Je leest:

VCSELS, de kleinste lasers

VCSELS, de kleinste lasers

Auteurs: en | 10 april 2004

De jacht naar kleinere structuren beheerst niet alleen de elektronica, maar ook de laserwereld. In het afgelopen decennium voltrok zich waarlijk een revolutie, namelijk de ontwikkeling van uiterst kleine halfgeleiderlasers. Deze lichtbronnen verhouden zich tot de omvangrijke gaslasers zoals in de elektronica de minuscule transistoren zich verhouden tot de logge vacuümbuizen.

Op licht gebaseerde technologie wordt eindelijk volwassen. Steeds vaker verschijnt apparatuur op de markt waarin optica en elektronica zijn geïntegreerd. In deze opto-elektronische elementen vervult de halfgeleiderlaser een belangrijke rol. De ontwikkeling gaat alsmaar verder: de toch al kleine halfgeleiderlaser is de afgelopen tien jaar nog eens honderdmaal verkleind. De afmetingen bedragen nog maar een fractie van een haarbreedte.

Toen de Amerikaanse fysicus Theodore Maiman in 1960 de eerste laser bouwde, leek dit geen belangrijke technologische ontwikkeling. De laser is een oplossing op zoek naar een probleem, zo luidde het commentaar. Het meest gezaghebbende natuurkundige tijdschrift, Physical Review Letters, weigerde zelfs het artikel waarin Maiman zijn ontdekking wereldkundig wilde maken.

Bijna veertig jaar later is de laser onmisbaar in het dagelijkse leven. In telecommunicatienetwerken, cd-spelers, laserprinters, kassascanners: lasers zijn overal. Toch ziet de moderne laser er totaal anders uit dan Maiman’s uitvinding. Het geboortejaar van de moderne laser is in feite 1962, twee jaar later. Diverse onderzoekers ontwikkelden toen tegelijkertijd een laser opgebouwd uit galliumarseen. Omdat dit materiaal een halfgeleider is, noemden ze het nieuwe lasertype een halfgeleiderlaser. De eerste halfgeleiderlaser was nog niet bepaald een optimaal apparaat. Hij gaf weinig licht, hij moest gekoeld worden en hij ging snel stuk.

Na 1962 zijn steeds meer kinderziekten van de halfgeleiderlaser verholpen. Pas in de jaren tachtig begint dit lasertype sporadisch zijn weg naar toepassingen te vinden. Een belangrijke factor voor toepasbaarheid was het formaat. De halfgeleiderlaser was maar een paar tienden van een millimeter groot, ongeveer duizendmaal kleiner dan Maimans laser uit 1960.

VCSEL

In 1989 vinden onderzoekers op het laboratorium van het Amerikaanse telecombedrijf AT&T de halfgeleiderlaser als het ware opnieuw uit. Ze wisten de toch al kleine halfgeleiderlaser nog eens honderdmaal verder te verkleinen tot afmetingen van een fractie van een haarbreedte. Een VCSEL, zo noemden ze het superkleine halfgeleiderlasertje. Deze afkorting, die staat voor Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, spreekt men uit als ‘viksel’. De laser dankt zijn naam aan het feit dat de lichtstraal in verticale richting uit het bovenoppervlak van de laser tevoorschijn komt. In traditionele halfgeleiderlasers treedt de lichtstraal in horizontale richting uit de zijkant van het materiaal.

Spekkoek

Randstraler

VCSEL

De structuur van een vcsel bevat vele ultradunne lagen van verschillende materialen, zodat de laser op een soort spekkoek lijkt. De lichtstraal die de laser uitzendt, komt als het ware uit het bovenoppervlak van de koek; de laser zou men daarom een ‘oppervlaktestraler’ kunnen noemen. De Engelse benaming Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser is eigenlijk dubbelop: zowel het feit dat de trilholte (cavity) verticaal georiënteerd is als ook het feit dat het licht uit het bovenoppervlak komt (surface-emitting) geeft aan dat de lichtstralen zich loodrecht op de lagenstructuur bewegen.

Een conventionele halfgeleiderlaser bestaat uit slechts enkele lagen. De lichtstralen bewegen in dit lasertype in het vlak van de lagen. Om hiervan een laser te maken, moet de koek eerst in stukken worden gesneden waarna de lichtstraal bij het snijvlak naar buiten komt. Zo’n laser kan men daarom een randstraler noemen.

De vcsel is zeer interessant vanwege het formaat en de vorm: hij is klein en rond. De kleine afmetingen leiden tot een laag energieverbruik en een efficiënte omzetting van elektriciteit naar licht. De ronde vorm maakt een zeer efficiënte koppeling met glasvezels mogelijk: de lichtbundel past precies bij de ronde vorm van de glasvezel. Dit alles maakt de vcsel tot de ideale laser in met name de telecommunicatie en het onderwerp van technologisch onderzoek in vele industriële en universitaire technische laboratoria.

Vanuit een meer fundamenteel wetenschappelijk oogpunt is de vcsel ook interessant. De uiterst kleine afmetingen – in de orde van grootte van de golflengte van zichtbaar licht – duiden erop dat kwantumeffecten een belangrijke rol zullen spelen. De kwantumtheorie beschrijft licht deels als een golf en deels als een deeltjesstroom. In het laserlicht uit een vcsel is het deeltjeskarakter prominenter aanwezig dan in licht uit grotere lasers. Met name dankzij deze kwantumverschijnselen vormt de vcsel een populair onderwerp voor fundamenteel natuurkundig onderzoek.

Lichtversterking

De werking van alle lasers, van de eerste uit 1960 tot de meest moderne vcsel berust op hetzelfde basisprincipe. Er zijn twee spiegels, een lichtversterker en een externe energiebron. De spiegels vormen samen een trilholte waarin lichtstralen op en neer kaatsen. De lichtversterker, die gevoed wordt door de energiebron, versterkt het licht bij elke doorgang.

Dit principe van lichtversterking is gebaseerd op een idee van Albert Einstein uit 1917. Een materiaal dat onder normale omstandigheden licht absorbeert, kan onder bijzondere omstandigheden licht juist versterken. Einstein noemde dit mechanisme gestimuleerde emissie: het invallende licht stimuleert het medium om licht uit te zenden, waardoor het invallende licht wordt versterkt. Gestimuleerde emissie staat aan de basis van elke laser. Het belangrijkste verschil tussen de vele lasertypen die na 1960 zijn ontwikkeld, zit in de aard van de lichtversterker. Het materiaal waar die uit bestaat, bepaalt bijvoorbeeld de kleur van het laserlicht. Het oorspronkelijke model heeft een robijnkristal als lichtversterker en straalt daardoor dieprood licht uit. De kleur van de veel gebruikte helium-neongaslaser, die een mengsel van helium- en neongas als versterker gebruikt, is lichtrood. Laserkleuren bestrijken inmiddels het totale lichtspectrum, van ver infrarood tot diep ultraviolet. In halfgeleiderlasers bestaat de lichtversterker meestal uit gallium-arseen, dat licht uitzendt in het nabije infrarood.

Halfgeleidermateriaal

In de jaren vijftig veroorzaakten halfgeleidermaterialen een revolutie in de elektronica. De transistor, gemaakt van de halfgeleider silicium, verving toen de vacuümbuis. Het gevolg was een enorme schaalverkleining, een proces dat nog steeds voortduurt en ervoor zorgt dat computers sneller en sneller worden. In de optica heeft het gebruik van halfgeleidermateriaal als versterkend medium al net zulke revolutionaire gevolgen als in de elektronica. Het grootste voordeel van halfgeleidermateriaal is de hoge versterking die mogelijk is. Zo is bijvoorbeeld een laagje galliumarseen met een dikte van nog geen honderdste millimeter al voldoende om de lichtintensiteit te verdubbelen. Deze hoge lichtversterking is nodig om de laser zo klein mogelijk te maken. In een vcsel is het laagje dat het licht versterkt meestal maar een paar honderdduizendste millimeter dik!

Om de gunstige eigenschappen van halfgeleiders optimaal te gebruiken, moet de trilholte van het licht zo klein mogelijk zijn. De spiegels waartussen het licht op en neer ketst, moeten dus zo dicht mogelijk bij elkaar staan. Bij de fabricage van de traditionele halfgeleiderlasers breekt men van een grote schijf materiaal kleine stukjes af. De breukvlakken vormen in dat geval de spiegels. De afstand tussen de spiegels is hierbij typisch een paar tienden van een millimeter. In vcsels worden de spiegels gevormd door laagjes die, als de verdiepingen van een wolkenkrabber, op elkaar zijn gestapeld. Deze spiegels weerkaatsen elk meer dan 99 procent van het opvallende licht. De minimale afstand tussen de spiegels in een vcsel hangt af van de golflengte van het gebruikte licht; staan de spiegels dichter bij elkaar dan een halve golflengte, dan ‘past’ het licht eenvoudig niet meer in de trilholte. Omdat niet de stand van de technologie maar de golflengte van het licht de spiegelafstand in vcsels bepaalt, kun je met een gerust hart zeggen dat vcsels de allerkleinste lasers ter wereld zijn, nu en in de toekomst.

Roestvrij

Opsluiten van licht. Nadat de laagjes in de vcsels zijn opgestapeld, bewerkt men een in het midden aangebrachte aluminiumlaagje. Door oxidatie langs de rand van deze actieve laag blijft het laserlicht opgesloten in de verticale richting (boven) Met een optische microscoop is de actieve galliumarseenlaag middenin een vcsel van bovenaf gefotografeerd (onder). Dennis Deppe/University of Texas.

De ontwikkeling die van vcsels een efficiënte lichtbron maakt, gaat nog steeds door. Een van de aspecten die hierbij een belangrijke rol speelt, is de opsluiting van het licht. Naarmate het gebied waarin het licht zit opgesloten kleiner wordt, neemt de efficiëntie van de laser toe. Om de opsluiting in de verticale richting te verzorgen is de ingewikkelde lagenstructuur van de vcsel noodzakelijk. In de horizontale richting is zo’n lagenstructuur echter niet haalbaar, aangezien halfgeleiderstructuren laagsgewijs worden gefabriceerd.

Er is een slimme truc nodig om het licht ook in de horizontale richting goed op te sluiten. Deze truc is in 1993 in de Verenigde Staten ontwikkeld, in de Sandia National Laboratories in New Mexico. Onderzoekers daar bouwden tijdens de productie een uiterst dun laagje aluminiumarseen in de vcsel in. Naderhand, toen de lagenstructuur van de vcsel helemaal af was, lieten ze een gedeelte van de aluminiumlaag op een gecontroleerde manier van buiten af ‘roesten’ tot aluminiumoxide. De zo gevormde kleine roestvrije gebieden vormen prima lichtkooien die het uiteindelijke laserlicht kunnen opsluiten. Vcsels die op deze wijze zijn geproduceerd, zijn op dit moment de beste die er zijn. In het optimale geval zetten ze meer dan zestig procent van de toegevoerde elektrische energie om in lichtenergie. De efficiëntie van een standaard gaslaser is vaak minder dan 0,1 procent!

Toepassing

Voor onderzoekers vormen vcsels een fascinerend onderwerp, met name omdat dat zich bevindt op het grensvlak tussen wetenschap en technologie. De ontwikkeling van de eerste vcsels was duidelijk een wetenschappelijke onderneming. In de jaren tachtig dacht geen zinnig mens dat het mogelijk zou zijn om van vcsels toepasbare technologie te maken. Het enthousiasme van de onderzoekers en hun fascinatie voor het onderwerp zorgden ervoor dat ze uiteindelijk toch succes hadden. Een van hen, Jack Jewell, beschrijft in 1991 in Scientific American hoe ze in de weken na de productie van de eerste vcsels weinig meer konden doen dan kijken naar het licht dat uit de lasertjes kwam, zo verbaasd waren ze over het feit dat het uiteindelijk werkte! Hoe dicht technologie en wetenschap bij elkaar staan blijkt uit het feit dat de wetenschappers die de eerste vcsel ontwikkelden, al in 1993 de eerste commerciële vcsels op de markt brachten via een zelf opgericht bedrijf, Photonics Research Incorporated.

De commerciële vcsels vonden snel hun weg naar laboratoria. De elektronicafabrikant Motorola bracht in 1995 het eerste product op de markt waarin vcsels zijn geïntegreerd: een systeem dat zorgt voor datacommunicatie over korte afstanden, bijvoorbeeld binnen één computernetwerk. Inmiddels zijn ook andere bedrijven zoals Hewlett Packard en Dupont in de Verenigde Staten en Alcatel en Siemens in Europa geïnteresseerd geraakt in vcsel. Toepassingen liggen met name in de optische dataopslag, optische computers, telecommunicatie en laserprinters. In veel van deze toepassingen vervangt de vcsel de traditionele halfgeleiderlaser als lichtbron, met als voordelen een lager energiegebruik en minder warmteontwikkeling. Een ander voordeel is dat vcsels gemakkelijk in tweedimensionale roosters naast elkaar kunnen worden gezet, waardoor parallelle communicatie tussen verschillende moederborden in een computer mogelijk is. In zogenaamde smart pixels combineert men vcsels met een lichtdetector en elektronische logica.

Polarisatie

Net als de technologische ontwikkeling heeft ook de wetenschap op het gebied van vcsels sinds 1989 niet stilgestaan. De interesse van de wetenschap in vcsels is tweeledig; aan de ene kant wil men de werking van een vcsel begrijpen, aan de andere kant wil men de vcsel gebruiken om wetenschappelijke verschijnselen mee aan te tonen. Aan de Rijksuniversiteit Leiden bestuderen we eigenschappen die te maken hebben met de polarisatie, of trillingswijze, van het vcsel-licht.

Verticaal gepolariseerde golf

Horizontaal gepolariseerde golf

Licht heeft, behalve kleur, nog een andere eigenschap: de polarisatie ofwel trillingswijze. Je kunt licht vergelijken met een golf die door een touw loopt. In de illustratie heeft het kind het touw aan een uiteinde vast. Als hij dit uiteinde verticaal op en neer beweegt, dan loopt er een verticaal gepolariseerde golf door het touw; het hele touw bevindt zich voortdurend in een verticaal vlak. Als het kind het uiteinde van links naar rechts beweegt dan loop er een horizontaal gepolariseerde golf door het touw: het gehele touw bevindt zich voortdurend in het horizontale vlak. Het kind kan het touw in elke willekeurige richting op en neer bewegen en de polarisatie kan dus ook elke willekeurige richting hebben. Net zoals de golf in het touw kan ook licht in elk willekeurig vlak gepolariseerd zijn, en net als bij het touw bepaalt ook bij licht de bron de polarisatierichting.

Alle lasers zijn in principe gepolariseerd. De polarisatierichting hangt af van de vorm van de laser, net zoals het versterkende medium de kleur bepaalt. Licht dat uit een traditionele halfgeleiderlaser komt, is meestal gepolariseerd in het vlak van de laagjes. Dit komt doordat deze laser een beetje rechthoekig is en het licht het liefst langs de lange as van de rechthoek gepolariseerd is. Omdat vcsels rond zijn, is het niet meteen duidelijk welke polarisatie het licht uit een vcsel heeft. Volgens ons eerste onderzoek was de polarisatierichting min of meer willekeurig; de ene vcsel was in één bepaalde richting gepolariseerd, terwijl bij zijn buurman, die ogenschijnlijk exact hetzelfde was, de polarisatierichting 90 graden was gedraaid.

Wat bepaalt nu de polarisatierichting van een vcsel? Om hierop een antwoord te geven, keken we eerst hoe we de polarisatie konden beïnvloeden. Het bleek dat bij een beetje duwen op de vcsel de polarisatierichting veranderde; blijkbaar is de polarisatierichting gevoelig voor mechanische spanningen in het lasermateriaal. Tijdens de productie van vcsels ontstaan deze spanningen in willekeurige richtingen. Dat verklaart de willekeur in de polarisatierichting. Het duwen op de minuscule halfgeleiderlaser is overigens geen handeling die je simpelweg met een schroevendraaier uitvoert. We gebruiken een nauwkeurig gefocusseerde, intense laserbundel om vlak naast de kleine vcsel het halfgeleidermateriaal een beetje op te warmen. Deze lokale verhitting zorgt ervoor dat het materiaal uitzet. Daardoor ontstaan dan weer mechanische spanningen in de vcsel zelf. Deze techniek van lokale verhitting noemen we de ‘hete-plek’- of hot spot-techniek.

We weten nu dus dat lokale mechanische spanningen de polarisatie bepalen en we weten tevens hoe we die spanningen kunnen beïnvloeden. De volgende vraag is wat er gebeurt als we de mechanische spanningen reduceren. Is er altijd een effect dat de polarisatie vastlegt of zal in een spanningsvrije vcsel de polarisatie sterk variëren als functie van de tijd?

Kwantumfluctuaties

Theoretische beschouwingen waarin die vraag aan de orde kwam, gaven aan dat twee tegengestelde effecten een rol spelen: een stabiliserend en een destabiliserend effect. Wetenschappers aan de Universiteit van de Balearen, op Mallorca, beschreven in 1995 als eerste het stabiliserende effect. Het stabiliserend effect heeft als grondslag dat laserlicht het meest efficiënt wordt versterk in het lasermedium wanneer het licht een enkele, stabiele polarisatie heeft. Wanneer de laser in bijvoorbeeld twee polarisaties tegelijkertijd lasert, is de versterking minder efficiënt. Daardoor heeft de laser als het ware een voorkeur voor een enkele, stabiele polarisatie. Op grond van de theoretische beschouwingen verwachte men toen dat dit effect dominant de vcsel-polarisatie zou bepalen.

Het destabiliserende effect is een zeer fundamenteel verschijnsel: kwantumfluctuaties. In een laser treedt behalve gestimuleerde emissie, het principe waarop de lichtversterker gebaseerd is, ook spontane emissie op. Spontane emissie is een toevalsproces dat onafhankelijk is van het al aanwezige licht. Het verstoort af en toe de polarisatierichting van het licht. Het voorkomen van spontane emissie hangt nauw samen met de fundamenten van de natuurkunde, onder andere in de thermodynamica en de kwantumtheorie. Om die reden noemt men de fluctuaties die ontstaan door de spontane emissie ook wel kwantumfluctuaties. Het is bijna onmogelijk om de kwantumfluctuaties te onderdrukken. Ze bepalen de ondergrens van de stabiliteit, ook wel de kwantumlimiet genoemd. De kwantumfluctuaties in de polarisatierichting zijn over het algemeen moeilijk waar te nemen. Naarmate een laser kleiner wordt, neemt de invloed van de spontane emissie echter toe. Het valt dan ook te verwachten dat in vcsels de kwantumfluctuaties een grotere rol spelen dan in andere lasers.

Toen wij in Leiden met de ‘hete-plek-techniek’ de mechanische spanning in de vcsel beperkten, bleek het mechanisme dat voor polarisatiestabiliteit zorgt veel kleiner dan verwacht. De genoemde polarisatieschommelingen zijn duidelijk waarneembaar en spelen een belangrijke rol in het lasergedrag. Op grond van onze experimentele resultaten verwachten we dat in een spanningsvrije vcsel de kwantumfluctuaties, als destabiliserend effect, sterker zullen zijn dan het stabiliserend effect. De polarisatie van het licht dat uit zo’n vcsel komt, zou volledig onbepaald zijn: het zou de eerste ongepolariseerde laser zijn.

Er is nog nooit iemand in geslaagd om echt ongepolariseerd licht te maken. In het huidige onderzoek lukt het ons om de vcsel steeds meer spanningsvrij te maken. Het moet uiteindelijk mogelijk zijn om een ongepolariseerde vcsel te fabriceren. Voor zo’n laser zijn er (nog) niet echt praktische toepassingen of voordelen bedacht. Hij is vooral wetenschappelijk interessant. Als de invloed van kwantumfluctuaties toeneemt, worden allerlei benaderingen in de theorie die het polarisatiegedrag van lasers beschrijven ongeldig. Wij proberen dit regime te bereiken, zodat we de schendingen van de theorie kunnen aantonen.

De laser is niet meer weg te denken uit het dagelijks leven. Als de laser ooit een oplossing op zoek naar een probleem was, dan heeft die zoektocht in ieder geval succes gehad. Doorgaans is de lasertechnologie verborgen aan de binnenkant van apparaten: het is aan de buitenkant van de cd-speler niet te zien dat hij op moderne optische technologie is gebaseerd. Het is echter een vergissing om te denken dat de optische revolutie niet plaatsvindt. Ondanks de onzichtbaarheid staan licht en kleine lasers aan de basis van de technologie voor de 21e eeuw.

Dit artikel is een publicatie van Natuurwetenschap & Techniek.
© Natuurwetenschap & Techniek, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 10 april 2004

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.