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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiterlaservorrichtung,
die eine dielektrische Reflexionsschicht auf einer optischen Auskopplungsfläche aufweist.
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Bei
einem Halbleiterlaser ist im allgemeinen eine dielektrische Schicht
auf einer Stirnfläche
bzw. Endfläche
eines Resonators ausgebildet, die man durch Spalten eines Wafers
erhält.
Eine Reflexionsschicht, deren Reflexionsgrad auf einen gewünschten
Wert steuerbar bzw. einstellbar ist, kann gebildet werden, indem
Schichten beliebiger Art, Dicke und Anzahl für die auf der Stirnfläche auszubildende
dielektrische Schicht gewählt
werden. Zum Beispiel können
der niedrige Reflexionsgrad der vorderen Stirnfläche und der höhere Reflexionsgrad
der hinteren Stirnfläche
eine höhere
Ausgangsleistung erzeugen.
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Jedoch
genügt
es nicht immer, den Reflexionsgrad der vorderen Stirnfläche zu verringern,
und es ist notwendig, den Reflexionsgrad entsprechend der Anwendung,
d. h. der gewünschten
bzw. erforderlichen Eigenschaften des Halbleiterlasers, zu wählen.
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Bei
einem Hochleistungshalbleiterlaser zum Beispiel beträgt der Reflexionsgrad
der vorderen Stirnfläche,
aus der optisch auskoppelt wird (kurz ”optische Auskopplungsfläche”) etwa
3% bis 15%. Wenn ein Reflexionsgrad von 7% angestrebt wird, so ist
eine Kontrollierbarkeit des Reflexionsgrades innerhalb von 6% ± 1% erforderlich. Üblicherweise
wird der Reflexionsgrad der vorderen Stirnfläche, aus der bei dem Halbleiterlaser
das Laserlicht ausgekoppelt wird, über die Dicke und den Brechungsindex
ei ner einzigen Schicht gesteuert bzw. eingestellt, die z. B. aus
Al2O3, SiO2 oder dergleichen besteht.
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23 zeigt
schematisch die Struktur einer herkömmlichen Halbleiterlaservorrichtung.
Ein Laserchip umfasst ein Halbleitersubstrat 1, der zum
Beispiel aus GaAs besteht, eine aktive Schicht 2, Deck- bzw.
Führungsschichten 3,
die oberhalb und unterhalb der aktiven Schicht 2 ausgebildet
sind, und Elektroden 4, die oberhalb und unterhalb der
Deckschichten 3 ausgebildet sind.
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Eine
Halbleiterlaservorrichtung umfasst den oben beschriebenen Laserchip,
eine schwach reflektierende Schicht 8, die auf einer vorderen
Stirnfläche des
Laserchips ausgebildet ist, und eine stark reflektierende Schicht 9,
die auf einer hinteren Stirnfläche des
Laserchips ausgebildet ist.
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Im
allgemeinen wird für
die schwach reflektierende Schicht 8 auf der vorderen Stirnfläche eine aus
einer Einzelschicht aufgebaute Schicht mit einer optischen Dicke
von einem ganzzahligen Vielfachen von λ/4 ± α verwendet, wobei λ die verwendete
Laseroszillationswellenlänge
im Vakuum und α ein
Korrekturkoeffizient zur Steuerung bzw. Einstellung eines gewünschten
Reflexionsgrades ist.
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Aufgrund
der hohen Intensität
des Laserlichts erhöht
sich die Temperatur der vorderen Stirnfläche des Halbleiterlasers sehr
schnell. Daher wird die schwach reflektierende Schicht 8 typischerweise aus
einer Aluminiumoxidschicht gebildet, die eine Dicke von 3·λ/4 ± α aufweist
und als Wärmeabführplatte (”Temperaturverteiler”) dient.
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24 ist
ein Schaubild, das ein Beispiel eines Reflexionsgrades einer herkömmlichen
schwach reflektieren den Schicht in Abhängigkeit von der Wellenlänge zeigt. 25 ist
ein Schaubild, die ein Beispiel eines Reflexionsgrades der herkömmlichen schwach
reflektierenden Schicht in Abhängigkeit
von der Schichtdicke zeigt. Hier ist als schwach reflektierende
Schicht 8 eine Aluminiumoxidschicht mit einer Dicke von
318,9 nm (α =
+17 nm) auf der vorderen Stirnfläche
eines roten Halbleiterlasers mit einer Oszillationswellenlänge von λ = 660 nm
ausgebildet.
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Im übrigen beträgt der Brechungsindex
des Laserchips 3,817.
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Mit
Bezug auf 25, ist zu erkennen, dass die
Dicke der schwach reflektierenden Schicht 8 mit einer Genauigkeit
von ± 1%,
d. h. annähernd ± 3 nm, bezüglich des
Sollwertes da = 318,9 nm der Dicke gesteuert werden muss, wenn der
Reflexionsgrad der schwach reflektierenden Schicht 8 innerhalb
von 6% ± 1%
gesteuert werden soll. Eine solche Genauigkeit lässt sich mittels Vakuumverdampfung
oder Sputtern, Verfahren, die im allgemeinen zur Bildung von dünnen Schichten
in der Optik verwendet wird, nur schwer erreichen, was eine niedrige
Fertigungsausbeute von Halbleiterlasern zur Folge hat.
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Relevante
Druckschriften des Standes der Technik sind die
JP 2001-77456 A (2001)
und die
JP 3080312
B2 (2000).
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Falls
man eine schwach reflektierende Schicht 8 mit einem Reflexionsgrad
in einem Bereich von zum Beispiel 6% ± 1% erreicht, darf eine Abweichung
der Dicke der aus einer Einzelschicht aus Aluminiumoxid gebildeten
Schicht höchstens ± 1% betragen,
was wie gesagt eine schwierigere Steuerbarkeit des Reflexionsgrades
und eine niedrigere Fertigungsausbeute zur Folge hat.
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Aus
der
US 6 020 992 A ,
die schwach absorbierende Beschichtungen für laser-optische Elemente im
Infrarotbereich offenbart, und der
US 4 925 259 A die eine reflektierende Schicht
aus Einzelschichten offenbart, ist es bekannt, reflektierende Schichten vorzusehen,
die aus einer Mehrzahl von dielektrischen Einzelschichten gebildet
und auf einer optischen Auskopplungsfläche (Spiegel) eines Lasers angeordnet
sind, wobei insbesondere vier dielektrische Einzelschichten gewählt werden
können,
um die Reflexionseigenschaften der Gesamtschicht festlegen zu können, und
wobei in jedem Fall eine periodische Aufeinanderfolge von Einzelschichten
aufrecht erhalten wird.
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Als
allgemeiner Stand der Technik sei noch das Werk ”Laser Spectroscopy”, von D.
Demröder, Springer
Verlag (1981), S. 160–165,
genannt, in dem die grundlegenden Konzepte, die in den Vorrichtungen
der vorliegenden Erfindung angewendet werden, beschrieben sind.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Halbleiterlaservorrichtung
bereitzustellen, die einen Reflexionsgrad aufweist, der trotz Abweichungen
der Dicke und des Brechungsindex einer dielektrischen Schicht, die
auf einer Stirnfläche
des Laserchips angeordnet ist und eine reflektierende Schicht bildet,
zuverlässig
auf einen gewünschten
Sollwert, welcher für
Anwendungen der Laservorrichtung leicht erreichbar ist, einstellbar
ist.
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Eine
Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst eine reflektierende Schicht, die aus einer aus
mehreren Einzelschichten aufgebauten dielektrischen Schicht gebildet
ist und an wenigstens einer optischen Auskopplungsfläche eines
Laserchips angeordnet ist, wobei die reflektierende Schicht, die
einen Reflexionsgrad von 3% bis 15% bei der Oszillationswellenlänge der
Halbleitervorrichtung aufweist – in
dieser Reihenfolge und beginnend an der den Laserchip berührenden
Seite – eine
erste dielektrische Einzelschicht mit einem Brechungsindex n1, eine
zweite dielektrische Einzelschicht mit einem Brechungsindex n2,
eine dritte dielektrische Einzelschicht mit einem Brechungsindex n3
und eine vierte dielektrische Einzelschicht mit einem Brechungsindex
n4 umfasst, wobei die Brechungsindices entweder der Beziehung n2
= n4 < n1 < n3 oder der Beziehung
n2 = n4 < n3 < n1 genügen.
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Durch
eine solche Konfiguration kann die Abhängigkeit des Reflexionsgrades
der aus mehreren Einzelschichten aufgebauten dielektrischen Schicht von
der Dicke und der Wellenlänge
reduziert werden. Daher kann ein für die jeweilige Anwendung der
Laservorrichtung gewünschter
oder erforderlicher Reflexionsgrad leicht realisiert werden, und
die Fertigungsausbeute der Halbleitervorrichtung kann erhöht werden.
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1 ist
eine Ansicht, die einen strukturellen Aufbau einer Laservorrichtung
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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2 ist
ein Schaubild, das den Reflexionsgrad der schwach reflektierenden
Schicht 10 in Abhängigkeit
von der Wellenlänge
zeigt.
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3 ist
ein Schaubild, das den Reflexionsgrad der schwach reflektierenden
Schicht 10 in Abhängigkeit
von der Dicke der ersten dielektrischen Einzelschicht 11 zeigt.
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4 ist
ein Schaubild, das den Reflexionsgrad der schwach reflektierenden
Schicht 10 in Abhängigkeit
von der Dicke der zweiten dielektrischen Einzelschicht 12 zeigt.
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5 ist
ein Schaubild, das den Reflexionsgrad der schwach reflektierenden
Schicht 10 in Abhängigkeit
von der Dicke der dritten dielektrischen Einzelschicht 13 zeigt.
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6 ist
ein Schaubild, das den Reflexionsgrad der schwach reflektierenden
Schicht 10 in Abhängigkeit
von der Dicke der vierten dielektrischen Einzelschicht 14 zeigt.
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7 ist
ein Schaubild, das den Reflexionsgrad der schwach reflektierenden
Schicht 10 in Abhängigkeit
von der Wellenlänge
zeigt.
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8 ist
ein Schaubild, das den Reflexionsgrad der schwach reflektierenden
Schicht 10 in Abhängigkeit
von der Dicke der ersten dielektrischen Einzelschicht 11 zeigt.
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9 ist
ein Schaubild, das den Reflexionsgrad der schwach reflektierenden
Schicht 10 in Abhängigkeit
von der Dicke der zweiten dielektrischen Einzelschicht 12 zeigt.
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10 ist
ein Schaubild, das den Reflexionsgrad der schwach reflektierenden
Schicht 10 in Abhängigkeit
von der Dicke der dritten dielektrischen Einzelschicht 13 zeigt.
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11 ist
ein Schaubild, das den Reflexionsgrad der schwach reflektierenden
Schicht 10 in Abhängigkeit
von der Dicke der vierten dielektrischen Einzelschicht 14 zeigt.
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12 ist
ein Schaubild, das den Reflexionsgrad einer aus mehreren Einzelschichten
aufgebauten dielektrischen Schicht in Abhängigkeit von der Wellenlänge zeigt,
wobei die dielektrische Schicht bei zwei Wellenlängen einen Reflexionsgrad von
annähernd
6% aufweist.
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13 ist
ein Schaubild, das den Reflexionsgrad der schwach reflektierenden
Schicht 10 in Abhängigkeit
von der Wellenlänge
zeigt.
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14 ist
ein Schaubild, das den Reflexionsgrad der schwach reflektierenden
Schicht 10 in Abhängigkeit
von der Dicke des ersten dielektrischen Einzelschicht 11 zeigt.
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15 ist
ein Schaubild, das den Reflexionsgrad der schwach reflektierenden
Schicht 10 in Abhängigkeit
von der Dicke der zweiten dielektrischen Einzelschicht 12 zeigt.
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16 ist
ein Schaubild, das den Reflexionsgrad der schwach reflektierenden
Schicht 10 in Abhängigkeit
von der Dicke der dritten dielektrischen Einzelschicht 13 zeigt.
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17 ist
ein Schaubild, das den Reflexionsgrad der schwach reflektierenden
Schicht 10 in Abhängigkeit
von der Dicke der vierten dielektrischen Einzelschicht 14 zeigt.
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18 ist
ein Schaubild, das den Reflexionsgrad einer Anti-Reflexionsschicht
in Abhängigkeit von
der Wellenlänge
zeigt.
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19 ist
ein Schaubild, das den Reflexionsgrad der obigen Anti-Reflexionsschicht
in Abhängigkeit
von der Dicke der dielektrischen Einzelschicht Q5 zeigt.
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20 ist
eine Kennlinie, die den Reflexionsgrad der obigen Anti-Reflexionsschicht
in Abhängigkeit
von der Dicke der dielektrischen Einzelschicht Q6 zeigt.
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21 ist
ein Schaubild, das den Reflexionsgrad der obigen Anti-Reflexionsschicht
in Abhängigkeit
von der Dicke der dielektrischen Einzelschicht Q7 zeigt.
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22 ist
eine Kennlinie, die den Reflexionsgrad der obigen Anti-Reflexionsschicht
in Abhängigkeit
von der Dicke der dielektrischen Einzelschicht Q8 zeigt.
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23 ist
eine Ansicht, die einen strukturellen Aufbau einer herkömmlichen
Halbleiterlaservorrichtung zeigt.
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24 ist
ein Schaubild, das ein Beispiel eines Reflexionsgrades einer herkömmlichen
schwach reflektierenden Schicht in Abhängigkeit von der Wellenlänge zeigt.
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25 ist
ein Schaubild, das ein Beispiel eines Reflexionsgrades der herkömmlichen
schwach reflektierenden Schicht in Abhängigkeit von der Dicke zeigt.
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Diese
Anmeldung basiert auf der Anmeldung Nr.
2003-88905 ,
eingereicht in Japan am 27. März 2003,
deren Offenbarung durch Bezugnahme hierein enthalten ist.
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Nachfolgend
sind bevorzugte Ausführungsformen
mit Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben.
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Ausführungsform
1
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1 ist
eine Ansicht, die einen strukturellen Aufbau einer Laservorrichtung
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt, dargestellt als vertikaler Schnitt
entlang der optischen Achse. Ein Laserchip umfasst ein Halbleitersubstrat 1 wie
etwa GaAs, eine aktive Schicht 2, Deck- bzw. Führungsschichten 3,
die oberhalb und unterhalb der aktiven Schicht 2 ausgebildet
sind, und Elektroden 4, die oberhalb und unterhalb der
Deckschichten 3 ausgebildet sind.
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Ein
Halbleiterlaser umfasst den oben erwähnten Laserchip, eine schwach
reflektierende Schicht 10, die an einer vorderen Stirnfläche des
Laserchips ausgebildet ist, und eine stark reflektierende Schicht 9,
die an einer hinteren Stirnfläche
des Laserchips ausgebildet ist.
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Die
schwach reflektierende Schicht 10 ist – in dieser Reihenfolge und
beginnend auf einer mit dem Laserchip in Kontakt befindlichen Seite – aus einer
dielektrischen Einzelschicht 11 mit einem Brechungsindex
n1 und einer Dicke d1, einer dielektrischen Einzelschicht 12 mit
einem Brechungsindex n2 und einer Dicke d2, einer dielektrischen
Einzelschicht 13 mit einem Brechungsindex n3 und einer
Dicke d3 und einer dielektrischen Einzelschicht 14 mit
einem Brechungsindex n4 und einer Dicke d4 gebildet.
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Bei
dieser Ausführungsform
sind die Materialien der dielektrischen Einzelschichten 12 und 14 so ausgewählt, dass
der Brechungsindex n2 der dielektrischen Einzelschicht 12 und
der Brechungsindex n4 der dielektrischen Einzelschicht 14 gleich
groß sind, und
das Material der dielektrischen Einzelschicht 11 ist so
ausgewählt,
dass der Brechungsindex n1 der dielektrischen Einzelschicht 11 größer als
der Brechungsindex n2 (=n4) ist, und das Material der dielektrischen
Einzelschicht 13 ist so ausgewählt, dass der Brechungsindex
n3 der dielektrischen Einzelschicht 13 größer als
der Brechungsindex n1 ist. Demzufolge genügen die Brechungsindices n1
bis n4 der dielektrischen Einzelschichten 11 bis 14 der
Beziehung: n2 = n4 < n1 < n3.
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Als
Beispiel für
eine typische Konfiguration der schwach reflektierenden Schicht 10 wird
im Falle der Verwendung eines roten Halbleiterlasers (Brechungsindex:
3,817) mit einer Oszillationswellenlänge von λ = 660 nm Aluminiumoxid Al2O3 mit einem Brechungsindex
von n1 = 1,638 für
die dielektrische Einzelschicht 11, Siliziumoxid SiO2 mit einem Brechungsindex von n2 = n4 =
1,489 für
die dielektrischen Einzelschichten 12 und 14 bzw.
Tantaloxid Ta2O5 mit
einem Brechungsindex von n3 = 2,063 für die dielektrische Einzelschicht 13 verwendet.
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Ferner
sind die Dicken d1 bis d4 der dielektrischen Einzelschichten 11 bis 14 jeweils
so ausgelegt, dass die entsprechenden optischen Weglängen 1/4
der Oszillationswellenlänge λ betragen,
d. h. ni·di = λ/4 für i = 1
bis 4.
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Insbesondere
beträgt
die Dicke d1 der dielektrischen Einzelschicht 11 100,7
nm, die Dicke d2 der dielektrischen Einzelschicht 12 110,8
nm, die Dicke d3 der dielektrischen Einzelschicht 13 80,0
nm und die Dicke d4 (=d2) der dielektrischen Einzelschicht 14 110,8
nm.
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Bei
einer solchen Konfiguration weist die schwach reflektierende Schicht 10 bei
einer Oszillationswellenlänge
von λ =
660 nm einen Reflexionsgrad von 6% auf.
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2 ist
ein Schaubild, das den Reflexionsgrad der schwach reflektierenden
Schicht 10 in Abhängigkeit
von der Wellenlänge
zeigt. Dieses Schaubild zeigt bei der mittleren Wellenlänge von λ = 660 nm
einen Reflexionsgrad von 6%, wobei eine Änderung des Reflexionsgrades
in Abhängigkeit
von der Wellenlänge
im Vergleich zu einer entsprechenden Änderung in dem Schaubild der 24 beträchtlich kleiner
ist. Insbesondere weist die schwach reflektierende Schicht 10 einen
von der Oszillationswellenlänge
des Lasers im Wesentlichen unabhängigen und
daher im Wesentlichen konstanten bzw. stabilen Reflexionsgrad auf.
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3 ist
ein Schaubild, das den Reflexionsgrad der schwach reflektierenden
Schicht 10 in Abhängigkeit
von der Dicke der ersten dielektrischen Einzelschicht 11 zeigt. 4 ist
ein Schaubild, das den Reflexionsgrad der schwach reflektierenden Schicht 10 in
Abhängigkeit
von der Dicke der zweiten dielektrischen Einzelschicht 12 zeigt. 5 ist
ein Schaubild, das den Reflexionsgrad der schwach reflektierenden
Schicht 10 in Abhängigkeit
von der Dicke der dritten dielektrischen Einzelschicht 13 zeigt. 6 ist
ein Schaubild, das den Reflexionsgrad der schwach reflektierenden
Schicht 10 in Abhängigkeit von
der Dicke der vierten dielektrischen Einzelschicht 14 zeigt.
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Jedes
dieser Schaubilder zeigt bei dem jeweiligen Sollwert ”da” der Dicke
einen Reflexionsgrad von 6%, wobei eine Änderung des Reflexionsgrades
in Abhängigkeit
von einer Änderung
der Dicke der jeweiligen dielektrischen Einzelschicht im Vergleich
zu einer in dem Schaubild der 25 gezeigten
entsprechenden Änderung
beträchtlich
geringer ist. Der Reflexionsgrad der schwach reflektierenden Schicht 10 ändert sich
kaum, selbst wenn sich die Dicken d1 bis d4 bis zu ±10% gegenüber dem
Sollwert ”da” der jeweiligen
Dicke ändern.
Somit ist zu erkennen, dass eine Veränderung des Reflexionsgrades auf
höchstens
0,3% abgesenkt werden kann.
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In
einem weiteren Fall, in dem die schwach reflektierende Schicht 10 bei
einer Wellenlänge
von λ =
660 nm einen Reflexionsgrad von 7% aufweist, wird, in gleicher Weise
wie oben beschrieben, Aluminiumoxid Al2O3 mit einem Brechungsindex von n1 = 1,638
für die
dielektrische Einzelschicht 11, Siliziumoxid SiO2 mit einem Brechungsindex von n2 = n4 = 1,489
für die
dielektrischen Einzelschichten 12 und 14 und Tantaloxid
Ta2O5 mit einem
Brechungsindex von n3 = 2,063 für
die dielektrische Einzelschicht 13 verwendet. Und die Solldicken
der dielektrischen Einzelschichten beträgt d1 = 100,7 nm, d2 = d4 =
100,0 nm bzw. d3 = 100,0 nm.
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7 ist
ein Schaubild, das den Reflexionsgrad der schwach reflektierenden
Schicht 10 in Abhängigkeit
von der Wellenlänge
zeigt. Dieses Schaubild zeigt bei der mittleren Wellenlänge von λ = 660 nm
einen Reflexionsgrad von 7%, wobei eine Änderung des Reflexionsgrades
als Funktion der Oszillationswellenlänge im Vergleich zu einer entsprechenden Änderung
in dem Schaubild der 24 beträchtlich kleiner ist. Daher
ist zu erkennen, dass der Reflexionsgrad der schwach reflektierenden
Schicht 10 selbst dann im Wesentlichen konstant ist, wenn
sich die Oszillationswellenlänge
des Lasers ändert.
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8 ist
ein Schaubild, das den Reflexionsgrad der schwach reflektierenden
Schicht 10 in Abhängigkeit
von der Dicke der ersten dielektrischen Einzelschicht 11 zeigt. 9 ist
ein Schaubild, das den Reflexionsgrad der schwach reflektierenden Schicht 10 in
Abhängigkeit
von der Dicke der zweiten dielektrischen Einzelschicht 12 zeigt. 10 ist
ein Schaubild, dass den Reflexionsgrad der schwach reflektierenden
Schicht 10 in Abhängigkeit
von der Dicke der dritten dielektrischen Einzelschicht 13 zeigt. 11 ist
ein Schaubild, das den Reflexionsgrad der schwach reflektierenden
Schicht 10 in Abhängigkeit von
der Dicke der vierten dielektrischen Einzelschicht 14 zeigt.
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Jedes
dieser Schaubilder zeigt bei der Solldicke ”da” einen Reflexionsgrad von
7%, wobei eine Änderung
des Reflexionsgrades in Abhängigkeit
von der Dicke der jeweiligen dielektrischen Einzelschicht im Vergleich
zu einer entsprechenden Änderung
in dem Schaubild der 25 beträchtlich kleiner ist. Der Reflexionsgrad
der schwach reflektierenden Schicht 10 ändert sich selbst dann kaum,
wenn sich die Dicken d1 bis d4 um ±10% gegenüber dem Sollwert ”da” der Dicke ändern. Insbesondere
kann eine Änderung
des Reflexionsgrades innerhalb eines Bereichs von höchstens
0,8% gehalten werden kann.
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Wenn
daher jeder der Brechungsindices n1 bis n4 der dielektrischen Einzelschichten 11 bis 14 einer
Beziehung n2 = n4 < n1 < n3 genügt, kann
die Wellenlängenabhängigkeit
und die Dickenabhängigkeit
des Reflexionsgrades der aus mehreren Einzelschichten aufgebauten
dielektrischen Schicht kleiner werden, wodurch die Fertigungsausbeute
der Halbleiterlaservorrichtung erhöht wird.
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Darüber hinaus
ist es vorzuziehen, dass der Brechungsindex n1 der Beziehung genügt: 1,6 < n1 ≤ 1,9, der
Brechungsindex n2 der Beziehung genügt: 1,3 ≤ n2 ≤ 1,6, der Brechungsindex n3 der
Beziehung genügt
1,9 < n3 ≤ 2,3 und der
Brechungsindex n4 der Beziehung genügt 1,3 ≤ n4 ≤ 1,6, und die Dicke d1 im Wesentlichen
(2·h
+ 1)λ/(4·n1) beträgt, die
Dicke d2 im Wesentlichen (2·i
+ 1)λ/(4·n2) beträgt, die
Dicke d3 im Wesentlichen (2·j
+ 1)λ/(4·n3) beträgt und die Dicke
d4 im Wesentlichen (2·k
+ 1)λ/(4·n4) beträgt, wobei
h, i, j und k jeweils Null oder eine positive ganze Zahl ist. Diese
Konfiguration ermöglicht
es, dass eine aus mehreren Einzelschichten aufgebaute dielektrische
Schicht auf einen gewünschten
Reflexionsgrad innerhalb eines Bereichs von 3% bis 15% eingestellt
werden kann.
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Ferner,
damit jeder der Brechungsindices der Beziehung: n2 = n4 < n1 < n3 genügt, ist
es vorteilhaft, dass die dielektrische Einzelschicht 11 entweder
aus Al2O3, CeF3, NdF3, MgO oder
Y2O3 gebildet ist,
die dielektrischen Einzelschichten 12 und 14 entweder
aus SiO2, MgF2,
BaF2 oder CaF2 gebildet sind,
und die dielektrische Einzelschicht 13 entweder aus Ta2O5, SiO, ZrO2, ZnO, TiO, TiO2,
ZnS, Nb2O5, HfO2 oder AlN gebildet ist. Die Verwendung dieser Materialien
erleichtert die Realisierung eines gewünschten Reflexionsgrades einer
aus mehreren Einzelschichten aufgebauten dielektrischen Schicht.
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Ferner,
wenn jeder der Brechungsindices n1 bis n4 der dielektrischen Einzelschichten 11 bis 14 der
Beziehung n2 = n4 < n1 < n3 genügt, weist
die reflektierende Schicht bei einer gewünschten Wellenlänge einen
Reflexionsgrad von 3% bis 15% haben, wenn die Dicken d1 bis d4 jeweils
so eingestellt werden, dass die entsprechenden optischen Weglängen di·ni innerhalb eines Bereichs von ±30% von
1/4 der gewünschten
Oszillationswellenlänge
liegen. Daher können
Spezifikationen je nach Anwendung der Laservorrichtung leicht modifiziert
werden, und die Ausbeute der Halbleiterlaservorrichtung kann erhöht werden,
indem die Wellenlängenabhängigkeit
und die Dickenabhängigkeit
berücksichtigt
wird.
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Die
Halbleiterlaservorrichtung, die ein Laserlicht mit einer einzigen
Oszillationswellenlänge
aussendet, ist oben ausführlich
beschrieben. Eine solche schwach reflektierende Schicht 10 wie
oben beschrieben kann an einem Laserchip angebracht werden, der
eine Mehrzahl von Licht-emittierenden Punkten aufweist (sogenannter ”Mehrstrahllaser”), die
zwei oder mehrere unterschiedliche Oszillationswellenlängen aufweisen.
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Zum
Beispiel kann ein Laserchip, der für beide Standards – DVD (digital
versatile disc) und CD (compact disc) – angewendet werden kann, einen Strahl
mit einer Wellenlänge
von 660 nm und einen weiteren Strahl mit einer Wellenlänge von
780 nm aussenden. In diesem Fall würde eine aus mehreren Einzelschichten
aufgebaute dielektrische Schicht erforderlich sein, die die gewünschten
Reflexionsgrade aufweist.
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Dann,
wenn jeder der Brechungsindices n1 bis n4 der dielektrischen Einzelschichten 11 bis 14 der
Beziehung n2 = n4 < n1 < n3 genügt, weist
die reflektierende Schicht bei gewünschten Wellenlängen gewünschte Reflexionsgrade
auf, indem die Dicken d1 bis d4 jeweils so ausgelegt sind, dass
ihre jeweiligen optischen Weglängen
di·ni in einem Bereich von ±30% von λ/4 liegen, wobei λ die gewünschte Oszillationswellenlänge bedeutet.
Wie zum Beispiel in 12 gezeigt ist, lässt sich
eine aus mehreren Einzelschichten aufgebaute dielektrische Schicht
ge winnen, die sowohl bei 660 nm als auch bei 780 nm einen Reflexionsgrad
von ungefähr
6% aufweist.
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Ferner,
falls zwei oder mehrere der oben genannten Halbleiterlaservorrichtungen
in einer einzigen Baugruppe bzw. in einem einzigen Gehäuse angeordnet
sind, wobei die von den Laserchips emittierten Wellenlängen verschieden
sind, und jede der aus mehreren Einzelschichten aufgebaute dielektrische Schicht
auf der optischen Auskopplungsfläche
des jeweiligen Laserchips aus dem gleichen Material und mit der
gleichen Dicke ausgebildet ist, dann weist die reflektierende Schicht
in der gleichen Weise wie bei dem Mehrstrahllaser bei gewünschten
Wellenlängen gewünschte Reflexionsgrade
auf, wenn in der Mitte die optische Weglänge jeder der Dicken d1 bis
d4 mit einer Genauigkeit von ±30%
von λ/4
eingestellt ist, wobei λ die
Oszillationswellenlänge
ist.
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Ausführungsform
2
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Diese
Ausführungsform
weist eine ähnliche Konfiguration
wie die in 1 gezeigte Halbleiterlaservorrichtung
auf. Eine schwach reflektierende Schicht 10 ist – aufeinanderfolgend
und beginnend an einer mit dem Laserchip in Kontakt befindlichen Fläche – aus einer
dielektrischen Einzelschicht 11 mit einem Brechungsindex
n1 und einer Dicke d1, einer dielektrischen Einzelschicht 12 mit
einem Brechungsindex n2 und einer Dicke d2, einer dielektrischen
Einzelschicht 13 mit einem Brechungsindex n3 und einer
Dicke d3 und einer dielektrischen Einzelschicht 14 mit
einem Brechungsindex n4 und einer Dicke d4 ausgebildet. Jedoch sind
die Materialien der dielektrischen Einzelschichten so gewählt, dass
die Brechungsindices n1 bis n4 der Beziehung n2 = n4 < n3 < n1 genügen.
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Als
Beispiel einer typischen Konfiguration der schwach reflektierenden
Schicht 10 wird im Falle eines roten Halbleiterlasers (Brechungsindex
von 3,817) mit einer Oszillationswellenlänge von λ = 660 nm Tantaloxid Ta2O5 mit einem Brechungsindex
von n1 = 2,063 für
die dielektrische Einzelschicht 11, die in Kontakt mit
dem Laserchip ist, Siliziumoxid SiO2 mit
einem Brechungsindex von n2 = n4 = 1,489 für die dielektrischen Einzelschichten 12 und 14 und
Aluminiumoxid Al2O3 mit
einem Brechungsindex von n3 = 1,638 für die dielektrische Einzelschicht 13 verwendet.
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Darüber hinaus
sind die geometrischen Dicken d1 bis d4 jeweils so ausgelegt, dass
die entsprechenden optischen Weglängen di·ni jeweils 1/4 der Oszillationswellenlänge λ betragen.
Insbesondere beträgt
die Dicke d1 der dielektrischen Einzelschicht 11 80,0 nm,
die Dicke d2 der dielektrischen Einzelschicht 12 110,8
nm, die Dicke d3 der dielektrischen Einzelschicht 13 100,7
nm und die Dicke d4 (=d2) der dielektrischen Einzelschicht 14 110,8
nm.
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Bei
einer solchen Konfiguration weist die schwach reflektierende Schicht 10 bei
einer Oszillationswellenlänge
von λ =
660 nm einen Reflexionsgrad von 6% nm auf.
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13 ist
ein Schaubild, das den Reflexionsgrad der schwach reflektierenden
Schicht 10 in Abhängigkeit
von der Wellenlänge
zeigt. Dieses Schaubild zeigt bei der mittleren Wellenlänge von λ = 660 nm
einen Reflexionsgrad von 6%, wobei eine Änderung des Reflexionsgrades
mit der Oszillationswellenlänge
im Vergleich zu einer entsprechenden Änderung in dem Schaubild der 24 erheblich
kleiner ist. Dies zeigt, dass die schwach reflektierende Schicht 10 einen
konstanten und von dem gezeigten Wellenlängenbereich des Lasers im Wesentlichen unabhängigen Reflexionsgrad
hat.
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14 ist
ein Schaubild, das den Reflexionsgrad der schwach reflektierenden
Schicht 10 in Abhängigkeit
von der Dicke der ersten dielektrischen Einzelschicht 11 zeigt. 15 ist
ein Schaubild, das den Reflexionsgrad der schwach reflektierenden Schicht 10 in
Abhängigkeit
von der Dicke der zweiten dielektrischen Einzelschicht 12 zeigt. 16 ist
ein Schaubild, das den Reflexionsgrad der schwach reflektierenden
Schicht 10 in Abhängigkeit
von der Dicke der dritten dielektrischen Einzelschicht 13 zeigt. 17 ist
ein Schaubild, das den Reflexionsgrad der schwach reflektierenden
Schicht 10 in Abhängigkeit von
der Dicke der vierten dielektrischen Einzelschicht 14 zeigt.
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Jedes
dieser Schaubilder zeigt bei dem jeweiligen Sollwert ”da” der Dicke
einen Reflexionsgrad von 6%, wobei sich der Reflexionsgrad in Abhängigkeit
von der Dicke der jeweiligen dielektrischen Einzelschicht im Vergleich
zu einer entsprechenden Änderung
in dem Schaubild der 25 erheblich weniger ändert. Der
Reflexionsgrad der schwach reflektierenden Schicht 10 ändert sich selbst
dann kaum, wenn sich jede der Dicken d1 bis d4 gegenüber dem
jeweiligen Sollwert ”da” um ±10% ändert. Somit
kann eine Abweichung des Reflexionsgrades auf höchstens 0,3% gedrückt werden.
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Wenn
daher jeder der Brechungsindices n1 bis n4 der dielektrischen Einzelschichten 11 bis 14 der
Beziehung n2 = n4 < n3 < n1 genügt, wird
die Wellenlängenabhängigkeit
und die Dickenabhängigkeit
des Reflexionsgrades der aus mehreren Einzelschichten aufgebauten
dielektrischen Schicht reduziert, wodurch die Ausbeute der Halbleiterlaservorrichtung
erhöht
wird.
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Außerdem ist
es vorteilhaft, dass der Brechungsindex n1 der Beziehung 1,9 < n1 ≤ 2,3, der Brechungsindex
n2 der Beziehung 1,3 ≤ n2 ≤ 1,6, der Brechungsindex
n3 der Beziehung 1,6 < n3 ≤ 1,9 und der
Brechungsindex n4 der Beziehung 1,3 ≤ n4 ≤ 1,6 genügt und die Dicke d1 im Wesentlichen
(2h + 1)λ/(4·n1), die
Dicke d2 im Wesentlichen (2i + 1)λ/(4·n2), die
Dicke d3 im Wesentlichen (2j + 1)λ/(4·n3) und
die Dicke d4 im Wesentlichen (2k + 1)λ/(4·n4) beträgt, wobei h, i, j und k jeweils
Null oder eine positive ganze Zahl sind. Durch diese Anordnung kann
eine aus mehreren Einzelschichten aufgebaute dielektrische Schicht
auf einen gewünschten Reflexionsgrad
im Bereich von 3% bis 15% eingestellt werden.
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Ferner,
damit jeder der Brechungsindices der Beziehung n2 = n4 < n3 < n1 genügt, ist
die dielektrische Einzelschicht 11 vorzugsweise entweder aus
Ta2O5, SiO, ZrO2, ZnO, TiO, TiO2,
ZnS, Nb2O5, HfO2 oder AlN gebildet, sind die dielektrischen
Einzelschichten 12 und 14 vorzugsweise entweder
aus SiO2, MgF2,
BaF2 oder CaF2 gebildet,
und ist die dielektrische Einzelschicht 13 vorzugsweise
entweder aus Al2O3,
CeF3, NdF3, MgO
oder Y2O3 gebildet.
Die Verwendung dieser Materialien erleichtert die Herstellung eines
gewünschten
Reflexionsgrades einer aus mehreren Einzelschichten aufgebauten
dielektrischen Schicht.
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Ferner,
wenn die Brechungsindices n1 bis n4 der dielektrischen Einzelschichten 11 bis 14 der
Beziehung n2 = n4 ≤ n3 ≤ n1 genügen, weist
die reflektierende Schicht bei einer gewünschten Wellenlänge einen
Reflexionsgrad von 3% bis 15% auf, wenn die geometrischen Dicken
d1 bis d4 jeweils so ausgelegt sind, dass die entsprechenden optischen
Weglängen di·ni innerhalb eines Bereichs von ±30% liegen.
Daher können
Spezifikationen je nach Anwendung der Laservorrichtung leicht modifiziert
werden, und die Ausbeute der Halbleiterlaservorrichtung kann erhöht werden,
indem die Wellenlängenabhängigkeit
und die Dickenabhängigkeit
berücksichtigt
werden.
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Eine
solche schwach reflektierende Schicht 10 wie oben beschrieben
kann in Zusammenhang mit einen Laserchip verwendet werden, der eine
Mehrzahl von Licht-emittierenden Punkten aufweist (sogenannter Mehrstrahllaser
wie etwa bei einem sowohl für
DVD als auch für
CD verwendeten Abtaster), die zwei oder mehrere unterschiedliche
Oszillationswellenlängen
aussenden.
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Ferner,
wenn zwei oder mehrere der obigen Halbleitervorrichtungen in einem
einzigen Gehäuse untergebracht
sind, wobei jeder der Laserchips eine unterschiedliche Wellenlänge aussendet,
und jeder der aus mehreren Einzelschichten aufgebauten Schichten
auf der optischen Auskopplungsfläche
des jeweiligen Laserchips aus dem gleichen Material und mit der
gleichen Dicke ausgebildet ist, wird die reflektierende Schicht
bei gewünschten
Wellenlängen
gewünschte
Reflexionsgrade aufweisen.
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Ausführungsform
3
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Eine
Halbleiterlaservorrichtung gemäß einer dritten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist eine Konfiguration auf, die der
in 1 gezeigten Konfiguration ähnlich ist. Jedoch ist zusätzlich zu der
aus vier Einzelschichten aufgebauten schwach reflektierenden Schicht
eine aus mehreren Einzelschichten aufgebaute dielektrische Schicht,
bestehend aus einer fünften
dielektrischen Einzelschicht und einer sechsten dielektrischen Einzelschicht,
in einem anderen Bereich als einem Licht-emittierenden Punkt ausgebildet, so
dass man eine weitere schwach reflektierende Schicht erhält, deren
Reflexionsgrad niedriger als der Reflexionsgrad des Bereichs des
Licht-emittierenden Punktes ist.
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Bei
Halbleiterlasern für
optische Speicherplatten wird das sogenannte Dreistrahlverfahren
zur Spurnachfüh rung
verwendet, bei dem ein von der optischen Speicherplatte kommendes
Licht auf einen von dem Licht-emittierenden Punkt des Laserchips verschiedenen
Bereich gestrahlt werden kann. Wenn eine gleichmäßig reflektierende Schicht
auf einer Stirnfläche
des Chips gebildet ist, so ist der Reflexionsgrad des von dem Licht-emittierenden
Punkt verschiedenen Bereich gleich wie der Reflexionsgrad des Licht-emittierenden
Punkts. Daher kann das von der optischen Speicherplatte zurückgesandte
Licht erneut durch die Stirnfläche
des Chips reflektiert werden, um so auf die optische Speicherplatte
zurück
zu gelangen, wodurch das Spurnachführungsvermögender optischen Abtastung
nachteilig beeinflusst wird. Daher ist der von dem Licht-emittierenden Punkt
verschiedene Bereich vorzugsweise mit einer Beschichtung versehen,
dessen Reflexionsgrad so niedrig wie möglich ist, um einen solchen
nachteiligen Effekt zu unterdrücken.
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Anschließend wird
in dem von dem Licht-emittierenden Punkt verschiedenen Bereich eine
aus mehreren Einzelschichten aufgebaute Schicht, die aus einer fünften dielektrischen
Einzelschicht und einer sechsten dielektrischen Einzelschicht besteht,
zusätzlich
zu der aus vier Einzelschichten aufgebauten schwach reflektierenden Schicht
gebildet, so dass man leicht eine weitere schwacher reflektierende
Schicht erhält,
deren Reflexionsgrad kleiner als der Reflexionsgrad des Bereichs
des Licht-emittierenden
Punktes ist.
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Wenn
zwei Doppelschichten gebildet werden, die zum Beispiel – aufeinanderfolgend
und beginnend auf der mit der aus vier Einzelschichten aufgebauten
schwach reflektierenden Schicht 10 in Kontakt befindlichen
Seite – eine
dielektrische Einzelschicht Q5 mit einem Brechungsindex n5 und einer Dicke
d5, eine dielektrische Einzelschicht Q6 mit einem Brechungsindex
n6 und einer Dicke d6, eine dielektrische Einzelschicht Q7 mit einem
Brechungsindex n7 (=n5) und einer Dicke d7 (=d5) und eine dielektrischen
Schicht Q8 mit einem Brechungsindex n8 (=n6) und einer Dicke d8
(=d6) umfassen, haben die Dicken d5 bis d8 einen solchen Wert, dass
die jeweiligen optischen Weglängen
ein ganzzahliges Vielfaches der Oszillationswellenlänge haben,
d. h. di·ni = k·λ/4, wobei
k eine positive ganze Zahl ist, was einen Querschnittsbereich mit
niedrigem Reflexionsgrad ergibt.
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Die
dielektrische Einzelschicht Q5 ist vorzugsweise entweder aus Al2O3, CeF3,
NdF3, MgO oder Y2O3 gebildet, die dielektrische Einzelschicht
Q6 ist vorzugsweise entweder aus SiO2, MgF2, BaF2 oder CaF2 gebildet, die dielektrische Einzelschicht Q7
ist vorzugsweise entweder aus Al2O3, CeF3, NdF3, MgO oder Y2O3 gebildet, und die dielektrische Einzelschicht
Q6 ist vorzugsweise entweder aus SiO2, MgF2, BaF2 oder CaF2 gebildet.
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Wenn
zusätzlich
zwei Doppelschichten in dem von dem Licht-emittierenden Punkt verschiedenen
Bereich gebildet werden, z. B. die dielektrische Einzelschicht Q5
aus einem Material mit einem Brechungsindex von n5 = 1,640 und der
Dicke d5 = 100,6 nm, die dielektrische Einzelschicht Q6 aus einem
Material mit einem Brechungsindex von n6 = 1,450 und einer Dicke
d6 = 113,8 nm, die dielektrische Einzelschicht Q7 aus einem Material
mit einem Brechungsindex von n7 = 1,640 und einer Dicke von d7 =
100,6 nm und der dielektrischen Einzelschicht Q8 aus einem Material
mit einem Brechungsindex von n8 = 1,450 und einer Dicke von d8 =
113,8 nm, dann lässt
sich, wie es in 8 gezeigt ist, eine Antireflexionsschicht
mit einem Reflexionsgrad von annähernd
Null bei einer Wellenlänge
von 660 nm erreichen.
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19 ist
ein Schaubild, das den Reflexionsgrad der genannten Antireflexionsschicht
in Abhängigkeit
von der Dicke der dielektrischen Einzelschicht Q5 zeigt. 20 ist
ein Schaubild, das den Reflexionsgrad der oben genannten Antireflexionsschicht
in Abhängigkeit
von der Dicke der dielektrischen Einzelschicht Q6 zeigt. 21 ist
ein Schaubild, das den Reflexionsgrad der oben genannten Antireflexionsschicht
in Abhängigkeit
von der Dicke der dielektrischen Einzelschicht Q7 zeigt. 22 ist
ein Schaubild, das den Reflexionsgrad der oben genannte Antireflexionsschicht
in Abhängigkeit
von der Dicke der dielektrischen Einzelschicht Q8 zeigt.
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Jedes
dieser Schaubilder zeigt einen Reflexionsgrad von 0% bei dem jeweiligen
Sollwert da der Dicke, wobei sich der Reflexionsgrad erheblich geringfügiger in
Abhängigkeit
von der Dicke der jeweiligen dielektrischen Einzelschicht ändert. Der
Reflexionsgrad der Antireflexionsschicht ändert sich kaum, selbst wenn
sich die Dicken d5 bis d8 um ±10%
bezüglich
des jeweiligen Sollwertes da der Dicke ändern. Es ist somit zu erkennen,
dass eine Veränderung
des Reflexionsgrades auf einen Betrag von höchstens 0,5% unterdrückt werden
kann.
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Bei
allen oben beschriebenen Ausführungsformen
ist die aus mehreren Einzelschichten aufgebaute dielektrische Schicht
auf einer optischen Auskopplungsfläche eines Laserchips ausgebildet.
Die aus mehreren Einzelschichten aufgebauten dielektrischen Schichten
gemäß der vorliegenden
Erfindung können
auf beiden Stirnflächen
des optischen Resonators des Laserchips ausgebildet sein.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung vollständig
mit Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen und die beigeügten Zeichnungen
beschrieben worden ist, ist zu erwähnen, dass verschiedene Veränderungen
und Modifikationen für
den Durchschnittsfachmann naheliegend sind. Solche Veränderungen
und Modifikationen werden als im Schutzbereich der vorliegenden
Erfindung, wie sie in den beigefügten
Ansprüchen
definiert ist, enthalten verstanden, sofern sie nicht davon abweichen.