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Moderne Halbleitertechnologie: von nah-infraroten Lasermodulen bis UV-Leuchtdioden

06.03.2012
Anlässlich der Fachmesse Laser Optics Berlin präsentiert das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) unter dem Funkturm ausgewählte Lasermodule und Leuchtdioden.

Diese stellt es vom 19. bis 21. März 2012 an Stand 507 in Halle 12 vor. Das Institut ist auch auf dem parallel stattfindenden wissenschaftlich-technischen Kongress der Optical Society of America vertreten.


Pulsquelle
Foto: FBH/schurian.com


Weltraummodul
Foto: FBH/schurian.com

Zudem stellt sich der vom FBH koordinierte innovative regionale Wachstumskern Berlin WideBaSe in Halle 14.1, Stand 201 vor. Berlin WideBaSe steht für die Entwicklung, Herstellung und den Vertrieb von optoelektronischen und elektronischen Bauelementen auf der Basis von breitlückigen Halbleitern (Wide-Bandgap-Semiconductors).

Das Hauptaugenmerk der Präsentation des FBH liegt auf kompakten, hybrid-integrierten Lasermodulen. Dem Institut ist es unter anderem gelungen, eine Technologieplattform zu entwickeln, die auf verschiedene Anwendungen und Anforderungen angepasst werden kann. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf galliumnitridbasierten Leuchtdioden (LED). Das Institut stellt einen Prototyp zur kosten- und zeitsparenden Desinfektion der Zellträgerflüssigkeit von Durchflusszytometern mit UV-LEDs vor.

Robuste Module für Weltraumanwendungen

Angesichts rasant steigender Datenmengen nehmen die Anforderungen an die Übertragungsraten zu. Mithilfe von Licht können erheblich höhere Datenraten als mit Mikrowellen über große Entfernungen übermittelt werden. Daher steigt die Bedeutung der optischen Datenübertragung im Weltraum. Bislang werden dazu vergleichsweise großfoßmatige Festkörperlaser eingesetzt, die von halbleiterbasierten Lasermodulen optisch gepumpt werden. Dieser Aufbau macht die Gesamtkonstruktion größer, unhandlicher und ineffizienter als rein halbleiterbasierte, kompakte Lasermodule.
Ein am FBH entwickeltes, streichholzschachtelgroßes Lasermodul bringt die Technologie einen großen Schritt voran und ist weltweit einzigartig. Es liefert eine hohe Ausgangsleistung von über einem Watt bei gleichzeitig schmaler Linienbreite von nur etwa 0,0001 Pikometern. Für Präzisionsmessungen mit ultrakalten Atomen im Weltraum wurde dieses Modulkonzept erst kürzlich um eine integrierte elektronische Schnittstelle erweitert. Damit kann die Temperatur im Inneren des Moduls an verschiedenen Stellen überwacht und der Injektionsstrom moduliert werden. Die Frequenz kann dadurch mit einer relativen Genauigkeit von 10-12, das heißt bis auf 12 Stellen nach dem Komma, stabil gehalten werden. Das Modul wird im Jahr 2013 an Bord einer Höhenforschungsrakete zum Einsatz kommen.

Darüber hinaus beschäftigen sich am FBH weitere Projekte mit Experimenten der Grundlagenforschung im Weltraum und der optischen Datenübertragung im All. Die dafür entwickelten Lasermodule müssen den extremen mechanischen Belastungen eines Raketenstarts standhalten und auch bei kosmischer Strahlung voll funktionsfähig bleiben. Dies haben einige Module aus dem FBH bereits in anspruchsvollen Tests unter Beweis gestellt und wurden von der Europäischen Weltraumorganisation ESA zertifiziert.
Laserquellen mit ultrakurzen, hochpräzisen Pulsen

Auf der Messe präsentiert das FBH zudem seine neu entwickelten gepulsten Laserstrahlquellen, die Pulse im Nanoseku¬denbereich liefern. Dabei wurde weltweit erstmalig im Butterflygehäuse zum Laserbauelement eine Hochfrequenz-Schaltungselektronik integriert. Diese Elektronik ermöglicht es, sehr präzise ultrakurze Stromimpulse im Amperebereich zu erzeugen; die Impulse liegen in einer Zeitskala von nur wenigen Milliardstel einer Sekunde. Im Impulsbetrieb sind daher erheblich höhere Ausgangsleistungen als bei Gleichstromanregung möglich. So erreichten diese Quellen, die auf DFB-Diodenlasern basieren, mit 3 Watt Ausgangsleistung bereits einen Weltrekord für diesen Lasertyp. Zum Vergleich: die Leistungen eines DFB-Lasers liegen bei Gleichstromanregung bei unter 0,5 Watt.

Dazu musste die Zerstörschwelle des Lasers deutlich erhöht werden. Dies ist vor allem dank des maßgeschneiderten Designs und eines am FBH patentierten Verfahrens zur Beschichtung der schmalen Austrittsfläche des Lasers gelungen. Sechsmal mehr Strahlungsleistung kann so erzeugt werden: Die Leistungsdichte steigt von 15 Megawatt (MW) pro Quadratzentimeter bei Gleichstromanregung auf etwa 100 MW/cm2 im Impulsbetrieb. Da die Laserquellen zugleich ein ausgezeichnetes Strahlprofil und eine geringe Linienbreite liefern, kann der Laserstrahl beispielsweise in Lichtleitfasern mit besonders kleinem Kerndurchmesser eingekoppelt werden.

Daher eignet sich das Modul auch für die Material- und Bioanalytik, Freiraumkommunikation, Metrologie sowie als Seedquelle für die Materialbearbeitung. Als weitere Pulsquelle präsentiert das FBH eine Pikosekunden-Lichtquelle mit integriertem Pulspicker, die als flexibler Seeder für Faser- oder Festkörperlaserverstärker genutzt werden kann.

Umweltfreundliche Desinfektion mit UV-LEDs

Die Bestrahlung mit UV-Licht bei Wellenlängen um 260 Nanometer zerstört das Erbgut von Bakterien, Viren und Sporen und verhindert so die Vermehrung der Mikro-Organismen. Leuchtdioden (LEDs) sind im Gegensatz zu herkömmlich zur Wasser¬desinfektion genutzten Quecksilberdampflampen deutlich kompakter, robuster und vor allem nicht giftig. Das FBH hat nun einen Prototyp zur Wasserdesinfektion auf der Basis von UV-C-LEDs mit einer Emissionswellenlänge von 283 Nanometern erfolgreich an einem Durchflusszytometer am Deutschen Rheumaforschungszentrum (DRFZ) getestet. Das kompakte Modul besteht aus einer konzentrischen Anordnung von 35 LEDs in einem Durchflussreaktor aus UV-reflektierendem Aluminium. Bei den Experimenten am DRFZ entkeimt das UV-LED-Modul die Zellträgerflüssigkeit in einem Durchflusszytometer. Diese Messgeräte werden zur automatischen Zählung und Analyse von Zellen, wie etwa in Blut oder Knochenmark, genutzt. Bei einer Durchflussmenge von etwa 7 ml/min verkeimter Trägerflüssigkeit wurde die Keimzahl um vier Größenordnungen reduziert. Des Weiteren konnte eine sterile Trägerflüssigkeit mindestens sieben Tage lang keimfrei gehalten werden. Das ist siebenmal länger im Vergleich zum üblichen Betrieb. Für gewöhnlich müssen nach kurzen Betriebsintervallen die Trägerflüssigkeit getauscht und die Strömungskanäle chemisch desinfiziert werden, da sonst Messergebnisse verfälscht werden. Das LED-Modul erlaubt somit, die Wartungszyklen zu verlängern und die Betriebskosten von Durchflusszytometern deutlich zu verringern. Das FBH entwickelt derzeit ein neues, effizienteres und noch kompakteres LED-Modul, welches flexibel in bestehende und neu entwickelte Durchflusszytometer integriert werden kann.

Besuchen Sie uns auf der Fachmesse:
Laser Optics Berlin, Berliner Messegelände, 19.-21.03.2012, Halle 12, Stand 507
Petra Immerz
Communications & Public Relations Manager
Ferdinand-Braun-Institut
Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik
Gustav-Kirchhoff-Straße 4
12489 Berlin
Tel. +49.30.6392-2626
Fax +49.30.6392-2602
E-Mail petra.immerz@fbh-berlin.de
http://twitter.com/FBH_News

Christine Vollgraf | Forschungsverbund Berlin e.V.
Weitere Informationen:
http://www.fbh-berlin.de

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