Halbleiterlaser - Universität Würzburg
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Halbleiterlaser - Universität Würzburg
Halbleiterlaser Martin Kamp Technische Physik, Universität Würzburg Mit Lasern kann man tolle Sachen machen… • 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 Wir bauen uns 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 293, 825 (2001) Durchgezogene Linie: Cs Atomuhr Geplant: Bau von optischen Uhren mit einer Genauigkeit von 10-18 Herausforderung: Höhendifferenz von 1 cm führt zu Gangabweichung durch Gravitationsfeld der Erde 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 Geschichte des Lasers Einstein postuliert stimulierte Emission (1917) Spontane Emission Absorption Stimulierte Emission Bestimmung der Einstein Koeffizienten A21, B12 und B21 durch eine quanten (elektrodynamische) 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) 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. λ3 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 blau (GaN) 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) Monomode-Laser - Kommunikationslaser (schnelle Modulierbarkeit, Wellenlängenmultiplex) - Laser für Interferometer und zur Positionsbestimmung - Laser für Sensorikanwendungen Hochleistungslaserdioden Laserdiodenstacks => mehrere kW aus einer Streichholzschachtel 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 Si Laser Nature 433, 292 (2005) Verstärkung durch stimulierte Ramanstreuung => erfordert Pumplaser Marktanteile verschiedener Lasertypen Marktzahlen aus Laser Focus World LASER MARKETPLACE 2007 www.laserfocusworld.com Diodenlaser machen mehr als die Hälfte des weltweiten Lasermarktes aus! Weltmarkt für Diodenlaser 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 Aufschlüsselung nach Anwendungen Stückzahlen nach Anwendung Kleine Stückzahlen sind in der Statistik nicht erfasst Und wie funktioniert ein Halbleiterlaser? Bausteine eines (Halbleiter-)Lasers Aktives Medium (Verstärker) Zusätzlich beim Halbleiterlaser: Wellenführung R1 R2 Rückkopplung (Spiegel) Mit bloßem Auge ist nicht viel zu erkennen … Da ist der Laser! … unter einem Mikroskop schon etwas mehr Ansicht von oben • • • • 300 * 400 µm Laserchip 120 µm Dicke Gelötet auf Keramikmount p - Kontakt über Bonddraht und unter dem Elekronenmikroskop noch mehr! Chip mit Halbleiterlaser Elektronenmikoskopische Aufnahme der Laserfacette Aktiver Bereich hat Abmessung von ca. 2*2*1000 µm 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 Planare Wellenleiter Wellenleiterkern mit Brechungsindex n1 zwischen Mantelschichten (Cladding) mit Brechungsindex n2 n2 n1 > n2 n1 Beispiel: n2 nGaAs = 3.52 nAlAs = 2.95 • Wellenführung durch Totalreflektion an der Grenzfläche zwischen Kern und Cladding • Zwei Moden: TE (E-Feld parallel zur Schicht) TM (E-Feld senkrecht zur Schicht) Berechnung der Moden I r ρ I) ∇E = ε 0ε r r II) ∇B = 0 III) r r ∂B ∇× E = − ∂t IV) r r ⎛r ∂E ⎞ ⎟ ∇ × B = µ r µ 0 ⎜⎜ j + ε r ε 0 ⎟ ∂ t ⎝ ⎠ Good old Maxwell aus der E-Dynamik Vorlesung Keine Ladungen und Ströme, Rotation von III und Einsetzen in IV liefert Wellengleichung: r 2 2 r n ∂ E 1 ∆E − 2 2 = 0 mit 2 = µ 0ε 0 n 2 = µ r ε r c ∂t c r r r r − iω t r r r r − iω t B ( r , t ) = B ( r )e Harmonische Zeitabhängigkeit: E ( r , t ) = E (r )e r ⎛ n 2ω 2 ⎞ r r r Helmholtz2 2 ∆E + ⎜⎜ 2 ⎟⎟ E = 0 ∆E + n k 0 E = 0 gleichung ⎝ c ⎠ Berechnung der Moden II r r 2 2 Lösungen der Helmholtzgleichung ∆E + n k 0 E = 0 r r r i ( nkr rr −ωt ) Im homogenen Medium: E ( r , t ) = Eo e 0 (ebene Wellen) TE Mode im Wellenleiter: Modifizierte Helmholtzgleichung z x r r r E (r ) = ex E0 e iβy E ( z ) y ∂ 2 Ex 2 2 2 + ( k n ( z ) − β )Ex = 0 2 0 ∂z Vergleich mit Schrödingergleichung Schrödingergleichung Helmholtzgleichung h 2 ∂ 2Ψ + VΨ = ΕΨ − 2 2m ∂x Mit: 2m β ↔ V h 2 ∂ 2 Ex 2 2 2 + ( k n − β )Ex = 0 2 0 ∂z 2m k0 n ↔ E h 2 2 Analogie zum 1D-Potentialtopf: • symmetrische / antisymmetrische Lösungen • mindestens eine geführte (lokalisierte) Mode • resonante Zustände überhalb der Barriere (leaky modes) Dispersion des planaren Wellenleiters Dispersion im homogenen Medium hck E= n Vertikalstruktur eines Halbleiterlasers InGaAs - Quantentopf als aktive Schicht GaAs - Wellenleiter AlGaAs - Claddingschicht SCH Struktur Separate Confinement Heterostructure • Quantenfilm könnte Mode führen, aber geringer Überlapp mit Mode • Trennung von optischem und elektronischem Einschluss (separate confinement) Gewinnführung Keine laterale Strukturierung zur Wellenführung, nur Definition durch Strominjektion 50-200 µm • Test von Epi-Schichten und für Hochleistungslasern • Extrem elliptisches Modenprofil • Instabilitäten durch Lochbrennen, thermische Effekte, … Rippenwellenleiter Stegbreite ca. 2-5 µm • Laterale Wellenführung durch geätzten Steg • Kontrolle über Ladungsträgerinjektion Intensitätsverteilung im Rippenwellenleiter 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 µm Länge 6 4 2 ∆λ = 0 .6 λ2 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 Abstrahlcharakteristik Parallel 16 14 12 12 Intensity (arb. units) 14 Intensity (arb. units) Nahfeld 16 10 Fernfeld 8 6 10 8 6 4 4 2 2 0 -20 0 -50 -10 0 10 Angle (degree) 20 Perpendicular -25 0 25 Angle (degree) Elliptisches Modenprofil führt zu elliptischem Fernfeld (Korrektur durch Zylinderlinse) 50 Vertikalemitter Welche Materialien werden verwendet? 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) 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 µm Si 1.3 µm 1.5 µm Hochleistungslaser Kenndaten von Hochleistungslasern Breitstreifenlaser mit 2 mm Länge und 200 µm Breite - Schwelle: 600 mA - Steigung der Kennlinie: 0.97 W/A - Ausgangsleistung: > 4.5 W bei 6 A - Konversionseffizienz Popt / Pel : 48 % bei 2.5 W Lichtleistung Hochleistungsbarren Unmontierte Laserbarren (1 cm Länge) Montierter Laserbarren © Osram Kennlinie eines Laserbarrens Hochleistungsstacks Stack aus 3 Barren Stack aus 10 Barren Kennlinien eines Stacks Einmodige Halbleiterlser Mehrmodiger Fabry-Perot Laser 1 .0 S p e k tru m F a b ry P e ro t L a s e r 800 µm Länge FP-Laser emittiert auf Vielzahl von Linien Intensität (bel. Einheiten) 0 .8 Für viele Anwendungen: => Laseremission bei genau definierter Wellenlänge 0 .6 0 .4 => FP Laser nicht geeignet 0 .2 0 .0 965 970 975 W e lle n lä n g e ( n m ) 980 985 Einsatzgebiete monomodiger Halbleiterlaser Glasfaserkommunikation 1Tb/s (100 x 10 Gb/s) Super-Dense WDM NTT, Japan Sensorik Nachweis von O2 bei 761 nm Abstimmbar durch Variation von Strom oder Temperatur Optoelectronics Ireland, Dublin Möglichkeiten der Modenselektion Laser mit verteilter Rückkopplung: Distributed Feedback (DFB) Laser mit verteiltem Bragg-Reflektor: Distributed Bragg Reflector (DBR) • Periodische Indexmodulation (indexgekoppelter Laser) • Periodische Verstärkungsmodulation (verstärkungsgekoppelter Laser) • Passives Braggitter • Bessere Eigenschaften als bei reiner Indexkopplung • ´Standard´ DFB Laser (1.55 µm) • Herstellung schwieriger Braggbedingung: λDFB = 2 * neff * d Reflektivität eines Braggitters Amplitude und Phase des reflektierten Lichts Pi 1.0 0.8 0.6 Phase Reflektivität Phase = 0 bei λ = λBragg n1 = 3.3 d1 = 76.5 nm n2 = 3.305 d2 = 74.9 nm l = 300 µm 0.4 0 0.2 0.0 0.998 0.999 1.000 Wellenlänge (µm) 1.001 1.002 -Pi 0.998 0.999 1.000 Wellenlänge (um) 1.001 1.002 Aufbau eines DBR Lasers Modenselektion durch scharfes Reflektionsmaximum Aufbau eines DFB Lasers Gitter erstreckt sich über gesamte Länge des Lasers Einfluss der Facetten Emissionsspektrum 0 • Reale DFB Laser: - AR/HR Facettenbeschichtung 50 100 150 100 • Rechnung mit Variation einer Facettenphase von 0 bis 2 * Pi • Auswahl einzelner Laser nach Test • Ungeeignet für Integration mehrerer Laser -> Ausbeute 50 Facettenphase • Zufällige Lage der Facetten zum Gitter selektiert eine Mode 0 5 2.5 0 -2.5 Wellenlänge Ein Beispiel aus der Praxis Alcatel Telecommunication Review 3/98 Photonics: Fiat lux „Fabrication of Lasers for DWDM Applications“ DFB Laser mit lateraler Kopplung Mode koppelt an Metallgitter links und rechts vom Lasersteg FEM Aufnahme von Steg und Gitter • Unabhängig vom Materialsystem (kein Überwachsen erforderlich) • Einfacher Prozess, basierend auf Rippenwellenleiterlasern • Herstellung beginnt mit kompletten Laserstrukturen – Test der Schichtqualität vor der Prozessierung möglich • Präzise Kontrolle der Emissionwellenlänge Eigenschaften der DFB - Laser 0 35 2.5 * 1000 µm laser CL/CL 30 I = 60 mA λDFB = 979.2 nm -10 SMSR = 52 dB dP/dI = 0.32 W/A 25 -20 Intensity (dB) Output power per facet (mW) I0 = 14 mA 20 15 -30 -40 10 -50 5 -60 0 0 20 40 60 80 100 120 Current (mA) • Schwelle von 14 mA • Ausgangsleistung über 30 mW 970 975 980 985 990 995 Wavelength (nm) • Spektrum bei 25 mW Leistung • Seitenmodenunterdrückung mehr als 50 dB Kontrolle der Emissionwellenlänge λ1 Relative Intensity (dB) 0 λ2 λ3 λ4 ∆d = 0.24 nm ∆λ = 1.2 nm -10 -20 -30 -40 974 976 978 980 982 Wavelength (nm) • Spektren von vier InGaAs/InGaP DFB - Lasern • Variation der Gitterperiode in 0.24 nm Schritten Temperaturverhalten 981 0 1 mm cavity 25 mW output power 980 Wavelength (nm) Relative Intensity (dB) -10 -20 50 dB -30 -40 o 50 C 979 978 o 20 C 977 -50 -60 976 970 975 980 985 Wavelength (nm) 990 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Current (mA) • Monomodiger Betrieb bei 50 dB Seitenmodenunterdrückung • Kontinuierliche Verschiebung der Mode mit Temperatur und Strom Abstimmbare Laser Abstimmen eines DFB Lasers: Änderung des Brechungsindex über Temperatur, Ladungsträgerdichte oder E-Feld (QCSE), typisch über 5 nm Weit abstimmbare Laser: ‚Hebelwirkung‘, die kleine Änderung des Brechungsindex in grosse Änderung der Emission übersetzt Abstimmverhalten: Kontinuierlich Quasikontinuierlich Diskret Abstimmen über Vernier-Effekt Modenspektrum eines abstimmbaren Lasers λ 1 – Modenabstand Resonator 1 λ 2 – Modenabstand Resonator 2 Moden des langen Resonators schieben zu grösseren Wellenlängen. ⇒ Emission springt um λ1 zu einer grösseren Wellenlänge Ausganskonfiguration. Lasermode in der Mitte Moden des kurzen Resonators schieben zu grösseren Wellenlängen ⇒ Emission springt um λ2 zu einer kleineren Wellenlänge Alternative: Modendefinition über Gitter Binary Superimposed Gratings Superposition von N Gittern, dann Diskretisierung Beispiel: abstimmbarer Quantenpunkt DFB diskrete Abstimmbarkeit • • • 7 Moden im Abstand von je 5 nm → 30 nm (8,88 THz) Abstimmbereich Stromvariation zw. 15 und 200 mA T = 20 °C quasikontinuierliche Abstimmbarkeit • • • 25 Kanäle mit 0,5 nm Abstand → 12 nm (3,85 THz) Abstimmbereich Temperaturvariation 10-22 °C SMSR > 30 dB Ein etwas komplizierteres Bauteil Agility Abstimmbarer Laser mit integriertem Verstärker (SOA) und Modulator Abstimmbarer Laser hat vier Kontakte => unabhägige Variation von Wellenlänge und Ausgangsleistung Realisierung als Laserarray Fujitsu • 8 DFB Laser mit verschiedener Wellenlänge • Gemeinsamer Ausgangswellenleiter Abstimmverhalten Kombinierte Spektren Abstimmen über Temperatur External cavity laser (Littman-Metcalf Geometrie) Vertikalemitter VCSEL – Vertical cavity surface emitting laser Vergleich Kanten- und Vertikalemitter Kantenemitter Vertikalemitter - Gespaltene Facetten - Emission senkrecht zur Oberfläche - Asymmetrisches Fernfeld - Test auf Waferebene - Definierte Polarisation - Rundes Fernfeld - Hohe Ströme (mehrere A) - Kleine Ströme (mA) - Hohe Leistungen (mehrere W) - Kleine Leistungen (mW) - Lineare Arrays - 2D Arrays - Einfache Schichtstruktur - Komplexe Schichtstruktur Modenselektion Kantenemitter Modenabstand viel grösser als Verstärkungsbreite => Massnahmen zur Modenselektion (DFB, DBR,..) Vertikalemitter Longitudinal einmodig Enge Stromapertur zur lateralen Modenselektion Abstimmbare VCSEL Bandwidth 9 Abstimmen über verstellbaren Spiegel VCSEL Freitragender Arm mit Reflektor Das wars • Wer sich für Halbleiterlaser interessiert => Vorlesung im Sommersemester