Einführungsvortrag Fil
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Halbleiterlaser und Photonik Martin Kamp Vorlesung für das Sommersemester 2015 Motivation Warum sollte ich diese Vorlesung belegen? A) Ich brauche den Schein/die ECTS Punkte. B) Ich habe sonst nichts zu tun. C) Ich finde Laser faszinierend. Beispiele für spannende Physik mit Lasern • Höchstleistungslaser • Optische Uhren • Gravitationswelleninterferometrie Entwicklung von Höchstleistungslaser Weltweiter Energieverbrauch (2004): 15 Tera-Watt Funktionsprinzip • Puls eines ‚Master lasers‘ (100 fs Dauer) hat breites Frequenzspektrum • Puls wird zeitlich auf 2 ns gestreckt und räumlich aufgeweitet • Verstärkung des Pulses • Kompression durch Beugungsgitter und Fokussierung => 1250 Terawatt! Bilder des Petawattlaser • Energiedichte im Fokus: 1021 W/cm2 • Sonnenoberfläche: 6*103 W/cm2 • Strahlungsdruck im Fokus: 3*1011 bar Neuere Petawattlaser PHELIX: Petawatt Hoch- Energie Laser für SchwerIoneneXperimente (GSI Darmstatt) POLARIS: Diodengepumpter Petawattlaser (Jena) Texas Petawatt Laser Anwendung: Wir bauen ein Schwarzes Loch Hawking Strahlung eines schwarzen Loches Experimentelle Realisierung Laser beschleunigt Elektronen mit 1024 g ! Hawking-Unruh Strahlung bei beschleunigter Bewegung Optische Uhren Science 329, 1630 (2010) Science 293, 825 (2001) Optischer Übergang in Al+ Ionen Uhren mit Genauigkeiten von 10-18 möglich! Relativistische Effekte im Alltag Gangunterschied durch Höhenänderung (33 cm) Zeitdilatation bei Geschwindigkeiten von wenigen Metern pro Sekunde Science 329, 1630 (2010) Laser für Gravitationswellendetektoren Luftbild von GEO600 Nähe Hannover Teil des Laserssystems Nachweisempfindlichkeit Messung von relativen Längenänderungen von unter 10-21 => Messung des Abstands zum nächsten Stern auf Haaresbreite Allgemeine Informationen zur Vorlesung Gliederung I • Einführung, historische Entwicklung • Phänomenologisches Modell eines Halbleiterlasers • Optische Verstärkung in Halbleitern • Optische Resonatoren • Wellenleiter, Glasfasern • Dynamische Eigenschaften • Detektoren • Technologie der Laserherstellung Gliederung II Spezielle Anwendungen und Lasertypen - Einmodige Laser für Datenübertragung/Sensorik - Hochleistungslaser - Sichtbare Laser - Vertikal emittierende Laser (VCSEL) - Quantenpunktlaser - Quantenkaskadenlaser / Interbandkaskadenlaser - Einzelphotonenquellen - Optoelektronische Integration Halbleiterlaser sind kompliziert Laser Transistor Quantenfilm mit wenigen nm Dicke Source Drain Gate Gateoxid 100 – 200 nm - Abmessungen erstrecken sich über 6 Größenordnungen - Abmessungen erstrecken sich über 2 Größenordnungen - Heterostrukturen - Homostrukturen - Gekoppeltes System aus Elektronen, Löchern und Photonen - Elektronen oder Löcher als Majoritätsladungsträger Physikalische/Mathematische Grundlagen • Festkörperphysik - Bandstruktur - Halbleiterheterostrukturen - Ladungsträgerdynamik - Phononen • Quantenmechanik - Potentialtopf - periodische Potentiale - Störungsrechnung • Elektrodynamik - Wellengleichung - Poisson Gleichung • Statistische Physik - Plancksches Gesetz - Zustandsdichten - Verteilungsfunktionen - Ratengleichungen - Wärmeleitung • Mathematik - Matrizenrechnung, Eigenwertprobleme - partielle Differentialgleichungen - ein bisschen Numerik Historische Entwicklung Meilensteine der Halbeiterphysik I • 1833: M. Faraday negativer Temperaturkoeffizient der Leitfähigkeit von Silbersulfid • 1839: E. Becquerel Photospannung an Platinelektroden mit Silberchloridbeschichtung in Elektrolyt • Um 1870: Entdeckung von Selen als Halbleiter • 1873: W. Smith: Photoleitfähigkeit von Selen Meilensteine der Halbeiterphysik II • 1874: F. Braun, A. Schuster Gleichrichtung an Metall-Halbleiterkontakten • 1876: W. Adams, Photovoltaik in Festkörpern • 1883: C.E. Fritts, erste Selen Solarzelle • 1894-1898: J.C. Bose Galena Detektor, Gleichrichtung von hochfrequenten Signal an Halbleiter-Metall Punktkontakten • 1907: Leuchtdiode (SiC), Hallmessungen an Si, Se, Te Einstein postuliert stimulierte Emission (1917) Spontane Emission Absorption Stimulierte Emission Bestimmung der Einstein Koeffizienten A21, B12 und B21 durch quantenelektrodynamische Rechnung oder Vergleich mit Planckschem Strahlungesetz Herleitung der Einstein Koeffizienten - Stimulierte Emission ist Umkehrprozess zu Absorption (B12 = B21) - Spontane Emissionsrate wird bei kleineren Wellenlängen größer => es ist schwierig, einen Röntgenlaser zu bauen - Spontane Emission ist stimulierte Emission, die durch Vakuumfluktuationen ausgelöst wird (und ist damit z.B. durch Resonatoren beeinflussbar) Der erste Transistor: 23 Dezember 1947 Erster Feldeffekttransistor, 1952 Erster integrierter Schaltkreis Jack Kilby 1958, Jack Kilby, Texas Instruments, Ge Basis, Hybridtechnologie 1959, Robert Noyce, Fairchild Semiconductor Planare Transistoren und Schaltkreise Erster planarer Transistor Fairchild Semiconductors, 1958 Erster planarer, monolithisch integrierter Schaltkreis Fairchild Semiconductors,1960 Erste ‚Anwendung‘ von stimulierter Emission Aufspaltung von 2s1/2 und 2p1/2 Niveau durch quantenelektrodynamische Korrekturen 2s1/2 Niveau ist metastabil (Zerfall über 2-Photonenemission) => Stimulierter Übergang von 2s1/2 nach 2p1/2 durch Mikrowellenstrahlung (ca. 1 GHz), danach strahlender Zerfall nach 1s1/2 Entwicklung des MASERs Microwave Amplication by Stimulated Emission of Radiation Spektrum des Mikrowellensignals Vorschläge zu optischen Masern Charlses Townes Physical Review 112, vol. 6, 1940 (1958) Überlegungen zu: - Resonatorgeometrie (Cavity ist viel größer als optische Wellenlänge) - Maserbetrieb bei kurzen (UV) Wellenlängen (limitiert durch spontane Emission) - optischem Pumpen - Untersuchung von Na Dampf als Modellsystem Der erste Laser (1960) Aufbau eines Rubinlasers T.H. Mainman mit dem ersten Laser Dauerstrichbetrieb: Nelson and Boyle (1962) Gepulste optische Anregung durch Blitzlampe Gaslaser Erster HeNe Gaslaser 12. Dezember 1960 A. Javan (rechts) bei der Justage eines HeNe Lasers Erste Datenübertragung mit einem Laserstrahl 13. Dezember 1960 !! Entwicklung des Halbleiterlasers Erste GaAs Laserdiode, 1962 Homojunction, gepulster Betrieb in flüssigem He oder N2 Erste sichtbare Laserdiode (1962) Erste Lichtleitung in Glasfasern (1966) Verluste einer Glasfaser in Abhängigkeit von der Wellenlänge Bereich kleiner Verluste hat optische Bandbreite von 50 THz Erster Dauerstrich-Halbleiterlaser (1970) Erste Dauerstrich Laserdiode, Heterojunction Design, Bell Labs, 1970 Entwicklung der Schellenstromdichte Heutiger Stand der Lasertechnik Laser in photonischem Kristall Modenvolumen von ca. 3 Atombombengepumpter EinwegRöntgenlaser, entwickelt im Rahmen des SDI Projekts Vor-/Nachteile von Halbleiterlasern Vorteile: - Sehr kompakte Bauformen (1 mm3) - Hohe Wirkungsgrade (bis über 50 %) - Schnelle Modulierbarbeit (Bandbreiten bis 40 GHz) - Stetige Erweiterung der Wellenlängen in den Infrarotbereich (Quantenkaskadenlaser, THz Emitter) Herausforderungen: - Wellenlängenlücke zwischen grün (InGaN) und rot (GaP) - Strahlqualität bei hohen Ausgangsleistungen Anwendungsbereiche Miniaturisierte Lichtquellen im sichtbaren bzw. infraroten Spektralbereich Leistungen im mW Bereich - Laserpointer - Lichtschranken - Laser zur optischen Datenspeicherung (CD 780nm, DVD 650 nm) - Laser für Drucker - Justier-und Nivellierlaser (Baugewerbe) Hochleistungslaser - Pumplaser für Glasfaserverstärker (> 100 mW) - Pumplaser für Festkörperlaser (DPSS, 50mW bis >1kW) - Leistungslaser für direkte Materialbearbeitung (> 1 kW) - Laser für medizinische Anwendungen (> 1 W) Einmodige-Laser - Kommunikationslaser (schnelle Modulierbarkeit, Wellenlängenmultiplex) - Laser für Interferometer und zur Positionsbestimmung - Laser für Sensorikanwendungen Hochleistungslaserdioden Laserdiodenstacks => 1-2 kW aus einer Streichholzschachtel Halbleiterlaser für Glasfaserkommunikation Datenübertragung im Wellenmultiplexverfahren (WDM) 1Tb/s (100 x 10 Gb/s), Super-Dense WDM NTT, Japan Anwendungen in der Sensorik Curiosity Mars Rover Messung Isotopenverhältnis in H2O und C2O mit HL-Laser Größerer Anteil von schwerem Wasser in der Marsatmosphäre Mars Erde Diodengepumpte Festkörperlaser IR Diodenlaser pumpt Festkörperlaser z.B. Nd:YVO4 Frequenzverdopplung im Laserresonator ermöglicht Emission im grünen/blauen Spektralbereich Vorteile - kompakte Bauform - Hohe Wirkungsgrade - Lange Lebensdauer Pumpquellen für Faserlaser Laser auf Siliziumbasis? Verstärkung in GaAs und Si Bahram Jalali, Phys. stat. sol. (a) 205, 213–224 (2008) Optische Verstärkung in Si möglich, aber kleiner als Absorption durch freie Ladungsträger! Raman Si Laser Nature 433, 292 (2005) Verstärkung durch stimulierte Ramanstreuung => erfordert Pumplaser Marktanteile verschiedener Laser Diodenlaser machen knapp die Hälfte des weltweiten Lasermarktes aus! Marktzahlen aus Laser Focus World: LASER MARKETPLACE 2015 www.laserfocusworld.com Lasermarkt nach Anwendungsfeldern Anwendungen von Nicht-Diodenlasern Weltmarkt für NichtDiodenlaser nach Anwendungen Stückzahlen Nicht-Diodenlaser Umsatz 2008: 3.3 Mrd. $ 127000 Laser Im Mittel: ≈26000 $ pro Laser Weltmarkt für Diodenlaser Dot.com bubble CD/DVD Internet Aufschlüsselung nach Anwendungen Internet CD DVD Blu-ray disc Stückzahlen nach Anwendung Umsatz 2008: 4.1 Mrd $ > 800 Millionen Laser Im Schnitt: 5 $ pro Laser! Aufschlüsselung nach Wellenlängen • Laser für DVD Laufwerke: 650 nm • Laser für CD Laufwerke: 780 nm • Pumplaser für Glasfaserverstärker: 980 nm • Laser für optische Datenübertragung: 1.3 bis 1.5 µm Stückzahlen nach Anwendung Kleine Stückzahlen sind in der Statistik nicht erfasst Wie sieht ein Halbleiterlaser eigentlich aus? Da ist der Laser! Halbleiterlaser auf Träger (Submout) Ansicht von oben • • • • 300 * 400 m Laserchip 120 m Dicke Gelötet auf Keramikmount p - Kontakt über Bonddraht Vergrößerte Ansicht Chip mit Halbleiterlaser Elektronenmikoskopische Aufnahme der Laserfacette Aktiver Bereich hat Abmessung von ca. 2*2*1000 µm Bausteine eines (Halbleiter-)Lasers Aktives Medium (Verstärker) Zusätzlich beim Halbleiterlaser: Wellenführung R1 R2 Rückkopplung (Spiegel) Aufbau eines Buried-Heterostructure (BH) Lasers Gespaltene Facette dient als Spiegel (R=30 %) InGaAs Quantenfilm GaAs Wellenleiter Schnitte durch die Laserstruktur Querschnitt Diodenstruktur Injektion von Löchern und Elektronen aus den Mantelschichten in die aktive Zone Längsschnitt Wellenführung Totalreflektion an GaAs/AlGaAs Grenzfläche Weitere Bauformen Breitstreifenlaser Rippenwellenleiterlaser Vertikalemitter Kennlinie und Spektrum Leistungskennlinie 10 Spektrum: Fabry Perot Moden 1 .0 InGaAs/AlGaAs Laser Schwelle: 10 mA Effizienz: 0.4 W/A Modenabstand 0 .8 Intensität (bel. Einheiten) Ausgangsleistung pro Facette (mW) 8 S p e k tru m F a b ry P e ro t L a s e r 800 m Länge 6 4 2 0 .6 2 2n g L 0 .4 0 .2 0 0 .0 0 10 20 Strom (mA) 30 40 965 970 975 W e lle n lä n g e ( n m ) 980 985 Periodensystem mit relevanten Elementen III-V Verbindungshalbleiter Dotierstoffe III/V Verbindungshalbleiter • Gruppe III Elemente: Ga, In, und Al • Gruppe V Elemente: N, As, P und Sb • Binäre Verbindungen: GaAs, InP, GaSb, .... • Ternäre Verbindungen: InxGa1-xAs, AlxGa1-xAs, ... • Quaternäre Verbindungen: InxGa1-xAsyP1-y, (2*III, 2*V) InxAlyGa1-x-yAs (3*III, 1*V) • Quaternäre Verbindungen erlauben Einstellen von Gitterkonstante und Bandlücke (2 Freiheitsgrade) Gitteranpassung • Bildung von Defekten bei unterschiedlichen Gitterkonstanten • Dünne verspannte Schichten möglich (Quantenfilme) Verspannte Quantenfilme Unverspannter Kristall Verspannter Film GaAs InGaAs GaAs Bei Dicken im nm Bereich Fehlanpassungen von einigen % Welches Material für welche Wellenlänge? GaInN auf Al2O3: < 0.45 µm AlGaInP/GaInP auf GaAs: 0.63-0.8 µm AlGaAs/GaAs auf GaAs: 0.75-0.85 µm GaIn(N)As/AlGaAs auf GaAs: 0.85-1.5 µm AlGaAsP/GaInAsP auf InP: 1.3-2.0 µm GaInSb/AlGaSb auf GaSb: 1.6-2.9 µm Materialeigenschaften von III/V Halbleitern Bandlücke und Gitterkonstante ausgewähler Halbleiter Sichtbares Licht 0.8 m Si 1.3 m 1.5 m
