Lebensdauer von Laserdioden

Halbleiterlaser bzw. Laserdioden sind nur in seltenen Fällen Konkurrenz zu »richtigen« Lasern, vielmehr ermöglichen Hochleistungslaserdioden und Singlemode-Laserdioden neue Anwendungen in Industrie und Telekommunikation.

Solche Bauteile sind im Allgemeinen sehr zuverlässig und leben relativ lange. Um die Lebensdauerdaten in Datenblättern und Spezifikationen bewerten zu können, ist etwas grundlegendes Know-how zu den Fehlermechanismen und der Art und Weise der Testmessung nötig.

Laserdioden sind wegen ihrer kleinen Bauform, der mechanischen Stabilität, der einfachen Handhabung – das heißt schnelle Verfügbarkeit der Laserleistung und geringer Wartungsaufwand – und des geringen Energieverbrauchs besonders interessant. Ihr Wirkungsgrad liegt zwischen 40 Prozent und 50 Prozent (infrarot). Im Vergleich zu herkömmlichen Lasern entsteht dieser große Wirkungsgrad durch eine größere Verstärkung aufgrund der höheren Atomdichte innerhalb des Resonators.

Transversale und longitudinale Modenstruktur sind durch den Aufbau des Halbleiters bedingt. Die Abmessungen der lichtemittierenden Fläche (Ausdehnung des p-n-Übergangs) geben die transversale Modenstruktur vor. Typischerweise beträgt die Abmessung in Richtung des p-n-Übergangs d = 1 µm. Die Breite des Übergangs (Streifenbreite) variiert von ca. 3 µm bis zu 500 µm. Laserdioden mit 3 µm Streifenbreite sind mit um 200 mW im nahen Infrarot und bis etwa 35 mW im sichtbaren Spektralbereich erhältlich.

Sie und weisen transversale Singlemodigkeit auf, auch wenn der Strahl durch unterschiedliche Divergenzen senkrecht und parallel zum p-n-Übergang elliptisch ist. In diesem Punkt sind herkömmliche Laser den Laserdioden ohne zusätzliche Optik zur Strahlformung überlegen. Bei gewöhnlichen Lasern bestimmt die Güte des Resonators die longitudinale Mode, also die spektrale Breite. Resonatoren mit einer Länge von ca. 1 m (typischer Wert für Argon-Ionen Laser) erreichen eine spektrale Breite von ca. 5 GHz.

Laserdioden hingegen haben nur eine Resonatorlänge von ca. 250 µm. Daher entstünde aufgrund der Güte des Resonators ein sehr breites Spektrum. Dieses lässt sich mit einem extrem schmalen Verstärkungsprofil unterdrücken, so daß nahezu longitudinal singlemodiges Licht entsteht. Ein Bragg-Gitter in der aktiven Zone schränkt die spektrale Breite noch weiter ein; so etwas wird bei DFB-Lasern (Distributed Feedback) verwendet, die in der Telekommunikation eingesetzt werden.

Bei fasergekoppelten Pumplasern kommt anstelle des Gitters in der aktiven Zone eine Faser mit integriertem Bragg-Gitter zum Einsatz. Solche Laserdioden sind mit bis zu 165 mW Leistung ideal für EDFAs (Erbiumdotierte faseroptische Verstärker) geeignet.

Breitstreifenemitter (Streifenbreite 100 µm – 500 µm) hingegen erzeugen transversal und longitudinal multimodiges Licht. Sie erreichen im nahen Infrarot bis zu 6 W. Bei dieser großen Leistung entsteht trotz großem Wirkungsgrad viel thermische Verlustleistung, welche die Temperatur am p-n-Übergang erhöht. Diese Temperatur ist eine entscheidende Größe für die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit der Laserdiode.

Die Erhöhung der Temperatur um den Faktor 2 kann beispielsweise die Degradationsrate um den Faktor 6 erhöhen. Daher müssen Laserdioden effektiv gekühlt werden. Um den Betrieb bei einer konstanten Wellenlänge zu gewährleisten, sollte die Temperatur außerdem sehr stabil gehalten werden.

Spezielle Produkte und ihre Anwendungsbereiche

Laser mit zirkularem Strahlprofil

Da Laserdioden ein elliptisches Strahlprofil und einen nicht zu vernachlässigenden Astigmatismus aufweisen, ist es für einige Anwendungen notwendig, durch zusätzliche Optiken einen zirkularen Gaußschen Strahl zu erzeugen. Dies wurde in der Vergangenheit mit einem anamorphen Prismenpaar erreicht.

Eine wesentlich platzsparendere Lösung ist es, eine asphärische Mikro-Zylinderlinse direkt in das Gehäuse vor den Laserchip zu setzen. Die Zylinderlinse passt die Divergenzen an und korrigiert den Astigmatismus. Das Ergebnis ist ein nahezu zirkularer Laserstrahl mit einem Divergenzwinkel von ca. 6,3°. Mit einer weiteren asphärischen Kollimatorlinse lassen sich Strahlqualitäten vergleichbar mit denen eines HeNe-Lasers erreicht.

Eine bessere Lichtausbeute erlaubt es häufig, eine Laserdiode mit geringerer Leistung zu verwenden. Solche strahlkorrigierten Laserdioden eigenen sich für Barcode-Scanner, Lesegeräte für Datenspeicher und allerlei optische Messverfahren. Ein perfekt zirkularer Strahl erleichtert das Einkoppeln in eine Singlemode- oder auch polarisationserhaltende Faser und minimiert die Koppelverluste.

Die geringen Koppelverluste führen zu einer langen Lebensdauer des Gesamtsystems, da die Temperatur des Laserchips aufgrund der geringen Zahl von Lichtreflexionen innerhalb des Gehäuses niedrig bleibt. Fasergekoppelte Laserdioden auf der Basis strahlkorrigierter Laser liefern hohe Leistung und Leuchtdichte, doppelt so groß wie bei herkömmlichen Systemen.

DFB-Laser

Das Bragg-Gitter innerhalb der aktiven Zone ermöglicht DFB-Laserdioden eine spektrale Breite von wenigen MHz. Beim DFB-Laser dient eine zusätzliche, getaperte Struktur der einfacheren Faserkopplung. Durch Kontrolle der optischen Leistung über eine Monitordiode und Stabilisierung der Temperatur wird ein sehr stabiler Betrieb hinsichtlich der optischen Leistung und der emittierenden Wellenlänge erreicht. Telekomqualifizierte Butterfly-Gehäuse und Faserkopplung machen diese Laser zur passenden Lichtquelle für High-Speed- oder DWDM-Netzwerke.

Hochleistungslaserdioden

Breitstreifenemitter aus GaAlAs bzw. InGaAs erreichen optische Leistungen um 6 W bei Wellenlängen um 810 nm bzw. um 980 nm. Größtmögliche Leuchtdichte erreichen GaAlAs-Laserdioden mit einer Streifenbreite von 100 µm bzw. 200 µm. Bei Wellenlängen von 798 nm bis 812 nm emittieren sie 2 W bzw. 3 W optische Leistung.

Im Vergleich zu den Laserdioden mit 3 µm Streifenbreite sind bei den Breitstreifenemittern nur 20 mW/µm anstelle von 60 mW/µm möglich, da ansonsten die Abwärme nicht effektiv genug abgeführt werden könnte. Prinzipiell lässt sich auch immer mehr Leistung herausholen, doch darunter leidet die Lebensdauer. Durch Aneinanderreihen von Breitstreifenemittern entstehen monolithische Arrays bis zu 1 cm emittierender Breite.

Diese sogenannten Barren erreichen optische Leistungen von bis zu 60 W bei Wellenlängen um 810 nm. Geschickte Faserkopplung ermöglicht es, bei 20 W Laserleistung 16 W optische Leistung aus der Faser zu führen. Die Zwischenräume zwischen den Emittern müssen die enorme thermische Verlustenergie abführen, damit die Temperatur am p-n-Übergang nicht zu stark ansteigt. Weiterhin versucht man, die Effektivität weiter zu erhöhen, um so die Verlustleistung zu senken.

Breitstreifenemitter und Barren werden wegen der großen Leuchtdichte zum direkten optischen Pumpen von Festkörperlasern oder zur Materialbearbeitung wie Markieren oder Schweißen eingesetzt. Für thermische Druckverfahren wurden spezielle fasergekoppelte Breitstreifenemitter entwickelt.

Zuverlässigkeit und Lebensdauer

Bei der Analyse der Lebensdauer sind prinzipiell zwei Fehlerquellen zu unterscheiden. Dies sind zum einen die allmähliche Degradation und zum anderen der abrupte und endgültige Defekt der Laserdiode. Die Degradation macht sich durch das Ansteigen des Stroms bemerkbar, der für eine bestimmte vorgegebene optische Leistung notwendig ist. Da die Degradationsrate konstant mit der Zeit ist, lässt sich mit einer linearen Regression das »Lebensende« bestimmen.