Oberflächenemitter

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Der Oberflächenemitter oder VCSEL [v'ɪxl] (von englisch vertical-cavity surface-emitting laser) ist ein Halbleiterlaser, bei dem das Licht senkrecht zur Ebene des Halbleiterchips abgestrahlt wird, im Gegensatz zum herkömmlichen Kantenemitter, bei dem das Licht an ein oder zwei Flanken des Chips austritt.

Merkmale[Bearbeiten]

Entscheidende Merkmale bei Oberflächenemittern, auch im Vergleich zu Kantenemittern, sind zum einen die geringen Herstellungskosten und der geringe Stromverbrauch. Zum Anderen ist das Strahlprofil bei gleichzeitig geringerer Ausgangsleistung besser gegenüber Kantenemittern. Der VCSEL zeichnet sich dadurch aus, dass er monomodig verfügbar und die Wellenlänge abstimmbar ist. Außerdem ist die Einkoppeleffizienz in Lichtwellenleiter hoch.

Anwendungen[Bearbeiten]

Oberflächenemitter werden als optische Sender für Glasfaser-Datenübertragung benutzt und sie eignen sich für die analoge Breitband-Signalübertragung. Für den Aufgabenbereich von Absorptionsspektroskopie (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, TDLAS) werden ebenfalls Oberflächenemitter eingesetzt. Ein weiteres Gebiet für VCSEL sind Laserdrucker.

Struktur[Bearbeiten]

Schema einer einfachen Oberflächenemitter-Struktur

Der Laserresonator wird durch zwei parallel zur Ebene des Wafer angeordnete Bragg-Spiegel gebildet, zwischen denen eine aktive Zone (üblicherweise mit zweidimensionalen Quantentöpfen, auch Quantenfilm genannt) für die Erzeugung des Laserlichts eingebettet ist. Derartige planare Bragg-Spiegel sind aus Schichten mit abwechselnd niedriger und hohem Brechungsindex aufgebaut, die jeweils eine optische Weglänge l von einem Viertel der Laserwellenlänge im Material haben, l=λ/(4n) mit n = Brechungsindex des Mediums. Dadurch wird der im Oberflächenemitter erforderliche Reflexionsgrad von über 99 Prozent erreicht. Aufgrund der kleinen Abmessungen des eigentlichen Lasers von nur wenigen Mikrometern in jeder Richtung haben Oberflächenemitter kleinere Ausgangsleistungen im Vergleich zu Kantenemittern.

Man unterscheidet optisch gepumpte Oberflächenemitter, bei denen die aktive Zone von außen mit Licht kürzerer Wellenlänge zum Strahlen angeregt wird, und elektrisch gepumpte Oberflächenemitter, die eine pin-Diode darstellen.

Oberflächenemitter für Wellenlängen zwischen 650 nm und 1300 nm basieren praktisch ausschließlich auf GaAs-Wafern, während bei Wellenlängen zwischen 1300 nm und 2000 nm (langwellige Oberflächenemitter) zumindest die aktive Zone auf InP oder GaInAsN basiert. Oberflächenemitter mit noch größerer Wellenlänge sind derzeit experimentell und zumeist optisch gepumpt.

Sonderformen[Bearbeiten]

Sonderformern von Oberflächenemittern sind hier aufgelistet:

  • Oberflächenemitter mit Tunnelkontakt. Hier wird durch den Tunnelkontakt (n+p+) eine elektrisch vorteilhafte n-n+p+-p-i-n Konfiguration erzeugt, die auch verschiedene andere Strukturdetails positiv beeinflussen kann, z. B. beim Buried Tunnel Junction (BTJ).
  • Weit abstimmbarer Oberflächenemitter mit einem mikromechanisch beweglichen Spiegel, auch Vertical External Cavity Surface Emitting Laser (VECSEL) genannt .
  • Wafer-bonded bzw. wafer-fused Oberflächenemitter: Kombination von Halbleitermaterial, das auf unterschiedlichen Arten von Wafer-Substraten hergestellt werden kann
  • Monolithisch optisch gepumpte Oberflächenemitter: Zwei aufeinandergesetzte Oberflächenemitter, bei denen der eine den anderen optisch pumpt
  • Oberflächenemitter mit longitudinal-integrierter Monitordiode: Unter dem rückwärtigen Spiegel wird eine Photodiode integriert
  • Oberflächenemitter mit transversal-integrierter Monitordiode: Durch geeignetes Abätzen kann aus dem Wafer eines Oberflächenemitters auch eine resonante Photodiode für Licht eines benachbarten Oberflächenemitter hergestellt werden.

Historisches[Bearbeiten]

Den ersten Oberflächenemitter haben 1979 Soda, Iga, Kitahara und Suematsu vorgestellt,[1] jedoch wurden Bauelemente mit einem Schwellstrom unter 1 mA erst 1989 präsentiert. Heute haben Oberflächenemitter die Kantenemitter bei optischen Kurzstreckenverbindungen wie Gigabit-Ethernet oder Fibre Channel verdrängt.

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1.  Haruhisa Soda, Ken-ichi Iga, Chiyuki Kitahara, Yasuharu Suematsu: GaInAsP/InP Surface Emitting Injection Lasers. In: Japanese Journal of Applied Physics. 18, Nr. 12, 1979, S. 2329–2330, doi:10.1143/JJAP.18.2329.