SLD

Eine Halbleiterlaser-Diode ist eine kohärente Lichtquelle aus einem in Durchlassrichtung vorgespannten p-n-Übergang in einem Halbleitermaterial, typischerweise Galliumarsenid (GaAs) oder Indiumphosphid (InP). Wenn Strom über den Übergang fließt, erzeugt stimulierte Emission kohärentes Licht. Der Übergang selbst fungiert als Resonator, wodurch das gesamte Gerät kleiner als ein Reiskorn wird. Diese Kompaktheit, kombiniert mit elektrischer Anregung und direkter Modulation, ist der Grund, warum SLDs Gas- und Festkörperlaser in der Telekommunikation, Fasermesstechnik und Materialbearbeitung verdrängt haben.

SLDs emittieren Wellenlängen, die durch die Bandlücke ihres Halbleitermaterials bestimmt werden. Übliche Wellenlängen sind 850 nm und 1310 nm in GaAs bzw. InP, gewählt, um die Fenster mit niedrigen Verlusten von Quarzglasfasern zu nutzen. Moderne SLDs für Telekommunikation arbeiten in den Bändern 1480 nm bis 1625 nm. Die Ausgangsleistung reicht von Milliwatt bei Sensoren bis zu mehreren Watt bei High-Power-Varianten, bleibt aber deutlich unter der Multi-Kilowatt-Leistung von Faserlasern.

Zuverlässigkeit und Verschleiß

Die hauptsächliche betriebliche Gefahr von SLDs ist die katastrophale optische Beschädigung (COD), ein plötzlicher Ausfall der Ausgangsfacette durch hohe optische Intensität und Verschmutzung. Dies kann unter ungünstigen Bedingungen in Sekunden auftreten. Ordnungsgemäße Linsenkopplung, optische Isolierung und Sauberkeit rund um das Gerät sind notwendig. Alterung verläuft graduell durch Facettenoxidation und Defektbildung; typische Lebensdauern unter normalen Bedingungen liegen zwischen 10.000 und 100.000 Stunden, abhängig von Leistung und Design. Temperaturkontrolle ist kritisch: Die Ausgangswellenlänge driftet etwa 0,3 nm pro Grad Celsius, und der Schwellstrom nimmt exponentiell mit der Wärmezunahme zu.

SLDs sind in der Faseroptik-Kommunikation bevorzugt, weil sie direkt an Einfasern-Lichtwellenleiter koppeln und elektrische Modulation mit Gigabit-Raten mit minimalen Verzerrungen vertragen. Bei DBR-Designs (Distributed-Bragg-Reflector) ermöglicht ein wellenlängenwählbares Gitter im Resonator eine Abstimmung über einen Bereich von 40 nm und reduziert die Linienbreite auf unter 1 nm. Im Allgemeinen kosten Fabry-Pérot-SLDs weniger und vertragen höhere Leistungen, haben aber größere spektrale Breite und geringere Wellenlängenstabilität.

Der Begriff SLD wird manchmal großzügig verwendet und umfasst kantenabstrahlende Laser und vertikal abstrahlende Oberflächenlaser (VCSELs), obwohl VCSELs technisch eine eigenständige Unterklasse mit anderer Architektur und Leistung sind. In Metrologie und Sensorik werden SLDs gegenüber traditionellen Lasern für optische Kohärenztomographie (OCT) und Interferometrie bevorzugt, weil ihre kurze Kohärenzlänge Interferenzen von unerwünschten Reflexionen reduziert. Bei industriellem Schneiden und Schweißen haben Hochleistungs-Dioden-Arrays und Faserlaser einzelne SLD-Module großteils verdrängt, doch SLDs bleiben bei niedrig-Leistungs-Präzisionsaufgaben und in Messinstrumenten dominant.