Laserdiode

Grundprinzip der Laserdiode

Eine Laserdiode, auch Halbleiterlaser, ist ein mit der Leuchtdiode (LED) verwandtes Halbleiter-Bauteil, das Laserstrahlung erzeugt. Ein Laser mit einer oder mehreren Laserdioden als Lichtquelle heißt Diodenlaser. In einer Laserdiode wird ein stark dotierter p-n-Übergang bei hohen Stromdichten betrieben. Das Halbleitermaterial bestimmt die ausgesandte Wellenlänge; dadurch ist ein Bereich von Infrarot bis Ultraviolett möglich.

Bei Strom in Durchlassrichtung werden Elektronen und Löcher in den Übergangsbereich eingebracht. Treffen beide aufeinander, rekombinieren sie, also vereinigen sich, und dabei kann Licht entstehen. Die teilreflektierenden Endflächen des Bauelements bilden einen optischen Resonator: Licht wird zwischen ihnen hin- und herreflektiert, sodass sich eine stehende Lichtwelle ausbilden kann. Voraussetzung für den Laserbetrieb ist eine Besetzungsinversion, bei der stimulierte Emission zum dominierenden Strahlungsprozess wird. Der erforderliche Gleichstrom heißt Pumpstrom. Die Stromstärke, bei der der Laserbetrieb beginnt, ist die Laserschwelle oder der Schwellenstrom I_th.

Bauformen, Lichtführung und Leistung

Die meisten Laserdioden sind Kantenemitter (edge emitter). Ihr Licht tritt nahe der Oberfläche an der Bruchkante des Kristalls aus und verläuft damit quer zur Stromrichtung. Einfache Laserdioden bestanden nur aus einem p-n-Übergang und waren ineffizient. Moderne Bauteile verwenden dünne Schichten in Heterostrukturen mit getrenntem elektrischem und optischem Einschluss.

Elektronen und Löcher werden dabei in einem Quantenfilm oder in einer Schichtfolge mit Quantenpunkten eingeschlossen. Die Quanteneffekte erhöhen die strahlende Rekombination wirksam. Das Licht wird vertikal in einem Wellenleiter geführt: Material B besitzt einen großen Brechungsindex und ist von Material A mit kleinerem Brechungsindex umgeben. Seitlich wird das Licht entweder durch einen Streifenkontakt gesteuert (Gewinnführung) oder durch Strukturierung des Materials geführt (Indexführung), etwa durch Stegätzen oder seitliche Durchmischung von Material A und B.

Je nach Wellenlänge werden 30 % bis 80 % der Leistung als Verlustleistung in Wärme umgesetzt. Diese Wärme muss abgeführt werden: Bei mittleren Leistungen von 500 mW dienen Kühlkörper, bei höheren mittleren Leistungen Heatpipes oder Flüssigkeitskühlungen. Überhitzung begrenzt die Leistung eines einzelnen Emitters. Deshalb können 10 bis 25 Einzelemitter auf einem streifenförmigen Chip als Barren (bar) parallel betrieben werden. Bei Strömen bis 80 A erreichen solche Barren im nahen Infrarot optische Leistungen bis 100 Watt; Stapel aus mehreren Barren können Kilowatt-Leistungen erreichen.

Oberflächenemitter, auch VCSEL genannt, haben geringere Leistung, aber bessere Strahlqualität. Weil sich ihr Licht gut in Glasfasern einkoppeln lässt, werden sie besonders für die optische Datenübertragung genutzt.

Elektrische Ansteuerung und wichtige Eigenschaften

Laserdioden verhalten sich elektrisch grundsätzlich wie LEDs und müssen stromgeprägt betrieben werden; ein Betrieb mit konstanter Spannung ist nicht möglich. Ihre U/I-Kennlinie verläuft exponentiell. Unterhalb des Schwellenstroms senden sie nicht kohärente Strahlung ähnlich einer LED aus. Oberhalb des Schwellenstroms ist die optische Ausgangsleistung streng proportional zum Strom. Dieser Proportionalitätsfaktor heißt slope efficiency und wird in Watt pro Ampere angegeben.

Oft sind Laserdiode und Photodiode gemeinsam in einem Gehäuse untergebracht. Die optisch gekoppelte Photodiode heißt dann Monitordiode. Sie misst die Ausgangsleistung und ermöglicht in einem externen Regelkreis, die optische Leistung konstant zu halten. Solche Laserdioden, etwa in CD-Spielern und Laserpointern, haben durch die zusätzliche Diode häufig drei Anschlüsse.

Laserdioden vertragen nur geringe Sperrspannungen von 3–5 V und sind empfindlich gegen elektrostatische Entladungen. Für den Transport werden sie üblicherweise kurzgeschlossen; bei Handhabung und Einbau müssen Spannungen zwischen den Anschlüssen vermieden werden.

Ein Einzelemitter ist etwa 100 µm hoch, 500–2000 µm lang und 500–1000 µm breit; die aktive Zone ist weniger als 1 µm hoch. Je nach Typ beträgt die Lichtleistung einige hundert Mikrowatt bis über 10 Watt pro Einzelemitter. Dafür sind etwa 0,1–12 A nötig; Infrarot-Laserdioden arbeiten mit 1,8–2,2 V. Im gepulsten q-cw-Betrieb sind höhere Leistungen und Modulationsfrequenzen bis 10 GHz möglich.

Laser können im Multi-Mode-Betrieb mehrere Schwingungsmoden gleichzeitig oder im Single-Mode-Betrieb nur eine Mode aussenden. Single-Mode-Betrieb lässt sich mit DFB-Lasern, DBR-Lasern oder einem externen Resonator (ECDL) erreichen. Temperatur, Pumpstrom und gegebenenfalls optische Rückkopplung beeinflussen die Lichtfrequenz; bei Stabilisierung ist eine Bandbreite von weniger als einem Megahertz erreichbar. Erwärmung verschiebt das Strahlungsmaximum durch Verringerung des Bandabstands zu längeren Wellenlängen, etwa um +0,25–0,3 nm/K. Die Austrittsfläche, die Facette, ist sehr schmutzempfindlich. Zu große Stromimpulse können dort einen COD (catastrophic optical damage) verursachen.

Wirkungsgrad und technische Entwicklung

Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis von Strahlungsleistung zu aufgenommener Leistung. Eine Lichtausbeute ist nur für Dioden sinnvoll, die sichtbares Licht erzeugen. Im Jahr 2011 lag der erreichbare Wirkungsgrad bei 10 % für grüne Laserdioden mit 530–540 nm, bei 20 % für blaue mit 440 nm und bei 70 % für rote und infrarote ab 650 nm. Blaue Laserdioden erreichten 2012 bei 1,4 W Leistungsaufnahme in einem TO-56-Gehäuse von 5,6 mm 27 % Wirkungsgrad und 10.000 Stunden Lebensdauer.

Geeignete InGaN-Halbleitermaterialien für grüne Laser mit hoher Stromdichte herzustellen, ist weiterhin problematisch. Für Beleuchtungszwecke ist es daher preiswerter, kurzwelliges blaues Licht zu verwenden, das geeignete Leuchtstoffe im langwelligeren Bereich anregt.

Die ersten Halbleiterlaser aus Galliumarsenid wurden im September 1962 von Robert Noel Halls Team bei General Electric im Infraroten bei 850 nm betrieben; Nick Holonyak zeigte kurz darauf einen sichtbaren Halbleiterlaser. Diese frühen Laser waren wenig effizient, arbeiteten nur gepulst und benötigten Kühlung mit flüssigem Stickstoff. Praktikable Laser wurden durch Heterostrukturen möglich, die Herbert Kroemer sowie Schores Alfjorow und Rudolf Kasarinow 1963 vorschlugen. 1970 liefen kontinuierliche Halbleiterlaser bei Zimmertemperatur bei Teams der Bell Laboratories und des Joffe-Instituts; das Joffe-Institut war etwas früher. Den Durchbruch im blauen und ultravioletten Bereich erzielte 1998 Shuji Nakamura.

Wellenlängen und Anwendungen

Laserdioden sind für Wellenlängen von blau-violett bei 405 nm bis zum mittleren Infrarot bei 14.000 nm verfügbar. Im grünen bis gelben Bereich von 510 nm bis 635 nm sind die Ausgangsleistungen gering.

Typische Anwendungen sind 405 nm, basierend auf Indiumgalliumnitrid, für Blu-ray-Disc- und HD-DVD-Laufwerke, 445 nm als Leuchtmittel in Videoprojektoren, 635 nm für qualitativ gute rote Laserpointer und für optische Vermessung bei LIDAR, 657 nm für DVD-Laufwerke und Laserpointer sowie 670 nm für kostengünstige rote Laserpointer und Barcodelesegeräte. Bei 785 nm werden Laserdioden in Compact-Disc-Laufwerken, Laserdruckern und Lichtschranken verwendet. Wellenlängen von 808 nm und 980 nm dienen als Pumplaser bei Nd:YAG-Lasern, etwa in grünen Laserpointern und Diodenlasern beziehungsweise deren Arrays. Bei 848 nm gibt es Anwendungen in der Peripherie, beispielsweise in Computer-Mäusen mit Laser-Sensor.

Für Glasfasernetze zur Datenübertragung werden unter anderem 1064 nm, 1310 nm und 1550 nm genutzt. 1625 nm wird bei Wavelength Division Multiplex (WDM) üblicherweise für den Dienstkanal zur Netzwerksteuerung verwendet. Weitere Wellenlängen dienen der Gasspektroskopie, etwa 760 nm für Sauerstoff, 1512 nm für Ammoniak, 1654 nm und 3330 nm für Methan, 1800 nm und 1877 nm für Wasserdampf, 2004 nm und 2680 nm für Kohlendioxid, 2330 nm für Kohlenmonoxid sowie 3030 nm für Ethin. Allgemeine Einsatzgebiete sind außerdem Spektroskopie (TDLAS), chemische Analytik, Spurenanalyse, Quantenoptik, Belichtung in der Drucktechnik und Lasersensoren in Computermäusen bei etwa 832–865 nm.