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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Laserdiodenvorrichtung mit einer
Mehrzahl von zur Strahlungserzeugung geeigneten aktiven Bereichen
und eine Laseranordnung mit einer derartigen Laserdiodenvorrichtung.
Ferner betrifft die Erfindung einen optisch gepumpten Laser.
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Die
Peak-Wellenlänge
der in einem einzelnen aktiven Bereich eines Laserdiodenchips erzeugten
Strahlung weist häufig
einen maßgeblichen
Temperaturgang auf, d. h. sie ändert
sich mit der Betriebstemperatur des aktiven Bereichs. Bei Laserdioden auf
GaAs-Basis ändert
sich die Peak-Wellenlänge
typischerweise um ungefähr
0,3 nm/K. Die Betriebstemperatur wird in der Regel maßgeblich
von der bei der Strahlungserzeugung anfallenden Verlustwärme bestimmt,
wobei die Verlustwärmemenge
bei elektrisch gepumpten Lasern von der Umwandlungseffizienz von
elektrischer Leistung in Strahlungsleistung im aktiven Bereich der
Laserdiode abhängt.
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Bei
Laserdiodenanordnungen mit einer Mehrzahl von aktiven Bereichen
können
verschiedene aktive Bereiche verschiedene Betriebstemperaturen aufweisen.
Dies kann zu einer Erhöhung
von Unterschieden in den Peak-Wellenlängen der in den jeweiligen
aktiven Bereichen erzeugten Strahlung führen oder für das Entstehen derartiger
Unterschiede ursächlich
sein.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Laserdiodenvorrichtung
mit einer Mehrzahl aktiver Bereiche bzw. eine Laseranordnung mit
einer derartigen Laserdiodenvorrichtung anzugeben, wobei die Laserdiodenvorrichtung
bzw. die Laseranordnung vereinfacht mit verringerter Schwankung
zwischen den Betriebstemperaturen verschiedener aktiver Bereiche
betreibbar ist. Weiterhin soll ein optisch gepumpter Laser angegeben
werden, der vereinfacht effizient pumpbar ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Laserdiodenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Laseranordnung
mit den Merkmalen des Anspruchs 20 bzw. einen Laser nach Anspruch
25 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind
Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Eine
erfindungsgemäße Laserdiodenvorrichtung
umfasst eine Mehrzahl von lateral nebeneinander angeordneten, zur
Strahlungserzeugung geeigneten aktiven Bereichen, wobei eine Querabmessung
der aktiven Bereiche in lateraler Richtung variiert und/oder der
Abstand benachbarter aktiver Bereiche in lateraler Richtung variiert.
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Die
aktiven Bereiche sind zweckmäßigerweise
zur Strahlungserzeugung im Betrieb der Laserdiodenvorrichtung ausgebildet.
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Bevorzugt
weist die Laserdiodenvorrichtung eine laterale Haupterstreckungsrichtung
auf. Die aktiven Bereiche sind besonders bevorzugt in der Haupterstreckungsrichtung
nebeneinander aufgereiht angeordnet.
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Zwei
aktive Bereiche, zwischen denen ein weiterer aktiver Bereich angeordnet
ist, sind im Zweifel nicht als benachbarte aktive Bereiche im obigen Sinne
anzusehen.
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Durch
Variation der Querabmessungen der aktiven Bereiche kann die strahlungserzeugende
aktive Fläche
des jeweiligen aktiven Bereichs variiert werden. Hierüber kann
die im jeweiligen aktiven Bereich anfallende Verlustwärmemenge
gezielt beeinflusst werden. Je größer die strahlungserzeugende Fläche ist,
desto größer ist
in der Regel die im jeweiligen aktiven Bereich erzeugte Verlustwärmemenge und
dementsprechend auch die Betriebstemperatur des jeweiligen aktiven
Bereichs. Über örtliche
Variation der Querabmessung der aktiven Bereiche und insbesondere über Variation
der aktiven Fläche
der aktiven Bereiche kann demnach die Betriebstemperaturverteilung über die
aktiven Bereiche der Laserdiodenvorrichtung gezielt beeinflusst
werden.
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Entsprechendes
gilt für
die Variation des Abstands benachbarter aktiver Bereiche. Die Betriebstemperaturen
zweier benachbarter aktiver Bereiche erhöhen sich in der Regel mit Verringerung
des Abstands zwischen diesen aktiven Bereichen auf Grund der dann örtlich konzentrierteren
Verlustwärmeerzeugung.
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Über geeignete
Variationen des Abstands benachbarter aktiver Bereiche und/oder
der Querabmessung der aktiven Bereiche der Laserdiodenvorrichtung
kann eine vorgegebene Verteilung der Betriebstemperatur der verschiedenen
aktiven Bereiche der Laserdiodenvorrichtung in lateraler Richtung
vereinfacht erreicht werden. Bevorzugt wird die Betriebstemperaturverteilung über entsprechende
Anordnung und/oder Ausbildung der aktiven Bereiche derart geformt,
dass sich eine vorgegebene Betriebstemperaturverteilung einstellt.
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Bevorzugt
sind die aktiven Bereiche derart angeordnet und/oder ausgebildet,
dass sich im Betrieb der Laserdiodenvorrichtung eine Betriebstemperaturverteilung über verschiedene
aktive Bereiche entlang einer lateralen Haupterstreckungsrichtung der
Laserdiodenvorrichtung einstellt, die verglichen mit einer weiteren
Laserdiodenvorrichtung, die z.B. äquidistant angeordnete aktive
Bereiche jeweils gleicher Querabmessung aufweist, homogener ist.
Auf diese Weise kann eine betriebstemperaturstabilisierte Laserdiodenvorrichtung
ausgebildet werden.
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Insbesondere
können
die aktiven Bereiche derart angeordnet und/oder ausgebildet werden, dass
die Betriebstemperatur der aktiven Bereiche an entsprechenden, gleich
gewählten
Orten der jeweiligen aktiven Bereiche gleich ist.
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Hierzu
kann beispielsweise zunächst
eine Referenz-Laserdiodenvorrichtung
gefertigt werden, die äquidistant
angeordnete aktive Bereiche gleicher Querabmessungen aufweist. Nachfolgend
kann die Betriebstemperaturverteilung der Referenz-Laserdiodenvorrichtung
gemessen werden. In Gebieten der Referenz-Laserdiodenvorrichtung,
in denen die aktiven Bereiche eine vergleichsweise niedrige Betriebstemperatur
aufweisen, wird die nachfolgend herzustellende betriebstemperaturstabilisierte
Laserdiodenvorrichtung mit aktiven Bereichen, die gegenüber denen
der Referenz-Laserdiodenvorrichtung erhöhte Querabmessung und/oder
verringerten Abstand aufweisen, ausgebildet. Gegenüber den
aktiven Bereichen niedriger Betriebstemperatur der Referenz-Laserdiodenvorrichtung
wird in der betriebstemperaturstabilisierten Laserdiodenvorrichtung
in diesem Gebiet der Laserdiodenvorrichtung gezielt eine erhöhte Verlustwärmemenge
erzeugt. Hieraus resultiert dann in den jeweiligen aktiven Bereichen
der betriebstemperaturstabilisierten Laserdiodenvorrichtung eine dementsprechend
erhöhte
Betriebstemperatur.
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In
der Folge können
die Peak-Wellenlängen der
von den aktiven Bereichen der Laserdiodenvorrichtung erzeugten Laserstrahlung
stabilisiert werden. Besonders vorteilhaft ist dies bei aktiven
Bereichen, die gleichartig, insbesondere zur Erzeugung von Strahlung
gleicher Peak-Wellenlängen
bei gleicher Betriebstemperatur, ausgebildet sind. Das Emissionsspektrum
der Laserdiodenvorrichtung kann so gegenüber einem Emissionsspektrum
einer Laserdiodenvorrichtung, die eine inhomogene Betriebstemperaturverteilung über verschiedene
aktive Bereiche aufweist, aufgrund der Stabilisierung der Peak-Wellenlängen geschmälert werden.
Dies ist insbesondere bei Anwendungen von Vorteil, für die ein
schmalbandiges Emissionsspektrum zweckmäßig ist.
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Ein
schmalbandiges Emissionsspektrum ist beispielsweise bei Pumpanwendungen,
bei denen eine Laserdiodenvorrichtung zum optischen Pumpen einer
weiteren Strahlungsquelle, etwa eines Lasers eingesetzt wird von
Vorteil.
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Ein
derartig zu pumpender Laser kann als Festkörperlaser, z.B. als Festkörperscheibenlaser oder
Festkörperstablaser,
als Faserlaser, oder als Halbleiterlaser, z.B. als Halbleiterlaser
mit externem Resonator und/oder als Halbleiterscheibenlaser, ausgeführt sein.
Optisch zu pumpende Laser weisen in der Regel ein vergleichsweise
schmalbandiges Absorptionsspektrum in dem zu pumpenden Medium des
Lasers auf. Eine Verbreiterung der Emissionscharakteristik der Laserdiodenvorrichtung
mindert somit die Pumpeffizienz der als Pumplaser eingesetzten Laserdiodenanordnung.
Einer derartigen Verbreiterung des Emissionsspektrums kann durch erfindungsgemäße Ausbildung
der Laserdiodenvorrichtung entgegengewirkt werden.
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Prinzipiell
könnte
die Betriebstemperaturverteilung auch durch eine Erhöhung der
Effizienz der aktiven Bereiche bei der Strahlungserzeugung mit entsprechend
verringerter Verlustwärmeerzeugung homogenisiert
werden. Dies ist jedoch gegenüber
einer Variation der Querabmessung der aktiven Bereiche bzw. des
Abstands benachbarter aktiver Bereiche vergleichsweise aufwändig bzw.
kostenintensiv.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Laserdiodenvorrichtung
mindestens eine, die Laserdiodenvorrichtung lateral begrenzende
Seitenfläche auf.
Im Bereich der Seitenfläche
ist die Betriebstemperatur der in diesem Bereich der Laserdiodenvorrichtung
angeordneten aktiven Bereiche, z. B. aufgrund besserer Wärmeabfuhr
oder verringerter Verlustwärmeerzeugung,
oftmals geringer als in weiter von der Seitenfläche entfernten Bereichen.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Laserdiodenvorrichtung ist daher
die Querabmessung eines aktiven Bereichs größer als die Querabmessung eines
weiteren aktiven Bereichs, wobei dieser aktive Bereich dem ersteren
aktiven Bereich benachbart ist und weiter von der Seitenfläche beabstandet ist
als der erstere aktive Bereich Alternativ oder zusätzlich ist
der Abstand zwischen den aktiven Bereichen eines Paares mit zwei
benachbarten aktiven Bereichen bevorzugt kleiner als der Abstand
zwischen den aktiven Bereichen eines weiteren Paares mit zwei benachbarten
aktiven Bereichen, das einen größeren Abstand
zur Seitenfläche
aufweist als das erstere Paar. Hierbei weist mindestens ein aktiver Bereich
des weiteren Paares einen größeren Abstand
zur Seitenfläche
auf als jeder aktive Bereich des ersteren Paares. Gegebenenfalls
können
beide Paare einen gemeinsamen aktiven Bereich aufweisen. Im Bereich
der Seitenfläche
kann auf diese Weise vereinfacht eine erhöhte Verlustwärmemenge
erzeugt werden, wodurch die Betriebstemperatur in den nahe an der
Seitenfläche
angeordneten aktiven Bereiche der Laserdiodenvorrichtung gezielt
erhöht werden
kann.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung nimmt die, insbesondere
jeweilige, Querabmessung der aktiven Bereiche mit wachsendem Abstand
der aktiven Bereiche zur Seitenfläche, insbesondere schrittweise,
ab.
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Alternativ
oder zusätzlich
nimmt der, insbesondere jeweilige, Abstand zwischen benachbarten aktiven
Bereichen mit wachsendem Abstand der aktiven Bereiche von der Seitenfläche bevorzugt,
insbesondere schrittweise, zu. Die in von der Seitenfläche vergleichsweise
weit entfernten aktiven Bereichen anfallende Verlustwärme ist
durch diese Anordnung, ebenso wie die Betriebstemperatur dieser
aktiven Bereiche, vereinfacht verringerbar. Hierdurch kann eine
homogene Betriebstemperaturverteilung über die aktiven Bereiche der
Laserdiodenvorrichtung in lateraler Richtung vereinfacht erzielt
werden.
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Bevorzugt
umfasst die Laserdiodenvorrichtung vier oder mehr, bevorzugt zehn
oder mehr, aktive Bereiche. Schwankungen in der Betriebstemperaturverteilung
zwischen einzelnen aktiven Bereiche treten bei einer derartigen
Laserdiodenvorrichtung aufgrund der Vielzahl an aktiven Bereich
vermehrt auf. Eine Homogenisierung der Betriebstemperaturverteilung
macht sich daher in diesem Falle besonders stark bemerkbar.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung sind die aktiven Bereiche der Laserdiodenvorrichtung
auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet. Die Laserdiodenvorrichtung
ist hierdurch besonders kompakt ausbildbar, wobei das Substrat die
aktiven Bereiche bevorzugt mechanisch stabilisiert. Da sich bei
einer derart kompakten Ausbildung der Laserdiodenvorrichtung Inhomogenitäten in der
Betriebstemperaturverteilung der aktiven Bereiche besonders stark
bemerkbar machen, ist eine Homogenisierung der Betriebstemperatur
in diesem Falle von besonderem Vorteil.
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Die
Seitenfläche,
die die Laserdiodenvorrichtung in lateraler Richtung begrenzt, ist
bevorzugt zumindest bereichsweise durch das Substrat gebildet.
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Um
einer lateralen Wärmestromaufweitung mit
der einhergehenden Betriebstemperaturminderung in aktiven Bereichen,
die vergleichsweise nahe am vom Substrat gebildeten Bereich der
Seitenfläche angeordnet
sind, vorzubeugen, weist der der Seitenfläche nächstliegende aktive Bereich,
insbesondere der dem vom Substrat gebildeten Bereich der Seitenfläche nächstliegende
aktive Bereich, bevorzugt von der Seitenfläche einen Abstand auf, der
kleiner oder gleich ist als einer der Abstände zwischen zwei benachbarten
aktiven Bereichen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Abstand des der
Seitenfläche
nächstliegenden aktiven
Bereichs von der Seitenfläche
kleiner als der Abstand zwischen diesem aktiven Bereich und einem diesem
aktiven Bereich benachbarten aktiven Bereich, der bevorzugt auf
der der Seitenfläche
abgewandten Seite des der Seitenfläche nächstliegenden aktiven Bereichs
angeordnet ist.
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Weiterhin
ist der Abstand des vom Substrat gebildeten Bereichs der Seitenfläche zum
nächstliegenden
aktiven Bereich bevorzugt kleiner als der kleinste der Abstände zwischen
den aktiven Bereichen. Variiert der Abstand zwischen den aktiven
Bereichen der Laserdiodenvorrichtung, können die Betriebstemperaturen
der aktiven Bereiche auf diese Weise vereinfacht aneinander angeglichen
werden. Gegebenenfalls kann ein aktiver Bereich an die Seitenfläche angrenzen
und/oder bündig
mit der Seitenfläche
abschließen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind die aktiven Bereiche
achsensymmetrisch zu einer Symmetrieachse der Laserdiodenvorrichtung
angeordnet. Bevorzugt liegt die Symmetrieachse senkrecht zur lateralen
Haupterstreckungsrichtung der Laserdiodenvorrichtung oder verläuft im Wesentlichen
parallel zu einer Oberfläche
des Substrats, auf der die aktiven Bereiche angeordnet sind. Eine
derart symmetrische Anordnung erleichtert das Erzielen einer homogenen,
symmetrischen Betriebstemperaturverteilung über die aktiven Bereiche der
Laserdiodenvorrichtung.
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In
einer ersten vorteilhaften Weiterbildung gehören zwei aktive Bereiche der
Laserdiodenvorrichtung, insbesondere alle Bereiche der Laserdiodenvorrichtung
jeweils, diskreten Laserdiodenchips an. Diese Chips sind zweckmäßigerweise
auf dem Substrat befestigt. Bevorzugt ist das Substrat in diesem
Falle durch eine Wärmesenke
oder einen Submount gebildet. Der Submount ist bevorzugt als Wärmespreizer
ausgebildet. Der Wärmespreizer
ist besonders bevorzugt zwischen den Laserdiodenchips und einer
zusätzlich
vorgesehenen Wärmesenke
angeordnet ist.
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Der
Submount ist vorzugsweise an einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
der Laserdiodenchips, die vorzugsweise gleichartig ausgeführt sind,
angepasst. Bei diskreten Laserdiodenchips kann die Stabilisierung
der Betriebstemperatur auf besonders einfache Weise durch entsprechende Wahl
der Abstände
zwischen den einzelnen Chips bei der Montage der Chips auf dem Substrat
erzielt werden. Im Falle diskreter Laserdiodenchips sind die aktiven
Bereiche und insbesondere die einzelnen Laserdiodenchips durch einen
Freiraum voneinander beabstandet. Die Laserdiodenchips sind bevorzugt gemäß kantenemittierenden
Lasern ausgebildet.
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In
einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung gehören zwei aktive Bereiche einem
gemeinsamen Laserdiodenchip, insbesondere einem Laserdiodenbarren,
an. Das Substrat ist in diesem Falle bevorzugt durch das Aufwachssubstrat
für die
aktiven Bereiche des Laserdiodenchips gebildet oder aus dem Aufwachssubstrat
ausgebildet. Bevorzugt ist die Laserdiodenvorrichtung als Laserdiodenchip
ausgeführt.
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Zwei
aktive Bereiche des Laserdiodenchips, vorzugsweise alle aktiven
Bereiche des Chips, können
hierbei durch diskret voneinander bestromte Bereiche einer durchgehenden
aktiven Schicht, die bevorzugt Teil einer Halbleiterschichtenfolge
des Laserdiodenchips ist, gebildet sein. Alternativ oder ergänzend können zwei
aktive Bereiche des Laserdiodenchips durch einen Freiraum voneinander
beabstandet sein. Insbesondere können
die aktiven Bereiche in voneinander durch einen Freiraum beabstandeten Halbleiterkörpern ausgebildet
sein.
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Bevorzugt
sind aktive Bereiche des Laserdiodenchips entweder als diskret voneinander
bestromte Bereiche einer durchgehenden aktiven Schicht gebildet
oder durch einen Freiraum voneinander beabstandet.
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Im
ersteren Fall kann eine Homogenisierung der Betriebstemperaturverteilung
durch geeignete Ausbildung von elektrischen Kontakten, zum Beispiel Kontaktmetallisierungen,
zur Bestromung des jeweiligen aktiven Bereichs erreicht werden.
Die Kontakte können
streifenartig und insbesondere nebeneinander auf der aktiven Schicht
angeordnet sein. Weiterhin überdeckt
der dem jeweiligen aktiven Bereich zugeordnete Kontakt diesen aktiven
Bereich bevorzugt zumindest teilweise, besonders bevorzugt vollständig.
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Die
weiter oben und im Folgenden für
die Abstände
und/oder Querabmessungen von aktiven Bereichen beschriebenen Merkmale
können
demnach bei einem Laserdiodenchip, bei dem die entsprechenden aktiven
Bereiche durch diskret voneinander bestromte Bereiche einer durchgehenden
aktiven Schicht gebildet sind, für
die entsprechende Ausbildung der Kontakte zur diskreten Bestromung
der aktiven Schicht herangezogen werden. Dementsprechend kann durch
die Ausgestaltung der Kontaktgeometrie – Variation der Breite und/oder
der Abstände der
Kontakte in lateraler Richtung – für die Bestromung
diskreter aktiver Bereiche eine entsprechende Homogenisierung der
Betriebstemperaturverteilung über
die aktiven Bereiche erzielt werden.
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Bei
der Ausbildung des Laserdiodenchips mit über einen Freiraum voneinander
beabstandeten aktiven Bereiche, z.B. in diskreten Halbleiterkörpern, kann
eine Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Schicht mittels
einer geeigneten Maske derart strukturiert werden, dass die Querabmessung
und/oder die Abstände
benachbarter aktiver Bereiche – z.B. diskreter
Teilbereiche der vor der Strukturierung durchgehenden aktiven Schicht – über den
Chip variiert.
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Bei
einem Laserdiodenbarren sind die aktiven Bereiche, insbesondere
eine Halbleiterschichtstruktur, die den jeweiligen aktiven Bereich umfasst,
bevorzugt für
eine kantenemittierende Laserstruktur ausgebildet. Kantenemittierende
Laserstrukturen emittieren Strahlung im Wesentlichen parallel zum
aktiven Bereich. Weiterhin sind die aktiven Bereiche bevorzugt gleichartig
ausgebildet, d. h. zur Erzeugung von Strahlung gleicher Peak-Wellenlänge bei
gleichen Betriebstemperaturen. Die aktiven Bereiche, insbesondere
die aktive Schicht, können
beispielsweise epitaktisch auf dem Substrat gewachsen sein, das
dann als Aufwachssubstrat dient.
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Ein
Laserdiodenbarren wird oftmals zur Erzeugung hoher Strahlungsleistung
eingesetzt und dementsprechend mit hoher elektrischer Leistung betrieben.
Wegen der hohen elektrischen Leistungsaufnahme können die Peak-Wellenlängen der
in verschiedenen aktiven Bereichen erzeugten Strahlungen bei ungenügender Stabilisierung
der Betriebstemperaturverteilung über die aktiven Bereiche bei einem
Laserdiodenbarren erheblich voneinander abweichen. Dies kann im
Rahmen der Erfindung vermieden werden.
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Eine
erfindungsgemäße Laseranordnung umfasst
mindestens eine Laserdiodenvorrichtung, die eine die Laserdiodenvorrichtung
lateral begrenzende Seitenfläche
und eine Mehrzahl von lateral nebeneinander angeordneten, zur Strahlungserzeugung
geeigneten aktiven Bereichen, wobei die Laserdiodenvorrichtung auf
einem Träger
angeordnet ist, der Abstand zwischen der Seitenfläche und
einem den Träger
seitens der Seitenfläche
lateral begrenzenden Rand geringer ist als der Abstand zwischen dem
der Seitenfläche
nächstliegenden
aktiven Bereich und der Seitenfläche
und/oder der Abstand zwischen der Seitenfläche und dem Rand geringer ist
als einer der Abstände
zwischen zwei benachbarten aktiven Bereichen der Laserdiodenvorrichtung.
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Die
aktiven Bereiche sind zweckmäßigerweise
zur Strahlungserzeugung im Betrieb der Laserdiodenvorrichtung ausgebildet.
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Der
Träger
der Laserdiodenvorrichtung ist also an die Abmessung der Laserdiodenvorrichtung angepasst.
Bevorzugt ist der Träger
derart an die Laserdiodenvorrichtung angepasst, dass die laterale Wärmestromaufweitung,
insbesondere im Träger, vermindert
ist. Auch hierüber
kann, ebenso wie über die
weiter oben beschriebenen Maßnahmen,
die Betriebstemperaturverteilung über die aktiven Bereiche der
Laserdiodenvorrichtung beeinflusst werden. Im Bereich der Seitenfläche der
Vorrichtung von der Laserdiodenvorrichtung in den Träger abgeführte Verlustwärme unterliegt
im Träger,
aufgrund der vergleichsweise nahen Anordnung von Seitenfläche und Trägerrand
relativ zueinander, nur einer relativ geringen lateralen randseitigen
Wärmestromaufweitung. Die
Betriebstemperatur der vergleichsweise nahe an der Seitenfläche liegenden
aktiven Bereiche wird so – aufgrund
der nur moderaten Wärmestromaufweitung
im Träger – gegenüber der
Betriebstemperatur weiter von der Seitenfläche entfernter aktiver Bereiche
nicht maßgeblich
verringert. Die Betriebstemperaturen der aktiven Bereiche können über eine
derartige Anordnung der Laserdiodenvorrichtung relativ zum Träger vereinfacht
aneinander angeglichen werden. Hierüber können, wie bereits weiter oben
beschrieben, die Peak-Wellenlängen der
in den verschiedenen aktiven Bereichen erzeugten Strahlungen stabilisiert
werden.
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Der
Träger
begrenzt die Laseranordnung bevorzugt zumindest teilweise in lateraler
Richtung. Eine Anordnung der Seitenfläche möglichst nahe am Rand des Trägers hat
sich als für
eine Verringerung oder vollständige
Vermeidung der randseitigen Wärmestromaufweitung
besonders vorteilhaft erwiesen.
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Bevorzugt
ist der Abstand der Seitenfläche vom
Rand geringer als der kleinste der Abstände zwischen den aktiven Bereichen
der Laserdiodenvorrichtung. Besonders bevorzugt schließt die Seitenfläche, insbesondere
auf ihrer dem Träger
zugewandten Seite, bündig
mit dem Träger
ab. Eine Wärmestromaufweitung
in lateraler Richtung im Träger
kann so im Wesentlichen vollständig
vermieden werden.
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Ferner
ist der Träger
bevorzugt als Wärmesenke
oder insbesondere als Submount ausgeführt. In den aktiven Bereichen
anfallende Verlustwärme kann
so zuverlässig über von
den aktiven Bereichen weggeleitet werden.
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Der
Submount kann gegebenenfalls zwischen der Laserdiodenvorrichtung
und einem weiteren Laseranordnungsträger, z.B. einer Wärmesenke, angeordnet
sein. Vorzugsweise ist der Submount gegenüber der Wärmesenke besser an den thermischen
Ausdehnungskoeffizienten eines Elements der Laserdiodenvorrichtung
auf der dem Submount zugewandten Seite der Laserdiodenvorrichtung
angepasst. Der Träger
kann also insbesondere hinsichtlich des thermischen Ausdehnungskoeffizienten,
beispielsweise mit einer Abweichung von 5 % oder weniger, an den
thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Laserdiodenvorrichtung
angepasst sein. Die Gefahr thermisch verursachter Schädigungen
der Laserdiodenvorrichtung kann so verringert werden.
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Zur
Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten und hinsichtlich
guter Wärmeleitfähigkeit
ist ein Kupfer-Wolfram (CuWo) enthaltender Submount besonders geeignet. Über das
Verhältnis Cu/Wo
kann der thermische Ausdehnungskoeffizient eines derartigen Wärmespreizers
verändert
und an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Laserdiodenvorrichtung,
insbesondere an den des Substrats der Laserdiodenvorrichtung oder
den eines seitens des Wärmespreizers
angeordneten Halbleitermaterials angepasst werden. Eine besonders
gute thermische Anpassung kann bei einem Laserdiodenchip auf GaAs-Basis,
zum Beispiel mit einem GaAs-haltigen (Aufwachs)Substrat und/oder
einem aktiven Bereich auf GaAs-Basis, erzielt werden.
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Als
Wärmesenke
eignet sich besonders eine Cu-Wärmesenke.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Substrat auf der
dem Träger
abgewandten Seite der aktiven Bereiche angeordnet. Die Wärmeableitung
von den aktiven Bereichen in den Träger kann so verbessert werden,
da die Wärme
nicht durch das Substrat geleitet werden muss. Das Substrat ist hierbei
zweckmäßigerweise
durch das Aufwachssubstrat gebildet. Die Gefahr einer Schädigung der
Laserdiodenvorrichtung durch aufgrund eines Wärmestaus überhöhte Temperaturen kann so verringert
werden. Allerdings werden aufgrund der verbesserten Wärmeableitung
Unterschiede in den Betriebstemperaturen der aktiven Bereiche bei
einer derartigen Anordnung des Substrats besonders stark erhöht. Eine
Betriebstemperaturstabilisierung mittels Variation der Querabmessungen
und/oder der Abstände
der aktiven Bereiche und/oder eine entsprechende Anpassung der Abmessungen
der Laserdiodenvorrichtung an den Träger sind in diesem Falle von
besonderem Vorteil.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind die Kontakte für die aktiven
Bereiche zwischen dem Träger
und der aktiven Schicht angeordnet.
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Die
Laserdiodenvorrichtung der Laseranordnung ist bevorzugt als erfindungsgemäße Laserdiodenvorrichtung
ausgeführt.
Die Betriebstemperaturverteilung kann so vereinfacht weitergehend
beeinflusst werden. Weiter oben und im Folgenden im Zusammenhang
mit der erfindungsgemäßen Laserdiodenvorrichtung
beschriebene Merkmale können
daher auch für
die erfindungsgemäße Laseranordnung herangezogen
werden und umgekehrt.
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Die
Laseranordnung und die Laserdiodenvorrichtung sind aufgrund der
beeinflussbaren Betriebstemperaturverteilung vereinfacht mit in
lateraler Richtung in den aktiven Bereichen gleichartig verlaufender
Betriebstemperaturverteilung ausbildbar. Besonders stark bemerkbar
macht sich dies bei gleichartig ausgebildeten aktiven Bereichen,
die die Laserdiodenvorrichtung bevorzugt aufweist. Diese sollten nominell
Strahlung der gleichen Peak-Wellenlänge emittieren,
die jedoch aufgrund der Betriebstemperaturunterschiede variieren
kann. Diese Schwankung kann bei der Erfindung verringert oder vollständig beseitigt
werden. Eine derartig betriebstemperaturstabilisierte Laserdiodenvorrichtung
bzw. eine entsprechende Laseranordnung ist demnach für eine Pumpanwendung,
in der eine zu pumpende Strahlungsquelle über Absorption der von der
Laserdiodenvorrichtung erzeugten Strahlung optisch gepumpt wird, besonders
geeignet.
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Ein
erfindungsgemäßer optisch
gepumpter Laser wird mittels einer erfindungsgemäßen Laserdiodenvorrichtung
oder einer erfindungsgemäßen Laseranordnung
gepumpt.
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Aufgrund
der stabilen Peak-Wellenlänge sind
diese Laser als Pumplaser für
ein effizientes Pumpen besonders geeignet.
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Der
zu pumpende Laser ist vorzugsweise als Festkörperlaser, insbesondere als
Festkörperscheibenlaser
oder Festkörperstablaser,
als Faserlaser oder als Halbleiterlaser, insbesondere als Halbleiterscheibenlaser
ausgeführt.
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Besonders
geeignet ist die Pumpstrahlungsquelle zum Pumpen eines Halbleiterlasers,
insbesondere eines oberflächenemittierenden
Halbleiterlasers, der zum Betrieb mit einem externen Resonator vorgesehen
ist. Beispielsweise ist der Halbleiterlaser als VECSEL (Vertical
External Cavity Surface Emitting Laser) und/oder Scheibenlaser ausgeführt.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung
ergeben sich aus der Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung
mit den Figuren.
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1 zeigt Ausführungsbeispiele einer Laseranordnung
anhand einer schematischen Schnittansicht in 1A und
einer schematischen Aufsicht in 1B, einer
weiteren Laseranordnung anhand entsprechender Ansichten in den 1C und 1D,
und einer weiteren Laseranordnung in 1E sowie
das quantitative Betriebstemperaturprofil einer Laseranordnung in 1F,
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Laseranordnung
anhand einer schematischen Aufsicht in 2A und
einer schematischen Schnittansicht in 2B,
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3 zeigt zwei Ausführungsbeispiele eines Laserdiodenchips
anhand schematischer Aufsichten in den 3A und 3B,
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4 zeigt zwei Ausführungsbeispiele einer Laseranordnung
anhand schematischer Schnittansichten in den 4A und 4B,
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5 zeigt zwei weitere Ausführungsbeispiele
eines Laserdiodenchips anhand schematischer Aufsichten in den 5A und 5B,
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6 zeigt
eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines optisch
gepumpten Halbleiterlasers, und
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7 zeigt
eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines optisch
gepumpten Lasers.
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Gleiche,
gleichartige und gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit
gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine Laseranordnung 1 anhand einer
schematischen Schnittansicht in 1A und einer
schematischen Aufsicht auf die Laseranordnung in 1B.
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Die
Laseranordnung 1 umfasst einen Laserdiodenchip 2,
der eine Mehrzahl von auf einem gemeinsamen Substrat 3 entlang
einer lateralen Haupterstreckungsrichtung R des Laserdiodenchips
nebeneinander angeordneten, zur Strahlungserzeugung geeigneten aktiven
Bereichen 4a, 4b, 4c, 4d, ..., 4n umfasst.
Vorzugsweise umfasst der Laserdiodenchip 2 zehn oder mehr
aktive Bereiche, z.B. zwölf aktive
Bereiche.
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Gemäß der Darstellung
in den 1A und 1B ist
ein aktiver Bereich jeweils in einem Halbleiterkörper 5a, 5b, 5c, 5d,
..., 5n ausgebildet. Die Halbleiterkörper 5a...5n sind
als diskrete, räumlich voneinander
getrennt auf dem Substrat 3 angeordnete Halbleiterstrukturen
ausgeführt.
Die Halbleiterkörper 5a...5n sind
insbesondere äquidistant
auf dem Substrat 3 angeordnet und weisen gleiche Querabmessungen,
d. h. gleiche Breiten, entlang der lateralen Haupterstreckungsrichtung
auf. Eine Längsabmessung
der Halbleiterkörper,
d.h. deren Länge, senkrecht
zur lateralen Haupterstreckungsrichtung ist bevorzugt größer als
die Querabmessung und besonders bevorzugt konstant. Weiterhin weisen
die aktiven Bereiche bevorzugt den gleichen Flächeninhalt, d.h. die gleiche
aktive Fläche,
auf.
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Der
Laserdiodenchip 2 der Laseranordnung 1 ist auf
einem Träger 6 angeordnet,
wobei das Substrat 3 bevorzugt zwischen den aktiven Bereichen 4a...4n und
dem Träger
angeordnet ist. Der Träger 6 ist
in lateraler Richtung durch eine erste Randfläche 7 und eine zweite
Randfläche 8 lateral
begrenzt, wobei die zweite Randfläche 8 der ersten Randfläche 7 gegenüber liegt.
Die Randflächen 7, 8 begrenzen
zugleich auch die Laseranordnung 1 in lateraler Richtung.
Der Laserdiodenchip 2 ist in lateraler Richtung durch eine
erste Seitenfläche 9 und
eine zweite Seitenfläche 10 begrenzt.
Diese sind vom Substrat 3 gebildet. Die zweite Seitenfläche 10 liegt
der ersten Seitenfläche 9 gegenüber. Weiterhin
sind die Randflächen
von den Seitenflächen
beabstandet. Auch die aktiven Bereiche sind von den Seitenflächen 9 bzw. 10 beabstandet,
sodass die Laseranordnung von den aktiven Bereichen ausgehend eine
sich stufenartig lateral verbreiternde Struktur aufweist.
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Die
Halbleiterkörper 5a...5n sind
gemäß kantenemittierenden
Laserstrukturen ausgebildet. Ein Resonator für eine derartige Laserstruktur
kann mittels einer ersten Reflektorfläche 11 und einer zweiten Reflektorfläche 12,
die der jeweilige Halbleiterkörper 5a...5n aufweisen
oder die am jeweiligen Halbleiterkörper ausgebildet sein kann,
gebildet sein. Bevorzugt bildet eine Oberfläche des jeweiligen Halbleiterkörpers die
jeweilige Reflektorfläche.
Die erste Reflektorfläche 11 weist
bevorzugt eine geringere Reflektivität auf als die zweite Reflektorfläche 12,
sodass sich im Betrieb des Laserdiodenchips 2 ein Strahlungsfeld
im Resonator des jeweiligen Halbleiterkörpers aufbauen, dort verstärkt werden
und als Laserstrahlung 13 über die als Auskoppelfläche dienende
Reflektorfläche 11 aus
dem Resonator auskoppeln kann.
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Bevorzugt
sind die Halbleiterkörper 5a...5n monolithisch
integriert ausgeführt.
Die Halbleiterkörper
können epitaktisch
auf dem Substrat 3 gewachsen sein. Bevorzugt basieren die
Halbleiterkörper
auf GaAs. Ein GaAs-Substrat ist in diesem Fall als Substrat, insbesondere
auch als Aufwachssubstrat für ein
epitaktisches Wachsen der Halbleiterkörper, besonders geeignet.
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Ferner
sind die aktiven Bereichen bevorzugt gleichartig, insbesondere zur
Emission von Laserstrahlung gleicher Peak-Wellenlänge bei gleicher Betriebstemperatur
ausgebildet. Zur effizienten Strahlungserzeugung besonders geeignet
sind aktive Bereiche, die eine Ein- oder Mehrfachquantenstruktur aufweisen.
Die Bezeichnung Quantentopfstruktur beinhaltet keine Angabe über die
Dimensionalität.
Sie umfasst somit u.a. Quantentröge,
Quantendrähte und
Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
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Laserdiodenchips
auf (In,Al)GaAs-Basis eignen sich besonders zur Strahlungserzeugung
im infraroten Spektralbereich.
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Im
Betrieb des Laserdiodenchips 2, etwa im quasikontinuierlichen
Langpulsbetrieb (qcw: quasi-continuous wave) oder im kontinuierlichen
Dauerstrichbetrieb (cw: continuous wave), wird in den aktiven Bereichen
Strahlung erzeugt. Hierbei kann eine nicht unerhebliche Verlustwärmemenge
anfallen. Bei Hochleistungslaserdiodenchips – z.B. mit einer Ausgangsleistung
für einen
Chip mit einem aktiven Bereich ≥ 1W,
für einen
Chip mit einer Mehrzahl aktiver Bereiche ≥ 10W – fällt dementsprechend eine besonders
hohe Verlustwärmemenge
an. Um die Gefahr einer wärmebedingten
Schädigung
der aktiven Bereiche nicht maßgeblich
zu erhöhen,
ist der Träger 6 zur Wärmeableitung
vom Laserdiodenchip bevorzugt als Wärmesenke ausgeführt. Hierzu
enthält
der Träger 6 z.B.
ein Metall, beispielsweise Cu, oder eine Legierung, z.B. CuWo, mit vorteilhaft
hoher Wärmeleitfähigkeit.
Die Wärme
kann von den aktiven Bereichen über
das Substrat 3 in den Träger 6 abgeführt werden.
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Die
Laseranordnung 1 kann mit dem Träger 6 auf einem Anschlussträger (nicht
dargestellt), z.B. einer Leiterplatte, angeordnet und dort elektrisch kontaktiert
werden. Auf eine explizite Darstellung elektrischer Kontakte der
Laseranordnung wurde aus Übersichtlichkeitsgründen verzichtet.
Der Träger kann
als Submount für
den Laserdiodenchip dienen, der zwischen dem Laserdiodenchip und
dem Anschlussträger
und/oder einer zusätzlichen
Wärmesenke
angeordnet ist.
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In
den aktiven Bereichen, die den Seitenflächen 9 und 10 benachbart
sind bzw. nahe an den jeweiligen Seitenflächen angeordnet sind, z.B.
den aktiven Bereichen 4a und 4n, anfallende Verlustwärme kann
im Substrat 3 in lateraler Richtung zur jeweiligen Seitenfläche des
Substrats geleitet werden. Vom Substrat 3 in vertikaler
Richtung in den Träger 6 gelangende
Wärme kann
im Träger
lateral in Richtung der Randflächen 9 und 10 geleitet
werden. Der Wärmestrom
kann also im Substrat bzw. im Träger
in lateraler Richtung aufgeweitet werden. Dies ist in 1A durch
die sich in lateraler Richtung aufweitenden Wärmestromlinien 14 und 15 schematisch dargestellt.
In den Randbereichen des Laserdiodenchips, d.h. den Bereichen nahe
der Seitenflächen, wird
verglichen mit einem mittigen Zentralbereich des Laserdiodenchips 2 eine
geringere Verlustwärmemenge
erzeugt. Diese Wärme
wird aufgrund der Wärmestromaufweitung
und der seitens der Seitenfläche
vergleichsweise großen,
zur Wärmeableitung zur
Verfügung
stehenden Fläche
vermehrt von den aktiven Bereichen abgeleitet.
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In
der Folge bildet sich in lateraler Richtung ein Gradient in der
Betriebstemperatur der aktiven Bereiche aus. Die Betriebstemperaturen
Ta, Tb, Tc, Td, ... und Tn der aktiven Bereiche 4a, 4b, 4c, 4d,
..., bzw. 4n nehmen daher mit wachsendem Abstand von den
Seitenflächen 9 und 10 in
lateraler Richtung zu. Je weiter die aktiven Bereiche von den Seitenflächen 9 und 10 bzw.
den Randflächen 7 und 8 entfernt sind,
desto weniger beeinflusst die randseitige laterale Wärmestromaufweitung
die Betriebstemperatur der jeweiligen aktiven Bereiche. Die Wärme kann
in relativ weit von den Seitenflächen
entfernten Gebieten des Laserdiodenchips vielmehr im wesentlichen ohne
Verbreiterung des Wärmestroms
und direkt in vertikaler Richtung von den aktiven Bereichen abgeführt werden.
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Die
Betriebstemperaturen der aktiven Bereiche werden bevorzugt an entsprechenden
Orten des jeweiligen aktiven Bereichs entlang der lateralen Haupterstreckungsrichtung
bestimmt. Beispielsweise wird die Betriebstemperatur eines aktiven
Bereichs in der Mitte dieses aktiven Bereichs seitens der ersten
Reflektorfläche 11 bestimmt.
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Auch
bei nebeneinander angeordneten Einzelchips, das heißt einer
Mehrzahl von auf einem Chipträger
montierten getrennt voneinander hergestellten Laserdiodenchips kann
bei äquidistanter
Anordnung der Chips ein Gradient in der Betriebstemperaturverteilung
aufgrund der lateralen Wärmestromaufweitung
im Chipträger
auftreten (nicht explizit dargestellt). In diesem Falle entsprechen
der Darstellung in 1 die Halbleiterkörper einzelnen
Laserdiodenchips, das Substrat 3 dem Chipträger, der z.B.
als Wärmespreizer
oder Submount ausgeführt ist,
und der Träger 6 einer
Wärmesenke oder
einem Anschlussträger
für die
auf dem Chipträger
montierten Chips. Für
thermisch angepasste Ausdehnungskoeffizienten zu den einzelnen Laserdiodenchips
ist ein CuWo-Submount und eine Cu-Wärmesenke besonders geeignet.
Die einzelnen Laserdiodenchips sind vorzugsweise zur Erzeugung von
Strahlung der gleichen Peak-Wellenlänge ausgebildet.
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Die
in den 1C und 1D schematisch dargestellte
Laseranordnung 1 entspricht im Wesentlichen der in den 1A und 1B dargestellten Laseranordnung.
Im Unterschied hierzu weist der Laserdiodenchip 2 eine
Halbleiterschichtstruktur 500 mit einer durchgehenden aktiven
Schicht 400 auf, die auf dem Substrat 3 angeordnet
ist. Die Halbleiterschichtstruktur 500 schließt vorzugsweise
bündig
mit den Seitenflächen 9, 10 des
Substrats 3 ab. Im Gegensatz zu den 1A und 1B sind
die aktiven Bereiche 4a...4n des Laserdiodenchips 2 durch
im Betrieb des Halbleiterchips diskret voneinander bestromte Bereiche
der aktiven Schicht 400 gebildet. Die Reflektorflächen 11, 12 sind
weiterhin durch eine durchgehende Fläche ausgebildet. Die aktiven
Bereiche 4a...4n sind jeweils von einem elektrischen Kontakt,
insbesondere einer Kontaktmetallisierung, überdeckt. Vorzugsweise ist
jedem aktiven Bereich genau ein Kontakt zugeordnet.
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Die
diskreten Kontakte 50a...50n entsprechen in ihrer Formgebung
und Anordnung jeweils den Halbleiterkörpern 5a...5n gemäß den 1A und 1B.
Insbesondere sind die Kontakte 50a...50n äquidistant
in lateraler Richtung auf der Halbleiterschichtstruktur 500 angeordnet.
In der Folge sind die im Betrieb des Laserdiodenchips 2 strahlungserzeugenden
aktiven Bereiche 4a...4n ebenso äquidistant angeordnet.
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Vorzugsweise
sind die Kontakte als, insbesondere parallel zueinander verlaufende,
Kontaktstreifen ausgebildet. Die Kontakte weisen weiterhin gleiche
Breiten auf.
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Dementsprechend
kann die Betriebstemperaturverteilung in lateraler Richtung bei
dem in den 1C und 1D gezeigten
Laserdiodenchip 2 ebenso inhomogen wie die des Chips gemäß den 1A und 1B verlaufen.
Aufgrund der durchgehenden Halbleiterschichtstruktur, die neben
der aktiven Schicht 400 vorzugsweise eine Mehrzahl weiterer
Halbleiterschichten enthält,
kann der Wärmeabtransport
von den aktiven Bereichen sogar noch weitergehend gehemmt sein.
Die Schwankungen in der Betriebstemperatur können gegenüber den voneinander über einen
Freiraum beabstandeten aktiven Bereichen sogar noch erhöht sein.
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Der
Laserdiodenchip 2 kann auf dem Träger 6 durch eine,
vorzugsweise elektrisch und/oder thermisch leitende Verbindungsschicht
(nicht dargestellt) befestigt und insbesondere elektrisch und/oder
thermisch leitend mit dem Träger 6 verbunden
sein. Die Verbindungsschicht ist vorzugsweise zwischen dem Laserdiodenchip
und dem Träger 6 angeordnet.
Die Verbindungsschicht kann als Lotschicht, insbesondere als In-Lotschicht,
ausgeführt
sein.
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Um
die aktiven Bereiche 4a...4n für eine verbesserte Wärmeableitung
näher am
Träger
anzuordnen, können
die aktiven Bereiche zwischen dem Träger 6 und dem Substrat 3 angeordnet
sein. Insbesondere können
die Kontakte 50a...50n zur diskreten Bestromung der aktiven
Schicht zwischen der Halbleiterschichtstruktur 500 und
dem Träger 6 angeordnet sein
(1E). Über
eine Anordnung des Substrats 3 auf der dem Träger abgewandten
Seite der aktiven Bereiche kann die Wärmeableitung von den aktiven Bereichen
verbessert werden. Die Gefahr einer aufgrund überhöhter Temperaturen verursachten
Schädigung
des Laserdiodenchips im Betrieb der Laseranordnung 1 wird
so verringert. Da die thermische Anbindung an den Träger 6 bei
einer derartigen Ausgestaltung verbessert ist, macht sich auch eine
laterale Wärmestromaufweitung
im Träger
verstärkt
bemerkbar. Hierdurch werden die Schwankungen in den Peak-Wellenlängen weitergehend
verstärkt.
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Die
in den 1A bis 1E dargestellten Laserdiodenchips
sind vorzugsweise als Laserdiodenbarren ausgebildet.
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1F zeigt
quantitativ das Betriebstemperaturprofil, d.h. die Änderung
der Betriebstemperatur ΔT
in °C entlang
der Strecke x in μm
entlang der lateralen Haupterstreckungsrichtung, von der Mitte des Laserdiodenchips
ausgehend in Richtung der Seitenfläche 9 des Substrats 3 für eine Laseranordnung ähnlich den
in den 1A, 1B bzw. 1C, 1D und 1E gezeigten
Anordnungen für
verschiedene Füllfaktoren
F des Substrats mit aktiven Bereichen. Die Abnahme der Betriebstemperaturen in
Richtung der Seitenfläche
ist deutlich zu erkennen.
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Da
die Peak-Wellenlänge
der im jeweiligen aktiven Bereich erzeugten Strahlung von dessen
Betriebstemperatur abhängt,
führt dieser
Gradient der Betriebstemperatur zu verschiedenen Peak-Wellenlängen der
in den jeweiligen aktiven Bereichen erzeugten Strahlung. Das Emissionsspektrum
des Laserdiodenchips 2 wird also aufgrund der Temperaturabhängigkeit
der Peak-Wellenlänge
verbreitert. Dies kann für
Anwendungen der Laseranordnung, etwa für das Pumpen eines Festkörperlasers,
der in der Regel ein schmales Absorptionsspektrum aufweist, unerwünscht sein.
Die Peak-Wellenlänge kann
sich um 0,3 nm/K ändern,
sodass sich Unterschiede in der Betriebstemperatur zwischen verschiedenen
aktiven Bereichen von bis zu ungefähr 40 K, die sich in lateraler
Richtung ergeben können,
maßgeblich
auf die Breite des Emissionsspektrums des Laserdiodenchips auswirken
können.
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Über geeignete
Anordnung und/oder Ausbildung der aktiven Bereiche des Laserdiodenchips 2 und/oder
geeignete Abstimmung des Laserdiodenchips und des Trägers aufeinander,
kann dieser betriebstemperaturgradientenbedingten Peak-Wellenlängenverschiebung
im Rahmen der Erfindung entgegengewirkt werden.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Laseranordnung 1 anhand
einer schematischen Aufsicht in 2A und
einer schematischen Schnittansicht in 2B. Im
Wesentlichen entspricht die Laseranordnung 1 der in den 1A und 1B gezeigten
Laseranordnung.
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Im
Unterschied hierzu sind Elemente der Laseranordnung derart aufeinander
abgestimmt, dass die Betriebstemperaturverteilung in den aktiven
Bereiche in lateraler Richtung homogenisiert ist. Bevorzugt weisen
die aktiven Bereiche in lateraler Richtung an entsprechenden Orten
im jeweiligen aktiven Bereich gleiche Betriebstemperaturen Ta, Tb, Tc,
Td, ..., Tn auf.
Im Unterschied zur Laseranordnung gemäß den 1A und 1B schließt im Ausführungsbeispiel
gemäß 2 das Substrat 3 in lateraler
Richtung bündig
mit dem Träger 6 ab.
Die Randfläche 7 des
Trägers
und die Seitenfläche 9 des
Substrats bzw. die Randfläche 8 und
die Seitenfläche 10 schließen hierzu
bündig
miteinander ab und bilden bevorzugt jeweils eine durchgehende, besonders
bevorzugt eine ebene Fläche
aus. Sowohl das Substrat 3 als auch der Träger 6 begrenzt
die Laseranordnung 1 in lateraler Richtung. Weiterhin grenzen
die aktiven Bereiche 4a und 4n bzw. die Halbleiterkörper 5a und 5n an
die Seitenfläche 10 bzw. 9 an.
Die seitens der Seitenflächen 9 und 10 angeordneten
Halbleiterkörper 5n bzw. 5a können insbesondere
bündig
mit dem Substrat 3 abschließen.
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Eine
laterale Wärmestromaufweitung
im Bereich der Seitenflächen 9, 10 und
der Randflächen 7, 8 kann
so vermieden werden. Die Betriebstemperaturstabilisierung in lateraler
Richtung wird in der Folge vereinfacht, da die Betriebstemperatur
der randseitig angeordneten aktiven Bereiche aufgrund der Unterdrückung der
Wärmestromaufweitung
an die der weiter von den Seitenflächen entfernten aktiven Bereiche
angeglichen ist. Dies wird durch die Wärmestromlinien 14 und 15 verdeutlicht,
die im Unterschied zu den Linien in 1 im
Wesentlichen gerade Linien sind und in vertikaler Richtung vom aktiven Bereich
in den Träger
verlaufen.
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Gegebenenfalls
können
die aktiven Bereiche 4a und 4n, die den Seitenflächen 10 bzw. 9 am nächsten liegen,
auch in lateraler Richtung von diesen Seitenflächen beabstandet sein. Um einer
maßgeblichen
Wärmestromaufweitung
im Substrat 3 vorzubeugen, ist dieser Abstand bevorzugt
kleiner als derjenige zwischen zwei benachbarten aktiven Bereichen
des Laserdiodenchips. Weiterhin ist der Abstand zur Seitenfläche in lateraler
Richtung bevorzugt kleiner als der Abstand des der jeweiligen Seitenfläche nächstliegenden
aktiven Bereichs zu dem diesem benachbarten aktiven Bereich (etwa
kleiner als der Abstand der Bereiche 4a und 4b).
Besonders bevorzugt ist der Abstand des der jeweiligen Seitenfläche nächstliegenden
aktiven Bereichs zu dieser Seitenfläche kleiner als der kleinste
der Abstände zwischen
den aktiven Bereichen des Laserdiodenchips. Zur Stabilisierung der
Betriebstemperatur können
alternativ oder ergänzend
die Abstände
oder die Querabmessungen der aktiven Bereiche variiert werden (vgl.
die Beschreibung der folgenden Ausführungsbeispiele).
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Weiterhin
können
die Seitenflächen 9 und 10 von
den Randflächen 7 bzw. 8 in
lateraler Richtung beabstandet sein. Um einer maßgeblichen Wärmestromaufweitung
im Träger 6 vorzubeugen,
ist dieser Abstand bevorzugt kleiner als einer der Abstände zwischen
zwei benachbarten aktiven Bereichen des Laserdiodenchips und/oder
kleiner als der Abstand des der jeweiligen Seitenfläche nächstliegenden
aktiven Bereichs von dieser Seitenfläche.
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Bei
in einem Abstand von 110 μm äquidistant angeordneten
aktiven Bereichen gleicher Querabmessung konnte über derartige Abstimmung des
Laserdiodenchips und des Trägers
die Betriebstemperatur an entsprechenden Orten in verschiedenen
aktiven Bereichen im Wesentlichen konstant gehalten werden, während bei
einer Laseranordnung mit einem Referenz-Laserdiodenchip ähnlich dem in 1 gezeigten
die Betriebstemperatur um ungefähr
38 K schwankte. Bei einem Abstand der Halbleiterkörper von
200 μm betrug
die Schwankung der Betriebstemperatur im Referenz-Laserdiodenchip
ungefähr
33 K. Auch diese Schwankung konnte kompensiert werden.
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Eine
entsprechende Kompensation der Schwankung in der Betriebstemperatur
aufgrund der Anpassung des Laserdiodenchips 2 an die Abmessung
des Trägers
konnte auch bei einer Laseranordnung gemäß den 1C und 1D bzw. 1E erzielt
werden. Die randseitigen Kontakte 50a und 50n sind dabei
bevorzugt entsprechend den Halbleiterkörpern 5a und 5n in
lateraler Richtung möglichst nahe
an den Seitenflächen 9, 10 des
Substrats 3, und insbesondere am Rand der Halbleiterschichtstruktur 500 angeordnet.
In der Folge sind die randseitigen aktiven Bereiche mit Vorteil
möglichst
nahe am Trägerrand
bzw. der Substratkante ausgebildet. Einer Wärmestromaufweitung kann so
besonders effizient vorgebeugt werden.
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3A zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines Laserdiodenchips 2 anhand einer schematischen Aufsicht.
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Der
Laserdiodenchip 2 entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang
mit den 1A und 1B beschriebenen
Laserdiodenchip. Im Unterschied hierzu sind die Halbleiterkörper 5a...51 mit den
aktiven Bereichen nicht äquidistant
entlang der lateralen Haupterstreckungsrichtung R angeordnet. Die
Abstände
Dab, Dbc, Dcd, Dde, Def bzw. Dfg zwischen zwei
benachbarten Halbleiterkörpern
nehmen vielmehr mit wachsendem Abstand der Halbleiterkörper von
der jeweiligen Seitenfläche 10 bzw. 9 des
Substrats 3 zu (Dab < Dbc < Dcd).
Die lineare Belegungsdichte des Laserdiodenchips 2 mit
aktiven Bereichen nimmt demgemäß in lateraler
Richtung mit wachsendem Abstand von der jeweiligen Seitenfläche ab.
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Unter
linearer Belegungsdichte wird hierbei das Verhältnis der beim Überstreichen
des Laserdiodenchips entlang der lateralen Haupterstreckungsrichtung
R des Laserdiodenchips mit aktiven Bereichen belegten Strecken zu
der insgesamt entlang der lateralen Haupterstreckungsrichtung des
Laserdiodenchips überstrichenen
Strecke verstanden.
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Daher
wird im Bereich der Seitenflächen 9 und 10 verglichen
mit dem Laserdiodenchip aus 1 eine
erhöhte
Verlustwärmemenge
erzeugt. Hierdurch kann die laterale Wärmestromaufweitung, die aufgrund
der beabstandeten Anordnung der aktiven Bereiche zur Seitenfläche entsteht,
kompensiert werden, und die laterale Betriebstemperaturverteilung
der aktiven Bereiche homogenisiert werden. Bevorzugt sind die aktiven
Bereiche bzw. die Halbleiterkörper
derart angeordnet, dass die Betriebstemperaturen gleich sind (Ta = Tb = ... = Tl).
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Eine
Anordnung der aktiven Bereiche bzw. der Halbleiterkörper auf
dem Substrat 3 achsensymmetrisch zur Symmetrieachse 16 des
Laserdiodenchips 2, die senkrecht zur lateralen Haupterstreckungsrichtung
R und/oder parallel zu derjenigen Oberfläche des Substrats 3,
auf der die Halbleiterkörper
angeordnet sind, verläuft,
ist für
eine homogene Betriebstemperaturverteilung in lateraler Richtung von
besonderem Vorteil. Bevorzugt sind die Halbleiterkörper bzw.
die aktiven Bereiche daher symmetrisch zu dieser Symmetrieachse 16 angeordnet.
Besonders bevorzugt ist der gesamte Laserdiodenchip 2 achsensymmetrisch
zu dieser Achse ausgebildet.
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Insgesamt
kann so mittels geeigneter Wahl der Abstände zwischen den benachbarten
aktiven Bereichen bzw. Halbleiterkörpern, insbesondere auch bei
Halbleiterkörpern
gleicher Breite, ein lateral in den aktiven Bereichen gleichartig
verlaufendes Betriebstemperaturprofil verwirklicht werden.
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Als
besonders zweckmäßig hat
es sich herausgestellt, den Abstand benachbarter aktiver Bereiche,
insbesondere in Schritten einer vorgegebenen Größe, zwischen einem kleinsten
der Abstände
benachbarter aktiver Bereiche von D/3, bevorzugt von D/5, besonders
bevorzugt D/10, und einem größten der
Abstände
benachbarter aktiver Bereiche D zu variieren.
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Im
zentralen Bereich um die Mitte des Laserdiodenchips 2 sind
Schwankungen in der Betriebstemperaturverteilung zwischen verschiedenen
aktiven Bereichen, insbesondere in lateraler Richtung, eher gering,
sodass auf eine Variation des Abstands zur Homogenisierung des Betriebstemperaturverteilung
in diesem Bereich bedingt verzichtet werden kann (Dde =
Def = Dfg oder vorzugsweise
Dde < Def < Dfg).
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Eine
entsprechende Homogenisierung der Betriebstemperatur der aktiven
Bereiche kann auch bei einem Laserdiodenchip 2, dessen
aktive Bereiche durch diskret voneinander bestromte Gebiete einer
durchgehenden aktiven Schicht 400 gebildet sind (vergleiche
die 1C und 1D, bzw. 1E)
erreicht werden. Hierzu werden anstatt Abstände zwischen Halbleiterkörpern zu
variieren die Abstände zwischen
den 50a...50l entsprechend variiert werden. Die
diesbezüglichen
obigen Ausführungen
treffen dementsprechend auch auf das in 3B in schematischer
Aufsicht dargestellte Ausführungsbeispiel
eines Laserdiodenchips 2 zu. Die Ausführungen für die Halbleiterkörper bzw.
die aktiven Bereiche sind also insbesondere auch für die Ausbildung
der Kontakte zutreffend.
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Die
Kontakte sind vorzugsweise in Aufsicht streifenartig, insbesondere
rechtecksartig ausgebildet. Insbesondere können die Kontakte gleiche Breiten
aufweisen.
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Mittels
einer derartigen Variation des Abstands der benachbarten aktiven
Bereiche kann ein Betriebstemperaturgradient über verschiedene aktive Bereiche
eines Referenz-Laserdiodenchips nicht nur kompensiert, sondern sogar
umgekehrt werden.
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Dies
ist anhand der 4A und 4B verdeutlicht,
die jeweils eine schematische Schnittansicht durch eine Laseranordnung 1 ähnlich den
in den 1A, 1B und 2 gezeigten Laseranordnungen zeigen. Die
Halbleiterkörper 5a...5g bzw.
die aktiven Bereiche der Laserdiodenchips weisen jeweils gleiche
Breiten auf.
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Aufgrund
der Wärmestromaufweitung
der beim Referenz-Laserdiodenchips
gemäß 4A äquidistant
angeordneten Halbleiterkörper 5a...5g seitens
der Seitenfläche 9 nimmt
die Betriebstemperatur der aktiven Bereiche ausgehend von dieser
Seitenfläche
in lateraler Richtung zu. Beim Laserdiodenchip gemäß 4B ist
der Abstand benachbarter aktiver Bereiche seitens der Seitenfläche 9 gegenüber dem
Referenz-Laserdiodenchip verringert und seitens der Seitenfläche 10 vergrößert. Durch
derartige Erhöhung
der linearen Belegungsdichte des Laserdiodenchips 2 mit
aktiven Bereichen gegenüber
derjenigen des Referenz-Laserdiodenchips aus 4A seitens
der Seitenfläche 9 des
Substrats 3 kann, trotz der lateralen Wärmestromaufweitung seitens
der Seitenfläche 9,
der Betriebstemperaturgradient gegenüber dem des Referenz-Laserdiodenchips
umgekehrt werden. Die lineare Belegungsdichte nimmt in 4B in
lateraler Richtung R ausgehend von dem der Seitenfläche 9 nächstliegenden
aktiven Bereich mit wachsendem Abstand von der Seitenfläche 9 ab.
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Entsprechendes
gilt für
die Beeinflussung der Betriebstemperaturen für eine Laseranordnung 1 gemäß den
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1C, 1D, 1E bzw.
den Chip gemäß 3B für die Variation
der Abstände
der Kontakte.
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Bei
den im Zusammenhang mit den 1, 2 und 3 beschriebenen
Laserdiodenchips 2 weisen die aktiven Bereiche vorzugsweise
jeweils die gleiche aktive Fläche
auf.
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5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Laserdiodenchips 2 anhand
einer schematischen Aufsicht. Im Wesentlichen entspricht der Laserdiodenchip 2 dem
im Zusammenhang mit 3 beschriebenen
Laserdiodenchip, wobei anstatt oder zusätzlich zur Variation der Abstände zwischen
den Halbleiterkörper 5a...5k bzw.
zwischen den aktiven Bereichen, deren Querabmessungen, d. h. die
Breiten ba...bk der
Halbleiterkörper
bzw. der aktiven Bereiche, variieren. Die aktiven Bereiche weisen
dementsprechend verschiedene Breiten auf, können aber gegebenenfalls äquidistant
angeordnet sein.
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Auch
durch Variation der Breiten kann die lineare Belegungsdichte des
Laserdiodenchips mit aktiven Bereichen in Gebieten des Laserdiodenchips mit
erhöhter
lateraler Wärmestromaufweitung
derart erhöht
werden, dass die Betriebstemperaturen der aktiven Bereiche im Wesentlichen
konstant sind (Ta = ... = Tk).
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Die
Breiten der aktiven Bereiche nehmen bevorzugt mit wachsendem Abstand
von der Seitenfläche 10 des
Substrats 3 ab (ba > bb > bc > bd).
Auch hierbei können
entsprechend dem Ausführungsbeispiel
gemäß 3 vergleichsweise mittig auf dem Substrat 3 angeordnete
aktive Bereiche aufgrund des vergleichsweise geringen Einflusses
der Wärmestromaufweitung
auf die Betriebstemperatur in diesem Gebiet mit gleichen Breiten
ausgebildet sein (bd = be).
Eine achsensymmetrische Anordnung zur Symmetrieachse 16 ist
für ein
homogenes, insbesondere symmetrisches, Betriebstemperaturprofil
wiederum besonders geeignet.
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Als
besonders zweckmäßig hat
es sich erwiesen, dass die größte der
Breiten der aktiven Bereiche des Laserdiodenchips das 1,2-fache
oder mehr, bevorzugt das 1,5-fache oder mehr, besonders bevorzugt
das 2-fache oder mehr, der kleinsten der Breiten der aktiven Bereiche
des Laserdiodenchips in der lateralen Haupterstreckungsrichtung
beträgt.
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Der
anhand von 5B in schematischer Aufsicht
dargestellte Laserdiodenchip 2 entspricht bis auf die Ausbildung
der Kontakte dem in Zusammenhang mit den 1C und 1D bzw. 1E beschriebenen
Laserdiodenchips. Auch bei diesem Chip ist die Betriebstemperaturverteilung
stabilisiert, wobei im Gegensatz den Halbleiterkörpern wie in 5A die
Breite der Kontakte 50a...50k entsprechend variiert wurde.
Die Ausführungen
zu den Halbleiterkörpern
können
also für
die Kontaktstreifen, insbesondere deren Breite, ebenfalls zutreffen.
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Die
aktiven Bereiche weisen gemäß 5 verschiedene aktive Flächen auf.
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Die
Ausführungsbeispiele
gemäß den 3A, 3B, 4B, 5A und 5B,
in denen die Betriebstemperaturverteilung durch die Ausbildung bzw.
Anordnung der aktiven Bereiche beeinflusst wird, können gegenüber dem
Ausführungsbeispiel
gemäß 2, aufgrund des verringerten Justage – bzw. Abstimmungsaufwandes
des Laserdiodenchips zum Träger,
vereinfacht verwirklicht werden. Bei den erstgenannten Ausführungsbeispielen
kann es jedoch erforderlich sein, das Herstellungsverfahren des
Laserdiodenchips anzupassen und von einem standardisierten Prozess
abzuweichen. Beispielsweise kann es erforderlich sein, Masken, die bei
der Ausbildung der Halbleiterkörper
bzw. der Kontakte Anwendung finden, an die geänderten Abmessungen und/oder
Abstände
der Halbleiterkörper
bzw. der Kontakte anzupassen. Hierauf kann bei einer Abstimmung
des Laserdiodenchips auf den Träger,
wie z.B. beim Ausführungsbeispiel
gemäß 2 verzichtet werden.
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Gegebenenfalls
kann im Rahmen der Erfindung durch geeignete gezielte Anordnung
und/oder Ausbildung der aktiven Bereiche auch ein vorgegebenes Betriebstemperaturprofil über die
aktiven Bereiche geformt werden, das inhomogen verläuft, d.h. die
Betriebstemperaturen in verschiedenen aktiven Bereichen, insbesondere
in lateraler Richtung, können
gezielt voneinander verschieden ausgebildet sein.
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6 zeigt
eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen optisch
gepumpten Halbleiterlasers.
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Der
optisch gepumpte Halbleiterlaser 17 umfasst eine oberflächenemittierende
Halbleiterstruktur 18, die mittels eines Laserdiodenchips 2 oder
einer Laseranordnung 1 als Pumpstrahlungsquelle, die gemäß einem
der vorhergehenden Ausführungsbeispiele
ausgeführt
sein können,
optisch gepumpt ist. Hierzu ist die Pumpstrahlungsquelle derart
angeordnet, dass Pumpstrahlung 19 in einer aktiven Zone 20 des
Halbleiterlasers, beispielsweise eine Quantentopfstruktur umfassend,
absorbiert wird. Die aktive Zone wird hierdurch optisch zur Emission
von einer gegenüber
der Pumpstrahlung längerwelligen
Strahlung angeregt, die aus einer Oberfläche der Halbleiterstruktur
austritt. In einem externen Resonator des Halbleiterlasers 17,
der mittels zumindest eines externen Spiegels 21 begrenzt
wird, kann sich so ein Strahlungsfeld 22 aufbauen, das
in der Halbleiterstruktur 18 verstärkt werden kann. Der Resonator wird
durch einen weiteren Spiegel 23 begrenzt, der bevorzugt,
z.B. als Braggspiegel, in der Halbleiterstruktur 18, insbesondere
zusammen mit der aktiven Zone 20, monolithisch integriert
ist. Der externe Spiegel 21 ist bevorzugt als Auskoppelspiegel
von Laserstrahlung 24 aus dem Resonator ausgebildet. Der Halbleiterlaser
ist insbesondere als optisch gepumpter VECSEL ausgeführt.
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Da
das Emissionsspektrum der Pumpstrahlungsquelle den obigen Ausführungen
entsprechend über
die Stabilisierung der Betriebstemperatur über die Ausbildung und/oder
die Anordnung der aktiven Bereiche vereinfacht vergleichsweise schmalbandig sein
kann, kann der Halbleiterlaser 17 mittels einer betriebstemperaturstabilisierten
Pumpstrahlungsquelle sehr effizient gepumpt werden.
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7 zeigt
eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines optisch
gepumpten Lasers. Wie im Zusammenhang mit 6 beschrieben wird
ein Laserdiodenchip 2 oder eine Laseranordnung 1,
insbesondere in hinsichtlich der Betriebstemperatur stabilisierter
Ausführung,
als Pumpstrahlungsquelle eingesetzt. In einem für das Erreichen von Laseraktivität geeigneten
Verstärkungsmedium 25 wird
die Pumpstrahlung 19 absorbiert und reemittiert. Die reemittierte
Strahlung wird in einem mittels der Spiegel 26 und 27 gebildeten
Resonator und mittels des Verstärkungsmediums 25 verstärkt. Die
verstärkte
Strahlung kann als Laserstrahlung 24 aus dem Resonator
auskoppeln. Der in 7 gezeigte Laser 28 ist
beispielsweise als Festkörperscheibenlaser,
Festkörperstablaser
oder als Faserlaser ausgeführt.
Aufgrund des in der Regel schmalen Absorptionsspektrums im Verstärkungsmedium 25 ist
ein Pumpen mit einer Pumpstrahlungsquelle, welche, wie die betriebstemperaturstabilisierte
Laseranordnung oder ein entsprechend stabilisierter Laserdiodenchip,
ein schmales Emissionsspektrum aufweist, von besonderem Vorteil.
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Ferner
kann auch bei einer Laserdiodenvorrichtung mit diskreten, auf einem
gemeinsamen Chipträger
angeordneten Laserdiodenchips durch Anpassung der Abmessung der
Laserdiodenvorrichtung mit den diskreten Chips an einen wärmeleitenden
(Chip)Träger,
der Variation der Querabmessungen und/oder einer Variation der Abstände der
Laserdiodenchips eine entsprechende Betriebstemperaturstabilisierung
erreicht werden. Bei Laserdiodenchips, welche eine Mehrzahl von
aktiven Bereichen umfassen, ist eine Betriebstemperaturstabilisierung jedoch
aufgrund der besonders kompakten Ausbildung von besonderem Vorteil.
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Weiterhin
kann eine Laseranordnung im Rahmen der Erfindung auch eine Mehrzahl
von vorzugsweise betriebstemperaturstabilisierten Laserdiodenchips
umfassen.
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Es
sei angemerkt, dass die Erfindung gegebenenfalls auch bei anderen
strahlungsemittierenden Halbleiterchips, etwa LED-Chips mit einer Mehrzahl von,
insbesondere auf einem gemeinsamen Substrat angeordneten, aktiven
Bereichen, Anwendung finden kann. Wegen der oftmals besonders hohen
Verlustleistung bei Halbleiterlasern ist die Erfindung für Laser
jedoch besonders geeignet.
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Diese
Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung
10 2005 046 785.5 vom 29. September 2005, deren gesamter Offenbarungsgehalt
hiermit explizit durch Rückbezug
in die vorliegende Patentanmeldung aufgenommen wird.
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Die
Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele
beschränkt. Vielmehr
umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination
von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in
den Patentansprüchen
beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst
nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben
ist.