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Forscher haben einen leistungsstarken, abstimmbaren Laser entwickelt, der so klein ist, dass er auf einem Mikrochip Platz findet. Dieses kompakte Gerät verspricht präzisere Lichtquellen, die schneller, kostengünstiger und einfacher zu bedienen sind, und eignet sich für Anwendungen von Lidar-Systemen in autonomen Fahrzeugen bis hin zur atmosphärischen Gaserkennung. Die Miniaturisierung von Lasern auf Chip‑Ebene könnte die Verbreitung hochpräziser optischer Sensorik beschleunigen, indem sie Größe, Kosten und Energiebedarf reduziert, ohne die Messgenauigkeit zu opfern.
Ein Mikrochip-Laser mit überraschender Leistung
Laseranlagen, die für hochpräzise Messungen und optische Kommunikation eingesetzt werden, sind traditionell groß, teuer und oft schwierig zu handhaben. Ein multidisziplinäres Team unter Leitung von Associate Professor Johann Riemensberger an der Norwegian University of Science and Technology (NTNU), in Zusammenarbeit mit der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) und der Firma Luxtelligence SA, berichtet über einen neuen Laser in Chipgröße, der viele dieser praktischen Einschränkungen überwindet. Veröffentlicht in Nature Photonics, zeigt die Arbeit, wie sich ein stabiler, hochleistungsfähiger Strahl durch winzige photonische Schaltkreise und fortgeschrittene Materialien auf standardisierten Chipplattformen erzeugen lässt. Die Forschung kombiniert Expertise aus integrierter Photonik, Materialwissenschaften und Halbleiterfertigung, um einen abstimmbaren Chip-Laser zu realisieren, der sowohl für Labor‑ als auch Feldanwendungen relevant ist.
Funktionsweise und besondere Merkmale des Geräts
Im Zentrum der Innovation steht eine Kombination aus gezielt entwickelten Materialien und mikroskopisch kleinen Lichtführungsstrukturen (photonischen Schaltkreisen). Die Arbeitsgruppe entwarf ein System, das eine kontinuierliche, stabile optische Ausgabe liefert, die über einen weiten Frequenzbereich glatt abgestimmt werden kann, ohne plötzliche Modensprünge. Diese kontinuierliche Wellenlängenabstimmung (wavelength tuning) vereinfacht die Steuerung erheblich: Anstelle mehrerer separater Regelgrößen lässt sich der Laser mit einem einzigen Bedienelement feinjustieren. Technisch basiert das Konzept auf integriertem Verstärker‑Material, wellenleiterbasierten Resonatoren und präziser Temperatur- beziehungsweise Spannungskontrolle zur Frequenzsteuerung. Durch die Nutzung bestehender Halbleiterfertigungsverfahren ist die Konstruktion außerdem auf Serienfertigung ausgelegt, was die Stückkosten im Vergleich zu vielen aktuellen Präzisionslasern senkt. Die Kombination aus integrierter Photonik, geringer Baugröße und hoher Stabilität macht den Chip-Laser attraktiv für Anwendungen, bei denen Platz, Gewicht und Zuverlässigkeit entscheidende Faktoren sind.
Wesentliche technische Vorteile
- Integration im Chip-Format für besonders kompakte Bauformen: Die photonischen Bausteine, inklusive Wellenleitern, Resonatoren und Kopplerelementen, sind auf Standard‑Wafern realisierbar, was die Integration in bestehende Elektronik‑ und Sensormodule erleichtert.
- Glatte, schnelle Frequenzabstimmung ohne Modensprünge: Durch präzise Steuerung der Resonanzbedingungen und optimierte Rückkopplung lässt sich die Emissionsfrequenz kontinuierlich ändern, was für genaue Spektroskopie und Lidar‑Messungen entscheidend ist.
- Hohe Strahlstabilität und messbare Ausgangsleistung geeignet für Sensorik: Die Stabilität im Zeit‑ und Frequenzbereich sowie ausreichende optische Leistung ermöglichen zuverlässige Entfernungsmessung, Phasenmessung und Absorptionsspektroskopie.
- Kompatibilität mit Standardfertigung für Serienproduktion: Die Nutzung vorhandener Halbleiterprozesse (Fotolithografie, Dünnschichtabscheidung, Bonding) unterstützt kostengünstige Skalierung und industrielle Produktion.
Warum das wichtig ist: Von Lidar bis Gaserkennung
Stellen Sie sich einen Lidar-Sensor in einem selbstfahrenden Fahrzeug vor, der deutlich kleiner, preiswerter und einfacher zu kalibrieren ist als heutige Systeme. Der neue Chip-Laser kann Entfernungen mit Zentimeter‑Genauigkeit bestimmen, entweder durch das Messen der Laufzeit reflektierter Lichtpulse oder durch die Detektion winziger Phasenverschiebungen in zurückgestreuten Wellen. In Laborevaluierungen erreichte das System Messgenauigkeiten in der Größenordnung von etwa vier Zentimetern — ein vielversprechender Wert für Anwendungen in der Automobilbranche, in der Robotik und bei industriellen Vermessungen. Die kompakte Bauweise ermöglicht darüber hinaus eine engere Integration mit optischer Hardware wie Detektoren, Optiken und Signalverarbeitung, was die Gesamtsystemkosten und -komplexität reduziert.
Das Team testete das Gerät außerdem für die Gassensorik und verwendete Hydrogencyanid (Blausäure, HCN) als Demonstrationsziel. Hydrogencyanid ist ein hochtoxisches Spurengas, bei dem schnelle und empfindliche Detektion von großer Bedeutung ist. Dank der hohen spektralen Reinheit und der feinen Abstimmbarkeit eignet sich der Chip-Laser besonders für absoptionsbasierte Messverfahren wie die tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) oder verwandte spektrale Messprinzipien. Diese Verfahren identifizieren molekulare Fingerabdrücke in spezifischen Wellenlängenbereichen und erlauben die selektive Detektion einzelner Gaskomponenten in Mischungen. Durch die Kombination von hoher spektraler Auflösung, Stabilität und kompaktem Format eröffnen sich Anwendungen in der Umweltüberwachung, industriellen Prozesskontrolle und Sicherheitsüberwachung, wo schnelle Reaktionszeiten und niedrige Nachweisgrenzen gefragt sind.
Folgen und nächste Schritte
Die Miniaturisierung leistungsfähiger, abstimmbarer Laser auf Chip bietet vielfältige Wege zu erschwinglichen, feldtauglichen Instrumenten für Umweltüberwachung, industrielle Sicherheit und Kommunikationshardware. Riemensberger hebt hervor, dass die Kombination aus Leistungsfähigkeit und Fertigungstauglichkeit die Entwicklung "kleiner, kostengünstiger und benutzerfreundlicher Messgeräte und Kommunikationsmittel mit hoher Performance" ermöglichen könnte. Solche Geräte könnten nicht nur Kosten und Platzbedarf senken, sondern auch neue Einsatzszenarien ermöglichen — etwa vernetzte Sensorknoten für flächendeckende Luftqualitätsmessungen oder kostengünstige Lidar‑Module für Assistenzsysteme in Fahrzeugen und Drohnen.
Zu den geplanten nächsten Schritten gehören die Verbesserung der Langzeitstabilität, die vollständige Integration von Laser, Detektoren und Elektronik auf einer gemeinsamen Plattform sowie die Validierung der Leistung in realen Lidar‑ und Gasmesssystemen. Technisch wird daran gearbeitet, Drift über Stunden und Tage zu reduzieren, thermische Kopplungen zu minimieren und elektromagnetische Störeinflüsse bei betrieblichen Bedingungen zu kompensieren. Darüber hinaus stehen Tests unter wechselnden Umgebungsbedingungen (Temperatur, Feuchte, Vibration) auf der Agenda, um die Robustheit für industrielle und mobile Anwendungen sicherzustellen. Wenn diese Schritte erfolgreich sind, könnte der chipbasierte Photonik‑Ansatz die Verbreitung präziser optischer Sensorik in vielen Branchen beschleunigen und gleichzeitig neue Märkte erschließen.
Quelle: scitechdaily
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