Optoelektronik


Studienarbeit, 2005
40 Seiten, Note: Sehr gut

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1.Theoretische Grundlagen
1.1 Laserdiode
1.1.1 Das Laserprinzip
1.1.2 Das aktive Medium
1.1.3 Besetzungsinversion
1.1.4 Der optische Resonator
1.1.5 Elektrooptische Kennlinie Harun Aktas FHOOW Emden
1.1.6 Analogmodulation der Laserdiode

2. Fotodetektor
2.1 Fotodiode mit pn-Übergang
2.2 pin-Fotodiode
2.3 Kennlinie der Fotodiode mit Gegenspannung [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten])
2.4 Kennlinie der Fotodiode ohne Vorspannung (Fotoelement, [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]
2.5 Kleinsignalersatzschaltbild des Fotodetektors

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

4. Auswertung
4.1 Einleitung
4.2 Die Laserdiode
4.3 Beschaltungsmöglichkeiten der Fotodiode
4.4 Frequenzverhalten des Detektors

5. Fehlereinschätzung

6. Zusammenfassung

7. Quellenverzeichnis

8. Anhang

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 SiFotodiode 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 (10-7m < λ <10-13m). 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 [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Bei Injektion von Elektronen von der n- und Löchern von der p-Seite rekombinieren diese unter Strahlungsemission (Fotolumineszenz). Dabei überwiegen beim direkten Halbleiter die strahlenden Übergänge die nicht-strahlenden (Abb.1.1).

Abb.1.1: Schematische Darstellung eines einfachen pn- Übergangs in Besetzungsinversion

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 [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] ist. Es wird absorbiert unter Bildung eines Elektron-Loch-Paares. Die Absorptionen bewirken eine Dämpfung des Signals.

1.1.3 Besetzungsinversion

Verstärkung bedeutet, dass die Rate der stimulierten Emissionen die Rate der Absorptionen übersteigt. Da die Übergangswahrscheinlichkeiten für beide Einzelprozesse gleich sind, bedeutet dies, dass ein auftreffendes Resonanzphoton mehr angeregte als nichtangeregte Zustände antreffen muss. Da im thermischen Gleichgewicht der energetisch höhere Zustand W2 jeweils stets schwächer besetzt ist als der tiefere Zustand W1, bedeutet dies eine Umkehr der "natürlichen" Verhältnisse N2<N1, eine sogenannte Besetzungsinversion. Die Verstärkung nimmt exponentiell mit der Überbesetzung ∆N= N2-N1 zu.

Der Einfachheit halber soll die Verstärkungsbedingung zunächst für 2 diskrete Energie- zustände betrachtet werden, wie sie bei voneinander unabhängigen Atomen, z. B. in Atomgasen, auftreten (Abb.1.2). N1und N2 sind hierin die Anzahl von Atomen im zugehörigen Energiezustand. Besetzungsinversion ist hierbei gleichbedeutend mit N2<N1.

Im Bändermodell eines Halbleiters bedeutet die Forderung nach Besetzungsinversion, dass sich an der Unterkante des Leitungsbands mehr Elektronen als Löcher (freie Energiezustände) und -am selben Ort- an der Oberkante des Valenzbandes mehr Löcher als Elektronen befinden müssen. Das heißt, dass die Fermi- Niveaus in den Bändern verlaufen müssen. Um das zu erreichen, sind

1. hochdotierte, sogenannte "entartete" Halbleiter erforderlich (nD≈1018-1019cm-3).

2. Es muss eine ausreichend hohe Flussspannung UF angelegt werden, damit die Raumladungszone mit Elektronen und Löchern überschwemmt wird (Abb.). In diesem Fall ist [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten].

Die spektrale Verstärkungskurve ist daher begrenzt auf diesen Frequenzbereich, also auf Rekombinationen von Elektronen und Löchern jeweils zwischen Fermi- Niveau und Bandkante.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.1.2: Verstärkungsbedingung in einem 2-Niveau-System

Spontane Emissionen benötigen keine Besetzungsinversion. Daher können auch Elektronen und Löcher außerhalb dieser energetischen Bereiche rekombinieren.

Die Pumpquelle bei einer Laserdiode ist einfach die Quelle des elektrischen Injektionsstroms.

1.1.4 Der optische Resonator

Der optische Resonator besteht bei modernen Laserdioden aus einem dielektrischen Wellenleiter mit rechteckigem Querschnitt (z. B. aus GaAs für λ≈800 nm), der allseitig von Material mit etwas niedrigerer Brechzahl (GaAlAs) umgeben ist. Diese Struktur wird als indexgeführte Doppelheterostruktur (DHS) bezeichnet (Abb.1.3).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.1.3: Aufbau eines indexgeführten Lasers in Doppelheterostruktur mit Fabry- Perot- Resonator

Die Abmessungen betragen nur einige µm im Querschnitt, damit der Wellenleiter transversal einmodig ist. Nur die Welle in Ausbreitungsrichtung wird geführt, es bilden sich mehrere Longitudinalmoden aus. Die Endflächen des Resonators werden aus den natürlichen Spaltflächen des Kristalls gebildet. Sie wirken auf Grund des hohen Brechzahlsprungs (nGaAs≈3.6) als Resonatorspiegel mit einem Reflexionsfaktor von 32%. Dieser sogenannte Fabry- Perot- Resonator erlaubt die Ausbildung von stehenden Wellen bzw. Longitudinalmoden, die folgende Bedingung erfüllen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] , m ganzzahlig, aber [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten],

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

für die longitudinalen Eigenfrequenzen, bzw.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

für den Abstand benachbarter Longitudinalmoden.

Bei einer typischen Länge des Laserkristalls von L≈0.3 nm ergibt sich bei einer Mittenwellen- länge von λ≈800nm ein Abstand benachbarter longitudinaler Moden von etwa ∆λ≈0.3 nm.

1.1.5 Elektrooptische Kennlinie

Die elektrooptische Kennlinie des Lasers stellt die Abhängigkeit der optischen Leistung Φ als Funktion des Injektionsstroms I über den pn- Übergang dar (Abb.1.4).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.1.4: Modulationskennlinien bei verschiedenen Temperaturen

Einfache LED zeigen näherungsweise eine lineare Kennlinie Φ~I. Auf Grund ihrer geringen Leistungsdichte, großen Linienbreite und geringer Modulationsgeschwindigkeit lassen sie sich jedoch nur in Systemen mit Lichtwellenleitern großen Kerndurchmessers, z.B. Plastikfasern, geringeren Bitraten und Reichweiten einsetzen.

Laserdioden besitzen Kennlinien mit einem deutlichen Knick an der Laserschwelle. Unterhalb der Schwelle strahlen sie inkohärent in den Halbraum und mit großer Linienbreite verstärkte spontane Emissionen ab, ähnlich wie eine kantenemittierende LED. Erst bei Erreichen einer Mindestpumpleistung entsprechend dem Schwellstrom Ith reicht die Verstärkung aus, um alle Verluste im optischen Resonator einschließlich der ausgekoppelten Leistung zu decken. Dann kann ein einzelnes, spontan emittiertes Photon in der "richtigen" Richtung und mit der "richtigen" Frequenz den optischen Resonator zu entdämpften Schwingungen anregen. Die Diode strahlt als Oszillator nur noch innerhalb ihrer Beugungswinkel und in einem oder wenigen Resonatormoden.

Oberhalb der Schwelle bleibt die Überbesetzung und die Verstärkung konstant. Der über die Schwelle hinausgehende Strom wird nur zur Erhöhung der Photonen im Resonator und damit der abgestrahlten Leistung und zur Kompensation der optischen Verluste verwendet. Die Kennlinie steigt daher für [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]; Ith sehr steil linear mit dem Strom an, bis durch die zunehmende Erwärmung der aktiven Zone Gitterstörungen und damit strahlungslose Übergänge zunehmen und der Wirkungsgrad und die Steigung abnehmen (thermische Sättigung).

Mit zunehmender Temperatur und durch Alterung nehmen Gitterstörungen und strahlungslose Übergänge zu, d. h. auch die Laserschwelle Ith und damit die gesamte Kennlinie verschieben sich zu höheren Strömen, ihre Steigung nimmt ab.

Aus der Steigung der Kennlinie, die als Modulationssteilheit oder "slope efficiency" s bezeichnet wird, lässt sich der Quantenwirkungsgrad [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] der Diode bestimmen.

[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]Zunahme der Laserausgangsleistung, [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]: Zunahme des Flussstromes

[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Zunahme der abgestrahlten Photonen, [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]: Zunahme der injizierten

[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Elektronen Zwischen [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] und s besteht der Zusammenhang:

[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Hierbei ist anzumerken, dass bei experimenteller Bestimmung von s aus der Kennlinie i.a. nur die aus einer Laserendfläche emittierte Leistung berücksichtigt wird. Unter der Annahme, dass aus beiden Endflächen die gleiche Leistung emittiert wird, ist der somit berechnete Wert für den Quantenwirkungsgrad zu verdoppeln.

1.1.6 Analogmodulation der Laserdiode

Bei Analogmodulation legt man den Arbeitspunkt [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] in die Mitte des linearen Teils der Kennlinie, um Verzerrungen zu minimieren und ein möglichst hohes Signal zu erhalten. Die untere Aussteuergrenze ist durch die Krümmung in der Nähe des Schwellstroms gegeben und die obere durch das Abknicken der Kennlinie infolge thermischer Sättigung (Abb.1.6).

Um den Arbeitspunkt A einstellen zu können, muss man dem Modulationssignal imod den Bias-Gleichstrom [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] überlagern. Dazu dient ein sogenanntes Bias-T, ein im Prinzip einfaches Koppelnetzwerk, das bei höchsten Modulationsfrequenzen (GHz-Bereich) mikrowellentauglich ausgeführt sein muss. Das Ersatzschaltbild ist in Abb.1.5 dargestellt.

Die Induktivität L verhindert einen Nebenschluss des Modulationsstroms über die Gleichstromquelle, die Kapazität C hält die Modulationsstromquelle gleichspannungsfrei. Der Serienwiderstand R wird benötigt, um den niedrigen dynamischen Innenwiderstand der Laserdiode Ri (einige Ω) an den Wellenwiderstand Z der HF-Leitung (in der Regel Z=50Ω) reflexionsfrei anzupassen.

Abb.1.5: Ersatzschaltbild eines Bias-T

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.1.6: Analogmodulation bei Temperaturschwankungen, T2>T1, T3=T2

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

a) mit Stromstabilisierung [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]

b) mit Leistungsstabilisierung [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten].

2. Fotodetektor

2.1 Fotodiode mit pn- Übergang

Die Fotodiode besteht aus einem pn- oder pin- Übergang, in dem bei Strahlungseinfall von Photonen ausreichender Energie Elektronen aus dem Valenzband ins Leitungsband gehoben werden (innerer Fotoeffekt). Im Valenzband bleibt dabei ein Loch zurück. Durch das lokale elektrische Feld im Bereich der Sperrschicht wird das generierte Elektron-Loch-Paar getrennt. Elektronen driften in die n-Schicht, Löcher in die p-Schicht. Der Fluss dieser Ladungsträger stellt einen Fotostrom dar (Abb. 2.1).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.1

Ladungsträger können in verschiedenen Bereichen der Diode generiert werden. Bei Absorption der Strahlung im Sperrschichtbereich werden die Elektronen-Loch Paare durch das elektrische Feld sofort getrennt und führen zu einem Driftstrom mit kürzesten Ladungsträgerlaufzeiten in der Diode. Wird die Strahlung in der p- bzw. n-Schicht außerhalb der Sperrschicht erzeugt, müssen die Minoritätsladungsträger (Elektronen in p-Schicht, Löcher in n-Schicht) zuerst durch einen Bereich mit relativ geringem elektrischen Feld diffundieren, bevor sie in den Bereich hoher Feldstärke gelangen und zum Driftstrom beitragen können. Während dieser Diffusionszeit wird ein Teil der Minoritätsladungsträger vorzeitig rekombinieren und geht dem Fotostrom verloren. Um eine möglichst hohe Quantenausbeute, d. h. Umwandlung von Photonen in Elektron-Loch-Paare zu erreichen, sollte eine vorzeitige Rekombination vermieden werden. Daher ist eine hohe Absorption im Raumladungsbereich der Diode anzustreben, da dort praktisch keine Rekombination stattfindet.

[...]

Ende der Leseprobe aus 40 Seiten

Details

Titel
Optoelektronik
Hochschule
Fachhochschule Oldenburg/Ostfriesland/Wilhelmshaven; Standort Emden  (Physiktechnik)
Veranstaltung
Praktikum
Note
Sehr gut
Autor
Jahr
2005
Seiten
40
Katalognummer
V49323
ISBN (eBook)
9783638458030
Dateigröße
2125 KB
Sprache
Deutsch
Anmerkungen
Der folgende Versuch befasst sich mit optoelektronischen Bauteilen wie z.B Laser- und Fotodiode. Es soll im ersten Versuchsabschnitt gezeigt werden, wie man mit Hilfe der Strom-Spannungskennlinie die Slope efficiency und den Quantenwirkungsgrad der Laserdiode bestimmt. Eine Skizze des Versuchsaufbaus im Anhang verdeutlicht das Experiment. Im nächsten Schritt versuchen wir die Fotodiode zu charakterisieren.
Schlagworte
Optoelektronik, Praktikum
Arbeit zitieren
Harun Aktas (Autor), 2005, Optoelektronik, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/49323

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Titel: Optoelektronik


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