Die Geschichte des Halbleiterlasers: Vom Labor zum Internet

13.10.2026

1962 gelang erstmals Laseremission direkt aus einem Halbleiter. Doch erst Heterostrukturen, neue Kristallzuchtverfahren und verlustarme Glasfasern machten die Laserdiode zu einer zuverlässigen Lichtquelle. Ihre Entwicklung führte von wenigen Nanosekunden dauernden Laborimpulsen über die ersten optischen Telefonleitungen bis zu transozeanischen Datenkabeln und modernen Rechenzentren.

Die Geschichte des Halbleiterlasers: Vom Labor zum Internet

Bild: ChatGPT

Im Herbst 1962 standen mehrere Forschungslabore vor einem bemerkenswerten Wettlauf. Bei General Electric, IBM und dem Lincoln Laboratory des Massachusetts Institute of Technology gelang es unabhängig voneinander, aus winzigen Galliumarsenid-Kristallen nicht nur Licht, sondern Laserstrahlung zu erzeugen. Von außen sahen die Bauelemente unspektakulär aus: kleine Halbleiterchips mit elektrischen Kontakten, deren optische Strahlung für das menschliche Auge unsichtbar war. Doch sie versprachen etwas, das bis dahin aufwendigen Gas- und Festkörperlasern vorbehalten gewesen war: eine Lichtquelle, die unmittelbar durch elektrischen Strom in einem Halbleiter betrieben werden konnte.

Als Robert N. Hall und seine Kollegen bei General Electric ihre Ergebnisse veröffentlichten, war an ein globales Datennetz noch nicht zu denken. Die ersten Halbleiterlaser benötigten sehr hohe Stromimpulse und tiefe Temperaturen. Sie leuchteten nicht zuverlässig im Dauerbetrieb und hatten eine geringe Lebensdauer. Wie wurde aus diesem empfindlichen Laborbauelement das Herzstück der Glasfaserkommunikation? Die Antwort führt von der Physik des pn-Übergangs über die kunstvolle Züchtung hauchdünner Halbleiterschichten zu einem zweiten, zunächst völlig unabhängigen Durchbruch: der Herstellung extrem reiner Glasfasern.

1960: Der Laser ist erfunden – aber noch nicht auf einem Chip

Die theoretische Grundlage der Laserwirkung entstand bereits vor dem Halbleiterlaser. 1917 beschrieb Albert Einstein neben der Absorption und spontanen Emission die stimulierte Emission: Ein geeignetes Photon kann ein angeregtes Atom dazu anregen, ein weiteres Photon mit passender Frequenz, Phase und Richtung auszusenden. Werden genügend Teilchen in einen angeregten Zustand gebracht, kann das Licht im geeigneten Resonator verstärkt werden.

1954 demonstrierten Charles Townes und seine Mitarbeiter einen Maser, der nach diesem Prinzip Mikrowellen verstärkte. Im Mai 1960 gelang Theodore Maiman mit einem Rubinkristall der erste funktionierende optische Laser. Kurz darauf folgten Gaslaser, darunter der Helium-Neon-Laser. Diese Lichtquellen zeigten, dass sich stark gerichtetes und spektral vergleichsweise reines Licht erzeugen ließ. Sie waren für die Nachrichtentechnik interessant, hatten aber erhebliche Nachteile: Ein Rubylaser musste optisch gepumpt werden, Gaslaser benötigten eine Gasentladung, und die Geräte waren für viele Anwendungen groß und aufwendig.

Die Halbleiterforschung versprach einen anderen Weg. Transistoren und Dioden ließen sich elektrisch direkt betreiben und in großer Stückzahl herstellen. Warum sollte nicht auch das Verstärkungsmedium eines Lasers ein kleiner Halbleiterkristall sein? Die Herausforderung bestand darin, ausreichende optische Verstärkung zu erzielen, ohne das Material durch hohe Stromdichten und Wärme zu zerstören.

Warum Galliumarsenid und nicht Silicium?

Ein Halbleiterlaser ähnelt auf den ersten Blick einer Leuchtdiode. In einem pn-Übergang werden durch Vorwärtsspannung Elektronen und Löcher in eine aktive Zone injiziert. Bei ihrer Rekombination kann ein Photon entstehen. Entscheidend ist jedoch, ob der Halbleiter diesen Vorgang effizient ermöglicht und ob sich genügend Ladungsträger für eine Besetzungsinversion konzentrieren lassen.

In Galliumarsenid (GaAs) liegen die für die optische Rekombination relevanten Zustände im Energie-Impuls-Diagramm günstig zueinander: Es besitzt eine direkte Bandlücke. Elektronen können deshalb mit hoher Wahrscheinlichkeit unter Emission eines Photons rekombinieren. Silicium hat dagegen eine indirekte Bandlücke. Für einen strahlenden Übergang ist dort zusätzlich eine Impulsänderung, typischerweise unter Beteiligung eines Phonons, erforderlich. Das macht die Lichtemission im Silicium wesentlich weniger wahrscheinlich.

Die Materialwahl war also keine Frage des Bekanntheitsgrades eines Halbleiters. Das in der Transistor- und späteren Mikroprozessorindustrie dominierende Silicium eignete sich nicht als einfacher, effizienter Laseremitter. Galliumarsenid und andere Verbindungshalbleiter boten dagegen die nötige direkte Bandlücke. Bei GaAs liegt die Laseremission im nahen Infrarot, in der Größenordnung von 850 Nanometern. Das Licht ist unsichtbar, aber für elektronische Empfänger gut nachweisbar.

Hinzu kommt der optische Resonator. Zwei gegenüberliegende, durch Spalten des Kristalls erzeugte glatte Halbleiterflächen können als teilweise reflektierende Spiegel wirken. Licht läuft mehrfach durch die aktive Zone, wird bei ausreichender Verstärkung verstärkt und verlässt den Chip durch eine der Stirnflächen. Diese Grundform heißt Fabry-Pérot-Kantenemitter. Sie zeigt, wie ein Halbleiterkristall zugleich elektrisches Bauelement, aktives optisches Material und Teil des Resonators sein kann.

1962: Ein Wettlauf zwischen General Electric, IBM und dem MIT

Der eigentliche Durchbruch gelang in wenigen Wochen. Bei General Electric in Schenectady untersuchten Robert N. Hall und sein Team stark dotierte Galliumarsenid-pn-Übergänge, die mit kurzen, sehr hohen Stromimpulsen betrieben wurden. Das Bauelement war stark gekühlt. Als der Strom eine bestimmte Schwelle überschritt, änderte sich das optische Spektrum schlagartig: Aus einer breiteren spontanen Emission wurde eine deutlich schmalbandigere Laserstrahlung.

Der Bericht von Hall und Kollegen über kohärente Infrarotemission bei ungefähr 850 Nanometern erschien am 1. November 1962 in den Physical Review Letters. Fast gleichzeitig publizierten die Gruppe um Marshall Nathan bei IBM in Yorktown Heights und eine Gruppe um Theodore Quist am MIT Lincoln Laboratory vergleichbare Ergebnisse. Die Erfindung war daher nicht die Arbeit eines einzelnen einsamen Forschers, sondern ein nahezu gleichzeitiger Durchbruch mehrerer Teams.

Wenig später demonstrierten Nick Holonyak und seine Mitarbeiter bei General Electric in Syracuse Laseremission im sichtbaren Spektralbereich mit Galliumarsenidphosphid. Auch Arbeitsgruppen außerhalb der USA, darunter britische und sowjetische Forscher, veröffentlichten 1962 entsprechende Ergebnisse. Der Halbleiterlaser war damit geboren, auch wenn er noch weit von einem robusten Industrieprodukt entfernt war.

Die Experimente waren technisch anspruchsvoll. Die hohen Einspritzströme erzeugten starke Verlustwärme; deshalb wurden die ersten Laserdioden nur kurz gepulst und typischerweise bei tiefen Temperaturen betrieben. Ein Dauerbetrieb bei gewöhnlicher Umgebungstemperatur war mit den frühen homogenen pn-Übergängen nicht praktikabel. Für ein Telefonnetz, das rund um die Uhr Daten überträgt, mussten Strombedarf, Wärmeentwicklung und Lebensdauer drastisch verbessert werden.

1963: Kroemer und Alfjorow denken in Schichten

Ein Ausweg entstand fast unmittelbar nach den ersten Demonstrationen. Herbert Kroemer in den USA und Schores Iwanowitsch Alfjorow (Zhores Alferov) mit Rudolf Kasarinow am Joffe-Institut in Leningrad beschrieben 1963 unabhängig voneinander das Prinzip eines Lasers aus Halbleiter-Heterostrukturen. Anstelle eines einzelnen Halbleitermaterials sollte die aktive Zone zwischen Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung liegen.

Bei einer Doppelheterostruktur befindet sich eine dünne Schicht mit kleinerer Bandlücke zwischen zwei Schichten mit größerer Bandlücke. Geeignete Bandversätze halten Elektronen und Löcher in der dünnen aktiven Schicht fest, sodass sie dort mit höherer Wahrscheinlichkeit rekombinieren. Zugleich kann der Unterschied im Brechungsindex das Licht als Wellenleiter in der aktiven Zone führen. Damit konzentriert die Struktur sowohl die Ladungsträger als auch das optische Feld dort, wo Verstärkung entstehen soll.

Das war der entscheidende Unterschied zur frühen, weitgehend homogenen Laserdiode: Statt die gesamte Umgebung mit extrem hohem Strom zu beaufschlagen, ließ sich die elektrische und optische Energie in einer dünnen Zone bündeln. Die notwendige Schwellenstromdichte sank, und ein Betrieb mit deutlich geringerer Wärmeentwicklung rückte in Reichweite.

Die Idee war ihrer Zeit voraus. Geeignete Materialien mussten mit nahezu gleichem Kristallgitterabstand kombinierbar sein; andernfalls erzeugten Versetzungen und andere Kristalldefekte hohe Verluste. Vor allem fehlten zunächst Fertigungsverfahren, die solche Grenzen zwischen dünnen Halbleiterschichten gleichmäßig und reproduzierbar herstellen konnten. Die Heterostruktur war also sowohl eine neue Bauelementidee als auch eine anspruchsvolle Aufgabe für die Kristallzüchtung.

1969–1970: Dauerstrichbetrieb bei Raumtemperatur

In der zweiten Hälfte der 1960er-Jahre machten die Forscher erhebliche Fortschritte beim Wachstum der Verbindungshalbleiter. Besonders gut eignete sich die Kombination aus Galliumarsenid und Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs): Die Aluminiumzugabe vergrößert die Bandlücke, während der Gitterabstand bei geeigneter Zusammensetzung gut zu GaAs passt. Durch Liquid Phase Epitaxy, die Abscheidung kristalliner Schichten aus der flüssigen Phase, ließen sich die benötigten Strukturen schließlich zuverlässig herstellen.

Alfjorows Gruppe am Joffe-Institut realisierte 1969 geeignete GaAs/AlGaAs-Strukturen und berichtete 1970 über den kontinuierlichen Laserbetrieb bei Raumtemperatur. Kurz darauf erreichten Izuo Hayashi und Morton Panish mit ihren Mitarbeitern bei den Bell Laboratories denselben entscheidenden Meilenstein. Wieder entwickelten sich Fortschritte auf beiden Seiten des Eisernen Vorhangs teilweise parallel.

Für die Zukunft der Kommunikation war das wichtiger als eine weitere Steigerung der kurzfristigen Spitzenleistung. Ein Laser, der ununterbrochen bei Raumtemperatur arbeitet, lässt sich als stabiler optischer Sender nutzen. Seine Intensität kann über den Einspritzstrom moduliert werden, sodass elektrische Informationen zu schnellen Lichtsignalen werden. Zugleich ermöglicht die geringere Belastung eine längere Lebensdauer.

Die Leistung der frühen Heterostrukturlaser war noch nicht mit heutigen Produkten vergleichbar. Aber die grundlegende Voraussetzung war geschaffen: Aus einer empfindlichen Versuchsanordnung konnte eine elektrisch betreibbare, kompakte und grundsätzlich industrietaugliche Lichtquelle werden. Für ihre Beiträge zu Halbleiterheterostrukturen erhielten Alfjorow und Kroemer im Jahr 2000 gemeinsam eine Hälfte des Physik-Nobelpreises; die andere Hälfte ging an Jack Kilby für seinen Anteil an der Erfindung des integrierten Schaltkreises.

1966–1970: Die zweite Hälfte der Erfindung entsteht aus Glas

Ein gut funktionierender Laser allein machte noch kein optisches Nachrichtennetz. Man brauchte auch einen Übertragungsweg, der das Licht möglichst verlustarm vom Sender zum Empfänger führt. Glasfasern waren schon lange bekannt, doch ihre Dämpfung war Mitte der 1960er-Jahre viel zu hoch: Bei damaligen Fasern gingen über kurze Strecken enorme Lichtmengen verloren.

1966 argumentierten Charles Kuen Kao und George Hockham in Großbritannien, dass diese hohen Verluste nicht grundsätzlich unvermeidbar seien. Entscheidend seien vor allem Verunreinigungen im Glas. Mit ausreichend reinem Material und geeignetem Faseraufbau müsse die Dämpfung so weit sinken können, dass optische Nachrichtenübertragung über Kilometer möglich würde. Sie formulierten als wichtige Zielgröße einen Verlust von etwa 20 Dezibel pro Kilometer – für damalige Verhältnisse ein ehrgeiziges Ziel.

1970 stellten Robert Maurer, Donald Keck und Peter Schultz bei Corning eine Glasfaser her, deren Dämpfung unter dieser Schwelle lag. Auch wenn solche Werte aus heutiger Sicht noch hoch sind, war damit gezeigt, dass eine praktikable Lichtleitung technisch möglich war. Gleichzeitig entwickelten sich Halbleiterlaser von gekühlten Impulsquellen zu dauerbetriebsfähigen Lichtemittern.

Die beiden Forschungsrichtungen ergänzten sich auf geradezu ideale Weise: Die Glasfaser ermöglichte es, das Licht über weite Strecken zu führen, und der Halbleiterlaser stellte eine kompakte, schnell modulierbare Quelle dafür bereit. Weder der Laser von 1962 noch eine verlustarme Glasfaser allein hätte das moderne Kommunikationsnetz hervorgebracht.

Wie aus elektrischem Strom Daten aus Licht werden

Bei einer einfachen optischen Übertragungsstrecke wandelt der Sender digitale elektrische Signale in eine Folge von Lichtzuständen oder Lichtimpulsen um. Dazu lässt sich der Einspritzstrom einer Laserdiode verändern: Oberhalb des Schwellstroms setzt Laseremission ein, und mit wachsendem Strom nimmt die optische Ausgangsleistung zu. Am anderen Ende der Faser wandelt eine Fotodiode die ankommenden Lichtsignale wieder in einen elektrischen Strom um. Elektronische Schaltungen verstärken und rekonstruieren daraus die übertragenen Bits.

Der Halbleiterlaser besitzt gegenüber einer einfachen Leuchtdiode wesentliche Vorteile. Seine Strahlung ist enger gebündelt, lässt sich gut in kleine Faserkernflächen einkoppeln und kann bei geeigneter Bauart eine schmale spektrale Linienbreite aufweisen. Gerade bei hohen Übertragungsraten und langen Distanzen verringert das bestimmte Störungen durch Laufzeitunterschiede verschiedener Lichtanteile. Andererseits erfordert die Laserdiode eine sorgfältige Regelung von Strom, Temperatur und Ausgangsleistung.

Die optische Leistung wird in einem realen Sender meist über eine Monitor-Fotodiode erfasst und geregelt. Bei sehr hohen Bitraten reicht die unmittelbare Strommodulation nicht immer aus: Der veränderliche Einspritzstrom beeinflusst auch die optische Frequenz, was als Chirp bezeichnet wird und zusammen mit der Faserdispersion die Signale verzerren kann. Deshalb werden bei anspruchsvollen Strecken häufig kontinuierlich betriebene Laser mit externen Modulatoren kombiniert. Der Laser liefert dann die stabile Lichtwelle, während ein weiteres optisches Bauelement die Information aufprägt.

1976–1977: Lichtsignale gelangen in die Telefonnetze

Mitte der 1970er-Jahre wurden die Halbleiterlaser und Fasern ausreichend zuverlässig für erste Nachrichtensysteme. Bei Bell Laboratories und Western Electric wurde 1976 in Atlanta eine optische Verbindung mit 44,7 Megabit pro Sekunde unter betriebsnahen Bedingungen getestet. 1977 folgte eine Installation in der Innenstadt von Chicago, die reale Telefon- und Datensignale über ein unterirdisches Glasfaserkabel übertrug. Am 1. April 1977 wurde dort kommerzieller Verkehr auf das System geschaltet.

Die ersten Systeme arbeiteten häufig im Bereich um 850 Nanometer. Dafür standen GaAs/AlGaAs-Laserdioden und passende Detektoren zur Verfügung. Die Fasertechnik steckte allerdings noch in den Kinderschuhen. Schon geringe Verunreinigungen, Probleme beim Verbinden der Glasfasern, Temperaturschwankungen oder eine kurze Lebensdauer der Laser konnten den Betrieb erschweren. Betreiber mussten daher das gesamte System entwickeln: optische Sender und Empfänger, Faser, Steckverbinder, Spleiße, Gehäuse und Überwachung.

Was Ende der 1970er-Jahre entstand, war noch nicht das Internet, wie es heute verstanden wird. Die ersten kommerziellen Glasfaserleitungen dienten vor allem dem Telefonverkehr und anderen fest geschalteten Verbindungen. Sie bewiesen jedoch, dass optische Übertragung außerhalb eines Forschungslabors wirtschaftlich und technisch möglich sein konnte. Die künftige Dateninfrastruktur begann als Ersatz für Kupferleitungen zwischen Vermittlungsstellen.

Die Wellenlänge wandert: Von 850 über 1.310 zu 1.550 Nanometern

In den folgenden Jahren zeigte sich, dass das verwendete Licht ebenso sorgfältig ausgewählt werden musste wie die Glasfaser. Bei Quarzglas sinken die Übertragungsverluste und die Eigenschaften der Dispersion verändern sich mit der Wellenlänge. Eine Lichtquelle um 850 Nanometer war für frühe kurze Übertragungsstrecken geeignet. Um 1.310 Nanometer besitzen konventionelle Einmodenfasern eine besonders geringe chromatische Dispersion; um 1.550 Nanometer erreichen hochwertige Quarzglasfasern besonders geringe Dämpfungswerte, häufig in der Größenordnung von 0,2 Dezibel pro Kilometer.

Für diese längeren Wellenlängen waren neue Halbleitermaterialien nötig. Galliumarsenid mit seiner relativ großen Bandlücke emittiert nicht einfach bei 1.550 Nanometern. Auf Basis von Indiumphosphid (InP) entwickelten Forscher deshalb Legierungen wie Indiumgalliumarsenidphosphid (InGaAsP), deren Zusammensetzung an die gewünschte Wellenlänge angepasst werden kann. Fortschritte bei der Kristallzüchtung machten daraus Laserdioden mit geeigneter Verstärkung, hoher Lebensdauer und praktikabler optischer Ausgangsleistung.

Diese Entwicklung war ein Beispiel dafür, wie eng Materialtechnik und Systemtechnik verbunden sind. Die Faser bestimmte, bei welchen Wellenlängen die Übertragung besonders günstig war, und die Halbleitertechnik lieferte die dafür geeigneten Lichtquellen. Mit der Einführung einmodiger Fasern und langwelliger Laser konnten Übertragungsstrecken länger und ihre Kapazitäten höher werden.

1988 wurde mit TAT-8 das erste transatlantische Glasfaser-Telefonkabel in Betrieb genommen. Es verwendete optische Übertragung bei ungefähr 1.310 Nanometern. Damit begann eine neue Ära der interkontinentalen Telekommunikation, in der Lichtsignale zunehmend die elektrischen Signale in Kupfer-Seekabeln ersetzten.

Vom einfachen Resonator zum DFB-Laser

Ein Fabry-Pérot-Halbleiterlaser kann mehrere longitudinale Resonatormoden gleichzeitig verstärken. Für einfache Anwendungen ist das nicht zwingend ein Problem. Bei langen Faserstrecken und hohen Datenraten können mehrere nahe beieinanderliegende Wellenlängen jedoch unterschiedlich schnell durch die Faser laufen und den empfangenen Puls verbreitern. Die optische Quelle musste deshalb spektral genauer kontrolliert werden.

1971 entwickelten Herwig Kogelnik und Charles V. Shank bei Bell Labs das Prinzip des Distributed-Feedback-Lasers (DFB). Statt sich allein auf zwei Spiegel an den Stirnflächen zu verlassen, nutzt ein periodisches Gitter innerhalb oder nahe dem Wellenleiter eine wellenlängenselektive Rückkopplung. Für bestimmte Wellenlängen ist die Rückkopplung besonders stark, andere werden unterdrückt. Industriell entwickelte DFB-Laserdioden konnten dadurch stabil in einer dominanten Längsmode arbeiten.

Verwandt damit sind DBR-Laser (Distributed Bragg Reflector), bei denen die wellenlängenselektiven Gitter in eigenen Resonatorabschnitten liegen können. Je nach Entwurf lassen sich Wellenlänge, Abstimmverhalten und Modulation gezielt beeinflussen. Für Nachrichtensysteme wurde die Kontrolle der Emissionswellenlänge immer wichtiger, weil in derselben Faser später mehrere Datenkanäle mit nur geringfügig unterschiedlichen Wellenlängen nebeneinander übertragen werden sollten.

Zusammen mit besseren Heterostrukturen, Quantentöpfen und genaueren Lithografieverfahren entstanden kompakte, langzeitstabile Sender, die in optische Übertragungsmodule eingebaut werden konnten. Der Laser war nun nicht mehr nur eine Strahlungsquelle, sondern ein präzise abgestimmtes Funktionselement eines Datennetzes.

Quantentöpfe: Wenige Nanometer entscheiden über den Stromverbrauch

Die Doppelheterostruktur beschränkte bereits die Bewegung von Ladungsträgern und das optische Feld. In den 1970er- und 1980er-Jahren ging die Forschung noch einen Schritt weiter: Die aktive Schicht wurde so dünn, dass quantenmechanische Effekte die erlaubten elektronischen Energieniveaus deutlich beeinflussten. Es entstand der Quantentopf (Quantum Well).

Mit modernen Epitaxieverfahren, insbesondere Molekularstrahlepitaxie (MBE) und metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE beziehungsweise MOCVD), konnten Schichten mit einer Dicke von wenigen Nanometern und hoher Grenzflächenqualität hergestellt werden. In geeigneten Mehrfach-Quantentopf-Strukturen wird das optische Verstärkungsspektrum gezielt eingestellt, während die Stromdichte am Laserschwellenpunkt sinken kann. Niedrigere Schwellenströme bedeuten weniger Verlustwärme und erleichtern einen energieeffizienten Betrieb.

Für die Fertigung blieb die Herausforderung beträchtlich: Kleine Abweichungen bei Schichtdicke, Zusammensetzung und Dotierung verändern die Emissionswellenlänge und die optischen Eigenschaften. Die Industrie musste deshalb neben der Halbleiterprozessierung auch hochpräzise Kristallzüchtung, optische Messtechnik und Zuverlässigkeitsprüfungen beherrschen. Ein moderner Halbleiterlaser ist keine einfache leuchtende Diode, sondern ein exakt aufgebautes System vieler aufeinander abgestimmter Schichten.

1977–1990er-Jahre: Der Laser beginnt nach oben zu strahlen

Die klassischen Halbleiterlaser senden ihr Licht seitlich aus einer gespaltenen Chipkante aus. Das ist für viele Anwendungen hervorragend geeignet, erschwert aber die Prüfung und die Herstellung sehr großer zweidimensionaler Laserarrays auf einem Wafer. Kenichi Iga schlug 1977 in Japan daher einen anderen Aufbau vor: einen extrem kurzen Resonator senkrecht zur Waferoberfläche. Der Laser sollte sein Licht direkt nach oben beziehungsweise unten abgeben.

Aus dieser Idee entwickelte sich der Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL). Dünne Halbleiterschichten mit abwechselndem Brechungsindex bilden hochreflektierende Bragg-Spiegel oberhalb und unterhalb der aktiven Zone. Igas Team zeigte 1979 erste entsprechende Strukturen. Nach Jahren weiterer Entwicklung gelang der kontinuierliche Betrieb bei Raumtemperatur 1988, an dem insbesondere Fumio Koyama beteiligt war.

VCSELs lassen sich in großer Anzahl auf einem Wafer herstellen, prüfen und in Arrays anordnen. Ihr vergleichsweise symmetrisches Strahlprofil erleichtert die optische Kopplung. Besonders für kurze optische Verbindungen, etwa in Rechenzentren über Multimode-Glasfasern, wurde diese Bauform wichtig. Auch andere Anwendungen – von optischen Sensoren bis zu 3D-Tiefenmesssystemen – profitierten später davon. Die Geschichte des Halbleiterlasers verzweigte sich damit in mehrere Bauformen, die jeweils für unterschiedliche Reichweiten, Leistungen und Kosten optimiert wurden.

1987–2000: Lichtverstärker und viele Farben in einer Faser

Selbst in einer sehr guten Glasfaser nimmt die Lichtleistung mit der Entfernung ab. Frühere Fernverbindungen mussten das ankommende Licht daher nach bestimmten Strecken in elektrische Signale umwandeln, elektronisch verstärken und anschließend mit einem neuen Laser wieder aussenden. Diese optoelektronischen Regeneratoren waren komplex und mussten auf die jeweilige Bitrate abgestimmt werden.

In den 1980er-Jahren gelang ein weiterer Durchbruch: die praktische Entwicklung des erbiumdotierten Faserverstärkers (EDFA). Eine mit Erbiumionen dotierte Glasfaser wird durch Pumplicht angeregt, häufig von zusätzlichen Halbleiterlasern. Ein optisches Nachrichtensignal im Bereich um 1.550 Nanometer kann dann direkt im Glas verstärkt werden, ohne zunächst in ein elektrisches Signal umgewandelt zu werden. 1987 wurden leistungsfähige optische Verstärker dieses Typs wissenschaftlich demonstriert; in den 1990er-Jahren fanden sie zunehmend industrielle Anwendung.

Parallel dazu entwickelte sich das Wellenlängenmultiplexverfahren (Wavelength Division Multiplexing, WDM). Anstatt eine Faser nur mit einer einzigen Lichtfarbe zu betreiben, nutzen Sender mehrere präzise getrennte Wellenlängen. Jede trägt einen eigenen Datenstrom. Optische Multiplexer führen diese Kanäle zusammen, während sie am Ende der Strecke wieder getrennt werden. Die dichtere Kanalbelegung wird als Dense WDM (DWDM) bezeichnet.

Für solche Netze sind stabile DFB-Laser, abstimmbare Lichtquellen, optische Filter und Verstärker entscheidend. Aus der Kombination dieser Technologien entstand die Fähigkeit, immer größere Datenmengen über dieselben Glasfaserpaare zu übertragen. Die Lichtquelle musste nicht nur hell und zuverlässig sein, sondern ihre Wellenlänge über viele Betriebsstunden präzise halten.

1990er- und 2000er-Jahre: Das Internet wächst auf Glasfaser

Als sich das Internet in den 1990er-Jahren von einem Forschungs- und Spezialnetz zum Massenmedium entwickelte, war bereits eine weltweite Glasfaserinfrastruktur im Aufbau. Telefonunternehmen hatten die Technik für Fern- und Stadtnetze vorangetrieben; nun wuchs der Bedarf an Datenkapazität durch E-Mail, Webseiten, später Streaming, Cloud-Dienste und mobile Datennetze. Halbleiterlaser übertrugen die digitalen Signale auf langen Strecken zwischen Städten und Kontinenten, ohne dass Nutzer diese Lichtquellen je zu Gesicht bekamen.

Eine typische Datenverbindung führt elektrische Daten zunächst in einen optischen Transceiver. Dort treibt ein Schaltkreis die Laserdiode oder einen externen Modulator an. Das Licht wird in eine Glasfaser eingekoppelt, über viele Kilometer geführt und durch empfindliche Fotodetektoren wieder in elektrische Signale umgewandelt. In Hochgeschwindigkeitsnetzen übernehmen zusätzliche elektronische Schaltungen die Taktrückgewinnung, Entzerrung und Fehlerkorrektur.

Mit steigenden Übertragungsraten kamen neben der einfachen Intensitätsmodulation weitere Verfahren hinzu. Die kohärente optische Übertragung nutzt die kontrollierte Phase, Amplitude und Polarisation des Lichts, um mehr Informationen pro Symbol zu transportieren. Dafür sind besonders schmalbandige Laser, stabile lokale Oszillatoren und aufwendige Signalverarbeitung erforderlich. Die Laserdiode blieb als Quelle erhalten, während die Elektronik um sie herum erheblich komplexer wurde.

Es wäre dennoch irreführend, das Internet allein dem Halbleiterlaser zuzuschreiben. Ohne geeignete Glasfasern, Detektoren, Modulatoren, Verstärker, schnelle integrierte Schaltungen und Netzprotokolle wäre es nicht möglich. Doch die kompakte und elektrisch steuerbare Laserlichtquelle ist ein unverzichtbarer Bestandteil vieler dieser optischen Übertragungsstrecken.

Heute: Halbleiterlaser zwischen Rechenzentrum und Siliciumphotonik

In modernen Rechenzentren müssen Server, Speicher und Netzwerkgeräte enorme Datenmengen austauschen. Schon innerhalb eines Gebäudes oder zwischen benachbarten Rechenzentrumsstandorten kann die optische Verbindung gegenüber langen elektrischen Kupferstrecken entscheidende Vorteile bieten. Kurzstreckenmodule verwenden häufig VCSELs und Multimodefasern; für größere Reichweiten kommen unter anderem InP-basierte DFB-Laser, extern modulierte Laser und kohärente optische Transceiver zum Einsatz.

Mit der Siliciumphotonik nähert sich die optische Nachrichtentechnik der Fertigungswelt integrierter Schaltkreise an. Auf Silicium lassen sich Lichtwellenleiter, Modulatoren, Koppler und zahlreiche weitere passive beziehungsweise aktive optische Funktionen in großer Stückzahl strukturieren. Der eigentliche Laseremitter ist jedoch weiterhin schwierig: Wegen der indirekten Bandlücke ist reines Silicium kein effizienter konventioneller Halbleiterlaser. Deshalb werden Laser aus III-V-Verbindungshalbleitern oft extern angekoppelt oder durch heterogene Integration, etwa durch Bonding, mit Siliciumphotonik-Chips verbunden.

Diskutiert werden zudem neue Möglichkeiten, optische Verbindungen näher an die eigentlichen Rechenchips zu bringen – etwa Co-Packaged Optics, bei dem optische Ein- und Ausgänge in unmittelbarer Nähe großer Switch- oder Rechenprozessoren angeordnet werden. Ziel sind weniger elektrische Verluste, höhere Bandbreiten und ein besseres Verhältnis von übertragener Datenmenge zu Energieverbrauch. Welche Packaging- und Lichtquellenkonzepte sich durchsetzen, hängt jedoch von Zuverlässigkeit, Reparierbarkeit, Wärmeabfuhr und Herstellkosten ab.

Mehr als sechs Jahrzehnte nach den ersten Laserimpulsen von 1962 ist der Halbleiterlaser ein hochentwickeltes Industriebauelement mit vielen unterschiedlichen Ausprägungen: winzige Sensorlaser, Laserarrays, leistungsfähige Pumpquellen und präzise abstimmbare Nachrichtenlaser. Ihre Fertigung verbindet Epitaxie, Fotolithografie, Ätzen, Metallisierung, optisches Design und hochgenaue Gehäusetechnik.

Eine Erfindung, die erst durch andere Erfindungen groß wurde

Die Entwicklung des Halbleiterlasers zeigt exemplarisch, wie wissenschaftliche Entdeckungen und industrielle Fertigung ineinandergreifen. 1962 gelang mehreren Teams nahezu gleichzeitig die Laseremission aus einem Galliumarsenid-pn-Übergang. Doch die Geräte mussten stark gekühlt werden und konnten nur kurz gepulst werden. Die Doppelheterostruktur von 1963 lieferte das physikalische Konzept, das 1970 den kontinuierlichen Betrieb bei Raumtemperatur ermöglichte. Erst verbesserte Kristallzüchtung, wirksame Wärmeabfuhr und zuverlässige Kontaktierung machten aus dieser Idee ein Bauelement für viele Betriebsjahre.

Gleichzeitig mussten Glasfasern immer reiner werden, passende Materialien für andere Wellenlängen gefunden, die Laser spektral stabilisiert und schließlich viele Lichtkanäle in einer einzigen Faser gebündelt werden. Aus den optischen Telefonsystemen der 1970er-Jahre entstanden so die weltumspannenden Netze des digitalen Zeitalters.

Was 1962 im Labor als unsichtbarer Lichtblitz aus einem winzigen Kristall begann, ist heute in Glasfaseranschlüssen, Unterseekabeln und Rechenzentren verborgen. Jeder dieser Laser ist das Ergebnis von Jahrzehnten der Forschung an Halbleitermaterialien, Schichtstrukturen und Fertigungsprozessen. Der Weg vom Labor zum Internet war deshalb weniger die Geschichte einer einzelnen Erfindung als die Geschichte vieler aufeinander aufbauender Lösungen – mit der Laserdiode als einem ihrer zentralen Bausteine.