Halbleiterlaser am Fraunhofer IAF

Das Fraunhofer IAF entwickelt III-V-Halbleiterlaser und Bauelemente für Anwendungen in der Sensorik, Kommunikation sowie Mess- und Medizintechnik. Das Institut bietet Bauteildesign sowie deren Fertigung und baut Module sowie Systeme mit Bauelementen mit einzigartigen Eigenschaften.

Sie erhalten Unterstützung entlang der kompletten Wertschöpfungskette: Insbesondere mit spezifischen Epitaxie- und Technologieentwicklungen, der Entwicklung automatisierbarer Fertigungsroutinen für aktiv einzujustierende Lasermodule bis hin zur Bereitstellung von Kleinserien. 

Optisch gepumpte Halbleiterscheibenlaser

• Emissionsbereich: 1,9–2,8 µm
• Klasse-A-Laser mit genau abstimmbarer Emissionswellenlänge
  • Ideale Pumpquelle für Festkörperlaser innerhalb wie außerhalb von Resonatoren sowie für nichtlineare optische Kristalle

Quantenkaskadenlaser

• Wellenlängenbereich: 4–12 µm
• Scanfrequenz bis zu 1 kHz
• Breit durchstimmbar
• Kompakte und kombinierbare Module 

Optisch gepumpte Halbleiter-Scheibenlaser als extrem schmalbandige und rauscharme Pumplaser

Die optisch gepumpten GaSb-basierten Halbleiterscheibenlaser (SDLs) für den Spektralbereich von 1.9–2.8 µm des Fraunhofer IAF zeichnen sich durch hervorragende Strahlqualität, hohe Ausgangsleistungen und eine stabile, rauscharme Laseremmission aus. Sie setzen weltweit Maßstäbe in Hinblick auf Ausgangsleistung, Linienbreite und absolute Frequenzstabilität, wie sie beispielsweise für die Pumpquelle bei der Quantenfrequenzkonversation von Einzelphotonen benötigt werden.

Quantenkaskadenlaser für Infrarotspektroskopie

Das Fraunhofer IAF entwickelt Quantenkaskadenlaser für den mittleren Infrarotbereich von 4-12 µm. Durch die Kombination von diesen breitbandigen QCL-Chips mit MOEMS-Gitterscannern, welche zusammen mit dem Fraunhofer IPMS entwickelt wurden und zur Einstellung der Emissionswellenlänge in einem externen optischen Resonator dienen, konnten besonders kompakte Lasermodule mit einzigartigen Eigenschaften erzielt werden. Das Fraunhofer IAF ist dabei führend in der Kombination mehrerer dieser Quellen zu einer extrem breitbandigen und darüber hinaus agilen Laserquelle, welche Infrarotspektroskopie mit Kilohertzraten ermöglicht.

AlGaAs-Bragg-Reflektionswellenleiter als chipbasierte Quelle für verschränkte Photonenpaare im Telekom-C-Bereich 

AlGaAs-Bragg-Reflexionswellenleiter sind vielversprechende Systeme für die Erzeugung von einzelnen und verschränkten Photonen im Telekom-C-Bereich bei 1550 nm durch den Prozess der spontanen parametrischen Abwärtskonversion (SPDC). Bei dem von uns verwendeten Typ-II-SPDC-Prozess sind die Photonenpaare von Natur aus polarisationsverschränkt. Neben dem Raumtemperaturbetrieb ermöglicht die verwendete Materialplattform die direkte Integration eines Pumplasers in denselben Chip, dessen technische Umsetzung wir gerade erforschen.

Quantenkaskadenlaser in der Anwendung

Neben Lasermodulen entwickeln wir auch Demonstratoren, in denen die Quantenkaskadenlasermodule des Fraunhofer IAF zum Einsatz kommen. Diese ermöglichen durch die kontaktlose Messung des chemischen Fingerabdrucks von Substanzen beispielsweise die Qualitätssicherung bei der Tablettenverblisterung im Pharmabereich oder die forensische Untersuchung an Tatorten.  

Die Fähigkeiten des Fraunhofer IAF im Bereich der Halbleiterlaser stehen wissenschaftlichen Einrichtungen und Unternehmen sowohl für die Durchführung von Forschungs- und Entwicklungsprozessen als auch im Rahmen von Direktaufträgen zur Verfügung. In gelungenen Kooperationen entstehen regelmäßig herausragende Ergebnisse.

Halbleiter-Scheibenlaser-Modul (VECSEL) im 2-µm-Bereich

• 2062 nm Emissionswellenlänge
• 2,5 W Ausgangsleistung CW
• Einzelfrequenz
• geringes Intensitätsrauschen (0,15 % RMS)
• Freilaufend: Drift kleiner 7 pm über 15 h
• Aktiv stabilisiert auf Frequenzkamm:
  • Linienbreite 360 kHz (FWHM)
  • Standardabweichung der Emissionswellenlänge über 22 h:
    104 kHz (1,5 fm)

4-Kern-Quantenkaskadenlaser-Modul im 4–11-µm-Bereich

• Multikern-Modul mit integrierter Strahlvereinigung
• Bestückbar mit bis zu 4 spektral abstimmbaren MOEMS-EC-QCLs mit Zentralwellenlängen zwischen 4 und 11 µm.
• Abstimmbereich Einzelmodul 200–330 cm^-1, abhängig vom verwendeten QCL-Chip
• Pulsbetrieb, typ. 100–200 ns
• Spektroskopie über 1000 cm^-1 mit Messgeschwindigkeit von 1 kHz 

Quelle für verschränkte Photonenpaare

• Telekom-C-Band (1530–1565 nm)
• Chipgröße von wenigen Quadratmillimetern
• Photonenerzeugungsrate 20 MHz bei 5 mW externer Pumpleistung
• Fidelity zum Bell-Zustand > 95 %