Kapitel 2 – Halbleiterlaser als Sendeelement 2. Halbleiterlaser als Sendeelement 2.1 Einführung

2.7

Ratengleichungen

2.2 Halbleiter Grundlagen

2.8

Spektrale Eigenschaften

2.3 Absorption und Emission

2.9

Chirp von Laserdioden

von Licht im Halbleiter

2.10 Rauschen von Laserdioden

2.4 Halbleiterlaser Strukturierung

2.11 Dynamisches Verhalten

2.5 Anschwingen und Laserbetrieb

2.12 Erzeugung kurzer Pulse

2.6 Lichtleistungs-Strom-Kennlinie

2.13 Neue Laserentwicklungen 2.14 Einsatz von Laserdioden

2. Halbleiterlaser als Sendeelement - 1 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg

2.1 Einführung Sender: elektro-optische Umsetzung von Signalen Æ Halbleiterstrahlungsquellen

Light Emitting Diode (LED)

2 Gruppen Laser Diode (LD)

Vorteile von Laserdioden für die optische Übertragung: • Geringe Baugröße • Hoher Wirkungsgrad • Geeignete Emissionswellenlänge • Kleine Emissionsfläche (Æ Anpassung an Lichtwellenleiter) • Möglichkeit zur direkten Modulation • Lange Lebensdauer

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2.2 Halbleiter Grundlagen (1) Bänderschema von Halbleitern Einzelne Atome diskrete zulässige Energieniveaus der Elektronen

Gitteraufbau eines Halbleiters Interaktion mehrerer Atome Æ Bildung von Energiebändern mit zulässigen Zuständen W

W

Valenzband:

Leitungsband: Bandlücke:

Energetisch höchstes Band, das für T = 0K vollständig mit Elektronen W besetzt ist WL Energetisch niedrigstes Band, das bei T = 0K völlig leer ist Energieunterschied zwischen Valenz- WV und Leitungsband ohne zulässige Zustände für Elektronen (in Halbleitern)

Leitungsband (erlaubte Zustände, leer)

WLV

Bandlücke (keine erlaubten Zustände) WLV = WL - WV Valenzband (erlaubte Zustände, besetzt)

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2.2 Halbleiter Grundlagen (2) Dotieren von Halbleitern

Springer Handbook of Lasers and Optics

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2.2 Halbleiter Grundlagen (3) p-n-Übergang WL Bänder im p-n-Übergang im thermodynamischen Gleichgewicht

p

p-dotiert n-dotiert

Bänder im p-n-Übergang bei Flussspannung +

p

n

-

qUD

WF WV Raumladungszone

n

WL:

Energie der Leitungsbandkante

WV:

Energie der Valenzbandkante

W F:

Ferminiveau

WF,n/p: Quasiferminiveau für Elektronen bzw. Löcher UD:

Diffusionsspannung

UF:

Flussspannung

WL WF,n

WF WV

WF,p

p

qUF

n

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2.2 Halbleiter Grundlagen (4) Zustandsdichte, Fermi-Verteilungsfunktion und Besetzungsdichte Zustandsdichte:

Anzahl aller möglichen energetischen Zustände die ein Elektron bzw. Loch einnehmen kann

Fermi-Verteilungsfunktion: Wahrscheinlichkeit, dass ein Zustand durch ein Elektron besetzt ist Besetzungsdichte: Produkt aus Zustandsdichte und Fermi-Verteilungsfunktion Æ Dichte der tatsächlich besetzten Zustände Zustandsdichte:

Fermi-Verteilungsfunktion: Besetzungsdichte:

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2.2 Halbleiter Grundlagen (5) Ferminiveau: • Energie, bei der die Besetzungswahrscheinlichkeit 0,5 beträgt • in der Mitte der Bandlücke bei intrinsischen Halbleitern • wird Richtung Valenz-/Leitungsband verschoben bei p/n-Dotierung • bei hoher Dotierungskonzentration: Ferminiveau fällt ins Valenz-/Leitungsband Æ entartete Dotierung

Ferminiveau als Funktion der Dotierungskonzentration (n-Dotierung) WF WL

notwendig für Laserbetrieb

WV intrinsisch

schwach dotiert

stark dotiert

entartet dotiert

Dotierungskonzentration

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2.2 Halbleiter Grundlagen (6) Direkte und indirekte Bandlücke / Energie-Impuls-Diagramm Zustände nicht nur durch die Energie, sondern auch durch den Impuls bestimmt direkter Halbleiter (z.B. GaAs)

Indirekter Halbleiter (z.B. Si)

Maximum des Valenzbandes und Minimum Maximum des Valenzbandes und Minimum des Leitungsbandes direkt, also bei gleichem des Leitungsbandes bei unterschiedlichen Impulsen. Impuls, gegenüber. Æ Unterschiedliches Absorptions- und Emissionsverhalten von direkten/indirekten Halbleitern

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2.3 Absorption und Emission von Licht im Halbleiter (1) Wesentliche Mechanismen in opto-elektronischen Bauelementen Absorption: Generation von Ladungsträgerpaaren durch Absorption von Photonen Emission: Generation eines Photons durch Rekombination eines Elektrons mit einem Loch Bei Absorption und Emission müssen der Energie- und der Impulserhaltungssatz erfüllt sein! Absorption EC

E

E

hf

direkter Halbleiter

indirekter Halbleiter

EC

hf Phonon

Eg

Eg k

k EV

EV 2. Halbleiterlaser als Sendeelement - 9 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg

2.3 Absorption und Emission von Licht im Halbleiter (2) Wellenlängenabhängigkeit der Absorption

• Absorptionskante bei maximaler Wellenlänge (Photonenenergie = Bandlücke) • Absorptionskante weniger abrupt für indirekte als für direkte Bandlücke, wegen geringerer Wahrscheinlichkeit für Absorption ins Minimum des Leitungsbandes • sowohl direkte als auch indirekte [15]

Halbleiter werden für Detektoren verwendet

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2.3 Absorption und Emission von Licht im Halbleiter (3) Emission direkter Halbleiter

indirekter Halbleiter

• Emission im indirekten Halbleiter unter Beteiligung eines Phonons: sehr unwahrscheinlicher Dreiteilchenprozess. • Erhöhung der Wahrscheinlichkeit durch scharf lokalisierte Fangstellen (Heisenberg: Impulsunschärfe). • Kommunikationstechnik: nur direkte Halbleiter 2. Halbleiterlaser als Sendeelement - 11 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg

2.3 Absorption und Emission von Licht im Halbleiter (4) Stimulierte Emission

Absorption

Spontane Emission

EL

EL hf

Stimulierte Emission EL

hf

EV

EV

hf

hf hf

EV

• spontane Emission:

zufällige Richtung und Phase

• stimulierte Emission:

identische Richtung, Phase und Frequenz, Polarisation Æ “kohärente Strahlung”

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2.3 Absorption und Emission von Licht im Halbleiter (5) Emissions- und Absorptionsraten im 2-Niveau-System Bezeichnung für die Wahrscheinlichkeiten der spontanen Emission, stimulierten Emission und Absorption durch Raten: rsp(W), r21(W), r12(W) Zustandsdichten im Leitungs-/ Valenzband

Spontane Emissionsrate:

rsp (WL , WV ) = A 21 ⋅ N L (WL )⋅ NV (WV ) ⋅ FL (WL ) ⋅ (1 − FV (WV ))

Stimulierte Emissionsrate:

r21 (WLV ) = B21 N L (WL ) NV ( EV ) FL (WL )(1 − FV (WV ) )

Absorptionsrate:

FL,V : Besetzungs-

r12 (WLV ) = B12 N L (WL ) NV (WV )(1 − FL (WL )) FV (WV )

wahrscheinlichkeit für Elektronen im Leitungs-/ Valenzband nach der Fermistatistik

Regel: • Übergangsraten der Emission proportional zu den Anzahlen

der besetzten Zustände (vorhandene Elektronen/Löcher) • Übergangsrate der Absorption proportional zur Anzahl der freien Zustände Nettoemission (spontane Emission vernachlässigt)

rst (WLV ) = r21 (WLV ) − r12 (WLV ) = A21 N L (WL ) NV (WV )(FL (WL ) − FV (WV ) ) Konstanten A21, B21, B12:

Einstein-Koeffizienten, im thermodynamischen Gleichgewicht: A21 = B21 = B12 2. Halbleiterlaser als Sendeelement - 13 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg

2.3 Absorption und Emission von Licht im Halbleiter (6) Stimulierte Nettoemission • nur möglich, wenn für Elektronen die Besetzungswahrscheinlichkeit im Leitungsband größer ist als im Valenzband: Inversion • nicht möglich im thermodynamischen Gleichgewicht • im entartet dotierter Halbleiter: Besetzungswahrscheinlichkeit für Laser geeignet WFn > W > WL als oberes Laserniveau WV > W > WFp als unteres Laserniveau • Inversion bei Flussbetrieb durch Injektion von Elektronen in oberes Laserniveau und Injektion von Löchern unteres Laserniveau

• Zur stimulierten Emission muss bei T>0 erfüllt sein: (WFn − WL ) + (WV − WFp ) > 2kT 2. Halbleiterlaser als Sendeelement - 14 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg

2.3 Absorption und Emission von Licht im Halbleiter (7) Grenzbedingungen für stimulierte Emission: •

Photonenenergie > Bandlücke (nur für diesen Fall gibt es Zustände)

•

Photonenenergie < Abstand zwischen den Quasiferminiveaus (Besetzung der Zustände bis zum Quasiferminiveau)

rsp rsp

rst rst

WFn-WFp WLV

hν

Wmax

Inversions-Faktor: Verhältnis zwischen der Rate der spontanen und der stimulierten Emission nsp =

rsp (WLV ) rst (WLV )

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2.4 Halbleiterlaser Strukturierung Einfacher p-n-Übergang (Homostruktur) Æ Grundprinzip leicht zu verstehen

aktive Zone

• im Bereich der aktiven Zone stehen sich Elektronen und

I

Löcher gegenüber • die Länge dieses Bereichs ist ungefähr eine Diffusionslänge • hier kann es zu stimulierter Emission und damit zu

p

spiegelnde Facette Licht

n

Lasertätigkeit kommen • Facetten dienen wegen Brechzahlsprung als Resonatorspiegel

Zur Verbesserung der elektrischen und optischen Eigenschaften werden die Laserdioden transversal, lateral und axial strukturiert.

Springer Handbook of Lasers and Optics

2. Halbleiterlaser als Sendeelement - 16 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg

2.4 Halbleiterlaser Strukturierung – Transversale Strukturierung (1) Transversale Strukturierung – Übersicht besondere Wahl der Schichtfolge Æ Optimierung der Schwellenstromdichte Æ Laser-Wirkungsgrades

after [11]

2. Halbleiterlaser als Sendeelement - 17 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg

2.4 Halbleiterlaser Strukturierung – Transversale Strukturierung (2) Homostruktur • Einfache Struktur • Breite Rekombinationszone (1-10µm), bestimmt durch Diffusionslänge • Hoher Schwellenstrom • Keine Ausgeprägte Wellenleiterstruktur • Hohe Stromdichte erforderlich Æ hohe Verlustleistung

2. Halbleiterlaser als Sendeelement - 18 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg

2.4 Halbleiterlaser Strukturierung – Transversale Strukturierung (3) p+pn-structure • Wellenführung durch Stufenprofil

2. Halbleiterlaser als Sendeelement - 19 Lehrstuhl Lehrstuhl für für Hochfrequenztechnik Hochfrequenztechnik – – Universität Universität Erlangen-Nürnberg Erlangen-Nürnberg

2.4 Halbleiterlaser Strukturierung – Transversale Strukturierung (4) Einfach-Hetrostruktur

• hetero: zwei verschiedene Halbleiter: GaAs / GaAlAs • Diffusionsbarriere für Elektronen • Einengung der aktiven Zone • Verbesserte Wellenführung

2. Halbleiterlaser als Sendeelement - 20 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg

2.4 Halbleiterlaser Strukturierung – Transversale Strukturierung (5) Doppel-Heterostruktur

• Diffusionsbarrieren an beiden Rändern der aktiven Zone • Ladungsträger werden auf aktive Zone begrenzt (0.2µm) • Optische Wellenführung durch Brechungsindexprofil Δn ≈ 0.3

2. Halbleiterlaser als Sendeelement - 21 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg

2.4 Halbleiterlaser Strukturierung – Transversale Strukturierung (6) 5-Schicht-Laser LGR-Laser (Localized Gain Region) • Dünne aktive Schicht (0.04µm) • 10%-Zonen als Diffusionsbarrieren • Brechzahlsprung durch 30%-Zonen • Wellenführung getrennt von aktiver Schicht (0.4µm) Æ Getrenntes technologisches Optimieren der Ausdehnung der aktiven Zone und der Wellenführungsstruktur.

2. Halbleiterlaser als Sendeelement - 22 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg

2.4 Halbleiterlaser Strukturierung – Laterale Strukturierung (1) Reduktion der Schwellenstromdichte durch transversale Strukturierung

Probleme von Heterostrukur-Lasern • Hoher Schwellenstrom (trotz akzeptabler Schwellenstromdichte) wegen großer aktiver Fläche • Starke Elliptizität der emittierten Strahlung (schmale aber lange aktive Zone) • Strahlcharakteristik hängt vom Injektionsstrom ab Æ Laterale Strukturierung

2. Halbleiterlaser als Sendeelement - 23 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg

2.4 Halbleiterlaser Strukturierung – Laterale Strukturierung (2) Laterale Strukturierung: Gewinngeführter Laser • • • •

laterale Eingrenzung des Strahls Æ Strahl in der gewünschten Form Eingrenzung durch Begrenzung der effektiven Kontaktbreite (5-10µm) Reduzierung des Schwellenstroms auf 50-100mA Emittierende Fläche 1 x 10µm2

„oxide stripe“

„junction stripe“ Einengung des effektiven Kontaktbereichs

[1]

n-typ InGaAsP wird durch Zn-Diffusion zu p-Typ Halbleiter

[1]

Nachteil: Größe der emittierenden Fläche hängt vom Injektionsstrom ab Æ reduzierte Modenstabilität 2. Halbleiterlaser als Sendeelement - 24 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg

2.4 Halbleiterlaser Strukturierung – Laterale Strukturierung (3) Laterale Strukturierung: Indexgeführter Laser • Begrenzung der lichtführenden Schicht durch Indexsprung • Schwach und stark indexgeführte Typen (je nach Stärke des Indexsprungs) ridge waveguide type

etched mesa buried heterostructure

[1]

[1]

[23]

• Begrenzung des aktiven Bereichs auf 0.1 x 1 µm2 bei stark indexgeführten Strukturen • Konstante Abmessung des aktiven Bereichs bei variierender Injektion • Stark indexgeführte Struktur wird häufig eingesetzt 2. Halbleiterlaser als Sendeelement - 25 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg

2.4 Halbleiterlaser Strukturierung – Axiale Strukturierung (1) Axiale Strukturierung Ziel:

Festlegung der Eigenschaften des optischen Resonators.

Axial unstrukturierte Laserdiode: • Spiegel werden durch Indexsprung an der Facette gebildet • Fabry-Perot-Resonator fν : ν -te Eigenfrequenz des Resonators νc c0 fν = 0 Æ Δf = c : Lichtgeschwindigkeit im Vakuum

2nL

2nL

0

n : Brechungsindex Nachteil:

L : Resonatorlänge

Δf : Eigenfrequenzabstand

• axiale Multimodigkeit Æ Probleme mit Dispersion (Wellenlängenabhängigkeit des Brechungsindex )

2. Halbleiterlaser als Sendeelement - 26 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg

2.4 Halbleiterlaser Strukturierung – Axiale Strukturierung (2) DBR-Struktur Distributed Bragg Reflection

DFB-Struktur Distributed Feedback

Gitterstruktur außerhalb der aktiven Zone

Gitterstruktur in Nähe der aktiven Zone

n1 Λ

Λ

n2 n3 > n1

L

n1

[15]

[15]

• Rückkopplung nicht durch Spiegel, sondern durch periodische Indexschwankungen aufgrund eines eingeschriebenen Gitters • Resonanzbedingung (Bragg-Bedingung):

Λ=m

λB 2n

Λ : Gitterperiode m : Ordnung der Bragg-Beugung

λ B : Bragg-Wellenlänge n : Brechungsindex

2. Halbleiterlaser als Sendeelement - 27 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg

2.4 Halbleiterlaser Strukturierung – Axiale Strukturierung (3)

• Bragg-Bedingung:Teilreflexionen überlagern sich konstruktiv zu genügend hohen Æ Emissionswellenlänge technologisch einstellbar

Gesamt-Reflexionsfaktor

• Zur verteilten Rückkopplung: ausreichend, wenn Teil des evaneszenten Feldes der optischen Welle im Bereich der Indexsprünge zu liegen kommt Æ Bragg-Struktur in unmittelbarer Nachbarschaft der aktiven Zone • DFB-Laser: Großteil der in der optischen Kommunikationstechnik eingesetzten Laser (alle nach ITU festgelegten Wellenlängen möglich) 2. Halbleiterlaser als Sendeelement - 28 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg