil an der Ent-
wicklung von Halbleiterlasern, mit denen heute das Licht für die Datenübertragung
über Glasfaser erzeugt wird. Halbleiterlaser haben den großen Vorteil, dass mit ihnen
Strom direkt in Licht umgewandelt werden kann. Zudem können sie, wie die aus
Computern, Mobiltelcfonen und Digitalkameras bekannten Mikrochips, leicht in
großen Stückzahlen hergestellt werden.
Vertikallaserdioden (engl. Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers, VCSELs)
sind Halbleiterlaser. Sie wurden ursprünglich für die Datenkommunikation ent-
wickelt. Jedoch haben Vertikallaserdioden zahlreiche Eigenschaften, die sie auch
attraktiv für andere Anwendungen machen. Sie zeichnen sich im Vergleich zu ande-
ren Halbleiterlasern durch eine besonders geringe Strom- und damit Leistungsauf-
nahme aus, besitzen ein rundes Abstrahlprofil und können leicht so hergestellt wer-
den, dass sie nur eine Wellenlänge des Lichtes emittieren. Aufgrund ihrer Bauweise
ist aber nicht definiert, wie die Schwingungsebene der von Vertikallaserdioden emit-
tierten Lichtwellen relativ zum Laser orientiert ist. Diese Schwingungsebene des
Lichtes, die Polarisation, variiert bei Vertikallaserdioden nicht nur zwischen ver-
meintlich identisch hergestellten Lasern, sondern kann sich auch im Betrieb ändern.
Letzteres wird als Polarisationssprung bezeichnet. Während Vertikallaserdioden trotz
dieser Polarisationssprünge in der Datenkommunikation eingesetzt werden können,
erwies sich die Instabilität ihrer Polarisation als ein Ausschlusskriterium für Anwen-
dungen in der Spektroskopie oder der Sensorik.
Deshalb wurde seit Anfang der neunziger Jahren weltweit nach einer Mög-
lichkeit gesucht, wie die Polarisation von Vertikallaserdioden stabilisiert werden
kann, ohne die sonstigen Eigenschaften der Laser zu verändern oder die Herstellung
der Laserdioden zu verteuern. Da die Form von Vertikallaserdioden und die Mate-
rialien, aus denen sie aufgebaut sind, eine Zylindersymmetrie aufweisen, lag es
zunächst nahe, diese Symmetrie durch eine andere äußere Form zu brechen, um
damit eine Vorzugsrichtung für die Polarisation zu definieren. Der zweite Ansatz war,
die Materialschichten, die das Licht innerhalb der Laser erzeugen, so zu verändern,
dass diese nur Licht mit einer Schwingungsebene emittieren.