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Optische Verstärkung in Halbleitern

Op­ti­sche Ver­stär­kung durch In­ver­si­on in einem ak­ti­ven Ma­te­ri­al ist die Grund­vor­aus­set­zung für den Be­trieb bei ge­wöhn­li­chen Halb­lei­ter­la­sern. Eine ge­naue Kennt­nis der op­ti­schen Ver­stär­kung im ak­ti­ven Halb­lei­ter ist des­halb un­be­dingt er­for­der­lich für die La­ser­ent­wick­lung. Dar­über hin­aus bie­tet die Kennt­nis der Ver­stär­kung neue Mög­lich­kei­ten in der La­ser­ent­wick­lung, die durch üb­li­che Pho­to­lu­mi­nes­zenz­mes­sun­gen al­lei­ne nicht er­reicht wer­den kön­nen. Zum Bei­spiel be­nö­tigt man ei­ner­seits eine mög­lichst hohe Ver­stär­kung um nied­ri­ge Schwel­len zu er­rei­chen, an­de­rer­seits ist ein mög­lichst brei­tes Ver­stär­kungs­spek­trum wich­tig für die Tem­pe­ra­tur­sta­bi­li­tät, be­son­ders bei ober­flä­che­n­e­mit­tie­ren­den La­sern (ver­ti­cal-ca­vi­ty sur­face-emit­ting laser, VCSEL). Eine große dif­fe­ren­ti­el­le Ver­stär­kung ist wie­der­um der ent­schei­den­de Pa­ra­me­ter für eine schnel­le La­ser­dy­na­mik. Die Ver­stär­kung muss des­halb ab­hän­gig zu der je­wei­li­gen An­wen­dung op­ti­miert wer­den, um eine op­ti­ma­le Per­form­anz des La­sers zu er­zie­len.

In un­se­rer Ar­beits­grup­pe ver­wen­den wir ver­schie­de­ne Tech­ni­ken zur Mes­sung der op­ti­schen Ver­stär­kung. Zum Bei­spiel die ver­brei­te­te Me­tho­de nach Hakki und Paoli, eine selbst ent­wi­ckel­te Trans­mis­si­ons­me­tho­de oder die rein op­ti­sche Strich­län­gen-Me­tho­de. Die Ver­wen­dung ver­schie­de­ner Me­tho­den er­laubt uns die Ver­stär­kung an einer Viel­zahl an un­ter­schied­li­chen Pro­ben zu mes­sen, an­ge­fan­gen beim voll ent­wi­ckel­ten und pro­zes­sier­ten La­ser­bau­ele­ment bis zu un­pro­zes­sie­ren Pho­to­lu­mi­nes­zenz­pro­be aus einem frü­hen Sta­di­um der Ma­te­ri­al­ent­wick­lung. Wir könne tem­pe­ra­tur- und po­la­riza­t­i­ons­ab­hän­gi­ge Ver­stär­kungs­spek­tren im ge­puls­ten und im Dau­er­be­trieb ver­mes­sen, um de­tail­lier­te In­for­ma­tio­nen für den Ver­stär­kungs­me­cha­nis­mus und die zu­grun­de­lie­gen­den Über­gan­ge und En­er­gie­zu­stän­de zu er­lan­gen.

Dar­über hin­aus kön­nen ex­pe­ri­men­tel­le Daten aus un­se­rer Grup­pe in den Grup­pen von S.W. Koch, Uni­ver­si­tät Mar­burg, und J. Mo­lo­ney, Uni­ver­si­ty of Ari­zo­na, Tuc­son, USA mit Rech­nun­gen ver­gli­chen wer­den, die auf einer mi­kro­sko­pi­schen Viel­teil­chen­theo­rie ba­sie­ren. Sol­che Ex­pe­ri­ment-Theo­rie Ver­glei­che füh­ren zu einem ge­naue­ren Ver­ständ­nis vom Ver­stär­kungs­me­cha­nis­mus und kön­nen für eine di­rek­te Wei­ter­ent­wick­lung und Op­ti­mie­rung des La­ser­ma­te­ri­als ver­wen­det wer­den. Un­se­re Ar­bei­ten kon­zen­trie­ren sich mo­men­tan haupt­säch­lich auf Un­ter­su­chung der op­ti­schen Ver­stär­kung in neuen Ma­te­ri­al­sys­te­men wie das me­tas­ta­bi­le GaIn­NAs Sys­tem oder Quan­ten­punkt Sys­te­me.

Re­fe­renz:

  • M.R. Hof­mann et al., Emis­si­on dy­na­mics and op­ti­cal gain of 1.3µm (GaIn)(NAs)?GaAs la­sers, IEEE J. Quan­tum Elec­tron. 38, 213 (2002).
  • J Hader et al., Quan­ti­ta­ti­ve pre­dic­tion of se­mi­con­duc­tor laser cha­rac­te­ris­tics based on low in­ten­si­ty photo lu­mi­nescence me­a­su­re­ments, IEEE Pho­ton. Tech­nol. 14, 762 (2002).
  • N.C. Ger­hardt et al., Li­ne­width en­han­ce­ment fac­tor and op­ti­cal gain in (GaIn)(NAs)?GaAs la­sers, Appl. Phys. Lett. 84, 1 (2004).
  • N.C. Ger­hardt et al., Ex­pe­ri­men­tal ana­ly­sis of the op­ti­cal gain and li­ne­width en­han­ce­ment fac­tor of GaIn­NAs/GaAs la­sers, J. Phys.: Con­dens. Mat­ter 16, 1 (2004).

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