LEDs, so dünn wie ein menschliches Haar, könnten schon bald Aufgaben übernehmen, die bisher von Lasern erledigt wurden – von der Datenübertragung in Serverschränken bis hin zur Stromversorgung von Displays der nächsten Generation. Eine neue Studie, an der Roark Chao, Doktorand an der University of California, Santa Barbara, mitgewirkt hat, weist einen vielversprechenden Weg in diese Richtung. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift *Optics Letters* veröffentlicht.
Roark Chao, der Elektrotechnik studiert, sagte: „Wir sprechen hier von Geräten, die tatsächlich nur so groß wie ein Haarfollikel sind. Wenn man die Lichtemission so gestalten kann, dass diese Miniatur-LEDs Laser für die Datenkommunikation über kurze Distanzen ersetzen können.“
Die Studie demonstriert ein neuartiges Design für miniaturisierte Leuchtdioden, das gleichzeitig Effizienz und Strahlrichtung verbessert. Durch den Einsatz verteilter Bragg-Reflektoren zur seitlichen Umrandung des Emissionsbereichs erzielten die Forscher im Vergleich zu einem Referenzbauelement eine um etwa 20 % höhere Ausgangsleistung auf der Luftseite und eine um über 130 % höhere Ausgangsleistung auf der Substratseite, während der Strahlstreuwinkel um etwa 30 % reduziert wurde.
Neben der präziseren Lichtführung bieten die neu entwickelten Mikro-LEDs eine deutlich höhere Effizienz. Das Forschungsteam beobachtete eine Verbesserung der elektrischen Effizienz um etwa 35 % und der Steckdoseneffizienz um 46 % im Vergleich zu herkömmlichen Mikro-LED-Designs – das bedeutet, dass diese Geräte mehr elektrische Energie aus Steckdosen in nutzbares Licht umwandeln können.
Mikro-LEDs – typischerweise 100 Mikrometer oder weniger breit – erweisen sich als vielversprechende Alternative zu Lasern in optischen Kurzstreckenverbindungen, insbesondere in Rechenzentren, wo Wärmemanagement, Zuverlässigkeit und Energieverbrauch weiterhin Herausforderungen darstellen.
„Ein Hauptproblem von Lasern ist, dass sie bereits bei relativ niedrigen Temperaturen thermische Probleme zeigen“, sagt Roark Chao. „Mikro-LEDs hingegen können bei deutlich höheren Temperaturen betrieben werden, ohne dass eine aufwendige Kühlung erforderlich ist. Das bedeutet weniger Austausch, geringere Kosten und mehr Flexibilität in Rechenzentren.“
Mit dem stetigen Ausbau von Cloud Computing und künstlicher Intelligenz müssen Rechenzentren riesige Datenmengen schnell und effizient übertragen. Selbst geringfügige Verbesserungen bei den Lichtquellen können erhebliche wirtschaftliche Auswirkungen haben.
„Das Spannende an Micro-LEDs ist, dass sie mehrere Lösungen in einem einzigen Gehäuse bieten“, sagt Roark Chao. „Sie können die Datenkommunikation verbessern, hellere und dünnere Displays ermöglichen und sogar in Bereichen wie Augmented Reality oder Virtual Reality eingesetzt werden – und das alles mit derselben Basistechnologie.“
Roark Chao schrieb sich 2020 an der UC Santa Barbara für ein Bachelorstudium der Elektrotechnik ein und promovierte anschließend. Er führt das beschleunigte Arbeitstempo auf die umfassende Forschungsinfrastruktur der Universität zurück, die von der Materialentwicklung über die Nanofabrikation bis hin zu Gerätetests reicht.
„Man kann Designs simulieren, Kristalle züchten, Geräte herstellen und testen – alles auf dem Campus“, sagt Roark Chao. „Diese Geschwindigkeit von der Idee bis zum Experiment macht diesen Ort so leistungsstark.“
