CN100508310C - 光学泵浦的半导体激光器设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光泵浦半导体激光器设备，其具有一个表面发射的垂直发射区(1)和至少一个用于光泵浦垂直发射区(1)的单片式集成泵浦辐射源(2)。该半导体激光器设备的特征在于，泵浦辐射以具有不同辐射方向的部分辐射束的形式入射到垂直发射区(1)中，以便该泵浦辐射具有一个与垂直发射区(1)的基模的重叠，该重叠适合于基模的激发。本发明的根据是，当泵浦辐射的空间强度分布与基模的截面相匹配时，优先激发垂直发射区域(1)的基模。

Description

光学泵浦的半导体激光器设备
技术领域
本发明涉及一种光学泵浦的半导体激光器设备，其具有一个表面发射的垂直发射区和至少一个用于该垂直发射区的光学泵浦的单片式集成泵浦辐射源。
背景技术
这种类型的激光器例如由出版文献WO 01/93386和WO 02/067393已知，其内容可通过引用结合与此。在这些出版文献中对表面发射的半导体激光器设备进行了说明，其垂直发射区域的有源元件通过量子阱结构而构成，该结构由邻接的边发射的半导体激光器光泵浦。泵浦辐射源和量子阱结构在同一个衬底上外延生长。如此产生的单片式集成结构节省空间且可成本低廉地制造。此外通过该制造过程可确保泵浦辐射源和垂直发射区的准确定位。
所述类型的光泵浦半导体激光器设备允许高的输出功率，因为一方面电泵浦下载流子注入时的损耗功率源、电阻损耗，另一方面的光吸收损耗在空间上是分离的。同时它还具有一个有利的球形辐射截面而不是一个椭圆的或线形的辐射截面，例如像边发射激光器那样。
特别是在垂直发射区基模TEM00中的激光辐射时可产生良好的辐射质量。
发明内容
因此本发明的一个目的是，提供一个具有至少一个单片式集成泵浦辐射源的半导体激光器设备，其以良好的辐射质量发出激光辐射，优选基模辐射。
该目的可通过一种光泵浦的半导体激光器设备而实现，该光泵浦的半导体激光器设备具有：表面发射的垂直发射区和至少两个用于光泵浦所述垂直发射区的单片式集成泵浦辐射源，其中所述至少两个泵浦辐射源产生泵浦辐射并且这样安装和设置，使得所述泵浦辐射以源自具有不同主辐射方向的不同泵浦辐射源的、具有不同辐射方向的部分辐射束的形式入射到所述垂直发射区中，以便所述泵浦辐射具有一个与所述垂直发射区的基模的重叠，该重叠适合于该基模的激发。所述泵浦辐射源中的至少一个泵浦辐射源具有带有至少一个谐振腔端面反射镜装置的谐振腔，该谐振腔端面反射镜装置由两个平的、彼此成直角地设置的谐振腔端面反射镜构成，或者所述泵浦辐射源中的至少一个泵浦辐射源具有带有两个谐振腔端面反射镜和至少一个内部的谐振腔反射镜的折叠的谐振腔。本发明的有利的改进方案是从属权利要求的主题。
按照本发明，至少一个泵浦辐射源这样安装和设置，即泵浦辐射以具有不同辐射方向的部分辐射束的形式入射到垂直发射区中，以便该泵浦辐射具有一个与垂直发射区的基模的重叠，该重叠适合于基模的激发。
按照本发明的解决方案背后的一个基本思想是，当垂直发射区中的泵浦辐射在空间上的强度分布与该基模的截面相匹配时，随即发出垂直发射区的所期望的基模的辐射。典型地垂直发射区的基面是一个多边形(四边形、六边形等)或一个圆形。在基模中，垂直发射区的基面的对称性得到反映。因此为了激发基模有利的是，泵浦辐射以具有不同辐射方向的部分辐射束的形式射入垂直发射区中，由此泵浦辐射在空间上的强度分布能与基模的截面相匹配。还有一种能量输入也被视为具有不同辐射方向的部分辐射束，其中泵浦辐射会聚地射入垂直发射区中。
在按照本发明的半导体激光器设备的一种实施形式中，部分辐射束产生于具有不同主辐射方向的不同泵浦辐射源。在此特别优选的是，这些泵浦辐射源是具有封闭谐振腔的半导体激光元件，该谐振腔包含放大区域。可替代地，该泵浦辐射源可以是边发射的半导体激光器。
在一种优选的实施形式中，泵浦辐射源具有一个带有至少一个弯曲的谐振腔端面反射镜的谐振腔。
在另外一个优选的实施形式中，泵浦辐射源具有一个带有至少一个谐振腔端面反射镜装置的谐振腔，该装置由两个平的、彼此成直角地设置的谐振腔端面反射镜构成。两个谐振腔端面反射镜特别优选地这样设置，使得在谐振腔中的泵浦辐射在其上全反射。
另外一个实施形式的特征在于，泵浦辐射源中的一个或多个具有带有两个谐振腔端面反射镜和至少一个内部的谐振腔反射镜的折叠的谐振腔。又特别优选的是，至少一个内部的谐振腔反射镜这样设置，使得在谐振腔中的泵浦辐射在其上全反射。在此，谐振腔端面反射镜可以是解理的晶体晶面并且内部谐振腔反射镜可以是蚀刻的反射镜。
在本发明的一种有利的改进方案中，部分辐射束产生于一个泵浦辐射源，该部分辐射束的辐射多次在不同方向上通过垂直发射区进行。一种设计是，泵浦辐射源具有一个带有一个谐振腔端面反射镜的谐振腔，其由一个在垂直发射区的主辐射方向上呈抛物线形弯曲的且蚀刻的反射镜构成，其中垂直发射区设置在该反射镜的焦点上。
可替代地，泵浦辐射源是一个半导体环形激光器。优选的是，该半导体环形激光器的谐振腔具有至少三个内部谐振腔反射镜。特别优选的是，这至少三个内部谐振腔反射镜这样设置，使得在谐振腔内的泵浦辐射在其上全反射。
按照本发明的半导体激光器设备的一种有利的改进方案是，从至少一个泵浦辐射源至垂直发射区的过渡区域是弯曲的并以折射率变化为特征，以便泵浦辐射聚焦在垂直发射区中。
附图说明
半导体激光器设备的其他优点、有利的设计和改进可由如下通过图1至6详细阐明的实施例得出。其中：
图1示出了按照本发明的半导体激光器设备的第一个实施例的示意俯视图，
图2示出了按照本发明的半导体激光器设备的第二个实施例的示意俯视图，
图3示出了按照本发明的半导体激光器设备的第三个实施例的示意俯视图，
图4示出了按照本发明的半导体激光器设备的第四个实施例的示意俯视图，
图5示出了按照本发明的半导体激光器设备的第五个实施例的示意俯视图，
图6示出了按照本发明的半导体激光器设备的第六个实施例的示意俯视图。
具体实施方式
这些附图是示意性的图。特别是元件的尺寸比未按比例示出。不同实施例的同样的或具有同样作用的元件在附图中分别标有相同的参考符号。
在图1中示意性地以俯视图示出的、按照本发明的光泵浦半导体激光器设备的第一个实施例具有一个中央垂直发射区1和两个在该垂直发射区域1中交叉的泵浦辐射源2。泵浦辐射源2向外以弯曲的谐振腔端面反射镜3为界。
用于实现半导体激光器设备的该实施例或在该申请范围内示出的另外一个实施例的合适的半导体层顺序例如在开头提及的出版文献WO 01/93386或WO 02/067393之一中有所披露。垂直发射区域1例如可以具有作为有源放大区的量子阱结构，其中在本申请范围内的命名的量子阱结构包括所有这样的结构，在这样的结构中载流子通过限制(confinement)而实现其能量状态的量子化。特别是命名的量子阱结构不包含关于量子化维数的说明。由此，它此外还包括量子阱、量子线和量子点以及这些结构的各种组合。
弯曲的谐振腔端面反射镜3允许在单片式集成泵浦激光器2中在蚀刻过程中以任意形状和任意弯曲半径制造。允许在进一步的制造过程中必要时通过淀积金属涂层获得所期望的反射性能。在谐振腔端面反射镜3的合适的造型中，通过这种方式产生一个用于泵浦辐射源2的激光器谐振腔，其特征在于形成具有理想高斯形状横向强度截面的稳定谐振腔内部的泵浦辐射模。
辐射束有条件地通过谐振腔中的辐射导向装置会聚地射入垂直发射区1中，其在垂直发射区1的中央造成强度集中。与泵浦辐射的高斯形状横向强度截面一起产生位于垂直发射区1中的泵浦辐射的空间分布，该分布良好近似地与垂直发射区域1的基模相符。
在此有利的是，当在垂直发射区1中的泵浦辐射的吸收系数这样调整时，在垂直发射区1的边缘区域中的泵浦辐射的吸收并非如此强烈，以致于不再有泵浦辐射能一直射入到垂直发射区1的中央。该吸收系数的匹配可以通过对照从垂直发射区域1发出的辐射波长，合适地选取泵浦辐射的波长而实现，其又可以由在垂直发射区1中的光学有源结构的材料组成和泵浦辐射源2影响。为获得高泵浦效率，在此泵浦辐射具有一个比从垂直发射区1发出的辐射更短的波长。
在图2中所示的实施例中设置了一个泵浦辐射源2，其具有一个平谐振腔端面反射镜4和一个弯曲的谐振腔端面反射镜3。平谐振腔端面反射镜4理想地是解理的晶体晶面。弯曲的谐振腔端面反射镜3又通过蚀刻过程而产生。两个反射镜面都可以设有随后的金属喷涂。弯曲的谐振腔端面反射镜3优选地具有抛物线形状，其对称轴在泵浦辐射源2的方向上垂直于平谐振腔端面反射镜4延伸。垂直发射区1的区域在该实施例中形成圆形且被设置在抛物线的焦点上。由此来自所有方向的泵浦辐射都均匀地射入垂直发射区1中。这导致了在垂直发射区域1中的泵浦辐射强度呈径向对称分布，由此垂直发射区1的同样径向对称的基模被理想地泵浦。
在图3中示出的按照本发明的半导体激光器设备的第三个实施例中，垂直发射区1被三个在该垂直发射区1中交叉的泵浦辐射源2包围。在此，中间的泵浦辐射源2以线形的谐振腔为特征，该谐振腔以两个平谐振腔端面反射镜4为界。另外两个泵浦辐射源2同样分别以两个平谐振腔端面反射镜4为界，此外还附加地分别具有两个内部的谐振腔反射镜5。
图3中示出的结构在内部谐振腔反射镜5上造成谐振腔内部的辐射的45°入射角或出射角。鉴于材料的折射系数，如其典型地用于所示类型的半导体激光器设备，在这个角度上已经在内部谐振腔反射镜5的边界面上产生全反射。内部谐振腔反射镜5例如可以在蚀刻过程中制造，其中可省去用于淀积上反射层的附加金属喷涂。在蚀刻过程中可优先考虑湿化学或干化学蚀刻方法。可以淀积惰性的钝化层，例如氮化硅，用于保护蚀刻面和提高此面的长期化学稳定性。在一种特别合适的制造过程中可以进行蚀刻和/或金属喷涂和/或晶片结合中的钝化层淀积。接下来这些半导体激光器设备便通过锯开或折断而彼此分离。
在所示的构造中有利的是，具有不同辐射方向的多个泵浦辐射源2在垂直发射区域1中交叉并且所有这些泵浦辐射源的谐振腔以谐振腔反射镜4为界，其由解理的晶体晶面组成并因此具有较高的质量。为此目的而必需使用的内部谐振腔反射镜5由于全反射而不会引起不利的附加的谐振腔损耗。在该实施例中的四边形的垂直发射区1自然也可以具有其基面的其它形状，在此特别可能是一个六边形的基面，此种情况下产生分别垂直于垂直发射区的一个边的泵浦辐射源2的辐射。
附图4示出了第四个实施例，其中两个泵浦辐射源2在中央垂直发射区1中交叉，其在各个侧上以每两个彼此成90°角的平谐振腔端面反射镜4为界。
每两个谐振腔端面反射镜4的构造因此与一个后向反射器中的反射镜的构造相类似。
该实施例以与借助图2描述的实施例相似的方式利用全反射，以产生一个具有低反射损耗的激光器谐振腔。平的谐振腔端面反射镜4可以被蚀刻，其中可省去金属喷涂，然而必要时可以设置用于钝化的保护层。
在图5中的实施例中只设置了一个泵浦辐射源2，它被设计为具有三个内部谐振腔反射镜5的半导体环形激光器。谐振腔为一个“8”的形状，其中垂直发射区1被这样地设置在“8”的交叉点中，使得来自两个不同方向的辐射通过垂直发射区1进行。这些内部谐振腔反射镜5可以在蚀刻过程中产生。在所示的构造中，谐振腔辐射以22.5°角入射到内部谐振腔反射镜5上。根据所使用的半导体材料的折射系数，在该入射角情况下也产生全反射。在这种情况下可以省去在内部谐振腔反射镜5的面上淀积上反射涂层，并且必要时它们仅仅设置有钝化层。在其他情况下，可以淀积作为反射层的金属涂层替代钝化层。
自然也可能有其他各种数目的反射镜，并且当基于所使用的半导体材料的折射系数而在四个反射镜上产生的22.5°的入射角不足以满足全反射条件时，是特别有利的。
在图6中示出的按照本发明的半导体激光器设备的第六个实施例以圆形的垂直发射区1为特征。该垂直发射区1从四个侧面由两个在垂直发射区1中交叉的泵浦辐射源2泵浦。垂直发射区域1和泵浦辐射源2这样设置，使得它们具有不同的折射率。这可以或者通过选取材料或者通过这种方式实现，即在垂直发射区1和泵浦辐射源2之间的过渡区域中蚀刻入一个阶，该阶在波导中导致不同的阻抗并且由此导致不同的有效折射率。在来自泵浦辐射源2的泵浦辐射过渡到垂直发射区1中时，该泵浦辐射向垂直发射区1的中心折射。通过这种方式，以良好的近似实现了在垂直发射区域1中的泵浦辐射强度的径向对称分布，这又反映了基模的径向对称，并且该基模因此被优先激发。
借助这些实施例的对本发明的说明并不能被理解为本发明局限于此。更确切地说，本发明涉及具有在权利要求中提及的特征的所有构造。此外本发明还包括所有在说明书中提及的特征及其组合，即使它们未在权利要求中或说明书中被明确提及。

Claims (6)

1.光泵浦的半导体激光器设备，具有：
-表面发射的垂直发射区(1)和
-至少两个用于光泵浦所述垂直发射区(1)的单片式集成泵浦辐射源(2)，
其中所述至少两个泵浦辐射源(2)产生泵浦辐射，并且被安装和设置为使得所述泵浦辐射以源自具有不同主辐射方向的不同泵浦辐射源(2)的、具有不同辐射方向的部分辐射束的形式入射到所述垂直发射区(1)中，以便所述泵浦辐射具有一个与所述垂直发射区(1)的基模的重叠，该重叠适合于该基模的激发，
其特征在于，所述泵浦辐射源(2)各具有带有至少一个谐振腔端面反射镜装置的谐振腔，该谐振腔端面反射镜装置由两个平的、彼此成直角地设置的谐振腔端面反射镜(4)构成，或者所述泵浦辐射源(2)中的一个或多个泵浦辐射源具有带有两个谐振腔端面反射镜和至少一个内部的谐振腔反射镜(5)的折叠的谐振腔。
2.按照权利要求1所述的半导体激光器设备，其特征在于，所述泵浦辐射源(2)是边发射的半导体激光器。
3.按照权利要求1所述的半导体激光器设备，其特征在于，两个平的所述谐振腔端面反射镜(4)被设置为使得在所述谐振腔中的泵浦辐射在其上全反射。
4.按照权利要求1所述的半导体激光器设备，其特征在于，所述至少一个内部的谐振腔反射镜(5)被设置为使得在所述谐振腔中的泵浦辐射在其上全反射。
5.按照权利要求1所述的半导体激光器设备，其特征在于，在所述一个或多个泵浦辐射源(2)具有带有两个谐振腔端面反射镜和至少一个内部的谐振腔反射镜(5)的折叠的谐振腔的情况下，所述谐振腔端面反射镜是解理的晶体晶面并且所述内部谐振腔反射镜(5)是被刻蚀的反射镜。
6.按照权利要求1所述的半导体激光器设备，其特征在于，从所述泵浦辐射源(2)至所述垂直发射区(1)的过渡区域是弯曲的并以折射率变化为特征，以便所述泵浦辐射聚焦在所述垂直发射区(1)中。
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