Technische Erläuterungen

In den letzten fünfzehn Jahren hat der kommerzielle und industrielle Gebrauch von Laserdioden erheblich zugenommen, nicht zuletzt durch allgemein bekannte Anwendungen wie das Abtasten von Strichcodes und die faseroptische Kommunikation. Aufgrund ihrer optischen Eigenschaften, ihrer kompakten Bauform und Zuverlässigkeit haben sich Laserdioden viele neue Anwendungen erschlossen.
Die Ausgangsleistung von Laserdioden ist im Verhältnis zu ihrer kompakten Größe extrem hoch. Kommerzielle kontinuierliche Laserdioden (cw) sind nur knapp einen Kubikzentimeter groß und erreichen Leistungen von bis zu mehreren zehn Watt. Damit eignen sich Laserdioden für die Übertragung von Kabelfernsehen, die Entwicklung von hochauflösendem Fernsehen (HDTV) und Anwendungen in der Medizin.
Im Vergleich zu anderen Lasertypen benötigen Laserdioden eine relativ niedrige elektrische Leistung. Im Allgemeinen arbeiten sie mit Spannungsabfällen unter 2 V und Ausgangsleistungen, die vom Anregungsstrom abhängen. Typisch sind Konversionswirkungsgrade von über 30%.
Da Laserdioden aus Halbleitermaterialien bestehen, benötigen sie keine empfindlichen Glaselemente oder eine heikle Spiegelausrichtung, wie sie für Gaslaser charakteristisch sind. Laserdioden sind daher robuster und kleiner und eignen sich auch für den Einsatz auf kleinstem Raum und in Umgebungen, in denen andere Lasertypen nicht eingesetzt werden können.
Aufgrund der hohen Kohärenz und präzisen Wellenlängencharakteristik lassen sich Laserdiodenstrahlen auf einen beugungsbegrenzten Brennpunkt fokussieren. Die Punktgröße hängt von der Wellenlänge des Lasers ab. Je kürzer die Wellenlänge, desto kleiner die Punktgröße. Kurzwellige Laser im blauen oder UV Bereich ermöglichen noch kleinere Punktgrößen und erhöhen damit die mögliche Speicherdichte auf optischen Speichermedien.
Ein weiterer Vorteil von Laserdioden ist die Tatsache, dass sie mit hohen Frequenzen direkt moduliert werden können. Durch die Modulation des Anregungsstroms lässt sich die Ausgangsleistung mit Frequenzen bis hinauf zu eingen GHz aussteuern. Dies ist bei der hochschnellen Übertragung großer Datenraten über Glasfasern von großer Bedeutung.

Laserdioden mit niedriger Leistung

Laserdioden mit niedriger Leistung sind in verschiedenen Bauformen erhältlich. Meist ist eine Monitorphotodiode gleich in dem Laserdioden-Bauelement integriert. Im Allgemeinen emittieren Laserdioden von beiden Enden des Resonators. Durch die Überwachung des von der rückwärtigen Stirnseite emittierten Laserlichtes kann die Laserleistung konstant gehalten werden. Für Leistungen bis max. 1 Watt werden vorwiegend TO-Gehäuse verwendet, die mit einem Durchmesser von 5,6 mm oder 9 mm erhältlich sind (s. Abb. 1). Laserdioden mit höheren Leistungen (>1 W) stehen in TO-3-Gehäusen oder anderen Bauformen zur Verfügung.

In der Telekommunikation kommen Laserdioden in Butterfly- oder DIL- Gehäusen (dual-in-line) zum Einsatz (s. Abb. 2). Zur Wärmeabfuhr sind hierbei die Laserdioden auf einer Grundplatte montiert und besitzen meist noch einen zusätzlichen thermo-elektrischen Kühler (TEC).

Neben diesen Standardgehäusen gibt es eine Vielzahl von anderen Gehäusen, z.B. koaxiale Gehäuse für gepulste Laserdioden und eine Reihe von faseroptischen Pigtail-Gehäusen, bei denen ein Laserdiodentyp, wie er auch in CD/DVD-Playern verwendet wird, in einem maßgeschneiderten Gehäuse mit Fokussieroptiken und einem Faserausgang integriert ist.
Zu den neueren Lasern gehören VCSELs (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) und MOPA-Laser (Master Oscillator Power Amplifier). VCSEL-Laserdioden (Abb. 3) können leicht in zweidimensionalen Laser-Anordnungen hergestellt werden und spielen deshalb in der optischen Computertechnik, Drucktechnik und Übertragungstechnik eine bedeutende Rolle. Die Laserstruktur besitzt eine kreisförmige Öffnung, wodurch sich der Laserstrahl mittels einer einfachen sphärischen Linse leicht kollimieren lässt. MOPA-Laser wurden entwickelt, um die Ausgangsleistung von Einmoden-Lasern bei gleichbleibender Linienbreite zu erhöhen. In dem Oszillatorsegment dieser völlig neuartigen Laserdiodenstrukturen wird ein Laserstrahl mit geringer spektraler Linienbreite erzeugt und dann im integrierten Leistungsverstärker ohne Änderung des spektralen Verhaltens verstärkt.

Anwendungen, die schmalere Linienbreiten erfordern, haben zur Entwicklung von Strukturen geführt, die aus den Laseroszillationen einen einmodigen Strahl erzeugen. Indexgeführte Lasertypen erfüllen diese Aufgabe und erzeugen einen einmodigen Ausgangsstrahl mit wenig oder ganz ohne Astigmatismus. Die Divergenz des emittierten Lichtstrahls ist jedoch relativ hoch mit FWHM Strahldivergenzen bis zu 40° in der senkrechten (θ_^) und bis zu 10° in der parallelen Achse (θ_||). Diese Divergenz führt zu einem elliptisch geformten Strahlkegel am Ausgang, der sich sehr schnell aufweitet. Bei verstärkungsgeführten Laserdioden unterscheiden sich die beiden Winkel meist stärker als bei indexgeführten Laserdioden. In Abbildung 4 ist die parallele und senkrechte Strahldivergenz veranschaulicht.

Eine weitere interessante Gruppe von Laserdioden sind die Einfrequenz-Laserdioden. Dieser Lasertyp eignet sich für Anwendungen in der Spektroskopie und in der Breitbandkommunikation. Er zeichnet sich durch niedrige Schwellströme und eine niedrige Leistungsaufnahme aus. Ein Beispiel für diesen Lasertyp ist der in Abbildung 5 dargestellte DFB-Laser (Distributed Feedback). Dieser Laser wurde für den Einsatz in der faseroptischen Kommunikation für Wellenlängen zwischen 1300 nm und 1550 nm ausgelegt.

Da Laser Licht über einen schmalen Wellenlängenbereich emittieren, eignen sie sich für den Einsatz in der Sensorik und Spektroskopie. Beispiele sind die Detektion von Spurengasen und Elementen, die bei ganz bestimmten Wellenlängen auf Licht reagieren. Durch die Auswahl der passenden Laserdiode und die präzise Einstellung der Wellenlänge lassen sich solche Elemente problemlos detektieren.

Hochleistungs-Laserdioden

In den letzten Jahren haben Hochleistungs-Laserdioden im Wellenlängenbereich 0,8 mm bis 1,1 mm aufgrund ihrer vielfältigen Einsatzmöglichkeiten zunehmend an Bedeutung gewonnen. Unter anderem werden Hochleistungs-Laserdioden als optische Pumpquelle in Festkörperlasern, beispielsweise im Nd:YAG-Laser, verwendet und ersetzen somit die herkömmlichen Blitzlampen-Konstruktionen. Sie werden auf das Absorptionsband des dielektrischen Kristalls genau abgestimmt und können dadurch den Laserstab effizienter pumpen, der dann kohärentes, fokussiertes und hochenergetisches Licht emittiert. Dieses Licht kann dann in zahlreichen industriellen, medizinischen und militärischen Anwendungen verwendet werden. Es wurden Laserdioden in Abstimmung auf die Absorptionsbänder von zahlreichen dielektrischen Kristallen in einem weiten Wellenlängenbereich entwickelt. In Abbildung 6 sind zwei gängige Bauformen von Hochleistungs-Laserdioden dargestellt.

Abb. 6—Gängige Gehäuse für Hochleistungs-Laserdioden

Neben Anwendungen als Pumplichtquelle für Festkörperlaser kommen Hochleistungs-Laserdioden in der faseroptischen Telekommunikation zum Einsatz. Hochleistungs-Laserdioden mit einer Wellenlänge von 980 nm dienen als Pumplichtquelle für Erbium dotierte Faserverstärker. Diese optischen Verstärker werden in Telekommunikationssystemen zur direkten optischen Verstärkung von Signalen mit einer Wellenlänge von 1550 nm verwendet. Eine elektrische Verstärkung wird dadurch überflüssig; die optischen Signale werden direkt und effizienter verstärkt, ohne die Konversion des Lichtsignals in ein elektrisches Signal und umgekehrt.
Durch das Übereinanderstapeln von mehreren Hochleistungs-Laserdiodenbarren erhält man einen Laserstapel (s. Abb. 7) mit einer Ausgangsleistung, die mehrere Kilowatt erreichen kann. Solche Konstruktionen ermöglichen neue Anwendungen im industriellen Schweißen und Präzisionsschneiden von Metall und anderen Werkstoffen.

Schwellstrom und Schwellstromdichte

Eines der wichtigsten Merkmale von Laserdioden ist die Abhängigkeit der Ausgangsleistung, d. h. des emittierten Lichts, vom Anregungsstrom. Trägt man die Leistung des emittierten Lichts über dem Injektionsstrom auf, erhält man die Lichtleistungs-Stromkurve, oft auch einfach L-I-Kurve genannt (s. Abb. 8). Unterhalb der Laserschwelle ist aufgrund spontaner Emission mit zunehmendem Injektionsstrom ein langsamer Anstieg der Ausgangsleistung zu beobachten. Bei einem bestimmten Stromwert beginnt die Laseroszillation oder induzierte Emission und die Ausgangsleistung erfährt einen abrupten Anstieg. Dieser Stromwert ist ein wichtiger Parameter, er wird allgemein als Schwellstrom bezeichnet und mit I_th abgekürzt. Im Allgemeinen ist ein möglichst niedriger Schwellstrom wünschenswert, da die Laserdiode dann effizienter arbeitet. Der Schwellstrom ist daher ein wichtiges Leistungsmerkmal für Laserdioden.

Der Schwellstrom hängt von der Qualität des Halbleitermaterials, von der Wellenleiterstruktur des Lasers und auch von der Größe der aktiven Zone ab. So kann es vorkommen, dass beim Vergleich von zwei Lasern der Laser mit dem höheren Schwellstrom leistungsfähiger ist als der Laser mit dem niedrigeren Schwellstrom. Das kommt daher, dass die aktive Zone des ersten Lasers größer ist. Laser mit größerer aktiver Zone benötigen auch einen höheren Anregungsstrom für die Laseroszillation als Laser mit kleinerer aktiver Zone. Will man Laser miteinander vergleichen, sollte man deshalb nicht den absoluten Schwellstrom, sondern die Schwellstromdichte vergleichen. Die Schwellstromdichte wird mit dem Symbol J_th bezeichnet und errechnet sich aus dem Quotienten des im Experiment beobachteten Schwellstromwerts I_th und der aktiven Zone des Lasers. Es ist immer erstrebenswert, eine niedrige Schwellstromdichte zu haben. Die Schwellstromdichte ist ein Maß für die Qualität des Halbleitermaterials des Lasers. Beim Leistungsvergleich von Lasern ist deshalb nicht der Schwellstrom, sondern die Schwellstromdichte ausschlaggebend. Zur Berechnung der Schwellstromdichte muss die aktive Zone des Lasers, in die der Strom injiziert wird, präzise gemessen werden. Dies ist nur bei Lasertypen mit breiten Zonen möglich, deren Streifenbreite 100 mm und mehr beträgt. Bei solchen Lasern deckt sich die aktive Zone ungefähr mit dem metallischen Kontakt des Lasers. Bei Streifenlasern sind die Streifen nur wenige Mikrometer breit, aber die tatsächliche Breite des Kanals, durch den der Strom fließt, kann erheblich größer sein, wenn der Strom seitlich nicht begrenzt ist. Eine präzise Bestimmung der Schwellstromdichte ist bei Lasern mit engen Streifen nicht möglich.

Steigung der Lichtleistung-Strom-Kennlinie

Neben einem möglichst niedrigen Schwellstrom ist es wünschenswert, möglichst viel Licht mit möglichst wenig Strom zu erzeugen. Mit anderen Worten man versucht, mit einem geringen Stromanstieg einen steilen Anstieg der Ausgangsleistung zu erreichen. Ein gutes Konversionsverhältnis von injizierter elektrischer Leistung und emittierter Lichtleistung ist ein eindeutiges Merkmal für die Leistungsfähigkeit einer Laserdiode. Die Steigung der L-I-Kurve gibt genau dieses Verhältnis an. Die Steigung wird mit DP/DI beschrieben, die Einheit lautet Watt pro Ampere (W/A) und bei Lasern mit niedrigen Leistungen mW/mA. Die Steigung der L-I-Kurve oberhalb des Schwellstroms DP/DI gibt den Anstieg der Ausgangsleistung in Watt pro Ampere-Schritt an. Aus der Steigung DP/DI lassen sich weitere wichtige Parameter errechnen, z.B. der externe differentielle Quantenwirkungsgrad, der interne differentielle Quantenwirkungsgrad und der interne Verlust. In Newport's Applikationsbeschreibungen finden Sie weitere Informationen zu diesem Thema und eine detaillierte Beschreibung von Versuchsaufbauten und Rechenverfahren zur präzisen Bestimmung der genannten Parameter.

Charakteristische Temperatur

In den meisten Anwendungen ist die Fähigkeit der Laserdiode, auch bei erhöhten Temperaturen einwandfrei zu funktionieren, von großer Bedeutung. Das trifft insbesondere im Fall der Hochleistungs-Laserdioden zu, wo die erzeugte Leistung einen merklichen Temperaturanstieg des Bauelementes verursacht. Infolgedessen ist es äußerst wichtig für den Halbleiterkristall, robust genug zu sein, um nicht einen Verschleiß des Bauelements bei hohen Temperaturen zu erleiden. Die charakteristische Temperatur der Laserdiode, die im Allgemeinen mit T_o ( T-null ausgesprochen) abgekürzt wird, ist ein Maß für die Temperaturempfindlichkeit des Bauelements. Höhere Werte für T_o deuten an, dass die Schwellstromdichte und der externe differentielle Quantenwirkungsgrad des Bauelements weniger stark mit zunehmenden Temperaturen ansteigen. Ein solcher Laser ist thermisch also stabiler. Um die charakteristische Temperatur einer Laserdiode experimentell zu bestimmen, ist es erforderlich, die L-I-Kurve des Lasers bei verschiedenen Temperaturen aufzunehmen. Die Ergebnisse dieser Messungen werden tabelliert und daraus T_o bestimmt. Üblicherweise führt man die Messungen über den Temperaturbereich von 15 Grad Celsius bis etwa 80 Grad Celsius in 5 bis 10 Grad Schritten durch. Konventionelle AlGaAs Laser haben gewöhnlich T_o-Werte oberhalb von 120 Grad. Näheres zu diesem Thema, sowie Informationen zu den experimentellen Techniken und den Berechnungsmethoden finden Sie in Newport's Applikationsbeschreibungen.

Dynamischer Serien-Widerstand

Der Serienwiderstand einer Laserdiode wird in der Regel über die Ableitung der charakteristischen Spannungs-Stromkurve berechnet. Mit Hilfe eines Computerprogramms lässt sich die erste Ableitung der experimentell erstellten Spannungs-Stromkurve berechnen (eine detaillierte Beschreibung finden Sie in Newport's Applikationsbeschreibungen). Hohe Serienwiderstände können auf ein Kontaktmaterial von geringer Qualität zurückzuführen sein. Das bedeutet, dass sich mit der Messung des Serienwiderstandes die Qualität des metallischen Kontaktes beurteilen lässt.

Astigmatismus

In den letzten zehn Jahren wurden zahlreiche Laserdiodentypen mit verschiedenen Eigenschaften entwickelt. Die ersten Laserdioden waren verstärkungsgeführt (gain guided). Dieser Lasertyp war leicht herzustellen und ergab einen zuverlässigen Laser mit niedrigen Herstellungskosten. Strukturen mit Verstärkungsführung erlauben Multimodenbetrieb, was vielfache Spektrallinien und Astigmatismus zur Folge hat. Bei Astigmatismus scheinen die parallele und senkrechte Strahlachse zwei verschiedene Brennpunkte zu besitzen. Dadurch wird die Fähigkeit der Fokussierung des Laserstrahls auf einen kleinen Durchmesser beeinträchtigt. In Abb. 9 ist das Astigmatismus-Problem dargestellt. Das Fokussieren des Ausgangsstrahls auf einen scharfen, genau definierten Punkt wird dadurch erschwert.

Polarisation

Das Verhältnis der parallelen und senkrechten Polarisationsvektoren wird als Polarisationsverhältnis bezeichnet. Laserdioden können nahe ihrer maximalen Ausgangsleistung Polarisationsverhältnisse von über 100 : 1 erreichen.

Kollimation von Laserdioden-Strahlen

Aufgrund der hohen Divergenz des austretenden Strahls von Laserdioden werden spezielle Kollimatoroptiken benötigt. Im Allgemeinen sind gegossene Asphären oder Multielement-Glaslinsen für diese Aufgabe geeignet. Die numerische Apertur dieser Linsen beträgt typischerweise 0,5 oder mehr, um den Laserstrahl möglichst gut zu sammeln.
Mit Hilfe von Linsen lässt sich der austretende Strahl von Laserdioden in einen kollimierten Strahl mit geringer Divergenz umformen. Solche gut kollimierten Strahlen werden in zahlreichen Anwendungen eingesetzt, z.B. zur Ausrichtung größerer Strukturen im Tiefbau oder im Lesekopf von CD-Playern. Auch bleiben aufgrund der kohärenten Natur des Laserlichts dessen Eigenschaften in Raum und Zeit gleich. Dies ist nützlich für interferometrische Messungen von Materialverformungen.
Bei der Kollimierung und Fokussierung einer verstärkungsgeführten Laserdiode wird dem Astigmatismus mit einer zylindrischen Linse entgegengewirkt. Der Astigmatismus wird mittels einer Linse mit langer Brennweite kompensiert. Eine Kollimatorlinse sorgt dann für geringe Divergenz in beiden Achsen.
Der kollimierte Strahl ist aber noch elliptisch. Durch ein anamorphes Prismenpaar lässt er sich in einen annähernd runden Strahl umformen. Um ein kreisförmiges Profil zu erreichen, wird entweder die Hauptachse komprimiert oder die Nebenachse aufgeweitet.
Fokussiert man den austretenden Strahl einer Laserdiode auf eine Einmoden-Faser, erhält man ebenfalls ein kreisförmiges Strahlprofil. Die Faser dient als Filter, da nur eine Mode durch die Faser übertragen wird. Am Faserende erhält man einen kreis- und kegelförmigen Strahl mit ausgeprägtem Gaußprofil und einer kleinen numerischen Apertur (NA <0,1). Eine einfache sphärische Linse reicht zur vollständigen Kollimierung des Strahls.
Neuere Kollimationstechniken mit Mikrolinsen und Beugungsoptiken haben zu ultrakompakten Laserdioden geführt. Die Mikrolinsen werden direkt vor die Austrittsöffnung der Laserdiode geklebt. Die gesamte Baugruppe passt problemlos in das Laserdiodengehäuse. Photolithographisch hergestellte diffraktive Optiken lassen sich in großen Mengen kostengünstig fertigen und zeichnen sich durch eine hohe Wiederholgenauigkeit aus. Die Beugungsoptiken werden zwar extern montiert, insgesamt ergibt sich aber eine ultrakompakte Laserdiode

Optisches Spektrum

Das optische Spektrum von Laserdioden hängt von den besonderen Eigenschaften des Laserresonators ab. Konventionelle verstärkungs- oder indexgeführte Laser besitzen in der Regel ein Spektrum mit mehreren Linien, während DFB- und DBR-Laser nur eine einzeige deutlich begrenzte Linie aufweisen. Abbildung 10 zeigt das Spektralverhalten dieser beiden Lasertypen.

Die Anzahl der Spektrallinien hängt von der Resonatorkonstruktion und dem Diodenstrom ab. Multimoden-Laserdioden weisen um die Mittenwellenlänge mehrere kleine Linien auf. Zwischen den beiden Spiegelflächen in dem Resonator bildet sich eine stehende Welle. Die Periode dieser Schwingung wird durch den Abstand L zwischen den beiden Spiegelflächen festgelegt. Damit eine Oszillation einsetzen kann, muss die Resonatorlänge ein ganzzahliges Vielfaches m der halben Wellenlänge sein. Oder anders ausgedrückt: An beiden Enden des Resonators muss ein Wellenknoten sein. Dies ist nur dann gegeben, wenn die Resonatorlänge L ein ganzzahliges Viellfaches der halben Wellenlänge l/2 ist. Das bedeutet L = m(l/2), wobei l die Wellenlänge des Lichtes im Halbleitermaterial beschreibt, die durch die Wellenlänge im Vakuum und den Brechungindex n gegeben ist: l = l_o/n. Folglich können in einem gewöhnlichen Laserdioden-Resonator mehrere longitudinale Moden mit verschiedenen Wellenlängen l_m = 2L/m oszillieren. Der Abstand zweier nebeneinander liegender Moden beträgt Dl = (l_o)²/2nL.
Bei niedrigen Laserleistungen können auch Einmoden-Laserdioden mehrere Moden emittieren (s. Abb. 11). Mit zunehmender Anregung bildet sich aber eine einzige Mode heraus, die ab einem bestimmten Anregungsstrom dann nur noch als schmale Spektrallinie erscheint.

Temperaturbedingte Änderung der Mittenwellenlänge

Die Mittenwellenlänge einer Laserdiode ist direkt proportional zur Betriebstemperatur. Zwischen der Temperatur und der Mittenwellenlänge besteht eine lineare Beziehung (s. Abb. 12). Wird die Temperatur erhöht, steigt auch die Mittenwellenlänge der Laserdiode an. Diese Eigenschaft ist in der Spektroskopie und beim Laserdioden-Pumpen von Festkörperlasern und Erbium-dotierten Faserverstärkern von Nutzen, da sich die Wellenlänge der emittierten Strahlung durch Temperaturregelung präzise auf die jeweiligen Materialeigenschaften abstimmen lässt.

Modensprünge

Bei Einmoden-Lasern werden sogenannte Modensprünge beobachtet (s. Abb. 13). Bei einem Modensprung ändert sich die Mittenwellenlänge der Laserdiode schlagartig. Die Laserdiode “überspringt” mehrere Wellenlängen und emittiert dann erst wieder ab einer bestimmten Wellenlänge. Im Bereich der Modensprünge lassen sich die Laser nicht kontinuierlich abstimmen. Durch geringfügige Änderungen des Anregungsstroms lässt sich aber die Wellenlänge der Modensprünge verändern. Bei der Auswahl einer passenden Laserdiode für Anwendungen bei bestimmten Wellenlängen, beispielsweise in der Spektroskopie, sind die Modensprünge bei bestimmten Temperaturen zu berücksichtigen.

Die Lebensdauer von Laserdioden hängt von der Betriebstemperatur ab. Bei einer qualitativ hochwertigen Laserdiode mit einer Betriebstemperatur von 20 °C kann die Lebensdauer über 100.000 Stunden betragen. Der Ausfall einer Laserdiode wird in der Regel als der Zeitpunkt definiert, an dem der erforderliche Anregungsstrom für eine spezifizierte Ausgangsleistung gegenüber dem anfänglichen Anregungsstrom um einen bestimmten Prozentsatz gestiegen ist (50%). Als Betriebstemperatur wird die Gehäusetemperatur der Laserdiode gemessen. Lebensdauerkurven für spezifische Ausgangsleistungen werden in der Regel vom Hersteller geliefert.

Auswirkungen elektrostatischer Entladung auf Laserdioden

Laserdioden sind gegenüber elektrostatischer Entladung (ESD) extrem empfindlich und müssen sehr vorsichtig gehandhabt werden. Bei der Handhabung von Laserdioden sind die Anweisungen des Herstellers zur Entfernung des Lasers aus seiner Verpackung genau zu befolgen. Die Laserdiode muss bei der Handhabung immer gut geschützt sein. Im Allgemeinen müssen die Anwender ausreichend geerdet sein und einen elektrisch leitenden Fingerschutz tragen. Die gesamte Anlage muss ausreichend geerdet sein. Außerdem sind die Hersteller-Spezifikationen und Anweisungen bezüglich der Kühlung genauestens zu befolgen. Es wird grundsätzlich empfohlen, andere Geräte nie direkt mit dem Laserdiodengehäuse oder seinen elektrischen Leitungen zu verlöten. Am besten werden alle elektrischen Leitungen mit einem Sockel verbunden, beispielsweise einem Transistor-Sockel, in den die Laserdiode eingefügt werden kann.

Anforderungen an die Stromquelle von Laserdioden

Laserdioden erfordern eine Stromquelle mit geringem Rauschen. Standard-Netzgeräte sind in der Regel für eine konstante Spannung ausgelegt und besitzen keine Schutzschaltung, die für Laserdioden notwendig ist. Für die meisten Laderdioden-Anwendungen rauschen sie außerdem zu stark. Kurzzeitige Strom- oder Spannungsspitzen können zur Beschädigung der Laserdiode führen. Zum Schutz der Laserdioden wurden entsprechende Schutzschaltungen entwickelt. Ein AC-Netzfilter und eine hochschnelle Spitzen-Erkennung bilden den Basisschutz. Ein zweiter AC-Filter auf der Niederspannungsseite und abgeschirmte Transformatoren bieten zusätzlichen Schutz.
Beim Ein- und Ausschalten können kurzzeitige Strom- und Spannungsspitzen auftreten. Der Laserdioden-Treiber sollte deshalb die Zuleitung zur Laserdiode beim Ausschalten unterbrechen. Redundante Feldeffekttransistoren (FET) und Relais am Ausgang des Laserdioden-Treibers sorgen für den erwünschten Kurzschluss. Beim Einschalten schützen diese Kurzschluss-Kontakte die Laserdiode vor Strom- und Spannungsspitzen. Nach einer Verzögerung von mehreren Sekunden steigt der Diodenstrom innerhalb von wenigen Millisekunden bis zu über hundert Millisekunden auf den gewünschten Wert an.
Außerdem sollten Laserdioden-Treiber eine separat einstellbare Strombegrenzung besitzen. Diese Strombegrenzung wird separat vom gewünschten Stromwert eingegeben und stellt sicher, dass der maximale Diodenstrom unter keinen Umständen überschritten werden kann. Manche Stromquellen besitzen eine computerprogrammierbare Leistungsbegrenzung, die ähnlich wie eine Strombegrenzung funktioniert. Die Strombegrenzung ist fest verdrahtet, während die Leistungsbegrenzung programmiert wird. Um die Leistungsbegrenzung korrekt einstellen zu können, muss die Empfindlichkeit der Photodiode bekannt sein. Beide Verfahren bieten einen zusätzlichen Schutz für die Laserdiode.

Temperaturregelung von Laserdioden

Da zahlreiche Parameter von der Temperatur der Laserdiode abhängen, ist es besonders wichtig, eine gewisse Temperaturstabilität zu erreichen. Bei den meisten Laserdioden wird eine konstante Temperatur mit thermoelektrischen Peltier-Kühlern (TE) erreicht. Die TE-Module oder Peltier-Elemente sind Halbleiter-Bauelemente, die wie eine Wärmepumpe arbeiten und die Wärme von einer Seite auf die andere transportieren. Je nachdem in welche Richtung der Strom durch den TE-Kühler fließt, wird die Laserdiode gekühlt oder erwärmt. Zur Messung der Temperatur werden verschiedene Sensortypen eingesetzt: Thermistoren, IC-Sensoren und Widerstands-Temperaturfühler (RTD) aus Platin. Thermistoren werden wegen ihrer kleinen Abmessungen und schnellen Antwortzeit am häufigsten verwendet. Thermistoren und RTDs sind nicht-lineare Widerstände. Beide benötigen eine schwache, aber präzise Stromquelle zur Vorspannung. Temperaturänderungen führen zu einer Änderung des Widerstandes, wobei der Spannungabfall entlang des Bauelementes proportional zur Temperatur ist. Jeder Sensor besitzt eine charakteristische Gleichung, die die Beziehung zwischen Widerstand und Temperatur darstellt. Über die Steinhart-Hart-Gleichung wird aus dem Widerstand die Temperatur errechnet. Je nach erforderlicher Genauigkeit werden bei der Berrechnung zwei oder drei Materialkonstanten berücksichtigt.
IC-Sensoren sind extrem linear. Ihr Ausgangssignal lässt sich bequem in Grad Celsius umrechnen und angeben. Trotz ihrer Linearität sind IC-Sensoren nicht so präzise wie Thermistoren. In Abb. 14 sind die Vor- und Nachteile der verschiedenen Temperatursensoren zusammengefasst. RTDs bieten eine extrem hohe Stabilität über einen langen Zeitraum und eine präzise Temperatur-Kontrolle. Der Nachteil dieser Sensoren ist ihre schwache Widerstandsänderung. Dadurch wird die Messung von kleinen Temperaturänderungen erheblich erschwert.
Thermistoren bieten hingegen eine extrem starke Widerstandsänderung, wodurch sich auch geringfügige Temperaturänderungen leicht messen lassen. Aufgrund ihrer kompakten Baugröße lassen sie sich problemlos im Laserdiodengehäuse integrieren. Laserdiodengehäuse mit TE-Kühlern besitzen einen 10 Kilo-Ohm-Thermistor als Temperatursensor.

Es kommt häufig vor, dass man die Qualität, die Leistung und andere Eigenschaften von Laserdioden quantitativ messen möchte. Dazu werden mehrere Versuche durchgeführt. Aus den experimentell ermittelten Parametern lässt sich die Leistungsfähigkeit der Laserdiode berechnen. Erst dann kann man entscheiden, ob eine Laserdiode eine erforderliche Spezifikation erfüllt oder nicht.
In Abbildung 15 ist ein Versuchsaufbau zur schnellen, präzisen und vollständigen Charakterisierung von Hochleistungs-Laserdioden dargestellt. Mit einem PC und geeigneter Steuerungssoftware, z.B. LabVIEW, kann der Versuchsaufbau, die Instrumente und die Datenerfassung vollautomatisch gesteuert werden.

Im Zentrum unseres Versuchsaufbaus steht der Laserdioden-Halter und das System zur Messung der optischen Leistung, unter Verwendung einer Ulbrichtkugel. (siehe Laserdioden-Halter für hohe Laserleistungen und Ulbrichtkugeln). In dem Laserdioden-Halter ist eine Luft- oder Wasserkühlung für die Laserdiode integriert. Der Halter eignet sich für HHL-, S-Typ und Barren-Typ-Gehäuse. Manche wassergekühlten Halter können Wärme bis zu 100 W ableiten und ermöglichen damit einen Dauerbetrieb der Laserdioden-Barren mit einer optischen Ausgangsleistung von bis zu 30 W. Manche Halter lassen sich mit einem TE-Kühler ausrüsten und bieten damit eine präzise Temperatur- (und Wellenlängen-) Kontrolle des zu prüfenden Lasers.

Die optische Ausgangsleistung von Laserdioden ist nur mit einer Ulbricht-Kugel präzise messbar. Die Ulbricht-Kugel ermöglicht die vollständige Erfassung der stark divergenten Laserdioden-Strahlung. Darüber hinaus ist die Messung unabhängig von einer exakten Detektor-Positionierung. Das vom Detektor erzeugte Signal wird mit einem kalibrierten Leistungsmessgerät gemessen. Auf diese Weise lässt sich die optische Ausgangsleistung von Laserdioden verschiedenster Wellenlängen exakt messen. Die gesamte Messstation wird in der Regel über eine GPIB-Schnittstelle per Computer gesteuert.
Zusätzlich lässt sich die Ulbricht-Kugel mit einem faseroptischen Ausgang ausstatten. Über diesen Ausgang kann das Licht in einen optischen Spektrumanalysator eingespeist werden. Auf diese Weise kann neben den LIV-Charakteristiken das optische Spektrum der Laserdiode und die emittierte Hauptwellenlänge simultan gemessen werden.
Die Verkapselung ist ein arbeits- und kostenaufwendiger Prozess in der Herstellung von Laserdioden. Deshalb wird die Qualität der Halbleiter-Wafer, aus denen die Laserdioden gefertigt werden, im Allgemeinen vor der Herstellung geprüft. Neben einer Reihe von strukturellen, elektrischen und optischen Charakterisierungen werden aus den Wafern zumeist Breitbereichlaser herausgebildet, welche man dann testet, um die Waferqualität zu beurteilen. Damit wird vermieden, dass Werkstoffe von geringer Qualität zur Herstellung von Laserdioden verwendet werden. Da die Laser ohne fest montierte Wärmesenke und ohne vollständige Verkapselung getestet werden, ist es besonders wichtig, die Tests bzw. die Charakterisierung mit niedrigem Pulsstrom durchzuführen. Auf diese Weise wird der Laser nicht zu stark erwärmt und die Charakterisierung kann ohne vollständige Verkapselung erfolgen. In Abb. 16 ist der Versuchsaufbau für die Charakterisierung von Laserdioden im Pulsmodus dargestellt. In diesem Aufbau dient eine Prüfeinheit zur Messung und Strominjektion. Ein Pulsgenerator dient als Laserdioden-Treiber.

Solche Versuchsaufbauten ermöglichen eine komplette Charakterisierung und Prüfung von Laserdioden. Die wichtigsten Parameter lassen sich auf diese Weise bestimmen: Schwellstrom, Schwellstromdichte, externer differentieller Quantenwirkungsgrad, interner Quantenwirkungsgrad, interner Verlust, Emissionsspektrum und emittierte Hauptwellenlänge, Serienwiderstand und charakteristische Temperatur.

Newports Applikationsbeschreibungen zum Thema "Testing and Characterization of Laser Diodes" sind auf Anfrage telefonisch oder über unsere Website erhältlich.

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