Anleitung

Versuchskürzel: HLL
Betreuer: Gerolf Burau
Laserdioden (LDs) und Lumineszenzdioden (LEDs) sind heute häufig verwendete Bauelemente in technischen Anwendungen. Es sollen
hier insbesondere die Laserdioden näher untersucht werden.
Vorteile von Laserdioden
Kompaktheit
geringe Herstellungskosten
hoher Wirkungsgrad
einfache Stromversorgung
geringe Bandbreite des Laserlichts
gute Winkelkohärenz (gut fokussierbar)
gute Längenkohärenz (Interferometrie)
Aufbau von Laserdioden
Das Gehäuse besitzt an der Oberseite ein kleines Glasfenster. Unter dem Laserchip befindet sich eine Photodiode, die man
Monitordiode nennt. Mit Hilfe der Monitordiode kann die Emission der Laserdiode gemessen werden.
Die Struktur des Diodenchips ist kompliziert. Er besteht aus vielen unterschiedlichen Halbleiterschichten. Die aktive Schicht, in der das
Laserlicht entsteht, hat eine Dicke von weniger als einem Mikrometer. Daher wird das Licht beim Verlassen der aktiven Schicht stark
gebeugt (divergent). Es entsteht ein für die aktive Schicht charakteristisches Strahlprofil.
Strom-Lichtleistungskennlinie
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Die LD im Experiment wird mit einer Spannung von wenigen Volt und einer Stromstärke von 45 mA betrieben Die Schwellenstromstärke
der LD beträgt 30-35 mA. Die Betriebsstromstärke von 45 mA darf nur um maxiaml 5 mA überschritten werden (kurzzeitig). Mit der
vorhandenen Konstantstromschaltung kann die Lichtleistung variiert werden. Die Lichtleistung wird dann mit einem Powermeter
gemessen. Die Abhängigkeit der optischen Ausgangsleistung vom Injektions-strom wird mit der Strom-Lichtleistungskennlinie
dargestellt.
Im Bereich kleiner Injektionsströme finden überwiegend spontane Emissionsprozesse statt. Bei höheren Injektionsströmen werden
starke Besetzunginversionen erzeugt, es überwiegen die stimulierten Emissionsprozesse und das in das aktive Medium
zurückgekoppelte Licht erfährt eine Verstärkung, die sich als steiler Anstieg der Strom-Lichtleistungskennlinie bemerkbar macht. Der
Übergang von spontaner zu stimulierter Emission ist in der Laserdiodenkennlinien als Knick erkennbar.
Absorptionsprozesse im aktiven Medium dämpfen das Licht der LD. Zur Überwindung dieser Verluste ist ein minimaler Pumpstrom, der
sogenannte Schwellstrom ISchwell erforderlich. Unterhalb des Schwellstroms emittiert die Laserdiode inkohärentes Licht, im Laserbetrieb
oberhalb des Schwellstromes emittiert sie kohärentes Licht.
Halbleitermaterialien
Bei Halbleitern mit indirekten Übergangen entstehen bei der Rekombination von Elektronen und Löchern keine Photonen sondern
Phononen. Halbleiter aus der IV Gruppe des PSE sind indirekte Halbleiter und eignen sich deshalb nicht für Laserdioden. LDs und
LEDs werden aus Halbleitern mit direkten Übergangen hergestellt. Direkte Halbleiter lassen sich aus Materialien der III und V Gruppe
des PSE herstellen. III-V-Halbleiterverbindungen sind z.B. GaAs, InP, AlAs, GaAlAs, InGaAs, InGaAsP, InGaAlAs.
Die im Experiment verwendete LD TOLD9221M ist eine InGaAlP LD.
Durch die Verringerung der Al-Konzentration in der aktiven Schicht des Laserchips vergrößert sich der Brechungsindex. Die aktive
Schicht wirkt wie ein Lichtleiter. Der Lichteinschluß in die aktive Schicht heißt "optical confinement" und unterstützt seine Wirkung als
optischer Resonator des Lasers. Als Resonatorspiegel der LD dienen die Grenzflächen der aktiven Schicht zur umgebenden Luft. LEDs
hingegen besitzen keinen optischen Resonator.
Bändermodell
Im Halbleitermaterial der LD sind die Elektronen im Leitungsband und die Löcher im Valenzband. Bei der Rekombination wird die
Energie frei, die beide Bänder voneinander trennt, also die Bandlückenenergie Egap. Bei einer Elektronen-Loch-Rekombination wird
dabei die freiwerdende Energie in ein Photon umgesetzt.
Für die Bandlücke von GaAs gilt bei Raumtemperatur: Egap=1,42 eV. Ersetzt man Ga teilweise durch Al, so wächst die Bandlücke. Für
reines AlAs gilt: Egap=2,2 eV. AlAs ist jedoch ein indirekter Halbleiter, so daß es keine AlAs Laserdioden gibt. Oft verwendete
Halbleitermaterialien für LDs sind:
InGaAsP für den Infrarotbereich bis 1500 nm
GaAlAs für den Grenzbereich Rot-IR 730nm-830nm.
InGaAlP für den roten Bereich 630nm-670nm.
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Durch eine geringe Al-Konzentration in der aktiven Schicht wird eine Verengung der Bandlücke bewirkt. Daher befinden sich nur in der
aktiven Schicht Elektronen und Löcher die durch Rekombination Laserlicht erzeugen. Man nennt diesen Ladungträgereinschluß
"electrical confinement". Der Stromfluß (eine LD wird in Durchlaßrichtung betrieben) wird so viel besser zur Lichterzeugung ausgenutzt
und eine Besetzungszahlinversion in der aktiven Schicht erzeugt. Ohne confinement würde sich die Rekombination über einen viel
größeren Bereich erstrecken. In einem flußgepolten pn-Übergang erfolgt also eine strahlende Rekombination von Elektronen und
Löchern. Die Ladungsträger werden von außen über den Injektionsstrom zugeführt. Mit steigendem Injektionsstrom nimmt die Zahl der
pro Zeiteinheit rekombinierenden Ladungsträger zu und damit die Lichtleistung der Diode. Dies gilt bis zu einem von Aufbau und
Material der Diode abhängigen Maximalstrom. Bei Überschreiten des Maximalstromes wird die LD thermisch zerstört.
In LEDs beruht die Lichterzeugung auf spontaner Rekombination. Die Lichtleistung steigt deshalb über einen weiten Bereich linear mit
dem Injektionsstrom an und das Licht ist inkohärent.
Interferometrie
Der optische Resonator der Laserdiode läßt alle Wellen zu, für die der Spiegelabstand ein ganzzahliges Vielfaches der halben
Wellen-länge ist. Der Laser strahlt dann Licht derjenigen Wellenlänge ab, für die die Resonatorbedingung erfüllt ist und die Verluste
durch Abstrahlung und Absorption durch die stimulierte Emission ausge-glichen werden. Im Resonator sind nur bestimmte
Longitudinalmoden ausbreitungsfähig und er koppelt das Licht teilweise in das aktive Medium zurück. Die Resonatorlänge und der
Brechungsindex der aktiven Schicht (n=3.5) bestimmen die Anzahl der Moden im Verstärkungs-profil. Bei mehreren Moden im
Verstärkungsprofil spricht man von einem Multimoden-Betrieb. Dabei wird die Längenkohärenz verringert.
Die LD im Experiment ist eine Singlemode-LD, die eine große Kohärenzlänge besitzt. Multimode-LDs hingegen besitzen nur eine kleine
Kohärenzlänge.
Mit einem Michelsoninterferometer erhält man ein räumliches Interferogramm mit Interferenzstreifen. Die Interferenzstreifen verschieben
sich in Abhängigkeit vom Injektionsstrom, denn die Wellenlänge hängt vom Injektionsstrom ab. Diese Abhängigkeit ist auf Vergrößerung
der Resonatorlänge und Verringerung der Bandlücke bei Erhöhung der Temperatur zurückzuführen.
Bei der Singlemode-LD im Experiment kann durch Messung der Kohärenzlänge in Abhängigkeit von der Lichtleistung der Übergang
vom Singlemode- in den Multimode-Betrieb nachgewiesen werden.
Emissionsspektren
LEDs zeigen im Vergleich zu Laserdioden relativ breite Emissionsspektren mit Spektralbreiten von mehr als 20 nm, denn die
Ladungsträger rekombinieren nicht nur exakt von der Leitungs-bandunter- zur Valenzbandoberkante sondern auch zwischen nicht direkt
an den Bandkanten liegenden Energieniveaus. Das Emissions-spektrum ist also durch die Besetzungsdichte der Bandzustände
gegeben. Das Maximum des Spektrums liegt dicht oberhalb der Bandlückenenergie.
Wie bei der LED legt auch bei der LD die Bandlücke die Lage des Maximums des Emissionsspektrums fest. Die Form des Spektrums
wird aber wesentlich durch den in der Laserdiode verwendeten optischen Resonator bestimmt (Fabry-Perot-Resonator). Von den
Resonatormoden können nur die Moden anschwingen oder verstärkt werden, die im Bereich der optischen Verstärkungskurve mit der
Verstärkung v>=1 liegen. Dies ergibt die typische Linienstruktur von Vielmoden-LDs.
Aufgaben:
1. Messen Sie die Strom-Lichtleistungskennlinie der bereit-gestellten Laserdiode. Ermitteln Sie den Wirkungsgrad und den
Schwellstrom der LD. Die LD wird mit 2.2 V betrieben.
2. Wie hängen der Injektionsstrom und der Schwellstrom von der Temperatur ab ?
3. Wie sieht das Strahlprofil der LD aus, und warum sieht es so aus ? Weisen Sie mit einem Michelsoninterferometer nach, daß die
LD oberhalb des Schwellstromes kohärentes Licht erzeugt. Wie ändert sich das Interferenzbild, wenn sich der Injektionsstrom
ändert ? Bestimmen Sie den Injektionsstrom, bei dem der Übergang vom Singlemode- zum Multimode-Betrieb erfolgt
(Kohärenzlänge).
4. Messen Sie die Emissionsspektren der LD und der LED mit einem Spektrometer. Untersuchen Sie die Abhängigkeit der
Wellenlänge von der Temperatur oberhalb und unterhalb des Schwellstromes ISchwell. Untersuchen Sie die Abhängigkeit der
Wellenlänge vom Injektionsstrom bei Raumtemperatur.
5. Wie groß sind die Bandlücken der LD und der LED und wie hängen sie von der Temperatur ab ? Berechnen Sie näherungsweise
die Modenzahl der Longitudinalmode im Singlemode-Betrieb. Berechnen Sie die Resonatorlänge der LD.
Bemerkung: Temperaturabhängigkeiten sollen nur qualitativ diskutiert werden.
Achtung: Die Laserdiode darf nicht berührt werden. Gefahr der Zerstörung durch Stromspitzen. Durch statische Aufladungen können
Spannungsspitzen im Mikrosekundenbereich vorkommen, die zu großen Strömen führen und somit die Laserdioden (90 DM) zerstören.
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Bei Fragen und Problemen zu diesem Praktikumsversuch wenden Sie sich bitte an:
H. Stolz
Universitätsplatz 3
18055 Rostock
Tel: 498-1659 oder 498-1660
E-Mail: [email protected]
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