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Die
Erfindung betrifft eine optisch gepumpte Halbleiter-Laservorrichtung
mit monolithisch integrierten Pumpstrahlungsquellen gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Eine
solche Halbleiter-Laservorrichtung und Herstellungsverfahren dafür sind aus
der Druckschrift WO 01/93386 bekannt, deren Inhalt hiermit durch
Referenz in die vorliegende Beschreibung aufgenommen wird.
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In
der WO 01/93386 wird eine optisch gepumpte, oberflächenemittierende
Halbleiter-Laservorrichtung mit mindestens einer strahlungserzeugenden
Quantentopfstruktur als Verstärkerbereich und
mindestens einem kantenemittierenden Halbleiterlaser als Pumpstrahlungsquelle
beschrieben, wobei die Quantentopfstruktur und der mindestens eine kantenemittierende
Halbleiterlaser auf einem gemeinsamen Substrat epitaktisch aufgewachsen
sind. Die durch das epitaktische Aufwachsen auf einem gemeinsamen
Substrat entstehende monolithisch integrierte Anordnung aus Verstärkerbereich
und Pumpstrahlungsquelle ist platzsparend, kostengünstig und
erlaubt eine genaue Positionierung von Verstärkerbereich und Pumpstrahlungsquellen
zueinander.
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Eine
Erhöhung
der Ausgangsleistung einer solchen Halbleiter-Laservorrichtung ist prinzipiell durch
eine Vergrößerung des
gepumpten Verstärkervolumens
erreichbar. Zur Abfuhr der im Verstärkerbereich auftretenden Wärme ist üblicherweise
die der emittierenden Fläche
gegenüberliegenden
Seite der Halbleiter-Laservorrichtung mit einer Wärmesenke verbunden.
Im Dauerbetrieb (cw-Modus) ist die erreichbare Ausgangsleistung
von Halbleiter-Laservorrichtungen dann dadurch limitiert, dass die
entstehende Verlustwärme
aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit
der eingesetzten Halbleitermaterialien nur in gewissen Grenzen abgeführt werden
kann. Bei einer Vergrößerung des
gepumpten Verstärkervolumens
ist es daher vorteilhaft, den lateralen Durchmesser der Verstärkerbereiche
zu vergrößern, da
mit steigendem Durchmesser auch die Fläche vergrößert wird, über die die Verlustleistung
abgeführt
werden kann. Die starke Absorption der Pumpstrahlung im Verstärkerbereich
und die damit einhergehende geringe Eindringtiefe der Pumpstrahlung
führen
mit steigendem Lateraldurchmesser der Verstärkerbereiche nachteilig zu
einer zunehmend inhomogenen Verteilung der Pumpstrahlungsleistungsdichte
innerhalb der Verstärkerbereiche.
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Die
Druckschrift WO 03/094311 beschreibt eine optisch gepumpte Halbleiter-Laservorrichtung der
eingangs genannten Art, bei der die Geometrien von Pumpstrahlungsquelle
und Quantentopfstruktur als Verstärkerbereich in der Weise optimiert
sind, dass die Quantentopfstruktur möglichst gleichförmig gepumpt
wird. Das genannte Problem der Inhomogenität der Pumpstrahlungsleistungsdichte
in den Verstärkerbereichen
kann durch die beschriebene Anordnung zwar verringert werden, ist
aber nicht beliebig skalierbar.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleiter-Laservorrichtung
anzugeben, bei der die oberflächenemittierenden
Verstärkerbereiche
und die Pumpstrahlungsquellen monolithisch integriert sind, und
bei der zum einen die laterale, einer externen Kühlung zugängliche Fläche der Verstärkerbereiche
gegenüber
den bekannten Ausführungsformen vergrößert ist
und bei der zum anderen das Verstärkervolumen möglichst
homogen gepumpt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen und
Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Verglichen
mit dem Stand der Technik ermöglicht
der erfindungsgemäße Einsatz
eines externen optischen Resonators die Aufteilung des Verstärkervolumens
auf mehrere Verstärkerbereiche.
Bei gleichem Volumen weisen die Verstärkerbereiche so eine vielfache
Oberfläche
zur Wärmeabfuhr
auf, wodurch eine bessere thermische Ankopplung an eine Wärmesenke
erreicht wird. Folglich kann insgesamt ein größeres Volumen der Verstärkerbereiche
realisiert werden und so eine größere Ausgangsleistung der
Halbleiter-Laservorrichtung erreicht werden.
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Als
aktive, strahlungserzeugende Zone der Verstärkerbereiche ist mindestens
je eine Quantentopfstruktur vorgesehen. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur
umfasst im Rahmen der Anmeldung jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch
Einschluss ("confinement") eine Quantisierung
ihrer Energiezustände
erfahren. Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung Quantentopfstruktur
keine Angabe über
die Dimensionalität
der Quantisierung. Sie umfasst somit u.a. Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte
und jede Kombination dieser Strukturen.
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Der
optische Resonator weist externe Resonatorspiegel auf, die bevorzugt
konkave oder plane Spiegel sind. Besonders bevorzugt ist, die externen Resonatorspiegel
einstückig
auszubilden. Zur Auskopplung des Laserlichts aus dem Resonator ist ein Auskoppelspiegel
vorgesehen, dessen Reflektivität optional
wellenlängenabhängig ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform
ist ein Reflektionsgitter als Auskoppelspiegel vorgesehen.
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Weiterhin
weist der optische Resonator interne Resonatorspiegelstrukturen
auf, die bevorzugt Bragg-Reflektoren sind. Zusätzlich können im Resonator strahlformende
Elemente und / oder frequenzselektive und/oder frequenzkonvertierende
Elemente angeordnet sein.
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Im
Rahmen der Erfindung können
die Verstärkerbereiche
die gleichen oder verschiedene Verstärkungsspektren aufweisen. Je
Verstärkerbereich ist
in einer Ausführungsform
mindestens eine Pumpstrahlungsquelle vorhanden. Die Pumpstrahlungsquellen
sind bevorzugt elektrisch gepumpte, kantenemittierende Halbleiterlaser.
In einer günstigen
Ausführungsform
sind die Verstärkerbereiche
entlang einer Geraden angeordnet und die Hauptstrahlungsrichtung
der Pumpstrahlungsquellen verläuft
entweder quer, vorzugsweise senkrecht, oder parallel zu dieser Geraden.
Vorteilhafterweise ist die Wellenlänge der Pumpstrahlungsquellen
kürzer
als die der Strahlung im Resonator.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
sind die Verstärkerbereiche
zur Kühlung
mit einer Wärmesenke
verbunden.
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Im
Folgenden ist die Erfindung anhand von vier Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme
von sechs Figuren näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Schnittansichtansicht eines ersten Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Halbleiter-Laservorrichtung,
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2 eine
schematische Aufsicht auf die Halbleiterscheibe des Ausführungsbeispiels
nach 1 und 6,
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3 eine
schematische Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
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4 eine
schematische Aufsicht auf die Halbleiterscheibe der Ausführungsbeispiele
nach 3 und 5,
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5 eine
schematische Seitenansicht eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung
und
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6 eine
schematische Seitenansicht eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
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Die
Figuren sind schematische Zeichnungen. Insbesondere sind die Größenverhältnisse
der Elemente nicht maßstabsgerecht
dargestellt. Zum besseren Verständnis
sind einige Details in den Figuren übertrieben groß dargestellt.
Gleiche oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben
Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels
der optisch gepumpten Halbleiter-Laservorrichtung.
Bei dieser sind zwei Halbleiterscheiben 1, die jeweils
einen Verstärkerbereich 2 sowie
zwei Pumpstrahlungsquellen 3 aufweisen, auf einen Träger 4 aufgebracht. Gegenüber den
Halbleiterscheiben 1 sind drei externe Resonatorspiegel 10, 11 angeordnet.
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Die
beiden Halbleiterscheiben 1 weisen mittig einen Verstärkerbereich 2 auf
und symmetrisch dazu angeordnet zwei Pumpstrahlungsquellen 3.
Die aktive, oberflächenemittierende
Zone der Verstärkerbereiche 2 wird
beispielsweise durch eine Vielzahl an Quantentopfstrukturen gebildet,
wobei Materialien und Geometrie der Quantentopfstrukturen so gewählt sind,
dass das wellenlängenabhängige Verstärkungsspektrum
der Quantentopfstruktur günstigerweise
bei der gewünschten
Wellenlänge
der Halbleiter-Laservorrichtung ein Maximum aufweist. In Richtung
des Trägers 4 befindet
sich auf der Quantentopfstruktur eine spiegelnde Schicht oder Schichtenfolge, die
im Folgenden als interne Resonatorspiegelstruktur bezeichnet wird.
Bevorzugt ist hier eine für
die gewünschte
Wellenlänge
hoch reflektierende Braggreflektor-Schichtenfolge.
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Die
Pumpstrahlungsquellen 3 sind als kantenemittierende elektrisch
gepumpte Halbleiterlaser ausgeführt,
deren Hauptstrahlungsrichtung auf die Verstärkerbereiche 2 zeigt.
Die von den Verstärkerbereichen 2 abgewandten,
parallel zueinander liegenden Endflächen der Pumpstrahlungsquellen 3 sind
als spiegelnd ausgebildet und dienen als Resonatorspiegel. Diese
können
beispielsweise durch Spalten und/oder Ätzen erzeugt sein und optional hoch
reflektierend verspiegelt sein. Die jeweils um einen Verstärkerbereich 2 angeordneten
Pumpstrahlungsquellen 3 können dabei als zwei unabhängige einzelne
Laser ausgeführt
sein oder können
einen einzigen, kohärent
schwingenden Laser bilden. Im letzteren Fall ist damit der Verstärkerbereich 2 im
Resonator des gemeinsamen Lasers angeordnet, wodurch die gesamte
im Resonator gespeicherte optische Leistung als Pumpleistung zur
Verfügung
steht.
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Zum
effektiven Pumpen, also zum Erreichen einer hohen Besetzungsinversion
in den Quantentopfstrukturen der Verstärkerbereiche (2),
sind die Pumpstrahlungsquellen (3) so ausgelegt, dass sie Strahlung
mit einer kleineren Wellenlänge
emittieren als die Verstärkerbereiche
(2).
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Es
ist möglich,
dass die Halbleiterscheiben 1 unter den Verstärkerbereichen 2 bzw.
den Pumplaserstrukturen 3 noch das Substrat aufweisen,
auf dem die beiden genannten Strukturen monolithisch integriert
aufgewachsen wurden. Die Halbleiterscheiben 1 werden dann
mit diesem Substrat zum Träger 4 weisend
auf diesen aufgebracht. Alternativ ist jedoch auch ein Herstellungsverfahren
denkbar, bei dem Verstärkerbereiche 2 und
Pumpstrahlungsquellen 3 in umgekehrter Schichtreihenfolge
auf ein Substrat aufgewachsen werden, welches nach dem Aufwachsprozess,
z.B. chemisch, entfernt wird. Die Halbleiterscheiben 1 liegen
dann als so genannte Dünnfilmstruktur
vor und werden mit der zuletzt aufgewachsenen Schicht zum Träger weisend
auf diesen aufgebracht. In beiden Fällen dient der Träger 4 auch
als Wärmesenke
für die
in der Halbleiterscheibe 1 anfallende Wärme. Es ist daher günstig, die
Verbindung von den Halbleiterscheiben 1 zum Träger 4 wärmeleitend
auszuführen,
beispielsweise durch Verlöten
mit einem niedrig schmelzenden Lot wie Indium. Beide in diesem Ausführungsbeispiel
eingesetzten Halbleiterscheiben 1 stammen bevorzugt aus
einem Waferverbund. Damit ist ein möglichst identischer Aufbau
der Strukturen und damit ein möglichst
identisches Verstärkerspektrum
der Verstärkerbereiche gegeben.
Das Erzeugen verspiegelter Endflächen
für die
Pumplaserstrukturen 3 kann jedoch bedingen, dass die Halbleiterscheiben 1 getrennt
aus dem Waferverbund gelöst
werden müssen
und voneinander getrennt auf den Träger 4 aufgebracht
werden.
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Wie
in 1 zu sehen ist, befinden sich auf der dem Träger 4 abgewandten
Seite der Halbleiterscheiben 1 die externen Resonatorspiegel 10 und 11. Die
Spiegel sind so angeordnet, dass zusammen mit den internen Resonatorspiegelstrukturen
der Verstärkerbereiche 2 ein
in sich geschlossener, gefalteter optischer Resonator gebildet wird.
Die externen Resonatorspiegel 10, 11 sind als
Konkavspiegel ausgeführt,
um die Ausbildung einer stabilen Lasermode im Resonator zu begünstigen.
In diesem Ausführungsbeispiel
ist die Oberfläche
der Spiegel sphärisch,
aber andere konkave Geometrien sind denkbar. Als externen Resonatorspiegel 10, 11 können beispielsweise
metallisierte Glassubstrate eingesetzt werden. Zwei der externen
Resonatorspiegel 10 sind hoch reflektierend, wohingegen
der dritte externe Resonatorspiegel 11 einen etwas geringeren
Reflexionskoeffizienten aufweist und damit als Auskoppelspiegel
dient. Die oberflächenemittierenden
Quantentopfstrukturen beider Verstärkerbereiche 2 befinden
sich dann innerhalb des so gebildeten gemeinsamen Resonators. Der
gemeinsame Resonator koppelt die optisch gepumpten Quantentopfstrukturen sodass
ein gemeinsam kohärent
schwingender Laser gebildet wird.
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Typische
Abstände
zwischen den Halbleiterscheiben 1 und den externen Resonatorspiegeln 10, 11 liegen
im Millimeter- bis Zentimeterbereich. Die externen Resonatorspiegel 10, 11 können an
einem gemeinsamen, hier nicht gezeigten Halter angeordnet sein,
der bevorzugt aus einem Material mit einem geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten
besteht. Dieser Halter kann fest mit dem Träger 4 verbunden sein,
wodurch insgesamt eine kompakte Halbleiter-Laservorrichtung gebildet
wird.
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3 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
optisch gepumpten Halbleiter-Laservorrichtung in einer schematischen Schnittdarstellung.
Im Unterschied zu der in 1 gezeigten Anordnung weist dieses
Ausführungsbeispiel
nur eine Halbleiterscheibe 1 auf, auf der sich vier Verstärkerbereiche 2 mit zugehörigen Pumpstrahlungsquellen 3 befinden.
Es sind fünf
externe Resonatorspiegel 10 bis 12 vorgesehen,
von denen die drei mittleren einstückig ausgebildet sind.
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Der
Aufbau jedes Verstärkerbereichs 2 mit zugehörigen Pumpstrahlungsquellen 3 ist
in diesem Ausführungsbeispiel
analog zu dem in 1 gezeigten Beispiel. Die Verstärkerbereiche 2 sind
wiederum auf einer Geraden angeordnet. Die Anordnung der Pumpstrahlungsquellen 3 ist
jedoch so gewählt,
dass ihre Hauptstrahlungsrichtung senkrecht zu dieser Geraden liegt.
Das ermöglicht,
die von den Verstärkerbereichen 2 abgewandte
Endfläche
der Pumpstrahlungsquellen 3 durch Ritzen und Brechen bzw. Ätzen zu
erzeugen und zu verspiegeln, ohne die einzelnen, monolithisch integrierten
Kombinationen aus Verstärkerbereich 2 und
Pumpstrahlungsquellen 3 aus dem Waferverbund voneinander
zu trennen. Vorteilhaft an dieser Ausführung ist, dass zum einen nur eine
Halbleiterscheibe 1 auf dem Träger 4 angebracht werden
muss und zum anderen, dass bedingt durch den Herstellungsprozess
im Waferverbund die Abstände
zwischen den Verstärkerbereichen 2 hochpräzise definiert
sind.
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4 zeigt
diese Anordnung analog zu 2 schematisch
in einer Aufsicht. Es versteht sich, dass jede beliebige andere
relative Anordnung von Pumpstrahlungsquellen 3 und Verstärkerbereich 2 im Rahmen
der Erfindung ebenfalls möglich
ist. Auch die Anzahl der Pumpstrahlungsquellen 3 pro Verstärkerbereich 2 ist
nicht auf den hier gezeigten Fall beschränkt. Es können sowohl mehr als auch weniger als
zwei Pumpstrahlungsquellen 3 pro Verstärkerbereich 2 vorgesehen
sein. Auch der Einsatz von Pumpstrahlungsquellen 3 mit
zwei emittierenden Endflächen
ist möglich,
sodass von einer Pumpstrahlungsquelle 3 zwei Verstärkerbereiche
gepumpt werden.
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Entsprechend
der Anzahl von vier Verstärkerbereichen
in der gezeigten Anordnung sind fünf externe Resonatorspiegel 10 bis 12 vorgesehen,
um einen gemeinsamen, die vier Verstärkerbereiche 2 verbindendenden
Resonator zu bilden. Drei der externen Resonatorspiegel 12 sind
einstückig
ausgebildet. Solche einstückigen
Spiegelstrukturen lassen sich einfach und kostengünstig in
einem Prägeverfahren
aus Glas, das im Anschluss mit einer hochreflektierenden Metallschicht
versehen wird, erzeugen. Herstellungsbedingt sind dadurch die Abstände zwischen
den einzelnen Spiegeln gut definiert. Weiterhin wird auf diese Weise
die Anzahl der diskreten zu positionierenden Elemente des Resonators
verringert, was den Herstellungsprozess der Gesamtanordnung vereinfacht
und Justageprobleme verringert. Wiederum können die externen Resonatorspiegel 10 – 12 mit
Hilfe eines gemeinsamen Halters relativ zum Träger 4 positioniert
werden, sodass insgesamt eine kompakte Halbleiter-Laservorrichtung
entsteht.
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5 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
optisch gepumpten Halbleiter-Laservorrichtung in einer schematischen
Schnittdarstellung. Die Halbleiterscheibe 1 mit Verstärkerbereichen 2 und
Pumplaserstrukturen 3, aufgebracht auf den Träger 4,
ist analog zu dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel.
Unterschiedlich ist hier der Einsatz von planen externen Resonatorspiegeln 13 und 14.
Einer dieser externen Resonatorspiegel 13 ist teilreflektierend und
wirkt damit als Auskoppelspiegel für den Laserstrahl. Der zweite
externe Resonatorspiegel 14 übernimmt einstückig ausgebildet
die Funktion von vier diskreten Spiegeln. Zur Unterstützung der
Ausbildung einer stabilen Lasermode im Resonator sind als strahlformende
Elemente Konvexlinsen in Form einer einstückigen Linsenanordnung 15 im
Resonator vorgesehen. Die planen externen Resonatorspiegel 13 und 14 haben
zusammen mit den Konvexlinsen der Linsenanordnung 15 ein
optisches Abbildungsverhalten, das den konkaven externen Resonatorspiegeln 10 bis 12 entspricht.
Anstelle von Linsen können auch
andere strahlformende optische Elemente im Resonator verwendet werden.
Ebenfalls sind andere als die hier gezeigten externen Resonatorspiegel denkbar.
Beispielsweise kann ein reflektierendes Beugungsgitter vorteilhaft
als externer Resonatorspiegel mit frequenzselektierenden Eigenschaften
in einer als Littrow-Laser
bekannten Anordnung eingesetzt werden.
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In
allen bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen
werden Verstärkerbereiche 2 mit
möglichst
identischen Quantentopfstrukturen eingesetzt, was zur Ausbildung
einer monochromatischen, spektral schmalen Lasermode führt. Alternativ
ermöglicht die
erfindungsgemäße Aufteilung
des Verstärkervolumens
auf mehrere Verstärkerbereiche 2 aber
auch, Verstärkerbereiche 2 mit
unterschiedlichen Verstärkungsspektren
einzusetzen. Auf diese Weise lassen sich Halbleiter-Laservorrichtungen
realisieren, die Laserlicht verschiedener Frequenz emittieren (Zwei- oder
Mehrfarbenlaser; spektral breite Laser).
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6 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Halbleiter-Laservorrichtung in
einer schematischen Schnittzeichnung. Die Halbleiterscheiben 1 mit
Verstärkerbereichen 2 und Pumpstrahlungsquellen 3 sowie
der Träger 4 sind wie
beim Beispiel von 1 ausgeführt. Der externe Resonator
wird hier von den zwei internen Resonatorspielstrukturen der Verstärkerbereiche 2 sowie von
vier konkaven externen Resonatorspiegeln 10,11 gebildet.
Drei der externen Resonatorspiegel 10,11 sind
wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen gegenüber den
Halbleiterscheiben 1 angeordnet. Der vierte Resonatorspiegel 10 steht
den ersten drei genannten gegenüber.
Es entsteht auf diese Weise ein gefalteter optischer Resonator mit
fünf Wegstrecken. In
der Wegstrecke, die zwischen den zwei benachbarten externen Resonatorspiegeln 10 und 11 liegt, befindet
sich ein nichtlinearer optischer Kristall 16 zur Frequenzverdopplung.
Der externe Resonatorspiegel 11 ist so ausgeführt, dass
er für
die von den Verstärkerbereichen 2 emittierte
Laserstrahlung hoch reflektierend ist, wohingegen er für die frequenzverdoppelte
Strahlung weitgehend transparent und möglichst antireflektierend ist.
Solche Spiegel können beispielsweise
dichroitische Spiegel sein. Die weiteren externen Resonatorspiegel 10 sind
wie zuvor konkav und hoch reflektierend. Die gesamte im Resonator
aufgebaute optische Leistung steht somit zur Frequenzverdopplung
zur Verfügung.
Durch die konkave Ausführung
der sich gegenüberstehenden
externen Resonatorspiegel 10 und 11 wird darüber hinaus
die Strahlung im Resonator auf den nicht linearen optischen Kristall 16 fokussiert
und damit die Intensität
im nichtlinearen optischen Kristall 16 weiter erhöht.
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Die
Erläuterung
der Erfindung anhand der ausgewählten
Ausführungsbeispiele
ist nicht als Beschränkung
der Erfindung hierauf zu verstehen. Die Erfindung umfasst sämtliche
in der Beschreibung und/oder den Patentansprüchen genannten Merkmale sowie
deren Kombination, auch wenn die Kombination nicht Gegenstand eines
Patentanspruchs ist.
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- 1
- Halbleiterscheibe
- 2
- Verstärkerbereich
- 3
- Pumpstrahlungsquelle
- 4
- Träger
- 10
- externer
Resonatorspiegel, konkav, hoch reflektierend
- 11
- externer
Resonatorspiegel, konkav, auskoppelnd
- 12
- einstückiger externer
Resonatorspiegel, konkav, hoch re
-
- flektierend
- 13
- externer
Resonatorspiegel, plan, auskoppelnd
- 14
- einstückiger externer
Resonatorspiegel, plan, hoch re
-
- flektierend
- 15
- Linsenanordnung
- 16
- nichtlinearer
optischer Kristall