Fragenkatalog zur Prüfungsvorbereitung

Fragenkatalog zur Vorlesung ‚Halbleiterlaser’
Grundlagen
Welche Orientierung haben die Ausbreitungsrichtung und das elektrische/magnetische Feld bei einer
ebenen Welle?
Welche Dispersion (Frequenz als Funktion vom Wellenvektor) hat ein homogenes Medium mit
Brechungsindex n?
Wie sind Verstärkung und Absorption definiert?
Wie hängen Verstärkung und Absorption mit dem Real-/Imaginärteil des Brechungsindex zusammen?
Aus welchen elementaren ‚Bausteinen’ besteht ein Laser?
Was versteht man unter einem Fabry-Perot Laser?
Wie groß muss die Verstärkung im Laser sein, damit die Laserschwelle erreicht wird?
Skizzieren sie eine Laserkennlinie (Ausgangsleistung in Abhängigkeit von der Pumpleistung/vom
Pumpstrom).
Wie sieht das Emissionspektrum eines Fabry-Perot Lasers aus?
Skizzieren sie den Schichtaufbau eines Quantenfilmlasers.
Wie ist der Bandverlauf in einem Quantenfilmlaser? Welche Höhe haben die Barrieren an den
Heteroübergängen? Woraus ergeben sich die Schichtdicken? Warum sind die Claddingschichten so
dick? Wie ist der Brechungsindexverlauf in einem Quantenfilmlaser?
Was versteht man unter einer SCH Struktur? Was ist ein GRINSCH?
Was wird bei einem einfachen Halbleiterlaser normalerweise als Spiegel verwendet?
Wie ist ein buried-heterostructure Laser aufgebaut?
Was versteht man unter dem Füllfaktor des Quantenfilms? Wie groß ist dieser in etwa und wie hängt
er von der Dicke des Wellenleiters ab?
Was ist die interne Absorption?
Wie hängt die Verstärkung eines Quantenfilms von der Ladungsträgerdichte ab?
Bei welcher Ladungsträgerdichte (ungefährer Wert) wird ein Quantenfilm transparent?
Was versteht man unter den Spiegelverlusten eines Lasers?
Was versteht man unter der Photonenlebensdauer?
Skizzieren sie die Ladungsträger- und Photonendichte in einem Halbleiterlaser in Abhängigkeit vom
Pumpstrom? Welches Verhalten beobachtet man unter/über der Laserschwelle?
Was ist der Unterschied zwischen externer und interner Quanteneffizienz?
Wie ändert sich die externe Quanteneffizienz, wenn man den Laser länger macht?
Was sind typische Längen für einen Halbleiterlaser?
Warum sind Halbleiterlaser viel kürzer als Gaslaser?
Was versteht man unter der Transparenzstromdichte einer Laserstruktur?
Wie hängt diese mit der Schwellenstromdichte zusammen?
Was sind typische Werte für die Schwellenstromdichte von Lasern?
Wie ist die ‚wall-plug efficiency’ eines Laser definiert? Warum nimmt sie bei hohen Strömen ab?
Skizzieren sie den Verlauf der wall-plug efficiency in Abhängigkeit vom Pumpstrom.
Welche Rekombinationsmechanismen (strahlend/nichtstrahlend) kennen sie?
Wie hängt die Rekombinationsrate von der Ladungsträgerdichte ab?
Wie hängt die Laserschwelle (die Schwellenstromdichte) eines Lasers von der Länge ab?
Wie kann man interne Parameter (interne Absorption/interne Quanteneffizienz) aus Laserkennlinien
bestimmen?
Wie ändert sich die Schwelle und Kennlinie eines Halbleiterlasers bei steigender Temperatur?
Was ist der thermische Widerstand eines Halbleiterlasers?
Wechselwirkung Licht - Halbleiter
Skizzieren sie die Bandstruktur eines direkten/indirekten Halbleiters.
Erklären sie das Konzept der effektiven Masse.
Was versteht man unter leichten/schweren Löchern?
Durch welche Wellenfunktionen werden die Zustände in einem Volumenhalbleiter beschrieben?
Welche Statistik beschreibt die Besetzungswahrscheinlichkeit von Zuständen in den Bändern?
Was versteht man unter der Fermienergie bzw. der Quasifermienergie?
Wie groß muss die Differenz der Quasifermienergien sein, damit der Halbleiter verstärkt?
Wie groß ist die Zustandsdichte im k-Raum? Welche Einheiten hat die Zustandsdichte D(E)?
Skizzieren sie die Zustanddichte für eine 3D und 2D Halbleiterstruktur.
Wie berechnet man die Ladungsträgerdichte in einem Halbleiter?
Erklären sie die drei fundamentalen Prozesse der Wechselwirkung von Photonen mit Materie.
Wie hängen die Übergangsraten dieser Prozesse von der Photonendichte ab?
Zeichnen sie optische Übergänge (Absorption/spontane Emission) in die Bandstruktur eines
direkten/indirekten Halbleiters ein.
Wie kann man die Verstärkung eines Halbleiters berechnen (keine genaue Herleitung, nur Ansatz und
wichtigste Schritte).
Skizzieren sie die optischen Verstärkung von Volumenmaterial/von einem Quantenfilm für
verschiedenen Ladungsträgerdichten.
Skizzieren sie einen Augerprozess in der Dispersionsrelation (E (k)) eines Halbleiters.
Wellenleiter
Skizzieren sie einen optischen Wellenleiter.
Wie ist der Brechungsindexverlauf in einem Schichtwellenleiter?
Welche und wie viele Moden gibt es in einem Schichtwellenleiter? Erklären sie die Analogie zum
endlichen Potentialtopf.
Welche Randbedingungen gelten an den Grenzflächen in einem Schichtwellenleiter?
Skizzieren sie den Feldverlauf der Fundamentalmode und einer höheren Mode in einem
Schichtwellenleiter. Durch welche Funktionen wird der Verlauf des elektrischen Feldes beschrieben?
Was versteht man unter dem effektiven Brechungsindex?
Wie hängt dieser von der Wellenlänge des Lichts und der Dicke des Wellenleiters ab?
Wie kann man die Feldverteilung in 2D Wellenleitern berechnen?
Wie hängen Nah- und Fernfeld einer Laserdiode zusammen? Wie kann man den Divergenzwinkel des
Fernfelds beeinflussen?
Resonatoren
Erkären sie (grob) das Konzept der Transfer- und Streumatrizen.
Skizzieren sie die Reflektivität eines Gitters in Abhängigkeit von der Wellenlänge.
Was versteht man unter der Seitemodenunterdrückung eines Lasers? Wovon hängt sie ab?
Was ist ein DBR Laser? Wie sieht das Emissionsspektrum eines DBR Lasers aus?
Was ist ein DFB Laser?
Erklären sie die Unterschiede zwischen einem DFB Laser mit und ohne Phasensprung.
Wie kann man die Entartung der Moden in einem DFB Laser ohne Phasensprung aufheben?
Dynamische Eigenschaften
Was versteht man unter Kleinsignal- und Großsignalmodulation eines Lasers?
Skizzieren sie die Übertragungsfunktion eines Halbleiterlasers.
Durch Änderung welcher Parameter kann man die Kleinsignalbandbreite eines Lasers erhöhen?
Was versteht man unter dem Chirp eines Lasers?
Was ist das relative Intensitätsrauschen (RIN)?
Wie groß ist die Linienbreite eines Halbleiterlasers und wie kann man sie messen?