1 Quantum-well Laser
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Einführung in die optische Nachrichtentechnik HL-STRUK/1 Halbleiterlaserstrukturen (HL-STRUK) 1 Quantum-well Laser Im Abschnitt HL hatten wir im wesentlichen Halbleiterlaserstrukturen betrachtet mit Dicken d der aktiven Zone bis herab zu ca. 0:1m = 100nm. Um bei einer gegebenen Injektionsrate möglichst hohe Ladungsträgerdichten zu erzielen, ist es zweckmäÿig, das Volumen der aktiven Zone möglichst klein zu halten. Deshalb kann es sinnvoll sein, die Dicke der aktiven Zone nochmals deutlich auf Werte von ca. d = 5:::10 nm zu reduzieren. Dies entspricht dann Dicken von nur noch ca. 10-20 Atomlagen. Weiterhin kommen derartig geringe Dicken der aktiven Zone bereits in die Gröÿenordnung der Elektronenwellenlänge, so daÿ sich ähnlich wie bei einem dünnen dielektrischen Wellenleiter quantisierte Zustände (entspricht beim dielektrischen Wellenleiter den jeweiligen Eigenwellen) ergeben. Man spricht bei derartig dünnen Schichten auch von sogenannten Quantenlmen (engl. Quantum-wells). Schichten mit Dicken d 100nm werden im Gegensatz dazu auch als bulk-Schichten bezeichnet. Aufgrund der Quantisierung der Zustände ergeben sich in Quantenlmen auch andere Verstärkungscharakteristiken. Abb. 1: Berechnete Verstärkungscharakteristik eines Quantenlms (d = 7nm), durchgezogene Kurve, im Vergleich zum bulk-Material. Halbleiter: InGaAsP/InGaAs/InP [H.Burkhard, Optische Sender, Grundlagen, in: Voges, Petermann; Handbuch der Optischen Kommunikationstechnik, Springer, 2002] Die Verstärkung in Abb. 1 bezeichnet die Verstärkung innerhalb des Halbleiters. Zur Bestimmung TU Berlin Prof. Dr.-Ing. K. Petermann Einführung in die optische Nachrichtentechnik HL-STRUK/2 d G R IN - S Q W d d <~ 1 0 n m S tru k tu r d >~ 1 0 0 n m E n e r g ie b a n d lü c k e E n e r g ie b a n d lü c k e " b u lk " a k tiv e S c h ic h t E n e r g ie b a n d lü c k e der Verstärkung im Wellenleiter ist die Verstärkung noch mit dem Füll-Faktor (vgl. S. HL/6) zu gewichten. Bei sehr dünnen Schichten ist jedoch die optische Wellenführung sehr schlecht, so daÿ in der Regel Maÿnahmen zur Verbesserung der optischen Wellenführung erforderlich sind. In Abb. 2 ist dazu oben der konventionelle Aufbau einer bulk-aktiven Schicht (Doppel-Heterostruktur) dargestellt. Um auch bei kleineren d eine eektive optische Wellenführung zu erreichen, kann z.B. eine GRIN (graded index) - SQW (single quantum well) Struktur realisiert werden, bei der durch schichtweise Veränderung der Halbleiterzusammensetzung eine Doppelheterostruktur mit gradueller Veränderung der Bandlücke entsteht. So lassen sich auch für d 10nm Füllfaktoren von einige % realisieren. Aufgrund der begrenzten Anzahl der Zustände in einem Quantenlm ist auch die Verstärkung in einem einzelnen Quantenlm (engl. single quantum well - SQW) begrenzt, so daÿ es zweckmäÿig sein kann, die aktive Zone aus mehreren Quantenlmen zusammenzusetzen (MQW - multiple quantum well). Eine mögliche MQW-SCH (SCH - separate connement heterostructure)-Struktur ist auch in Abb. 2 dargestellt. M Q W d - S C H S tru k tu r Abb. 2: Bandstruktur von bulk- und Quantenlm-Lasern Im Gegensatz zu bulk aktiven Sichichten können Quantenlme aufgrund ihrer geringen Dicke durchaus auch verspannt sein (wobei Verspannungen durch die unterschiedlichen Gitterkonstanten hervorgerufen werden). So ist beispielsweise auf der Basis von GaAs-Substraten mit GaAs/GaAlAsHeteroschichten die Realisierung von verspannten InGaAs - Quantenlmen möglich, womit z.B. Halbleiterlaser bei = 980nm (wie sie als Pumpquelle für Er-dotierte Faserverstärker eingesetzt werden) realisiert werden. Durch gezielte Einstellung der Verspannung in Quantenlmen kann auch die Schwellstromdichte erheblich reduziert werden. Als ein Beispiel für = 1; 5m -Laser mit ternären InGaAs- bzw. quaternären InGaAsP-Quantenlmen zeigt Abb. 3 die Schwellstromdichte pro Quantenlm, wobei Werte unterhalb von 100 A=cm2 erreicht werden können. TU Berlin Prof. Dr.-Ing. K. Petermann Einführung in die optische Nachrichtentechnik HL-STRUK/3 Abb. 3: Erreichbare Schwellstromdichten in verspannten Quantenlmen mit Druck-(compression) bzw. Zug- (tension) Verspannung [P.J.A. Thijs et. al., OFC/IOOC'93] Mit Quantenlm-Lasern lassen sich sehr kleine Schwellstromdichten realisieren. Als Beispiel zeigt Abb. 4 die Laserstruktur und Licht-Strom-Kennlinien eines Lasers mit 2 Quantenlmen in InGaAs und einer GRIN-SCH-Struktur. 2 Laterale Strukturierung von Halbleiterlasern Im Kapitel HL wurde die optische Wellenführung senkrecht zur aktiven Zone diskutiert. Durch entsprechende laterale Strukturierung des Halbleiterlasers muÿ aber auch sichergestellt sein, daÿ parallel zur aktiven Zone eine optische Wellenführung gewährleistet ist. In der einfachsten Form (Abb. 5, oben links) besteht die laterale Strukturierung nur in der Anordnung eines schmalen Kontaktstreifens w 5m, was dann zu einer ortsabhängigen Ladungsträgerinjektion in die aktive Schicht und so zu einer lateralen Variation der optischen Verstärkung g führt. Man kann allein damit einen lateralen Wellenleiter denieren, da sich die optische Welle bevorzugt in Bereichen hoher optischer Verstärkung aufhält. Man spricht bei einem derartigen Laser von Gewinnführung (engl. gain-guiding). Derartige Laser tendieren zu Instabilitäten der Licht-Strom-Kennlinie (sogenannte kinks) und zeigen gekrümmte Phasenfronten. Sie haben deshalb relativ breite laterale Fernfeldverteilungen und lassen sich deshalb auch relativ schlecht in z.B. einwellige Fasern einkoppeln. Sie zeigen auch typischerweise eine Emission in mehreren longitudinalen Moden (Multimode-Spektrum). Bessere Laseremissionseigenschaften erhält man, wenn auch die laterale optische Wellenführung eine Brechzahlvariation aufweist, indem wie in optischen Wellenleitern der zentrale Bereich lateral von Bereichen kleinerer Brechzahl umgeben ist. Man spricht dann (Abb. 5 oben rechts) von einer Indexführung (engl. index-guiding). Derartige index-geführte Halbleiterlaser sind zwar aufwendiger zu TU Berlin Prof. Dr.-Ing. K. Petermann Einführung in die optische Nachrichtentechnik a HL-STRUK/4 b Abb. 4: Laserstruktur (4a) und Licht-Strom-Kennlinien (4b) eines Lasers mit 2 InGaAs-Quantenlmen [T.R. Chen et. al., Appl. Phys. Lett., 60(1992), p. 1782] realisieren, sie zeigen aber deutlich stabilere Emissionseigenschaften. Realisierungsbeispiele für gewinngeführte Halbleiterlaser zeigt Abb. 6, während Abb. 7 Beispiele für index-geführte halbleiterlaser mit vergrabener aktiver Schicht zeigt (buried-heterostructure, BH-Laser). Die Laser auf der Basis von InP-Substraten sind dabei im allgemeinen dimensioniert für = 1; 3:::1; 65m, während die Laser auf der Basis von GaAs-Substraten typischerweise für = 750:::850nm ausgelegt sind (u.U. auch = 980nm mit InGaAs-Quantenlmen). Bei den Lasern mit vergrabener aktiver Schicht in Abb. 7 ist sichergestellt, daÿ die aktive Zone rundherum von Materialen kleinerer Brechzahl umgeben ist. Diese Laser können sehr kleine Schwellströme aufweisen (siehe z.B. Abb. 4), sie sind aber aufgrund der Notwendigkeit mehrerer Epitaxieschritte aufwendig zu realisieren. Etwas einfacher zu realisieren sind quasi-index-geführte Halbleiterlaser in Abb. 8, bei denen die aktive Schicht nicht unterbrochen ist. Im Vergleich zu Abb. 7 weisen diese Laser höhere Schwellströme auf, sie sind aber auch bis zu hohen optischen Leistungen betreibbar. 3 Vertikal emittierende Halbleiterlaser Bisher haben wir ausschlieÿlich kantenemittierende Halbleiterlaser kennengelernt, bei denen das Licht aus einer gespaltenen Halbleiterkristall-Endäche austritt. Leider sind derartige Laser nicht so einfach an einen Lichtwellenleiter koppelbar (zur ezienten Lichteinkopplung ist in der Regel eine Linse erforderlich) und sie sind aufgrund der Notwendigkeit einer gespaltenen Kristallendäche nicht on-wafer testbar. Eine Alternative dazu stellen vertikal emittierende Halbleiterlaser dar, die auch als VCSEL (engl. vertical cavity surface emitting laser) bezeichnet werden. Das Grundprinzip eines derartigen Lasers besteht darin, daÿ sich die Laserschwingung nicht entlang der aktiven Schicht ausbildet, sondern senkrecht dazu, TU Berlin Prof. Dr.-Ing. K. Petermann Einführung in die optische Nachrichtentechnik HL-STRUK/5 Gewinnführung Indexführung Laserstruktur: Oxidstreifenlaser Vergrabene aktive Schicht w w Isolator Isolator p-Kontakt p p-Kontakt p d aktive Schicht x n<nakt n n n-Kontakt y n-Kontakt PI-Kennlinie: lateraler Wellenführung 5 - starke Verrundung an an der Schwelle wegen P / mW → P / mW → - "kinks" wegen instabiler 10 stabiler, lateral 10 einmodiger Betrieb mit kleiner Schwelle 5 hoher spontaner Emission 0 100 50 0 0 50 0 100 I / mA → I / mA → vielmodig wegen 1.0 starker spontaner Emission (K≈10) 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 1.520 1.525 1.530 1.535 1.540 Intensität / bel. Einh. → Intensität / bel. Einh. → Spektrum: wenige Moden wegen 1.0 geringer spontaner Emission (K≈1) 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 1.520 Wellenlänge / µm → 1.525 1.530 1.535 1.540 Wellenlänge / µ m → Intensität / bel. Einh. → Intensität / bel. Einh. → Fernfeld: 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -40 -20 0 20 40 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -40 Winkel θ / Grad → Phasenfronten: -20 0 20 40 Winkel θ / Grad → zylindrisch gewölbt, Astigmatismus ebene Phasenfronten w w y y z z Abb. 5: Eigenschaften von Gewinn- und Index-geführten Halbleiterlasern [S. Hansmann, Laserdioden, in: Voges, Petermann; Handbuch der Optischen Kommunikationstechnik, Springer, 2002] wie in Abb. 9 schematisch skizziert ist. Es werden dabei dielektrische Spiegel mit 4 -Mehrfachschichten und Reektivitäten R1 ; R2 nahe 1 benötigt, um ein Anschwingen zu ermöglichen. Die Anschwingbedingung (ohne Streuverluste s ) ist dann ähnlich wie in Gl. 15 (HL/10) gegeben durch exp(2gst d ) = 1=(R1 R2 ) (1) bzw. für gst d << 1 durch 2gst d = 1 R1 R2 (2) Auch für VCSELs werden gern Quantenlm-Schichten verwendet, wobei sich zum Beispiel für R1 = 99%, R2 = 99; 8%, d = 10nm eine notwendige Verstärkung gst = 6000=cm ergibt. Eine solche Verstärkung ist noch realisierbar, so daÿ sich damit VCSELs realisieren lassen. Ein konkretes Ausführungsbeispiel zeigt Abb. 10, wobei die Spiegel durch 4 -GaAs/ 4 -(Ga)AlAs-Schichtfolgen TU Berlin Prof. Dr.-Ing. K. Petermann Einführung in die optische Nachrichtentechnik HL-STRUK/6 Abb. 6: Gewinn-geführte Halbleiterlaser [S. Hansmann, Laserdioden, in: Voges, Petermann; Handbuch der Optischen Kommunikationstechnik, Springer, 2002] 4 m m 2 m m + A u Z n S iO 2 n - A lG a A s p - A lG a A s p - A lG a A s n - A lG a A s + n -In P G a A s ( a k t iv ) p -In P p -In P In G a A s P ( a k tiv ) n -In P n -G a A s S u b s tra t n -In P S u b s tra t n -K o n ta k t A u G e B u r ie d h e te r o s tr u c tu r e ( B H ) L a s e r E tc h e d - m e s a b u r ie d h e te r o s tr u c tu r e ( E M B H ) 6 m m + S iO p + -In G a A s P p -In P p -In P p -In P S iO 2 p -In P n -In P p -In P 2 s .i.- In P A u G e /A u n -In P p -In P In G a A s P ( a k tiv ) In G a A s P ( a k tiv ) n -In P S u b s tra t p -In p S u b s tra t A u G e A u Z n -K o n ta k t D o u b le - c h a n n e l p la n a r b u r ie d h e te r o s tr u c tu r e (D C P B H ) L a s e r - 3 m m 3 m m A u Z n p -In P p -K o n ta k t p -In G a A s P p +-G a A s P ilz s tr u k tu r L a s e r Abb. 7: Index-geführte Halbleiterlaser mit vergrabener aktiver Schicht [S. Hansmann, Laserdioden, in: Voges, Petermann; Handbuch der Optischen Kommunikationstechnik, Springer, 2002] TU Berlin Prof. Dr.-Ing. K. Petermann Einführung in die optische Nachrichtentechnik HL-STRUK/7 4 m m 2 m m p -In G a A s P p +-G a A s 2 n -G a A s p - A lG a A s p -In G a A s P n - A lG a A s n -In P n -G a A s -S u b s tra t n -In P -S u b s tra t A u G e N i- E le k t r o d e n -K o n ta k t In G a A s P ( a k tiv ) m e ta l- c la d - r id g e w a v e g u id e ( M C R W ) - L a s e r p + - Z n - D iffu s io n + A u Z n - E le k tr o d e p - A l0 .6 G a ( a k t iv ) 0 .4 A s p - A l0 .1 5 G a 0 .8 5 A s ( a k t iv ) n - A l0 .6 G a 0 .4 A s 0 .0 5 m m 0 .3 m m S iO G a A s + p -K o n ta k t 1 .5 m m C r - A u - E le k tr o d e 4 m m + n -G a A s -S u b s tra t A u G e - E le k tr o d e r id g e w a v e g u id e L a s e r c h a n n e le d - s u b s t r a t e p la n a r ( C S P ) - L a s e r Abb. 8: Quasi-index-geführte Halbleiterlaser mit nicht unterbrochener aktiver Zone [S. Hansmann, Laserdioden, in: Voges, Petermann; Handbuch der Optischen Kommunikationstechnik, Springer, 2002] R 1 d R 2 Abb. 9: Schematische Darstellung eines vertikal emittierenden Halbleiterlasers mit der aktiven Schicht der Dicke d und den Spiegel-Reektivitäten R1 ; R2 realisiert werden, die an das GaAs-Substrat gitterangepaÿt sind. Ein Durchbruch ist bisher aber nur erreicht worden bei VCSELn auf der Basis von GaAs-Substraten und Spiegeln mit Mehrschicht-Paaren aus Ga(Al)As/(Ga)AlAs, so daÿ mit aktiven Zonen aus Ga(Al)As der Wellenlänge 850nm und mit verspannten aktiven InGaAs-Quantenlm-Schichten noch Wellenlängen bis herauf zu 1m erreicht werden können. Es lassen sich sehr eziente Laser mit sehr kleinen Schwellströmen realisieren. So zeigt Abb. 11 einen VCSEL für 970nm mit einem Fleckdurchmesser von 7m, der nur einen Schwellstrom Is = 0:35mA aufweist. Gleichzeitig lassen sich bei einem Strom von nur 2 mA Gesamtwirkungsgrade > 50% (= [optische Leistung]/[elektrische Leistung]) realisieren, so daÿ sich hier eine äuÿerst eektive Lichtquelle ergibt. TU Berlin Prof. Dr.-Ing. K. Petermann Einführung in die optische Nachrichtentechnik HL-STRUK/8 n Abb. 10: Prinzipieller Aufbau eines VCSEL (links) und Realisierung eines zweidimensionalen VCSELarrays (rechts) [K.J. Ebeling, Laserdioden mit Vertikalresonator (VCSELs) für optische Verbindungssysteme, in: Voges, Petermann; Handbuch der Optischen Kommunikationstechnik, Springer, 2002] Abb. 11: Licht/Strom und Spannung/Strom-Kennlinien für einen VCSEL mit 7m Durchmesser für = 970 nm [K.L. Lear et. al., Electron. Lett., (31)1995, p. 208] TU Berlin Prof. Dr.-Ing. K. Petermann
