Optoelektronik

von: Harun Aktas

Inhaltsverzeichnis

1.Theoretische Grundlagen

1.1 Laserdiode 4

1.1.1 Das Laserprinzip 4
1.1.2 Das aktive Medium 4
1.1.3 Besetzungsinversion 5
1.1.4 Der optische Resonator 7
1.1.5 Elektrooptische Kennlinie 8
1.1.6 Analogmodulation der Laserdiode 9

2. Fotodetektor

2.1 Fotodiode mit pn-Übergang 11
2.2 pin-Fotodiode 12
2.3 Kennlinie der Fotodiode mit Gegenspannung (UD<0, UB<0) 14
2.4 Kennlinie der Fotodiode ohne Vorspannung (Fotoelement, UD<0, UB=0) 15
2.5 Kleinsignalersatzschaltbild des Fotodetektors 16

3. Versuchsdurchführung

3.1 Charakterisierung der Laserdiode 19
3.2 Charakterisierung der Fotodetektordiode 19
3.3 Zeitverhalten 19
3.4 Frequenzverhalten 19
3.5 Untersuchung der Abhängigkeit von Spannung und Leistung 19

4. Auswertung

4.1 Einleitung 20
4.2 Die Laserdiode 21
4.3 Beschaltungsmöglichkeiten der Fotodiode 24
4.4 Frequenzverhalten des Detektors 25

5. Fehlereinschätzung 30

6. Zusammenfassung 31

7. Quellenverzeichnis 32

8. Anhang 33

1. Theoretische Grundlagen

Der vorliegende Versuch hat zum Ziel, einige Grundlagen der Halbleiter- Optoelektronik experimentell zu vertiefen. Dazu werden einerseits eine Laserdiode charakterisiert sowie die Eigenschaften eines Fotodetektors hinsichtlich Schnelligkeit und Empfindlichkeit untersucht. Die Signalquelle ist eine Halbleiter-Laserdiode im sichtbaren Bereich, deren Arbeitspunkt mittels einer externen Ansteuerung stabilisiert wird. Die Intensitätsmodulation der Laserdiode erfolgt mit Hilfe eines Frequenzgenerators, der den Injektionsstroms direkt am Laserdioden- Controller steuert. Eine Charakterisierung der Laserdiode bezüglich ihrer elektrooptischen Kennlinie ist vor der Untersuchung des Fotodetektors notwendig. Weiterhin soll die Konstanz der Laserausgangsleistung bei den zu untersuchenden Modulationsfrequenzen überprüft werden. Nach Charakterisierung der Laserdiode werden die dynamischen Eigenschaften einer Si- Fotodiode bei unterschiedlichen Beschaltungen untersucht:

• Fotodiode im Fotoelementbetrieb, d. h. ohne Gegenspannung, bei 2 unterschiedlichen Lastwiderständen
• Fotodiode im Fotodiodenbetrieb, d. h. mit Gegenspannung, bei 2 unterschiedlichen Lastwiderständen

In beiden Fällen sind folgende Untersuchungen durchzuführen:

• Bestimmung des Tiefpassverhaltens
• Bestimmung Sprungantwortfunktion
• Bestimmung der Ansprechempfindlichkeit (Fotostrom als Funktion der Bestrahlungsleistung)

Eine detaillierte Aufgabenbeschreibung findet sich am Ende dieser Anleitung. Sämtliche Diagramme sollen von Hand parallel zu den Messungen gezeichnet werden. Zur Auftragung des Tiefassverhaltens in ein Bode-Diagramm ist die Verwendung von Papier mit doppel-logarithmischer Einteilung von Vorteil. Zur Auswertung ist die Benutzung eines Taschenrechners erforderlich. Sicherheitshinweis:

- Nicht in den Laserstrahl blicken!
- Nicht in den Strahlengang blicken!

1.1 Laserdiode

1.1.1 Das Laserprinzip

Physikalisch gesehen ist ein Laseroszillator eine kohärente Strahlungsquelle im optischen Spektralbereich (10-7 m < λ <10-13 m). Sie ist räumlich kohärent, da sie ihre Leistung nur innerhalb ihres Beugungswinkels abstrahlt. Der Laser besitzt somit die größtmögliche Leistungsdichte aller Strahlungsquellen mit gleicher Senderleistung. Eine Laserquelle besitzt eine hohe zeitliche Kohärenz, denn sie strahlt ihre Leistung in einem schmalen Wellenlängenbereich ab. Ihre Linienbreite ist im Idealfall (einmodiger Laser, externer Modulator) bestimmt durch die Stabilität der optischen Länge n⋅L des Resonators und das Verhältnis der Häufigkeit der spontanen zu stimulierten Emissionen. Verstärkungstechnisch gesehen ist ein Laser-Oszillator ein mitgekoppelter optischer Verstärker mit so hoher Verstärkung oder Rückkopplung, dass er mit dem Rauschen seiner spontanen Emissionen als Eingangssignal in Selbsterregung schwingt. Verstärkungstechnisch besteht also kein prinzipieller Unterschied zwischen einem Laser-Oszillator und einem optischen Laserverstärker, der hier jedoch nicht besprochen werden soll. Prinzipielle Bestandteile eines Lasers sind das aktive Medium, die Pumpquelle und der optische Rückkopplungsresonator.

1.1.2 Das aktive Medium

Eine Laserdiode besitzt als aktives Medium einen in Flussrichtung gepolten pn- Übergang aus einem direkten Halbleiter mit einem für den gewünschten Wellenlängenbereich geeigneten Bandabstand rekombinieren diese unter Strahlungsemission (Fotolumineszenz). Dabei überwiegen beim direkten Halbleiter die strahlenden Übergänge die nicht-strahlenden (Abb.1.1). Abb.1.1: [Abbildung und Formel in der Downloaddatei vorhanden]

Verstärkung erfolgt durch stimulierte Emissionen: Ein Photon mit passender Frequenz stimuliert die Rekombination eines Elektron-Loch-Paares, wobei wiederum ein Photon der Energiedifferenz ∆W=h⋅f abgestrahlt wird. Dieses stimulierte Photon besitzt genau die gleiche Frequenz, Phase, Ausbreitungs- und Polarisationsrichtung wie das induzierende. Alle von dem Ausgangsphoton ausgelösten Sekundärphotonen interferieren konstruktiv, d. h. ihre Amplituden addieren sich, ihre Leistungsdichten wachsen quadratisch mit der Zahl N der kohärent überlagerten Teilwellen, d. h. N mal stärker als bei inkohärenter Überlagerung wie z.B. bei spontaner Emission. Die spontanen Emissionen sind unabhängig von äußeren Einflüssen und erfolgen statistisch nach Aussendezeitpunkt, d. h. Phasenlage, Ausbreitungs- und Polarisationsrichtung, und erstrecken sich über den ganzen Frequenzbereich des Lumineszenzübergangs wie bei einer LED. Sie sind nicht steuerbar und daher ungeeignet zur Verstärkung. Die spontanen Emissionen bilden das Rauschen im aktiven Medium. In Konkurrenz zur stimulierten Emission steht die induzierte Absorption. Ein Resonanzphoton, das auf ein Elektron im Valenzband trifft, kann dieses in das Leitungsband heben, wenn seine Energie ausreicht, um die Bandlücke zu überwinden, d. h. wenn h⋅f≥∆Wg ist. Es wird absorbiert unter Bildung eines Elektron-Loch-Paares. Die Absorptionen bewirken eine Dämpfung des Signals.

1.1.3 Besetzungsinversion

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