DE102007003832A1

DE102007003832A1 - Oberflächenemittierender Halbleiterlaser, Herstellungsverfahren für einen solchen und Vorrichtung zum Messen eines Abstands und/oder einer Geschwindigkeit

Info

Publication number: DE102007003832A1
Application number: DE102007003832A
Authority: DE
Inventors: Jörg Dr. Heerlein; Ulrich Dr. Steegmüller; Michael Dr. Kühnelt
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2007-01-25
Publication date: 2008-04-03

Abstract

Es wird ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser angegeben, der einen Halbleiterchip (1), einen ersten Resonatorspiegel (4) und mindestens einen zweiten Resonatorspiegel (8), der außerhalb des Halbleiterchips (1) angeordnet ist und mit dem ersten Resonatorspiegel (4) einen Laserresonator mit einer Resonatorlänge L ausbildet, und mindestens einem Pumplaser (10) umfasst, wobei der Pumplaser dazu vorgesehen ist, zum optischen Pumpen des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers Pumpstrahlung (14) in einzelnen Pump-Pulsen in den Halbleiterchip (1) einzustrahlen und die Resonatorlänge kleiner oder gleich 10 mm ist. Weiterhin wird ein Herstellungsverfahren für einen solchen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser und eine Vorrichtung zum Messen eines Abstands und/oder einer Geschwindigkeit angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser, ein Herstellungsverfahren für einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser und eine Vorrichtung zum Messen eines Abstands und/oder einer Geschwindigkeit mit einem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser.
Halbleiterlaser werden beispielsweise in Vorrichtungen zur Abstands- oder Geschwindigkeitsmessung eingesetzt. Herkömmliche Laser haben jedoch oft eine nicht zufrieden stellende Strahlqualität, so dass solche Vorrichtungen oft nur eine unzureichende Messgenauigkeit, Ortsauflösung und/oder Reichweite aufweisen. Insbesondere erschwert die schlechte Ortsauflösung senkrecht zur Messrichtung die gezielte Auswahl des Messobjekts.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Messung eines Abstands und/oder einer Geschwindigkeit anzugeben, die eine besonders große Messgenauigkeit und eine besonders hohe Ortsauflösung aufweist.
Diese Aufgabe wird durch einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser gemäß Anspruch 1, ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrzahl von oberflächenemittierenden Halbleiterlasern gemäß Anspruch 16 und durch eine Vorrichtung zur Messung eines Abstands und/oder einer Geschwindigkeit nach Anspruch 18 gelöst.
Merkmale von vorteilhaften Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben, deren Offenbarungsgehalt hiermit ausdrücklich in die Beschreibung aufgenommen wird.
Ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser gemäß der Erfindung umfasst einen Halbleiterchip, einen ersten Resonatorspiegel und einen zweiten Resonatorspiegel, der außerhalb des Halbleiterchips angeordnet ist und mit dem ersten Resonatorspiegel einen Laserresonator mit einer Resonatorlänge L ausbildet, und mindestens einen Pumplaser, wobei der Pumplaser dazu vorgesehen ist, zum optischen Pumpen des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers Pumpstrahlung in einzelnen Pump-Pulsen in den Halbleiterchip einzustrahlen und die Resonatorlänge L kleiner oder gleich 10 mm ist. Vorzugsweise ist die Resonatorlänge kleiner oder gleich 5 mm, bei einer Ausführungsform ist sie kleiner oder gleich 2 mm.
Der oberflächenemittierende Halbleiterlaser mit dem externen zweiten Resonatorspiegel und dem, vorzugsweise monolithisch in den Halbleiterchip integrierten, ersten Resonatorspiegel stellt einen sogenannten Scheibenlaser oder VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser) dar.
Beispielsweise ist der oberflächenemittierende Halbleiterlaser mit Vorteil dazu geeignet, Laserstrahlung in Form von Laserpulsen zu emittieren, wobei ein Laserpuls eine Pulsdauer von 100 ns oder weniger, insbesondere von 50 ns oder weniger hat. Beispielsweise liegt die Pulsdauer zwischen 1 ns und 100 ns, insbesondere zwischen 10 und 50 ns, wobei die Grenzen jeweils eingeschlossen sind.
Der Pumplaser ist vorzugsweise elektrisch gepumpt, beispielsweise ist der Pumplaser ein elektrisch gepumpter, vorzugsweise kantenemittierender Halbleiterlaser. Zum elektrischen Pumpen wird dem Pumplaser ein elektrischer Strom zugeführt, der bei einer bevorzugten Ausführungsform zu einzelnen Pulsen moduliert ist. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform haben die Pulse ein im wesentlichen rechteckförmiges Profil, d. h. der Strom steigt schnell an, hat dann einen im wesentlichen konstanten Wert und wird am Ende des Pulses innerhalb einer möglichst kurzen Zeitspanne abgeschaltet. Zwischen zwei zeitlich benachbarten Pulsen fließt vorzugsweise kein Strom durch den Pumplaser.
Die Pulsdauer der Pump-Pulse ist bei dieser Ausführungsform besonders scharf begrenzt. Der oberflächenemittierende Halbleiterlaser weist daher vorteilhafterweise Pulse hoher Strahlqualität auf, beispielsweise sind die von dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser emittierten Laserpulse zeitlich ebenfalls scharf begrenzt. Insbesondere werden kurze Laserpulse hoher Strahlqualität und/oder hoher Ausgangsleistung erzielt.
Die Ausgangsleistung, also insbesondere die Spitzenleistung eines von dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser im Betrieb emittierten Laserpulses ist vorteilhafterweise größer oder gleich 3 W, vorzugsweise größer oder gleich 10 W. Bei einer Ausführungsform hat die Ausgangsleistung einen Wert ≥ 50 W, beispielsweise zwischen 50 W und 100 W, wobei die Grenzen eingeschlossen sind.
Bei einer Ausführungsform steigt die Ausgangsleistung des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers linear mit der Pumpleistung, mit welcher er von den Pump-Pulsen des Pumpla sers gepumpt wird. Die Strahlqualität des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers ist insbesondere unabhängig von der Pumpleistung.
Der maximale Öffnungswinkel des von dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser im Betrieb emittierten Laserstrahls, insbesondere eines im Betrieb emittierten Laserpulses, ist beispielsweise kleiner oder gleich 10 Grad, vorzugsweise kleiner oder gleich 5 Grad.
Der Öffnungswinkel ist dabei der Winkel zwischen der Hauptabstrahlrichtung und der Mantelfläche des Strahlenkegels, in dem der Laserstrahl emittiert wird. Anders ausgedrückt wird die Laserstrahlung in einem Strahlenkegel emittiert, dessen Achse die Hauptabstrahlrichtung ist und dessen Öffnungswinkel kleiner oder gleich 10°, insbesondere kleiner oder gleich 5° ist.
Die Hauptabstrahlrichtung ist insbesondere die Richtung, die durch die Flächennormale einer Hauptfläche des Halbleiterchips definiert wird, von der der oberflächenemittierende Halbleiterlaser im Betrieb Laserstrahlung emittiert. In der Regel ist der Richtungsvektor der Hauptabstrahlrichtung parallel zu dem Abstandsvektor zwischen dem ersten und dem weiteren Resonatorspiegel.
Die Mantelfläche des Strahlenkegels ist diejenige, um die Hauptabstrahlrichtung umlaufende Fläche, die einen Innenbereich um die Hauptabstrahlrichtung einschließt, in dem die Laserstrahlung eine Intensität hat, die größer ist als ein vorgegebener Wert. In dem von der Hauptabstrahlrichtung abgewandten Außenbereich, der die Mantelfläche umgibt, ist die Intensität der Laserstrahlung niedriger als der vorgegebene Wert. Der vorgegebene Wert ist beispielsweise für alle Punkte der Mantelfläche, die in einer Ebene liegen, die senkrecht auf der Hauptabstrahlrichtung steht, 1/e der Intensität die die Laserstrahlung an dem Schnittpunkt dieser Ebene mit der Hauptabstrahlrichtung hat.
Der Laserstrahl hat bei einer bevorzugten Ausführungsform ein kreisförmiges oder elliptisches Strahlprofil. Anders ausgedrückt ist der Querschnitt des Laserstrahls bei Betrachtung entlang der Hauptabstrahlrichtung kreisförmig oder elliptisch. Vorzugsweise unterscheiden sich bei einem Laserstrahl mit elliptischem Strahlprofil die Längen der Hauptachse der Ellipse und der Nebenachse der Ellipse nur geringfügig. Beispielsweise ist die Länge der Hauptachse um 25% oder weniger, besonders bevorzugt um 15% oder weniger, größer als die Länge der Nebenachse. Anders ausgedrückt sind die Ausdehnung des Laserstrahls und/oder seine Divergenz senkrecht zur Hauptabstrahlrichtung in allen Richtungen vergleichbar und insbesondere etwa gleich groß. Vorzugsweise emittiert der oberflächenemittierende Halbleiterlaser zumindest im Wesentlichen Laserstrahlung in seiner Grundmode.
Vorteilhafterweise kann der Laserstrahl mit einem solchen Strahlprofil und/oder mit einem solchen Öffnungswinkel besonders gut kollimiert werden. Beispielsweise sind aufgrund des kleinen Öffnungswinkels und/oder des kreisförmigen oder elliptischen Strahlprofils Abbildungsfehler bei dem optischen Element oder den optischen Elementen, mittels welchem bzw. welchen der Laserstrahl bei einer Ausführungsform des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers nach dem Austritt aus dem Laserresonator kollimiert wird, besonders gering.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform emittiert der Halbleiterlaser Laserpulse, die, vorzugsweise periodisch, mit einer Frequenz aufeinander folgen, die beispielsweise zwischen 1 kHz und 1 MHz, insbesondere zwischen 0,1 MHz und 1 MHz liegt, wobei die Grenzen jeweils eingeschlossen sind. Der Frequenzbereich des Halbleiterlasers ist hierdurch in keiner Weise eingeschränkt. Vielmehr können, je nach Anwendung, sowohl deutlich niedrigere wie auch höhere Frequenzen zweckmäßig sein.
Das Tastverhältnis des Halbleiterlasers ist bei einer bevorzugten Ausführungsform kleiner oder gleich 5 Prozent. Anders ausgedrückt emittiert der Halbleiterlaser in einem vorgegebenen Zeitintervall, das insbesondere der Periode entspricht, mit der die Laserpulse aufeinander folgen, in einer Zeitspanne von 5 Prozent oder weniger dieses Zeitintervalls Laserstrahlung und emittiert in 95 Prozent oder mehr des Zeitintervalls keine Laserstrahlung. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Tastverhältnis kleiner oder gleich 2 Prozent, beispielsweise ist es etwa 1 Prozent.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist der oberflächenemittierende Halbleiterchip dazu geeignet, infrarote Laserstrahlung zu emittieren. Beispielsweise emittiert der oberflächenemittierende Halbleiterlaser im Betrieb Laserstrahlung, die ein Intensitätsmaximum im infraroten Spektralbereich aufweist. Vorzugsweise liegt das Intensitätsmaximum zwischen 900 und 1060 nm, insbesondere zwischen 920 und 1050 nm, wobei die Grenzen jeweils eingeschlossen sind. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Laserstrahlung im wesentlichen elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge, die um 10 nm oder weniger, insbesondere um 5 nm oder weniger von dem Intensitätsmaximum abweicht.
Die Strahlqualität wird insbesondere durch den so genannten M²-Wert angegeben. Beispielsweise weist der oberflächenemittierenden Halbleiterlaser einen M²-Wert von kleiner oder gleich 2 auf.
Der Pumplaser ist bei einer Ausführungsform ein externer Pumplaser, d. h. er ist außerhalb des Halbleiterchips angeordnet. Beispielsweise ist der Pumplaser eine Halbleiter-Laserdiode.
Bei einer anderen Ausführungsform ist der Pumplaser monolithisch in den Halbleiterchip des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers integriert. Die monolithische Integration eines oder mehrerer Pumplaser und des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers auf einem gemeinsamen Substrat ist beispielsweise in der Druckschrift WO 02/067393 A1 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen oberflächenemittierenden Halbleiterlasern angegeben.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird eine Mehrzahl von Halbleiterchips, die je einen ersten Resonatorspiegel umfassen, auf einem gemeinsamen Chipträger hergestellt. Beispielsweise handelt es sich bei dem gemeinsamen Chipträger um einen Aufwachssubstratwafer, auf dem die Halbleiterchips durch epitaktisches Aufwachsen einer Halbleiterschichtenfolge und anschließende Strukturierung der Halbleiterschichtenfolge zu einzelnen Halbleiterchips hergestellt werden. Die Halbleiterchips sind dazu vorgesehen, Laserstrahlung von ihrer von dem Chipträger abgewandten Vorderseite und/oder von ihrer dem Chipträger zugewandten Rückseite zu emittieren.
Weiterhin wird bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ein Array von zweiten Resonatorspiegeln hergestellt. Das Array wird vorzugsweise einstückig hergestellt, beispielsweise indem eine Mehrzahl von zweiten Resonatorspiegeln aus und/oder auf einer Platte, etwa einer Glasplatte, hergestellt werden. Vorzugsweise hat die Platte in Draufsicht auf ihre Haupterstreckungsebene die gleichen Abmessungen wie der Chipträger in Draufsicht auf seine Haupterstreckungsebene. Die zweiten Resonatorspiegel werden bei einer Ausführungsform durch Ätzen der Platte hergestellt.
Vorzugsweise umfasst die Herstellung der mechanisch stabilen Verbindung zwischen dem Chipträger und dem Array von zweiten Resonatorspiegeln einen Bond-Prozess. Beispielsweise werden der Chipträger und das Array von zweiten Resonatorspiegeln miteinander verklebt oder mittels anodischem Bonden miteinander verbunden. Alternativ ist auch eine Klemmverbindung zwischen dem Array von zweiten Resonatorspiegeln und dem Chipträger denkbar.
Der Chipträger und das Array von zweiten Resonatorspiegeln werden zweckmäßigerweise derart angeordnet, dass ein erster Resonatorspiegel eines Halbleiterchips zusammen mit einem zweiten Resonatorspiegel des Arrays einen Laserresonator für die von dem Halbleiterchip im Betrieb emittierte Laserstrahlung bildet. Vorzugsweise werden der Chipträger und das Array von zweiten Resonatorspiegeln derart angeordnet, dass die ersten Resonatorspiegel von mehreren Halbleiterchips, insbesondere von allen Halbleiterchips, mit je einem zweiten Resonatorspiegel des Arrays jeweils einen Laserresonator bilden.
Das Array von zweiten Resonatorspiegeln, insbesondere die Platte mit dem Array von zweiten Resonatorspiegeln und der Chipträger werden zum Herstellen der mechanisch stabilen Verbindung zweckmäßigerweise so angeordnet, dass eine Hauptfläche des Chipträgers und eine Hauptfläche des Arrays einander zugewandt sind. Zur Bildung eines Laserresonators überlappt vorzugsweise ein Bereich der Platte, in dem ein zweiter Resonatorspiegel angeordnet ist und ein Bereich des Chipträgers, in dem ein Halbleiterchip angeordnet ist, in Draufsicht auf die – dann insbesondere parallelen – Haupterstreckungsebenen der Platte und des Chipträgers.
Der Verbund, der den Chipträger und das Array von zweiten Resonatorspiegeln umfasst, wird zu einer Mehrzahl von oberflächenemittierenden Halbleiterlasern vereinzelt, die jeweils einen Halbleiterchip und einen zweiten, externen Resonatorspiegel umfassen.
Mit Vorteil erfolgt die Vereinzelung zu einer Mehrzahl von oberflächenemittierenden Halbleiterlasern vorzugsweise nach dem Herstellen der mechanisch stabilen Verbindung zwischen dem Chipträger und dem Array von zweiten Resonatorspiegeln.
So wird mit Vorteil eine besonders einfache Positionierung der zweiten Resonatorspiegel auf den Halbleiterchips erzielt. Zudem ist die Positionierung des ersten und des weiteren Resonatorspiegels eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers mit Vorteil besonders genau. Vorteilhafterweise werden die oberflächenemittierenden Halbleiterlaser auf diese Weise besonders kostengünstig hergestellt. Zudem weisen sie besonders gute optische Eigenschaften auf.
Insbesondere können mit dem Verfahren vorteilhafterweise oberflächenemittierende Halbleiterlaser hergestellt werden, deren Resonatorlänge kleiner oder gleich 10 mm, bevorzugt kleiner oder gleich 5 mm, beispielsweise kleiner oder gleich 2 mm ist, und/oder die zur Emission von Laserstrahlung in Form von Laserpulsen mit einer Pulsdauer kleiner oder gleich 100 ns, insbesondere kleiner oder gleich 50 ns geeignet sind. Der maximale Öffnungswinkel der Laserstrahlung die von dem mit dem Verfahren hergestellten Halbleiterlasern im Betrieb emittiert wird, ist vorzugsweise kleiner oder gleich 10°, insbesondere kleiner oder gleich 5°.
Ein erfindungsgemäßer oberflächenemittierender Halbleiterlaser ist mit Vorteil zur Verwendung mit einer Vorrichtung zur Messung eines Abstands und/oder einer Geschwindigkeit geeignet.
Die Vorrichtung zur Messung eines Abstands und/oder einer Geschwindigkeit gemäß der Erfindung umfasst mindestens einen erfindungsgemäßen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser. Dieser emittiert zweckmäßigerweise im Betrieb der Vorrichtung einen Laserpuls oder eine Mehrzahl von Laserpulsen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zudem einen Empfänger, der dazu geeignet ist, den von dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser ausgesandten Laserpuls beziehungsweise die von dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser ausgesandten Laserpulse zu empfangen. Anders ausgedrückt ist der Empfänger dazu geeignet, ein Echo des Laserpulses bzw. der Laserpulse zu empfangen. Beispielsweise umfasst das Echo zumindest einen Teil der elektromagnetischen Strahlung des Laserpulses bzw. der Laserpulse, die von einem Objekt, auf das der Laserpuls nach der Emission trifft, in Richtung zu dem Empfänger hin zurückreflektiert wird.
Bevorzugt weist der Empfänger eine Fotodiode, insbesondere eine Lawinenfotodiode und/oder eine PIN-Fotodiode (PIN = positive, intrinsic, negative), zum Empfang des/der Echos des Laserpulses bzw. der Laserpulse auf. Eine Lawinenfotodiode nutzt den Lawineneffekt (Avalanche-Effekt) aus, der insbesondere dazu führt, dass – bei Anlegen einer geeigneten Spannung – die Erzeugung eines Fotoelektrons in der Fotodiode eine Mehrzahl – eine Lawine – von Sekundärelektronen erzeugt.
Die Lawinenfotodiode hat mit Vorteil eine besonders kurze Reaktionszeit. Sie ist daher besonders gut geeignet, in der Vorrichtung zusammen mit einem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser betrieben zu werden, der kurze Laserpulse, beispielsweise Laserpulse mit einer Dauer von kleiner oder gleich 100 ns, vorzugsweise zwischen 10 und 50 ns, emittiert.
Alternativ oder zusätzlich zu einer Fotodiode kann der Empfänger beispielsweise auch einen sogenannten Fotomultiplier, der beispielsweise eine Fotokathode und einen Sekundärelektronenvervielfacher enthält, aufweisen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Steuereinheit, die dazu vorgesehen ist, die Zeitdauer zwischen der Emission eines Laserpulses durch den oberflächenemittierenden Halbleiterlaser und den Empfang dieses Laserpulses durch den Empfänger zu messen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sendet der oberflächenemittierende Halbleiterlaser im Betrieb der Vorrichtung mindestens zwei Laserpulse aus und die Steuereinheit ist dazu geeignet, die Zeitdauer zwischen dem Empfang des ersten und des zweiten Laserpulses zu messen.
Bei einem Messverfahren zur Messung eines Abstands und mit der Vorrichtung wird zweckmäßigerweise von dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser ein Laserpuls emittiert, der von der Vorrichtung in Richtung eines Objekts ausgesandt wird, dessen Abstand zu der Vorrichtung und/oder dessen Geschwindigkeit relativ zu der Vorrichtung bestimmt werden soll.
Das Objekt reflektiert den Laserpuls zumindest teilweise in Richtung der Vorrichtung zurück. Zumindest ein Teil des reflektierten Laserpulses wird von dem Empfänger empfangen. Die Steuereinheit bestimmt die Zeitdauer zwischen der Emission des Laserpulses und dem Empfang des reflektierten Laserpulses – des Echos – durch den Empfänger und berechnet daraus mit Hilfe der bekannten Lichtgeschwindigkeit den Abstand des Objekts von der Vorrichtung.
Bei einem Messerfahren zur Messung einer Geschwindigkeit mit der Vorrichtung wird ein erster Laserpuls und nach einer Zeit T_L ein zweiter Laserpuls von dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser in Richtung des Objekts emittiert, dessen Geschwindigkeit relativ zur Vorrichtung bestimmt werden soll.
Der Empfänger empfängt die Echos der ausgesandten Laserpulse in einem Zeitabstand T_R. Die Zeitspanne zwischen der Emission des ersten und des zweiten Laserpulses, T_L, ist beispielsweise, insbesondere von der Steuereinheit, fest vorgegeben und/oder wird von der Steuereinheit gemessen. Die Zeitdauer T_R zwischen dem Empfang des Echos des ersten Laserpulses und dem Empfang des Echos des zweiten Laserpulses wird von der Steuereinheit gemessen. Aus der Differenz zwischen T_L und T_R berechnet die Steuereinheit die Geschwindigkeit des Objekts relativ zur Vorrichtung in einer dem Fachmann bekannten Weise.
Die Zeitdauern T_R, T_L sind bei der Vorrichtung besonders präzise bestimmbar, beispielsweise aufgrund der scharfen zeitlichen Begrenzung des/der Laserpulse(s) des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers. Beispielsweise sind dadurch kleine Abstände, etwa im Zentimeterbereich, messbar. Beispielsweise ist die Vorrichtung dazu geeignet Abstände größer oder gleich 10 cm, vorzugsweise größer oder gleich 1 cm, zu messen. Außerdem ist eine hohe Messgenauigkeit erzielbar, sodass mit Vorteil besonders geringe Unterschiede zwischen verschiedenen Abständen aufgelöst werden können. Die Messgenauigkeit kann zum Beispiel in der Größenordnung der Wellenlänge der von dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser emittierten Laserpulse liegen, in der Regel wird sie jedoch durch die Eigenschaften einer Optik, die beispielsweise zur Kollimation der Laserpulse dient, reduziert.
Zudem ist die Richtung, in die der Laserpuls ausgesandt wird bzw. die Laserpulse ausgesandt werden, ist bei der Vorrichtung aufgrund des geringen Öffnungswinkels und/oder der guten Kollimation der von dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser ausgesandten Laserstrahlung vorteilhafterweise besonders genau und einfach einstellbar. Beispielsweise kann das zu messende Objekt daher besonders genau und einfach ausgewählt werden und/oder die Vorrichtung hat eine besonders große Reichweite. Beispielsweise hat die Vorrichtung eine Reichweite von größer oder gleich 1 km, insbesondere größer oder gleich 10 km. Bei einer Ausführungsform beträgt die Reichweite bis zu 150 km.
Die kurze Pulsdauer des von dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser emittierten Laserpulses ermöglicht mit Vorteil eine hohe Genauigkeit bei der Bestimmung der Zeitdauern zwischen der Emission des Laserpulses und dem Empfang seines Echos und bei der Messung der Zeitdauern T_L und/oder T_R zwischen der Emission bzw. dem Empfang zweier Laserpulse. So erzielt die Vorrichtung eine hohe Genauigkeit bei der Messung des Abstands bzw. der Geschwindigkeit.
Weitere Vorteile sowie vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Zusammenhang mit den 1 bis 7 beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
1, eine schematische Schnittdarstellung eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2, eine schematische Schnittdarstellung eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
3, eine schematische Schnittdarstellung eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
4A bis 4G, schematische Schnittdarstellungen durch eine Mehrzahl von oberflächenemittierenden Halbleiterlasern bei einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,
5, eine schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufs eines Pumpstroms und einer von dem Halbleiterlaser emittierten Laserstrahlung,
6, eine schematische Darstellung des Strahlprofils der von dem Halbleiterlaser emittierten Laserstrahlung, und
7, eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Messung eines Abstands und einer Geschwindigkeit.
Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die in den Figuren dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr können einzelne Elemente, wie z. B. Schichten und/oder Abstände zur Verbesserung der Darstellbarkeit und/oder Verständlichkeit übertrieben dick und/oder groß dargestellt sein.
Der oberflächenemittierende Halbleiterlaser 1000 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel umfasst einen Halbleiterchip 1, der eine aktive Schicht 2 enthält, die dazu vorgesehen ist, im Betrieb des Halbleiterlasers Laserstrahlung zu emittieren (vergleiche 1).
Die aktive Schicht 2 ist in dem Halbleiterchip 1 zwischen weiteren Halbleiterschichten 3 angeordnet, die beispielsweise als Mantel- und/oder Confinement-Schichten fungieren. Der Aufbau eines Halbleiterchips eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers ist beispielsweise in der Druckschrift WO 02/067393 A1 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Weiterhin enthält der Halbleiterchip 1 einen Reflektor 4, welcher einen ersten Resonatorspiegel für eine von dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser emittierte Laserstrahlung 7 darstellt. Der erste Resonatorspiegel 4 ist vorzugsweise ein Bragg-Reflektor, der aus einer Vielzahl von Schichten, beispielsweise Halbleiterschichten und/oder dielektrischen Schichten gebildet ist, die alternierend einen hohen und einen niedrigen Brechungsindex aufweisen.
Die Halbleiterschichten 2, 3, 4 des Halbleiterchips 1 sind zum Beispiel auf einem Aufwachssubstrat 5 aufgewachsen. Zur Verbesserung der Wärmeabfuhr ist der Halbleiterchip 1 vorzugsweise mit einer Wärmesenke 6 verbunden, beispielsweise an einer von den Halbleiterschichten 2, 3, 4 abgewandten Rückseite des Aufwachssubstrats 5. Die Wärmesenke 6 ist bevorzugt aus einem Metall mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, insbesondere Kupfer, gebildet. Alternativ kann auch eine aktiv gekühlte Wärmesenke 6 vorgesehen sein, die zum Beispiel von einer Flüssigkeit oder einem Gas durchströmte Mikrokanäle aufweist.
Der oberflächenemittierende Halbleiterlaser 1000 enthält mindestens einen zweiten Resonatorspiegel 8, der mit dem ersten Resonatorspiegel 4 einen Laserresonator ausbildet. Der zweite Resonatorspiegel 8 ist ein außerhalb des Halbleiterchips 1 angeordneter, externer Resonatorspiegel, der z. B. auf einer dem Halbleiterchip 1 zugewandten Seite eine konkave Krümmung aufweist.
Die Anregung der aktiven Schicht 2 zur stimulierten Emission von Laserstrahlung 7 erfolgt durch optisches Pumpen mit einem Pumplaser 10. Der Pumplaser 10 ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine außerhalb des Halbleiterchips 1 angeordnete, kantenemittierende Halbleiter-Laserdiode, die Pump-Pulse 14, also Pumpstrahlung 14 in Form von Laserpulsen, in die aktive Schicht 2 des Halbleiterchips 1 einstrahlt. Die Pumpstrahlung 14 hat beispielsweise ein Intensitätsmaximum bei einer Wellenlänge von 808 nm oder bei einer Wellenlänge von 940 nm.
Die aktive Schicht 2 ist vorzugsweise als Quantentopfstruktur ausgebildet. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur umfasst dabei jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch Einschluss (Confinement) eine Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren. Insbesondere entfaltet die Bezeichnung Quantentopfstruktur keine Bedeutung hinsichtlich der Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit u. a. Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen. Beispiele für Mehrfach-Quantentopf-Strukturen sind in den Druckschriften WO 01/39282 , US 5,831,277 , US 6,172,382 B1 und US 5,684,309 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Die aktive Schicht 2 des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers 1000 basiert bevorzugt auf einem Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial oder einem Arsenid-Verbindungshalbleitermaterial. Dies bedeutet, dass die aktive Schicht 2 vorzugsweise In_xAl_yGa_1-x-yP oder In_xAl_yGa_1-x-yAs umfasst, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 gilt. Daneben kann die aktive Schicht auch weitere Inhaltsstoffe in geringen Mengen, etwa Dotierstoffe, enthalten, die die physikalischen Eigenschaften des Halbleitermaterials im wesentlichen nicht ändern. Zur Vereinfachung sind in der Bezeichnung jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (In, Al, Ga, P beziehungsweise In, Al, Ga, As) angegeben.
Die aktive Schicht 2 umfasst insbesondere eine Quantentopfstruktur, die zur Emission infraroter Strahlung geeignet ist. Beispielsweise hat die von dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser 1000 im Betrieb emittierte Laserstrahlung 7 ein Intensitätsmaximum bei einer Wellenlänge zwischen 920 und 1050 nm, wobei die Grenzen eingeschlossen sind. Vorzugsweise wird ein Großteil oder praktisch die gesamte Laserstrahlung 7 in einem Wellenlängenbereich von 1050 nm ± 5 nm emittiert.
Die von dem Pumplaser 10 emittierte Pumpstrahlung 14 wird durch ein optisches Element 11 in die aktive Schicht 2 des Halbleiterchips 1 fokussiert. Bei dem optischen Element 11 handelt es sich beispielsweise um ein diffraktives oder um ein refraktives optisches Element, beispielsweise um eine Linse.
Die Pump-Pulse 14 werden vorliegend durch elektrisches Pumpen des Pumplasers 10 erzeugt. Hierzu wird der Pumplaser 10 vorzugsweise im Betrieb des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers mit einem zeitlich modulierten elektrischen Pumpstrom I versorgt. Insbesondere ist der Pumplaser 10 dazu an eine Stromversorgungsvorrichtung elektrisch angeschlossen, die den Pumpstrom I beispielsweise mittels einer Versorgungsspannung von 2 V in die aktive Schicht des Pumplasers 10 einprägt.
Bevorzugt liegt der Pumpstrom I in einzelnen Pulsen 101, 102 vor. Die Pulse haben, wie in 5 dargestellt, einen im wesentlichen rechtecksförmigen Verlauf. Insbesondere haben sie über die praktisch die gesamte Zeitdauer t_P des Pulses 101, 102 eine im wesentlichen konstante Stromstärke I_P. Der Anstieg beziehungsweise Abfall der Stromstärke zu Beginn beziehungsweise am Ende des Pulses 101, 102 erfolg abrupt. Dabei kann es jedoch vorkommen, dass die Flanken nicht vollkommen senkrecht, sondern leicht geneigt sind, da der Strom innerhalb eines endlichen Zeitintervalls auf den im wesentlichen konstanten Wert I_P ansteigt beziehungsweise von dem im wesentlichen konstanten Wert I_P abfällt. Die Flanken sind jedoch vorzugsweise möglichst steil.
Die Zeitdauer t_P eines, vorzugsweise eines jeden Pulses 101, 102 des Pumpstroms I beträgt vorzugsweise 100 ns oder weniger, besonders bevorzugt 50 ns oder weniger, beispielsweise zwischen 1 ns und 50 ns, insbesondere zwischen 10 und 50 ns. Die Pulsdauer eines Pump-Pulses 14 der Pumpstrahlung ist in der Regel etwa so groß wie die Zeitdauer t_P eines Pulses des Pumpstroms I. Vorzugsweise beträgt also die Pulsdauer eines Pump-Pulses 14 100 ns oder weniger, insbesondere 50 ns oder weniger, beispielsweise zwischen 1 und 50 ns, bevorzugt zwischen 10 und 50 ns.
Die Pump-Pulse 14 erzeugen in der aktiven Schicht 2 des Halbleiterchips 1 eine Besetzungsinversion und regen sie zur stimulierten Emission elektromagnetischer Strahlung an. So werden Laserpulse 7 erzeugt, deren Pulsdauer t_L ebenfalls kleiner oder gleich 100 ns, bevorzugt kleiner oder gleich 50 ns ist und beispielsweise zwischen 1 ns und 50 ns, vorzugsweise zwischen 10 und 50 ns liegt. Die Pulsdauer t_L ist insbesondere die Halbwertsbreite (FWHM, Full Width at Half Maximum) des Laserpulses 7. Die Spitzenleistung der von dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser 1000 mit einem Laserpuls 7 emittierten elektromagnetischen Strahlung beträgt beispielsweise 3 W oder mehr.
Es hat sich als zweckmäßig herausgestellt, für die Resonatorlänge L, also den Abstand zwischen dem ersten Responatorspiegel 4 und dem zweiten Resonatorspiegel 8 bei einem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser 1000, der Laserpulse 7 mit einer solch geringen Pulsdauer T_L erzeugt, einen Wert zu wählen, der kleiner oder gleich 10 mm, vorzugsweise kleiner oder gleich 5 mm, beispielsweise zwischen 2 und 5 mm beträgt. Der auf diese Weise erzielte oberflächenemittierende Halbleiterlaser ist vorteilhafterweise dazu geeignet, Laserstrahlung 7 in Laserpulsen kurzer Pulsdauern t_L mit einer guten Strahlqualität, beispielsweise ausgedrückt durch einen M²-Wert kleiner oder gleich 2, zu emittieren.
Die von dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser 1000 emittierte Laserstrahlung 7 hat vorteilhafterweise einen Öffnungswinkel θ von kleiner oder gleich 10°, vorzugsweise von kleiner oder gleich 5°, besonders bevorzugt von kleiner oder gleich 2°. Beispielsweise beträgt der Öffnungswinkel θ etwa 1,5°. Der Öffnungswinkel θ ist dabei der Winkel zwischen der Hauptabstrahlrichtung 70 und der Mantelfläche 75 des emittierten Strahlenkegels. Anders ausgedrückt wird die Laserstrahlung in einem Strahlenkegel emittiert, dessen Achse die Hauptabstrahlrichtung 70 und dessen Öffnungswinkel der Winkel θ ist.
Die Hauptabstrahlrichtung 70 ist vorliegend durch den Abstandsvektor zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel 4, 8 gegeben und gleichzeitig die Flächennormale auf die Haupterstreckungsebene des Halbleiterchips 1.
In 6 ist das Strahlprofil eines von dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser 1000 ausgesandten Laserpulses 7 dargestellt. In der schematischen, perspektivischen Ansicht der 6 ist die Intensität A² in Abhängigkeit von der Position x, y in einer zur Hauptabstrahlrichtung 70 senkrechten Ebene, beispielsweise einer vom ersten Resonatorspiegel 4 abgewandten Hauptfläche des zweiten Resonatorspiegels 8, dargestellt.
Ein Großteil der Laserstrahlung 7 wird in Richtung der Hauptabstrahlrichtung 70 emittiert. Der Laserpuls 7 hat ein elliptisches, nahezu kreisförmiges Strahlprofil. Insbesondere ist die Ausdehnung des Laserstrahls in jeder der zur Hauptabstrahlrichtung 70 senkrechten Richtungen x, y von der gleichen Größenordnung. Beispielsweise ist die größte Ausdehnung des Laserstrahls 7 in der zur Hauptabstrahlrichtung 70 senkrechten Ebene um einen Faktor von 2 oder weniger, vorzugsweise um 50%, insbesondere um 25% oder weniger, größer als die kleinste Ausdehnung in dieser Ebene. Vorliegend hat das Strahlprofil in x- und y-Richtung im Wesentlichen die gleiche Ausdehnung.
Ein zweites Ausführungsbeispiel des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers 1000 ist in 4 schematisch im Querschnitt dargestellt.
Der oberflächenemittierende Halbleiterlaser 1000 des zweiten Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser 1000 des ersten Ausführungsbeispiels dadurch, dass er keinen außerhalb des Halbleiterchips 1 angeordneten Pumplaser 10 aufweist.
Im Gegensatz dazu enthält der oberflächenemittierende Halbleiterlaser 1000 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel einen monolithisch in den Halbleiterchip 1 integrierten Pumplaser 10. Der Pumplaser 10 ist ein kantenemittierender Halbleiterlaser, der Pump-Pulse 14 in lateraler Richtung, also insbesondere parallel oder praktisch parallel zur Haupterstreckungsebene des Halbleiterchips 1, in die aktive Schicht 2 des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers einstrahlt. Die aktive Schicht 2 ist in ihrer Haupterstreckungsebene vorzugsweise teilweise oder, besonders bevorzugt, vollständig von der aktiven Schicht 12 des Pumplasers 10 umgeben. In vertikaler Richtung, also insbesondere in einer zu seiner Haupterstreckungsebene senkrechten Richtung, ist die aktive Schicht 12 des Pumplasers 10 von weiteren Halbleiterschichten 3 umgeben, die insbesondere einen Wellenleiter für die Pump-Strahlung 14 darstellen und zur Einprägung des Pumpstroms I in die aktive Schicht 12 des Pump-Lasers 10 vorgesehen sind.
Die monolithische Integration des Pump-Lasers 10 in den Halbleiterchip 1 des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers 1000 hat insbesondere den Vorteil, dass der Aufwand für die Justierung eines externen Pumplasers 10 entfällt. Weiterhin ist aufgrund der lateralen Einstrahlung der Pump-Pulse 14 in die aktive Schicht 2 des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers 1000 ein effektives und homogenes optisches Pumpen der aktiven Schicht 2 des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers 1000 gewährleistet.
Der monolithisch integrierte Pump-Laser 10 wird im Betrieb elektrisch gepumpt, indem im Betrieb mittels elektrischer Kontakte 13 ein Betriebsstrom I, insbesondere in einzelnen Pulsen 101, 102 wie im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, in seine aktive Schicht 12 eingeprägt wird.
Zudem umfasst der monolithisch gempumpte Halbleiterlaser bei diesem Ausführungsbeispiel ein optisches Element 9, vorlie gend eine Sammellinse, mittels der die Laserstrahlung 7 kollimiert, also parallel oder möglichst parallel gerichtet, wird. Die Linse 9 muss wegen des geringen Öffnungswinkels θ praktisch nur achsennahe Strahlen abbilden, so dass Abbildungsfehler gering sind und eine besonders gute Kollimation erzielt wird.
Bei dem in 3 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers ist der Halbleiterchip 1 auf einem Träger 6 angeordnet, der beispielsweise gleichzeitig als Wärmesenke dient. Zudem ist der monolithisch in den Halbleiterlaser integrierte Pump-Laser 10, der von dem Halbleiterchip 1 umfasst ist, beispielsweise mittels mindestens eines Bond-Drahts 16, an einem elektrischen Anschlussbereich des Trägers 6 elektrisch angeschlossen. Der elektrische Anschlussbereich ist dazu vorgesehen, eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Pump-Laser 12 und einer Stromversorgungseinrichtung herzustellen, die den Pump-Laser 10 im Betrieb mit dem Pumpstrom I versorgt.
Der Halbleiterchip 1 ist auf einer Hauptfläche des Trägers 6 angeordnet. Auf dieser ist vorliegend auch ein Positionierungselement 15 befestigt, auf dessen von dem Träger 6 abgewandter Seite wiederum der zweite Resonatorspiegel 8 befestigt ist. Das Positionierungselement 15 umfasst beispielsweise eine Mehrzahl von Pfosten oder ist, wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel, ein Distanzring. Das Positionierungselement 15 ermöglicht eine besonders einfache und reproduzierbare Einstellung der Resonatorlänge L.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrzahl oberflächenemittierender Halbleiterlaser ist in 4A bis 4G schematisch im Querschnitt dargestellt.
Zunächst werden auf einen Aufwachssubstratwafer 50 nacheinander eine Pufferschicht 17, eine erste Confinement-Schicht 31, die aktive Schicht 2 mit der Quantentopfstruktur und eine zweite Confinement-Schicht 32 und die Bragg-Reflektorschichten für den ersten Resonatorspiegel 4 aufgebracht, beispielsweise mittels MOVPE (metal organic vapour Phase epitaxy) (vergleiche 4A).
Der Aufwachssubstratwafer besteht beispielsweise aus GaAs, die Pufferschicht 17 und/oder die Confinement-Schichten 31, 32 aus undotiertem GaAs. Die aktive Schicht weist z. B. eine Mehrzahl von Quantentöpfen auf, die aus undotiertem InGaAs bestehen und zwischen denen Barriereschichten aus GaAs angeordnet sind. Der Bragg-Spiegel 4 weist beispielsweise 28 bis 30 Perioden mit je einer GaAlAs(10% Al)-Schicht und einer GaAlAs(90% Al)-Schicht auf.
Danach wird auf den im Betrieb optisch gepumpten Bereichen 100 der herzustellenden Halbleiterchips 1 eine Ätzmaske 18 aufgebracht und außerhalb dieser Bereiche 100 die Bragg-Spiegelschichten 4, die Confinement-Schichten 31 und 32, die aktive Schicht 2 und teilweise die Pufferschicht 17 mittels Ätzung entfernt (angedeutet durch die Pfeile in 4B).
Anschließend werden zur Herstellung der monolithisch integrierten Pump-Laser 10 auf den freigelegten Bereich der Pufferschicht 17 eine erste Mantelschicht 33, eine erste Wellenleiterschicht 34, die aktive Schicht 12 des Pump-Lasers 10, eine zweite Wellenleiterschicht 35, eine zweite Mantelschicht 36 und eine Deckschicht 37, beispielsweise wiederum mittels MOVPE aufgebracht (siehe 4C).
Beispielsweise besteht die erste Mantelschicht 33 aus n-GaAl_0,65As, die erste Wellenleiterschicht 34 aus n-GaAl_0,1As, die zweite Wellenleiterschicht 35 aus p-GaAl_0,1As und die zweite Mantelschicht 36 aus p-GaAl_0,65As. Die Deckschicht 37 ist beispielsweise eine p⁺-dotierte GaAs-Schicht. Der Pump-Laser 10 umfasst beispielsweise einen Single-Quantum-Well aus undotiertem InGaAs.
Anschließend werden diese Schichten 33, 34, 35, 36, 37, 12 stellenweise wieder abgetragen (angedeutet durch die Pfeile in 4D), so dass beispielsweise in Draufsicht auf die Haupterstreckungsebene des Aufwachssubstrats 50 ringförmige Strukturen verbleiben, die Pump-Laser 10 darstellen und in Draufsicht auf die Haupterstreckungsebene des Aufwachssubstrats 50 die Bereiche 100 vorzugsweise vollständig enthalten und sie im Betrieb optisch pumpen. Solche Strukturen sind beispielsweise in der Druckschrift WO 02/067393 A1 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Das Abtragen erfolgt beispielsweise durch reaktives Ionenätzen unter Verwendung einer geeigneten, bekannten Maskentechnik. Die so hergestellten Seitenflächen der Kantenemittierenden, monolithisch integrierten Pump-Laser 10 erfordern keine optische Vergütung und bilden nahezu verlustfreie Ringlaserresonatoren.
Nachfolgend wird die Ätzmaske 18 entfernt, auf die ersten Resonatorspiegel 4 eine elektrisch isolierende Maskenschicht 19 aufgebracht und die von dem Trägersubstrat 50 abgewandte Oberfläche der Halbleiterchips mit der p-Kontaktschicht 13 abgedeckt. Der Aufwachssubstratwafer 50 wird auf seiner von den Halbleiterchips 1 abgewandten Hauptfläche mit der, insbeson dere zu Kontaktbereichen für die Pumplaser 10 der späteren oberflächenemittierenden Halbleiterlaser 1000 strukurierten, n-Kontaktschicht 20 versehen (4E). Die n-Kontaktschicht 20 weist in Draufsicht auf die Haupterstreckungsebene des Aufwachssubstratwafers 50 im Bereich der im Betrieb optisch gepumpten Bereiche 100 der Halbleiterchips 1 Öffnungen auf, durch die ein Teil, vorzugsweise ein Großteil der in der aktiven Schicht 2 des Halbleiterchips 1 erzeugten Laserstrahlung 7 im Betrieb des Halbleiterlasers tritt.
Auf der n-Kontaktschicht 20 wird nachfolgend ein Array 80 von zweiten Resonatorspiegeln 8 befestigt. In Draufsicht auf die Haupterstreckungsebene des Aufwachssubstratwafers 50 überdeckt je ein zweiter Resonatorspiegel 8 jeweils eine Öffnung der n-Kontaktschicht 20 und die aktive Schicht 2 eines Halbleiterchips 1. Der erste Resonatorspiegel 4 eines Halbleiterchips und ein zweiter Resonatorspiegel 8 bilden so einen Laserresonator mit der Länge L.
Das Befestigen umfasst beispielsweise einen Klebe- und/oder Lötprozess, bei dem vorzugsweise eine Klebstoff- und/oder Lotschicht auf dem Array 80 und/oder dem Aufwachssubstratwafer 50 hergestellt wird und dann das Array 80 und der Aufwachssubstratwafer 50 derart in mechanischen Kontakt gebracht werden, dass sich die Klebstoff- bzw. Lotschicht zwischen dem Array 80 und dem Aufwachssubstratwafer 50 befindet. Eine Lotschicht weist beispielsweise ein Lot auf, das Sn und/oder AuSn enthält oder daraus besteht. Eine Klebstoffschicht wird beispielsweise mittels Bestrahlen mit elektromagnetischer Strahlung, insbesondere mit ultravioletter Strahlung, und/oder thermisch gehärtet.
Alternativ zu einem Klebe- oder Lötprozess kann das Array 80 von zweiten Resonatorspiegeln 8 auch mittels eines Bond-Prozesses an dem Aufwachssubstratwafer 50 befestigt werden. Beispielsweise wird das Array 80 mittels anodischem Bonden oder Glas-Glas Bonden an dem Aufwachssubstratwafer befestigt. Anodisches Bonden ist zum Beispiel für die Befestigung eines Arrays 80 von zweiten Resonatorspiegeln 8, die Glas aufweisen, an einem Aufwachssubstratwafer 50 geeignet, der – zumindest an der dem Array 80 zugewandten Seite – Silizium aufweist. Für das Glas-Glas Bonden ist zweckmäßigerweise eine Glasschicht zwischen den Halbleiterschichten und dem Array 80 angeordnet, insbesondere ist die Glasschicht auf der dem Array 80 zugewandten Seite des Aufwachssubstratwafers 50 aufgebracht. Anodisches Bonden und Glas-Glas Bonden sind dem Fachmann im Prinzip bekannt und werden daher an dieser Stelle nicht näher erläutert.
Das Array 80 von zweiten Resonatorspiegeln 8 umfasst vorliegend Positionierungselemente 15, die mit dem Array 80 integriert und vorzugsweise einstückig ausgebildet sind (vergleiche 4F).
Abschließend wird der Verbund aus Aufwachssubstratwafer 50 mit Halbleiterchips 1 und Array 80 von Resonatorspiegeln 8 zu einzelnen Halbleiterlasern 1000 vereinzelt, beispielsweise mittels eines Sägeverfahrens, bei dem Schnitte durch die Pufferschicht 17, den Aufwachssubstratwafer 50 und das Array 80 hindurch geführt werden.
Beispielsweise sind die oberflächenemittierenden Halbleiterlaser 1000 zum gepulsten Betrieb mit Laserpulsen 71, 72 einer Pulsdauer t_L von 100 ns oder weniger, die mit einer Frequenz f von 1 MHz oder weniger aufeinander folgen, vorgesehen. Ins besondere sind sie zum Betrieb mit einem Tastverhältnis von 1% oder weniger vorgesehen. Anders ausgedrückt ist das Produkt aus Pulsdauer t_L und Frequenz f kleiner oder gleich 0,01. Die Gefahr einer Erwärmung des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers 1000, die seinen Betrieb beeinträchtigen könnte, ist bei solchen Betriebsparametern nur sehr gering. Daher ist auf eine separate Wärmesenke 6 bei den oberflächenemittierenden Halbleiterlasern 1000 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel verzichtet.
Eine Vorrichtung 21 zur Bestimmung eines Abstands und einer Geschwindigkeit ist schematisch in 7 dargestellt.
Die Vorrichtung 21 umfasst einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser 1000, beispielsweise gemäß dem Ausführungsbeispiel der 4G, eine Lawinenfotodiode 22 als Empfänger und eine Steuereinheit 23.
Die Steuereinheit 23 versorgt den Pump-Laser 10 des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers 1000 mit einem Pumpstrom I in rechteckigen Pulsen 101, 102 einer Pulsdauer t_P. Die Pulse werden periodisch mit einer ersten Frequenz erzeugt, so dass zwei Pulse im Abstand T_P zeitlich aufeinander folgen (vergleiche 5). Auf diese Weise wird der oberflächenemittierende Halbleiterlaser 1000 dazu angeregt, Laserpulse 71, 72 einer Pulsdauer t_L von beispielsweise 20 ns in einem zeitlichen Abstand von beispielsweise T_L = 1/500 s auszusenden.
Die Laserpulse 71, 72 werden in Richtung eines Objekts 24 ausgesandt, und von diesem, zumindest zum Teil, als reflektierte Laserpulse 71', 72' zu der Vorrichtung 21 zurückreflektiert. Dort werden die reflektierten Laserpulse 71', 72' von der Lawinenfotodiode 22 empfangen. Die Steuereinheit 23 detektiert das von der Lawinenfotodiode 92 beim Empfang eines reflektierten Laserpulses 71', 72' erzeugte Signal und bestimmt die Zeitdauer zwischen der Emission des Laserpulses 71 bzw. 72 und der Detektion seines Echos, also des reflektierten Laserpulses 71' bzw. 72'.
Aus der Zeitdauer zwischen der Emission des ersten Laserpulses 71 und dem Empfang des reflektierten Teils 71' des ersten Laserpulses und der Lichtgeschwindigkeit, also der Ausbreitungsgeschwindigkeit des ersten Laserpulses 71, berechnet die Steuereinheit 23 den Abstand D zwischen der Vorrichtung 21 und dem Objekt 24. Dieses als Laufzeitmessung („time of flight"-Messverfahren) bekannte Verfahren ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt und wird daher an dieser Stelle nicht näher erläutert.
Zusätzlich berechnet die Steuereinheit 23 aus dem Unterschied zwischen der Zeit T_L zwischen der Emission des ersten Laserpulses 71 und des zweiten Laserpulses 72 und der Zeitdauer T_R zwischen dem Empfang des reflektierten ersten Laserpulses 71' und des reflektierten zweiten Laserpulses 72' die Geschwindigkeit V des Objekts 24. Alternativ kann die Steuereinheit 23 auch dazu vorgesehen sein, statt der Zeitdauern T_L und T_R die entsprechenden Frequenzen, also insbesondere 1/T_L beziehungsweise 1/T_R auszuwerten. Dies ist beispielsweise zweckmäßig, wenn der Halbleiterlaser eine Pulsfolge aus einer Vielzahl an Laserpulsen emittiert. Der Zusammenhang zwischen der Relativgeschwindigkeit v zwischen Vorrichtung 21 und Objekt 24 und dem Unterschied der Frequenzen oder Zeitdauern T_L, T_R ergibt sich beispielsweise aus dem Dopplereffekt und ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt, sondern umfasst insbesondere 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.

Claims

Oberflächenemittierender Halbleiterlaser mit einem Halbleiterchip (1), einem ersten Resonatorspiegel (4) und mindestens einem zweiten Resonatorspiegel (8), der außerhalb des Halbleiterchips (1) angeordnet ist und mit dem ersten Resonatorspiegel (4) einen Laserresonator mit einer Resonatorlänge L ausbildet, und mindestens einem Pumplaser (10), wobei der Pumplaser dazu vorgesehen ist, zum optischen Pumpen des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers Pumpstrahlung (14) in einzelnen Pump-Pulsen in den Halbleiterchip (1) einzustrahlen und die Resonatorlänge L kleiner oder gleich 10 mm ist.
Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 1, bei dem die Resonatorlänge L kleiner oder gleich 5 mm ist.
Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 2, bei dem die Resonatorlänge L kleiner oder gleich 2 mm ist.
Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der im Betrieb Laserstrahlung (7) in Form mindestens eines Laserpulses (71, 72) mit einer Pulsdauer (t_L) von kleiner oder gleich 100 ns emittiert.
Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 4, bei dem die Pulsdauer (t_L) kleiner oder gleich 50 ns ist.
Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Pumplaser (10) mittels eines elektrischen Stroms (I) elektrisch gepumpt ist.
Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 6, bei dem der elektrische Strom (I) zur Erzeugung der Pump-Pulse (14) zu einzelnen Pulsen (101, 102) moduliert ist.
Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der im Betrieb Laserstrahlung (7) mit einem maximalen Öffnungswinkel (θ) von kleiner oder gleich 10° emittiert.
Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 8, der im Betrieb Laserstrahlung mit einem maximalen Öffnungswinkel (θ) von kleiner oder gleich 5° emittiert.
Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der im Betrieb einen Laserstrahl (7) mit einem kreisförmigen oder elliptisches Strahlprofil emittiert.
Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 4 bis 10, bei dem die Laserpulse (7) mit einer Frequenz aufeinander folgen, die zwischen 1 kHz und 1 MHz liegt, wobei die Grenzen eingeschlossen sind.
Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ein Tastverhältnis von kleiner oder gleich 5% aufweist.
Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Halbleiterchip (1) im Betrieb infrarote Laserstrahlung (7) emittiert.
Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem der Pumplaser (10) außerhalb des Halbleiterchips (1) angeordnet ist.
Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem der Pumplaser (10) monolithisch in den Halbleiterchip (1) integriert ist.
Verfahren zur Herstellung einer Mehrzahl von oberflächenemittierenden Halbleiterlasern, bei dem – eine Mehrzahl von Halbleiterchips (1), die je einen ersten Resonatorspiegel (4) umfassen, auf einem gemeinsamen Chipträger (50) hergestellt wird; – ein Array (80) von zweiten Resonatorspiegeln (8) hergestellt wird; – der Chipträger und das Array von zweiten Resonatorspiegeln mechanisch stabil miteinander verbunden werden, wobei ein erster Resonatorspiegel und ein zweiter Resonatorspiegel derart angeordnet werden, dass ein Laserresonator entsteht; und – der den Chipträger mit den Halbleiterchips und das Array von zweiten Resonatorspiegeln umfassende Verbund zu einer Mehrzahl von Halbleiterlasern (1000) mit je einem Halbleiterchip und einem zweiten Resonatorspiegel vereinzelt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem das Verbinden des Chipträgers (50) und des Arrays (80) einen Bondprozess umfasst.
Vorrichtung (21) zur Messung eines Abstands (D) und/oder einer Geschwindigkeit (v) mit einem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser (1000) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, der im Betrieb der Vorrichtung einen Laserpuls (71) oder eine Mehrzahl von Laserpulsen (71, 72) emittiert.
Vorrichtung (21) nach Anspruch 18 mit einem Empfänger (22), der dazu geeignet ist, ein Echo (71') des von dem Halbleiterlaser ausgesandten Laserpulses (71) beziehungsweise Echos (71', 72') der von dem Halbleiterlaser ausgesandte Laserpulse (71, 72) zu empfangen.
Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der der Empfänger eine Fotodiode (22), insbesondere eine Lawinenfotodiode und/oder eine PIN-Fotodiode, und/oder einen Fotomultiplier zum Empfang des/der Echos (71', 72') enthält.
Vorrichtung (21) nach Anspruch 19 oder 20 mit einer Steuereinheit (23), die dazu vorgesehen ist, die Zeitdauer zwischen der Emission eines Laserpulses (71) und dem Empfang von dessen Echo (71') und/oder die Zeitdauer (T_R) zwischen dem Empfang des Echos (71') eines ersten Laserpulses (71) und des Echos (72') eines zweiten Laserpulses (72) zu messen.