Das große. Halbleiterlaser. Clicker-Quiz

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Dagmar Falk
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1 Das große Halbleiterlaser Clicker-Quiz

2 Aufbau eines Lasers Was wird bei der Separate Confinement Heterostructure separat eingeschlossen? a) Elektronen und Löcher b) Ladungsträger und Photonen c) Dotieratome und Ladungsträger

3 Aufbau eines Lasers Was wird bei der Separate Confinement Heterostructure separat eingeschlossen? a) Elektronen und Löcher b) Ladungsträger und Photonen c) Dotieratome und Ladungsträger

4 Interne Quanteneffizienz Welche der folgenden Prozesse reduzieren die interne Quanteneffizienz eines Halbleiterlasers? b a c d a) Nichtstrahlende Rekombination in der Mantelschicht b) Ladungsträgerleckage c) Nichtstrahlende Rekombination im Quantenfilm d) Strahlende Rekombination im Wellenleiterkern

5 Interne Quanteneffizienz Welche der folgenden Prozesse reduzieren die interne Quanteneffizienz eines Halbleiterlasers? b a c d a) Nichtstrahlende Rekombination in der Mantelschicht b) Ladungsträgerleckage c) Nichtstrahlende Rekombination im Quantenfilm d) Strahlende Rekombination im Wellenleiterkern

6 Badewannenmodell von Coldren Oberhalb der Schwelle sind R nr und R sp konstant. Laserlicht Interne Quanteneffizienz: - Anteil der Ladungsträger, der die Badewanne erreicht und dort bleibt - Interne Effizienz für Konversion Ladungsträger-Photonen durch stimulierte Emission

7 Quanteneffizienz bei Leuchtdioden Achtung: Bei LEDs führt nichtstrahlende Rekombination zu einer Reduktion der Quanteneffizienz!!! Pegel erreicht nicht die Schwelle! LED-Licht

8 Einschluss von Ladungsträgern Wie hoch sollten die Barrieren im Leitungs- und Valenzband mindestens sein, um ein thermisch angeregtes Entkommen der Ladungsträger zu verhindern? E C E V a) Mindestens 4-5 kt b) Mindestens kt c) So groß wie die Bandlücke des Quantenfilms

9 Einschluss von Ladungsträgern Wie hoch sollten die Barrieren im Leitungs- und Valenzband mindestens sein, um ein thermisch angeregtes Entkommen der Ladungsträger zu verhindern? E C E V a) Mindestens 4-5 kt b) Mindestens kt c) So groß wie die Bandlücke des Quantenfilms

10 Dicke des Quantenfilms Warum ist der Quantenfilm im Laser eigentlich nur ein paar Nanometer dick? Wäre ein dicker Quantenfilm (50 nm) nicht viel besser? a) Ja, denn dann habe ich einen größeren Füllfaktor. b) Nein, denn dann brauche ich mehr Ladungsträger für das Erreichen der Inversion. c) Die Punkte a) und b) spielen keine Rolle, denn ein 50 nm dicker Quantenfilm ist gar kein Quantenfilm mehr!

11 Dicke des Quantenfilms Warum ist der Quantenfilm im Laser eigentlich nur ein paar Nanometer dick? Wäre ein dicker Quantenfilm (50 nm) nicht viel besser? a) Ja, denn dann habe ich einen größeren Füllfaktor. b) Nein, denn dann brauche ich mehr Ladungsträger für das Erreichen der Inversion. c) Die Punkte a) und b) spielen keine Rolle, denn ein 50 nm dicker Quantenfilm ist gar kein Quantenfilm mehr!

12 Dicke des Quantenfilms Dünner Quantenfilm Dicker Quantenfilm => Volumenmaterial kt Abstand der Energieniveaus sollte größer als kt sein!

13 Dotierprofil im Halbleiterlaser a b Welches der drei Dotierprofile würden sie im HL-Laser verwenden? c

14 Dotierung eines Halbleiterlasers Der elektrische Widerstand eines Laser sollte möglichst klein sein, was man durch eine hohe Dotierung der Mantelschichten erreichen kann. Andererseits steigen bei hoher Dotierung die Verluste durch Absorption an freien Ladungsträgern. Das folgende Dotierprofile stellt einen guten Kompomiss dar.

15 Die ursprünglich gespaltenen Facetten eines Halbleiterlasers (R 1 =R 2 =0.3) werden asymmetrisch verspiegelt und haben nun Reflektivitäten von R 1 =0.1 und R 1 =0.9. Wie ändert sich die Schwelle des Lasers? a) Sie wird größer. b) Sie bleibt gleich. c) Sie wird kleiner. Spiegelverluste

16 Spiegelverluste Die ursprünglich gespaltenen Facetten eines Halbleiterlasers (R 1 =R 2 =0.3) werden asymmetrisch verspiegelt und haben nun Reflektivitäten von R 1 =0.1 und R 2 =0.9. Wie ändert sich die Schwelle des Lasers? a) Sie wird größer. b) Sie bleibt gleich. m 1 2L log 1 R R 1 2 c) Sie wird kleiner.

17 Externe Quanteneffizienz Wie ändert sich die externe Quanteneffizienz, wenn man einen Halbleiterlaser verlängert? a) Sie wird kleiner. b) Sie wird größer. c) Sie bleibt gleich.

18 Externe Quanteneffizienz Wie ändert sich die externe Quanteneffizienz, wenn man einen Halbleiterlaser verlängert? a) Sie wird kleiner. b) Sie wird größer. m 1 2L log 1 R R 1 2 c) Sie bleibt gleich. e i m m i

19 Roter und blauer Laser Ein roter und ein blauer Halbleiterlaser haben die gleiche externe Quanteneffizienz. Bei welchem Laser ist die Steigung der Ausgangskennlinie dp/di größer? a) Beim roten Laser b) Beim blauen Laser

20 Roter und blauer Laser Ein roter und ein blauer Halbleiterlaser haben die gleiche externe Quanteneffizienz. Bei welchem Laser ist die Steigung der Ausgangskennlinie dp/di größer? a) Beim roten Laser b) Beim blauen Laser

21 Laserbedingung Welche der folgenden Bedingungen muss in einem Laser der Länge L für die Wellenlänge der Lasermoden m gelten? n ist der Brechungsindex des Lasermediums. a) L 2m m n b) L m m n c) L m 2n m

22 Laserbedingung Welche der folgenden Bedingungen muss in einem Laser der Länge L für die Wellenlänge der Lasermoden m gelten? n ist der Brechungsindex des Lasermediums. a) L 2m m n b) L m m n c) L m 2n m

23 Schwelle und Transparenz Wir betrachten die Transparenzstromdichte des Quantenfilms j tr, die Transparenzstromdichte des Lasers j tr und die Schwellenstromdichte des Lasers j th. Welche der folgenden Ungleichungen ist korrekt? a) j tr <j tr < j th b) j tr < j tr < j th c) j tr < j th < j tr d) j tr > j tr >j th

24 Schwelle und Transparenz Wir betrachten die Transparenzstromdichte des Quantenfilms j tr, die Transparenzstromdichte des Lasers j tr und die Schwellenstromdichte des Lasers j th. Welche der folgenden Ungleichungen ist korrekt? a) j tr <j tr < j th b) j tr < j tr < j th c) j tr < j th < j tr d) j tr > j tr >j th

25 Transparenzstromdichte des Q-Films j= j tr => N= N tr Quantenfilm wird transparent g g 0 log N N tr

26 Transparenzstromdichte des Lasers j= j tr => g = i Modale Verstärkung des Quantenfilms gleich interner Absorption => Laser wird transparent

27 Schwellenstromdichte des Lasers j= j th => g = i m Modale Verstärkung des Quantenfilms gleich interne Absorption plus Spiegelverluste => Laser erreicht Schwelle

28 Augerrekombination Wie hängt die Rate der Augerrekombination von der Ladungsträgerdichte ab? a) R Auger ~ N b) R Auger ~ N 2 c) R Auger ~ N 3 d) R Auger ~ N 4

29 Augerrekombination Wie hängt die Rate der Augerrekombination von der Ladungsträgerdichte ab? a) R Auger ~ N b) R Auger ~ N 2 c) R Auger ~ N 3 d) R Auger ~ N 4 Dreiteilchenprozess

30 Klein aber oho! Der Quantenfilm in einem Halbleiterlaser habe eine Länge von 1 mm, eine Breite von 100 µm und eine Dicke von 10 nm. Durch Strominjektion wird im Quantenfilm eine Ladungsträgerdichte von 2*10 18 cm -3 aufrechterhalten. Die Ladungsträger werden im Mittel nach 100 ps durch stimulierte Emission in Photonen mit einer Energie von 1eV umgewandelt. Welche Leistung strahlt der Laser ungefähr ab? a) 3 mw b) 30 mw c) 300 mw d) 3 W

31 Klein aber oho! Volumen des Quantenfilms 10-3 x 10-4 x 10-8 m 3 = m 3 Anzahl der Ladungsträger m 3 x2*10 24 m -3 = 2*10 9 Durch stimulierte Emission erzeugte Photonen 2*10 9 /10-10 s = 2 * s -1 Optische Leistung (mit 1eV=1.602*10-19 J) P = 2 * s -1 x 1.602*10-19 J 3W

32 Bestimmung interner Parameter Wie bestimmt man die interne Quanteneffizenz aus Laserkennlinien für verschiedene Längen? a) Auftragung von e gegen die Laserlänge L b) Auftragung von e gegen die inverse Laserlänge 1/L c) Auftragung von 1/ e gegen die Laserlänge L d) Auftragung von 1/ e gegen die inverse Laserlänge 1/L

33 Bestimmung interner Parameter Wie bestimmt man die interne Quanteneffizenz aus Laserkennlinien für verschiedene Längen? a) Auftragung von e gegen die Laserlänge L b) Auftragung von e gegen die inverse Laserlänge 1/L c) Auftragung von 1/ e gegen die Laserlänge L d) Auftragung von 1/ e gegen die inverse Laserlänge 1/L

34 Bestimmung interner Parameter Schnittpunkt mit y-achse liefert 1/ i 1/ e / i =1.09 Steigung: 0.48 mm Laserlänge (mm)

35 Welche der folgenden Abbildungen ist korrekt? Wall plug efficiency a b c d

36 Abbildung c Wall plug efficiency

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