Het blauwe laserlicht is bijna klaar; Kortere golflengtes voor meer bits op CD's

De blauwe miniatuurlaser is in aantocht, het ongebreidelde fantaseren over nieuwe dimensies in de consumenten-elektronica kan weer beginnen. CD-, CDi- of laserdisc-spelers werken nu nog met rode minilasers. Als die straks plaats maken voor blauwe zal de opslagdichtheid van optische schijfjes een stevige oppepper krijgen. Dat komt omdat blauw laserlicht tot een stipje is te focusseren met een vier keer kleinere oppervlakte dan rood laserlicht. Een leeskop met blauwe laser kan daardoor schijfjes lezen met een vier keer hogere informatiedichtheid dan de huidige 'rode' CD's.

Een nummer op de huidige CD neemt bijvoorbeeld al snel de oppervlakte in van een rijksdaalder. Op een ”blauwe' CD zou dat maar een dubbeltje hoeven te zijn. De pas uitgekomen vijf CD's van Elvis Presley, ”Elvis: The King of Rock 'n' Roll - The Complete 50s Masters', zouden met wat passen en meten op één enkel plaatje kunnen worden geperst. En dan hebben we het nog niet over de mogelijkheid waar fabrikanten van consumenten-elektronica altijd al dol op zijn geweest: miniaturisatie. CD's ter grootte van een schijfje citroen zouden straks wel eens kunnen worden afgespeeld door CD- walkmans met het formaat van een pakje sigaretten.

Zonder blikken of blozen melden onderzoekers dat er voor het optisch opslaan van een speelfilm straks niet meer ruimte nodig is dan een audio-CD. In combinatie met datacompressie-technieken zouden zelfs rolprenten voor HDTV in digitale code in het spiegelend aluminium van enkele polycarbonaat plaatjes kunnen worden geschreven.

Pick-upnaald

Uiterlijk verandert er weinig. Net als de huidige rode miniatuurlaser uit de compact-spelers is de blauwe minilaser nauwelijks groter dan een pick-upnaald. En net als de rode zal de blauwe, met technieken die verwant zijn aan de fabricage van chips, straks met tienduizenden tegelijk uit een plaat ter grootte van een stroopwafel worden gesneden. Een proces dat uiteindelijk lasertjes oplevert van een paar piek per stuk.

Maar de blauwe minilaser is potenter.

Voor de minimale doorsnede van de gefocusseerde laserbundel geldt een simpele vuistregel: hij is gelijk aan de golflengte van het gebruikte licht. Voor de conventionele miniatuurlasers is dat 820 nanometer (nano is het voorvoegsel voor miljardste), grof afgerond één miljoenste millimeter. Het is eigenlijk nabij- infrarood licht dat net buiten het zichtbare spectrum valt, je kunt het dus niet zien.

In CD-spelers tast de focus van deze lichtbundel het putjesreliëf af op de schijfjes. De straal meet in werkelijkheid de diepte van elk putje - de digitale informatie zit opgesloten in diepe en ondiepe kuiltjes. Maar de laser kan niet in putjes kijken die smaller zijn dan de breedte van de bundel. De informatiedichtheid wordt dus begrensd door de golflengte van het gebruikte laserlicht. Omdat de golflengte van blauw ongeveer de helft is van rood kan daarmee in twee maal smallere putjes worden gekeken, en zo'n putje neemt ongeveer een vier maal kleinere oppervlakte in beslag.

Toekomstig blauw zal ook de CD's van nu kunnen blijven lezen.

Ook laserprinterfabrikanten zullen met de blauwe laser hun voordeel doen. Laserprinters schrijven hun letters met puntjes, en kleinere puntjes betekenen scherpere afbeeldingen. Met blauwe lasers zullen de haarscherpe afbeeldingen drukwerk evenaren.

Vergeefs ploeteren

Bij researchers in elektronica-labs hoef je met al die schitterende visioenen niet meer aan te komen. Het is ouwe koek voor ze, want ze zoeken al ruim tien jaar naar deze grensverleggende heilige graal. Het bracht echter lange tijd weinig meer op dan frustratie. Nadat de industriële researchlabs begin jaren tachtig vol goede moed waren begonnen hielden de meesten van hen het na jaren vergeefs ploeteren voor gezien. ””Gedeeltelijk was dat pure pech'', zegt Hong Luo, fysicus van de Universiteit van Notre Dame (Indiana) en een van de doorzetters. Hong en zijn medewerkers mochten als een van de eersten blauw- groen laserlicht uit een kristalstructuur aanschouwen. De onderzoekgroep fabriceerde twee en een half jaar geleden de eerste (zogenaamde optisch gepompte) blauw-groene miniatuurlaser.

Een tweede doorbraak kwam snel daarna, toen 3M en vrijwel gelijktijdig Matsushita een blauw-groene injectie-laser van hetzelfde materiaal maakten. Om zo'n injectielaser is het uiteindelijk te doen. ”Injectie' betekent namelijk dat je er laserlicht uit kunt krijgen door stroom, iets wat in huiskamer en broekzak voorwaarde is. Met het lasertje van 3M kon dat. Om licht te geven hoefde het kristalletje, net als een fietslampje, maar op de plus- en minpool van een eenvoudig batterijtje te worden aangesloten.

Kort daarna slaagden ook Philips Laboratories in Briarcliff (New York, VS) en een samenwerkingsverband tussen de Brown (Providence) en Purdue Universiteit (Lafayette) erin een blauwe halfgeleiderlaser te maken. Philips heeft inmiddels diverse experimentele varianten die licht uitzenden met golflengtes tussen de 485 en 500 nanometer.

De race is nu pas echt begonnen. Ook de Japanners Sony, Matsushita en NTT doen volop mee. Op de researchlabs heerst weer een koortsachtige bedrijvigheid. ””Het laatste jaar is er een gigantische hoeveelheid geld in het onderzoek gepompt'', vertelt Hong. ””Blauw-groen laserlicht van het injectie-type is voor niemand een probleem meer.'' Ook bij Philips is de spanning te proeven. ””1993 wordt beslissend'', voorspelt Martin Schuurmans, directeur Fysica en Materialen van Philips Laboratorium in Briarcliff. ””De ontwikkelingen volgen elkaar in versneld tempo op. Ik ben ervan overtuigd dat er volgend jaar ergens iemand met een batterij- aangedreven blauwe laser op de proppen komt die het ook bij kamertemperatuur doet.'' Daar is Hong Luo het mee eens: ””Niemand twijfelt eraan dat een commerciële blauwe laser werkelijkheid wordt, ik ook niet. Het is gewoon een kwestie van tijd.''

Intussen zijn er al weer nieuwe records gebroken. Bij Philips in Briarcliff slaagde men er eind vorig jaar in een optisch gepompte laser te construeren met een golflengte van 465 nanometer, in het echte blauwe gebied. En afgelopen juli waren het onderzoekers van Sony in Tokio die een ”nog blauwere' injectielaser maakten met een golflengte van 447 nanometer.

Als deze experimentele lasers het zo goed doen, wat moet er dan gebeuren om ze te gaan verkopen? Schuurmans zei het net al: de temperatuur. ””Deze devices zijn nog in een beginstadium'', legt zijn collega Diego Olego, hoofd van de researchgroep blauwe lasers op het Philipslab in Briarcliff, uit. ””Als je ze pulserend laat werken bij min 200 graden Celsius houden ze het nog wel enkele weken uit, continu laseren doen ze bij die temperatuur maar enkele minuten.''

Om bij kamertemperatuur een lichtbundel te kunnen produceren heeft een miniatuurlaser een veel grotere stroomstoot nodig dan onder cryogene omstandigheden. Het lichtredement is te klein. En dat gaat van kwaad tot erger: de meeste stroom gaat verloren als warmte, het rendement wordt nog minder en tenslotte degradeert het materiaal door de hitte. Weg laserlicht. Schuurmans: ””De uitdaging is om een structuur te maken die zoveel mogelijk elektriciteit in laserlicht omzet. Meer lichtrendement betekent minder warmteontwikkeling. Maar we hebben het proces om de halfgeleiderkristallen te produceren nog niet goed genoeg onder controle. Ook de elektrische contacten op de structuur zijn nog zo primitief dat ze constant hitte produceren.''

Ander licht

De vraag dringt zich op of de informatiedichtheid nog verder omhoog kan. Dienen er zich straks miniatuurlasers aan met nog kortere golflengtes? Een ultravioletlaser misschien, die zijn blauwe tegenspeler zal passeren? Laten we daarvoor nog even kijken naar halfgeleiders, de materialen waar de laserstructuurtjes uit zijn opgebouwd. Erg simpel gesteld kan in dat materiaal licht worden opgewekt door elektronen een energieniveau terug te laten vallen: van de zogenaamde geleidingsband naar de valentieband. Het energieverschil, de bandgap, is netjes afgepast en is specifiek voor elke halfgeleider. Elke halfgeleider zendt dus maar één kleur uit.

Hoe groter dit energieverschil, hoe korter de golflengte. De nabij-infrarood lasers (820 nm) uit CD-spelers bestaan uit een halfgeleiderstructuur van de elementen aluminium, gallium en arseen (AlGaAs). Het onderzoek naar de blauwe en blauw-groene lasers (450-500 nm) richt zich op een mengsel van zink en seleen (met kleine hoeveelheden magnesium, zwavel of cadmium).

Er zijn maar enkele halfgeleiders die zinkselenide in bandgap overtreffen. Hiervan lijken galliumnitride (GaN) en aluminiumnitride (AlN) het veelbelovendst. Uitgaande van de bandgap valt te berekenen dat deze materialen licht produceren van respectievelijk 350 en 200 nanometer.

Maar kan het? ””In Japan, op de universiteit van Nagoya zijn er aardige resultaten geboekt met galliumnitride'', zegt Olego van Philips. ””Laseren doet het kristal al, alleen nog niet elektrisch gepompt. Zinkselenide ligt wat dat betreft ver voor.'' Van AlN heeft nog niemand laserlicht gezien.

Eerst de blauwe dus. Maar als er volgend jaar een is gevonden die continu werkt bij kamertemperatuur wil dat nog niet zeggen dat hij klaar is voor commerciële produktie. ””Dat is een andere zaak'', zegt researchdirecteur Schuurmans. ''Daarvoor moeten nog aan voorwaarden worden voldaan als levensduur en betrouwbaarheid. Meestal duurt dat twee tot drie jaar. We zouden wel eens net op tijd kunnen zijn voor de high definition televisie, die in de tweede helft van de jaren negentig op de markt komt.''

Toen het onderzoek naar een blauwe miniatuurlaser vier jaar geleden niets leek op te leveren richtten Philips-onderzoekers zich op blauw laserlicht met frequentieverdubbeling. In zogenaamde niet-lineair optische materialen kan een fractie van het licht worden omgezet in straling met de helft van de oorspronkelijke golflengte (of verdubbelde frequentie).

Licht van 820 nanometer uit een CD-lasertje kan zo worden omgezet in licht met een golflengte van 410 nanometer. Op de foto is een KLiNbO3-kristal te zien waarin dat gebeurt. Onzichtbaar nabij- infrarood licht valt in het kristal en alleen de uittredende blauwe bundel is te zien. De sterkte van deze staal is voldoende om informatie van CD's te kunnen lezen, maar niet om te schrijven.

    • Rene Raaijmakers