DE102008006993A1

DE102008006993A1 - Oberflächenemittierender Halbleiterlaser

Info

Publication number: DE102008006993A1
Application number: DE102008006993A
Authority: DE
Inventors: Hans Dr. Lindberg; Stefan Dr. Illek
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2008-01-31
Filing date: 2008-01-31
Publication date: 2009-08-06
Also published as: US20110122911A1; US8428094B2; JP2011511444A; WO2009094967A2; WO2009094967A3; JP5349496B2; TW200937784A

Abstract

Es wird ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser mit einem Halbleiterchip (1), der ein Substrat (2), einen auf das Substrat (2) aufgebrachten DBR-Spiegel (3) und eine auf dem DBR-Spiegel (3) aufgebrachte Epitaxieschichtenfolge (4), die eine strahlungsemittierende aktive Schicht (5) umfasst, aufweist, und einem außerhalb des Halbleiterchips (1) angeordneten externen Resonatorspiegel (9) angegeben. Der DBR-Spiegel (3) und das Substrat (2) sind für die von der aktiven Schicht (5) emittierte Strahlung (6) teildurchlässig und eine von der aktiven Schicht (5) abgewandte Rückseite (14) des Substrats (2) ist für die emittierte Strahlung (6) reflektierend.

Description

Die Erfindung betrifft einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Oberflächenemittierende Halbleiterlaser mit externem Resonator, die auch unter den Bezeichnungen Scheibenlaser oder VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser) bekannt sind, zeichnen sich durch eine hohe Ausgangsleistung bei gleichzeitig hoher Strahlqualität aus.
Derartige oberflächenemittierende Halbleiterlaser bieten insbesondere die Möglichkeit, ein Mittel zur Frequenzkonversion der emittierten Strahlung in den Laserresonator zu integrieren. Auf diese Weise ist es insbesondere möglich, mit einem Halbleitermaterial, das Strahlung im infraroten Spektralbereich emittiert, durch eine Frequenzverdopplung sichtbares Licht, insbesondere im grünen Spektralbereich, zu erzeugen. Die Frequenzkonversion erfolgt dabei in der Regel durch einen nichtlinearen optischen Kristall. Um eine effiziente Frequenzkonversion zu erzielen, sollte der Halbleiterlaser ein schmalbandiges Emissionsspektrum und eine hohe optische Leistung innerhalb des Laserresonators aufweisen. Insbesondere ist es wünschenswert, dass der Halbleiterlaser Strahlung einer einzigen longitudinalen Mode emittiert.
Um einen Einmoden-Betrieb zu erzielen, werden oftmals zwei Transmissionsfilter in Form von Etalons im externen Resonator eingesetzt. Dabei wird in der Regel ein erster Transmissionsfilter eingesetzt, der einen so großen freien Spektralbereich aufweist, dass der spektrale Überlapp mit der Verstärkungskurve des aktiven Materials nur die Moden eines Transmissionsmaximums im Laserbetrieb anschwingen lässt. Das Springen der Lasermoden zwischen verschiedenen Transmissionsmaxima des Filters wird so vermieden. Ein Transmissionsfilter in Form eines Etalons mit einem großen freien Spektralbereich weist allerdings in der Regel eine derart große Halbwertsbreite eines Transmissionsmaximums auf, dass mehrere longitudinale Moden des Laserresonators innerhalb dieses Transmissionsmaximums anschwingen können. Aus diesem Grund wird ein zweiter Transmissionsfilter eingesetzt, um aus den longitudinalen Moden des Laserresonators, die in das Transmissionsmaximum des ersten Filters fallen, eine einzelne longitudinale Mode zu selektieren.
Der Einsatz zweier Filter erfordert allerdings eine präzise Justage der beiden Filter und kann unerwünschte optische Verluste in dem Laserresonator erzeugen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser anzugeben, bei dem auf eine vergleichsweise einfache Weise eine Frequenzselektion der longitudinalen Moden erfolgt, so dass insbesondere auf einen zweiten Transmissionsfilter in Form eines Etalons verzichtet werden kann.
Diese Aufgabe wird durch einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Erfindung enthält ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser einen Halbleiterchip, der ein Substrat, einen auf das Substrat aufgebrachten DBR-Spiegel und eine auf den DBR-Spiegel aufgebrachte Epitaxieschichtenfolge, die eine strahlungsemittierende aktive Schicht umfasst, aufweist. Weiterhin enthält der oberflächenemittierende Halbleiterlaser zur Ausbildung eines externen Resonators einen außerhalb des Halbleiterchips angeordneten externen Resonatorspiegel. Der DBR-Spiegel und das Substrat sind für die von der aktiven Schicht emittierte Strahlung teildurchlässig und eine von der aktiven Schicht abgewandte Rückseite des Substrats ist für die emittierte Strahlung reflektierend.
Dadurch, dass der DBR-Spiegel und das Substrat für die von der aktiven Schicht emittierte Strahlung teildurchlässig sind, kann ein Teil der in der aktiven Schicht emittierten Strahlung in das Substrat eindringen, das Substrat durchqueren und an der von der aktiven Schicht abgewandten rückseitigen Grenzfläche des Substrats in Richtung zum DBR-Spiegel und der aktiven Schicht hin zurückreflektiert werden. Im Fall des DBR-Spiegels reicht bereits eine geringe Teildurchlässigkeit für die von der aktiven Schicht emittierte Strahlung aus, insbesondere kann der DBR-Spiegel eine Transmission von deutlich weniger als 1% aufweisen. Bevorzugt beträgt die Transmission des DBR-Spiegels mehr als 0,1%.
Das zwischen dem DBR-Spiegel und der reflektierenden Rückseite des Substrats eingeschlossene Substrat bildet auf diese Weise eine Kavität aus, deren Resonanzwellenlänge von der Dicke des Substrats abhängt. Bei der Resonanzwellenlänge der Kavität wird der von dem teildurchlässigen DBR-Spiegel in Richtung zur Rückseite des Substrats durchgelassene Strahlungsanteil mehrfach in der Kavität hin- und herreflektiert, so dass vergleichsweise hohe Absorptionsverluste in dem Substrat auftreten.
Die aus dem teildurchlässigen DBR-Spiegel, dem Substrat und der reflektierenden Rückseite des Substrats gebildete Kavität kann als wellenlängenselektives Filter eingesetzt werden, da die longitudinalen Lasermoden, deren Wellenlänge den Resonanzwellenlängen der Kavität entspricht, nicht anschwingen können, weil die optischen Verluste aufgrund von Absorption in der Kavität zu groß sind.
Die aus dem DBR-Spiegel, dem Substrat und der reflektierenden Rückseite des Substrats gebildete Kavität kann auf diese Weise ein in dem Laserresonator angeordnetes Etalon ersetzen, so dass der Herstellungs- und Justageaufwand für den oberflächenemittierenden Halbleiterlaser vorteilhaft vermindert wird.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die von dem DBR-Spiegel und der reflektierenden Rückseite des Substrats ausgebildete Kavität bei der Wellenlänge λ der von der aktiven Schicht emittierten Strahlung antiresonant. In diesem Fall gilt: n·d = (m + 1/2)·λ/2.
Dabei ist n der Brechungsindex des Substrats, d die Dicke des Substrats, m eine ganze Zahl und λ die Wellenlänge.
In diesem Fall sind die Absorptionsverluste der von der aktiven Schicht emittierten Strahlung in der aus dem DBR- Spiegel, dem Substrat und der reflektierenden Rückseite des Substrats gebildeten Kavität minimal und die Reflektivität ist maximal. Benachbarte longitudinale Lasermoden, deren Wellenlängen sich von der Laserwellenlänge unterscheiden, erfahren dagegen höhere Absorptionsverluste und werden auf diese Weise vorteilhaft unterdrückt.
Die von der aktiven Schicht abgewandte Rückseite des Substrats ist vorteilhaft mit einer reflexionserhöhenden Schicht versehen. Die reflexionserhöhende Schicht kann insbesondere eine Schicht aus einem Metall oder einer Metalllegierung sein. Beispielsweise kann es sich bei der reflexionserhöhenden Schicht um eine Schicht aus Goldgermanium (AuGe) handeln.
Vorzugsweise beträgt die Reflexion der Grenzfläche zwischen dem Substrat und der reflexionserhöhenden Schicht für die von der aktiven Schicht emittierte Strahlung mehr als 30%.
Die Reflexion eines Teils der von der aktiven Schicht emittierten Strahlung an der Rückseite des Substrats hat den Vorteil, dass die Anzahl der Perioden des DBR-Spiegels gegenüber einem herkömmlichen Halbleiterlaser reduziert werden kann. Die Verminderung der Anzahl der Schichtpaare des DBR-Spiegels hat den Vorteil, dass sich die Gesamtdicke des DBR-Spiegels vermindert, wodurch die Wärmeableitung der in der aktiven Schicht erzeugten Wärme verbessert wird.
Die aufgrund der geringeren Anzahl der Schichtpaare verminderte Reflektivität des DBR-Spiegels wird durch die Reflexion der Strahlung an der Rückseite des Substrats vorteilhaft zumindest teilweise kompensiert, so dass eine für den Laserbetrieb vorteilhaft hohe Gesamtreflexion erzielt wird.
Bevorzugt beträgt die gesamte Reflexion der Kombination aus dem DBR-Spiegel und der mit der reflektierenden Rückseite des Substrats ausgebildeten Kavität 99,9% oder mehr. Eine derart hohe Reflexion der Kombination aus dem DBR-Spiegel und der reflektierenden Rückseite des Substrats kann insbesondere auch dann erzielt werden, wenn die Transmission des DBR-Spiegels mehr als 0,1% beträgt. Zur Erzielung einer derart hohen gesamten Reflexion ist vorteilhaft eine reflexionserhöhende Schicht auf die Rückseite des Substrats aufgebracht, deren Reflexion mehr als 30% beträgt.
Die mittels der Kavität erzielte Wellenlängenselektion hat den Vorteil, dass bei dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser vorteilhaft ein einziges Etalon als zusätzlicher Transmissionsfilter in dem externen Resonator ausreicht. Weiterhin kann es sich bei dem einzigen Etalon in dem externen Resonator vorteilhaft um ein kostengünstig herstellbares unbeschichtetes Etalon handeln, das vorzugsweise aus einem einzigen homogenen Material besteht. Beispielsweise kann das Etalon ein unbeschichtetes Glasplättchen sein.
Zur Abfuhr der in der aktiven Schicht erzeugten Wärme kann der oberflächenemittierende Halbleiterlaser beispielsweise auf eine Wärmesenke montiert sein. Die Wärmesenke kann insbesondere an der Rückseite des Substrats montiert sein. Eine vergleichsweise geringe Anzahl der Perioden des DBR-Spiegels vermindert in diesem Fall den thermischen Widerstand zwischen der aktiven Schicht und der Wärmesenke.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Substrat des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers ein GaAs-Substrat. Ein GaAs-Substrat ist für eine Emissionswellenlänge im infraroten Spektralbereich, beispielsweise eine Wellenlänge von etwa 1060 nm, durchlässig, dass heißt es weist nur eine vergleichsweise geringe Absorption auf. Je nach Emissionswellenlänge des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers können auch andere Substrate verwendet werden, die für die Emissionswelllänge zumindest teilweise durchlässig sind, zum Beispiel Substrate aus InP, Saphir oder SiC.
Bei dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser handelt es sich vorzugsweise um einen optisch gepumpten Halbleiterlaser. Insbesondere kann der oberflächenemittierende Halbleiterlaser eine außerhalb der Epitaxieschichtenfolge angeordnete Pumpstrahlungsquelle aufweisen. Bei der Pumpstrahlungsquelle kann es sich beispielsweise um einen Diodenlaser handeln, der Pumpstrahlung mit einer Pumpwellenlänge, die kleiner ist als die Emissionswellenlänge der von der aktiven Schicht emittierten Strahlung, in die aktive Schicht einstrahlt und die aktive Schicht auf diese Weise zur Emission von Laserstrahlung anregt.
Bei der aktiven Schicht kann es sich insbesondere um eine Einfach- oder Mehrfachquantentopfstruktur handeln. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur umfasst im Rahmen der Anmeldung jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch Einschluss ("confinement") eine Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren. Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung Quantentopfstruktur keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit u. a. Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
Die aktive Schicht basiert vorzugsweise auf einem III-V-Verbindungshalbleiter, insbesondere auf einem Arsenid-Verbindungshalbleiter. „Auf einem Arsenid-Verbindungshalbleiter basierend" bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die aktive Epitaxie-Schichtenfolge oder zumindest eine Schicht davon ein Arsenidverbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise Al_nGa_mIn_1-n-mAs umfasst, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die charakteristischen physikalischen Eigenschaften des Al_nGa_mIn_1-n-mAs-Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, As), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der oberflächenemittierende Halbleiterlaser eine monolithisch in die Epitaxieschichtenfolge integrierte Pumpstrahlungsquelle auf. Die monolithische Integration einer Pumpstrahlungsquelle in die Epitaxieschichtenfolge eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers ist an sich aus der Druckschrift WO 01/93386 A1 bekannt und wird daher an dieser Stelle nicht näher erläutert.
Der oberflächenemittierende Halbleiterlaser enthält bevorzugt ein Frequenzkonversionselement zur Frequenzkonversion der von der aktiven Schicht emittierten Strahlung.
Die Frequenzkonversion kann dabei insbesondere eine Frequenzvervielfachung, beispielsweise eine Frequenzverdopplung sein. Zum Beispiel kann der oberflächenemittierende Halbleiterlaser eine zur Emission von infraroter Strahlung vorgesehene aktive Schicht aufweisen, wobei die infrarote Strahlung mittels des Frequenzkonversionselements in sichtbares Licht, bevorzugt in grünes oder blaues sichtbares Licht, konvertiert wird. Das Frequenzkonversionselement kann insbesondere ein optisch nichtlinearer Kristall sein. Für die Frequenzkonversion ist es von Vorteil, dass mittels der aus dem DBR-Spiegel und der reflektierenden Rückseite des Substrats gebildeten Kavität eine Wellenlängeselektion erfolgt, da die Frequenzkonversion durch ein nichtlineares optisches Element bei einer geringen spektralen Bandbreite der Strahlung, insbesondere im Einmodenbetrieb, besonderes effektiv ist.
Der Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Zusammenhang mit den 1 bis 9 näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß der Erfindung,
2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß der Erfindung,
3 eine schematische graphische Darstellung der longitudinalen Lasermoden in dem Laserresonator ohne Berücksichtung einer spektralen Filterung,
4 eine schematische graphische Darstellung der Transmissionskurve eines Transmissionsfilters,
5 schematische graphische Darstellungen der Reflexion eines DBR-Spiegels ohne Berücksichtung der Substratreflexionen und mit Berücksichtung der Substratreflexionen,
6 schematische graphische Darstellungen des Emissionsspektrums eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers ohne Berücksichtung der Substratreflexionen und mit Berücksichtung der Substratreflexionen,
7 eine schematische graphische Darstellung eines gemessenen Emissionsspektrums eines Ausführungsbeispiels eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß der Erfindung,
8 eine schematische graphische Darstellung eines gemessenen Emissionsspektrums eines weiteren Ausführungsbeispiels eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß der Erfindung, und
9 schematische graphische Darstellungen von Simulationen der Reflektivität R eines DBR-Spiegels auf einem Substrat.
Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente zur Verdeutlichung übertrieben groß dargestellt sein.
Der in 1 dargestellte oberflächenemittierende Halbleiterlaser enthält einen Halbleiterchip 1, der ein Substrat 2 umfasst. Bei dem Substrat 2 handelt es sich vorzugsweise um ein GaAs-Substrat, das für Wellenlängen im infraroten Spektralbereich teildurchlässig ist.
Auf das Substrat 2 ist ein DBR-Spiegel 3 aufgebracht, der eine Vielzahl von Schichtpaaren aus jeweils zwei Halbleiterschichten enthält, die sich in ihrer Materialzusammensetzung und somit in ihrem Brechungsindex voneinander unterscheiden. Die alternierenden Schichten des DER-Spiegels 3 sind vorzugsweise epitaktisch auf das Substrat 2 aufgewachsen.
Dem DBR-Spiegel 3 folgt in Wachstumsrichtung des Halbleiterchips 1 eine Epitaxieschichtenfolge 4 nach. Die Epitaxieschichtenfolge 4 weist eine zur Emission von Strahlung 6, insbesondere Strahlung aus dem ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Spektralbereich, geeignete aktive Schicht 5 auf. Die aktive Schicht 5 kann mehrere Halbleiterschichten umfassen, insbesondere kann sie eine Quantentopfstruktur enthalten.
Die aktive Schicht 5 ist vorzugsweise eine zur Emission von infraroter Strahlung geeignete Schicht. Insbesondere kann die aktive Schicht 5 auf einem Arsenid-Verbindungshalbleitermaterial basieren. „Auf einem Arsenid- Verbindungshalbleiter basierend" bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die aktive Epitaxie-Schichtenfolge oder zumindest eine Schicht davon ein Arsenidverbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise Al_nGa_mIn_1-n-mAs umfasst, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die charakteristischen physikalischen Eigenschaften des Al_nGa_mIn_1-n-mAs-Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, As), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Der oberflächenemittierende Halbleiterlaser ist ein optisch gepumpter Halbleiterlaser, bei dem eine außerhalb des Halbleiterchips 1 angeordnete Pumpstrahlungsquelle 10 Pumpstrahlung 11 in die aktive Schicht 5 des Halbleiterchips 1 einstrahlt, um diese zur Emission von Laserstrahlung 6 anzuregen.
Der oberflächenemittierende Halbleiterlaser weist einen Laserresonator auf, der durch den DBR-Spiegel 3 und einen außerhalb des Halbleiterchips 1 angeordneten externen Resonatorspiegel 9 gebildet wird. Die Laserstrahlung 6 des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers wird durch den externen Resonatorspiegel 9 ausgekoppelt.
In dem Laserresonator des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers ist ein Frequenzkonversionselement 12 enthalten. Mittels des Frequenzkonversionselements 12 wird die von der aktiven Schicht 5 emittierte Strahlung zu einer größeren Frequenz und somit zu einer kürzeren Wellenlänge hin konvertiert. Bei der Frequenzkonversion kann es sich insbesondere um eine Frequenzverdopplung handeln, so dass der oberflächenemittierende Halbleiterlaser Laserstrahlung mit einer Wellenlänge emittiert, die halb so groß ist wie die von der aktiven Schicht 5 emittierte Strahlung. Insbesondere kann die aktive Schicht 5 infrarote Strahlung emittieren, die mittels des Frequenzkonversionselements 12 in sichtbare Strahlung, insbesondere grüne oder blaue Strahlung, konvertiert wird.
Weiterhin enthält der Laserresonator bevorzugt einen Transmissionsfilter 13, insbesondere in Form eines Etalons. Der Transmissionsfilter 13 zeichnet sich vorzugsweise durch einen großen freien Spektralbereich aus, um aus dem vergleichsweise breiten Verstärkungsbereich der aktiven Schicht 5 einen schmalen Wellenlängenbereich für die Laseremission zu selektieren. Bei einem Transmissionsfilter 13 in Form eines Etalons, das einen großen freien Spektralbereich und somit weit auseinander liegende Transmissionsmaxima aufweist, sind die Transmissionsmaxima in der Regel derart breit, dass eine Vielzahl longitudinaler Lasermoden innerhalb des Transmissionsbereichs liegen. Wenn eine besonders schmalbandige Laseremission, insbesondere ein Einmodenbetrieb erwünscht ist, wird bei herkömmlichen Halbleiterlasern daher in der Regel ein zweites Etalon eingesetzt, das sich durch Transmissionsmaxima mit einer geringen Halbwertsbreite auszeichnet, um innerhalb des Transmissionsmaximums des ersten Etalons wenige oder vorzugsweise nur eine longitudinale Lasermode zu selektieren.
Bei dem erfindungsgemäßen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser erfolgt die Selektion der longitudinalen Lasermoden dagegen dadurch, dass der DBR-Spiegel 3 und das Substrat 2 für die emittierte Strahlung 6 teildurchlässig sind und die von der aktiven Schicht 5 abgewandte Rückseite 14 des Substrats 2 reflektierend ist. Die von der aktiven Schicht emittierte Strahlung 6 wird von dem DBR-Spiegel 3 also nur teilweise reflektiert, so dass ein Anteil der emittierten Strahlung 6 den DBR-Spiegel 3 und das Substrat 2 zumindest teilweise durchqueren kann. Vorzugsweise weist der DBR-Spiegel 3 eine Transmission von mehr als 0,1% auf. An der reflektierenden Rückseite 14 des Substrats wird die Strahlung 6 dann in die Richtung des DBR-Spiegels 3 und der aktiven Schicht 5 zurückreflektiert.
Die Rückseite 14 des Substrats 2 ist vorzugsweise mit einer reflexionserhöhenden Schicht 7 versehen, bei der es sich insbesondere um eine Schicht aus einem Metall oder einer Metalllegierung handeln kann. Insbesondere kann es sich bei der reflexionserhöhenden Schicht 7 um eine Schicht aus AuGe handeln.
Vorzugsweise beträgt die Reflexion an der Grenzfläche zwischen dem Substrat 2 und der reflexionserhöhenden Schicht 7 mehr als 30%. Dadurch, dass die Reflexion an der Rückseite 14 des Substrats 2 mehr als 30% beträgt, lässt sich eine für den Laserbetrieb vorteilhafte gesamte Reflexion der Kombination aus dem DBR-Spiegel 3 und der Rückseite 14 des Substrats 2 von mehr als 99,9% erzielen. Eine derart hohe gesamte Reflexion lässt sich sogar dann erzielen, wenn der DBR-Spiegel 3 eine Transmission von mehr als 0,1% aufweist.
Auf die dem Substrat 2 gegenüberliegende Oberfläche des Halbleiterchips 1 ist bevorzugt eine reflexionsmindernde Schicht 8 aufgebracht, um die Strahlungsauskopplung aus dem Halbleiterchip zu verbessern.
Der DBR-Spiegel 3 und die reflektierende Rückseite 14 des Substrats 2 bilden eine Kavität aus, deren Dicke d gleich der Dicke des Substrats 2 ist. Die Wellenlängenselektion der longitudinalen Lasermoden erfolgt dadurch, dass Wellenlängen, die die Resonanzbedingung der aus dem DBR-Spiegel 3 und der reflektierenden Rückseite 14 des Substrats gebildeten Kavität erfüllen, mehrfach in der Kavität hin- und her reflektiert werden und dadurch vergleichsweise hohe Absorptionsverluste erfahren. Bei diesen Wellenlängen weist die Kombination aus dem DBR-Spiegel 3 und der Substratrückseite 14 ein Reflexionsminimum auf. Dagegen liegt für Wellenlängen, für die die Kavität antiresonant ist, maximale Reflektivität vor, so dass eine longitudinale Lasermode mit dieser Wellenlänge in dem Laserresonator anschwingen kann.
Aufgrund der auf diese Weise erzielten Modenselektion reicht bei dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser vorteilhaft ein einziger Transmissionsfilter 13 in dem externen Resonator aus. Bei dem Transmissionsfilter 13 kann es sich insbesondere um ein unbeschichtetes Etalon, beispielsweise in Form eines unbeschichteten Glasplättchens handeln. Der Herstellungsaufwand und die damit verbundenen Kosten reduzieren sich dadurch vorteilhaft.
Die hohe Reflexion der aus dem DBR-Spiegel 3 und der reflektierenden Rückseite 14 des Substrats 2 gebildeten Kavität hat weiterhin den Vorteil, dass die Anzahl der Schichtpaare des DBR-Spiegels vergleichsweise gering, insbesondere kleiner als 25, sein kann. Auf diese Weise ergibt sich eine geringe Gesamtdicke des DBR-Spiegels 3, wodurch die Wärmeableitung der in der aktiven Schicht 5 erzeugten Wärme verbessert wird. Die aufgrund der geringen Anzahl der Schichtpaare verminderte Reflektivität des DBR-Spiegels 3 wird durch die Reflexion der Strahlung 6 an der Rückseite 14 des Substrats 2 vorteilhaft zumindest teilweise kompensiert.
Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß der Erfindung unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, dass anstelle einer außerhalb des Halbleiterchips 1 angeordneten Pumpstrahlungsquelle zwei monolithisch in den Halbleiterchip 1 integrierte Pumplaser 15, die Pumpstrahlung 11 in lateraler Richtung in die aktive Schicht 5 einstrahlen, zum optischen Pumpen der aktiven Schicht 5 vorgesehen sind. Durch die monolithisch integrierten Pumplaser 15 wird ein effektives optisches Pumpen der aktiven Schicht 5 erreicht, wobei auf einen außerhalb des Halbleiterchips 1 angeordneten Pumplaser verzichtet werden kann und somit der Herstellungs- und Justageaufwand vermindert wird.
Die Pumplaser 15 können beispielsweise durch auf der vom Substrat 2 abgewandten Oberfläche des Halbleiterchips 1 angeordnete elektrische Kontakte 16 elektrisch kontaktiert werden. Als zweiter elektrischer Kontakt kann beispielsweise eine Schicht aus einem Metall oder einer Metalllegierung 7 auf der Rückseite 14 des Substrats 2 dienen, die vorteilhaft gleichzeitig zur Erhöhung der Reflexion der Rückseite 14 des Substrats 2 dient. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers, insbesondere hinsichtlich der Ausbildung der Kavität durch den teildurchlässigen DBR-Spiegel 3 und die reflektierende Rückseite 14 des Substrats 2 dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel.
Die Wirkung der aus dem DBR-Spiegel 3 und der Rückseite 14 des Substrats 2 gebildeten Kavität auf das Emissionsspektrum des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers wird im Folgenden anhand der 3 bis 8 näher erläutert.
In 3 ist schematisch das Modenspektrum der longitudinalen Lasermoden in einem Laserresonator ohne den Einfluss eines oder mehrerer wellenlängenselektiver Elemente dargestellt. Aufgetragen ist die Intensität I der Lasermoden in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ. Das Spektrum der longitudinalen Moden weist eine Vielzahl von Maxima und Minima auf, deren Abstand von der Länge des Laserresonators abhängt. Für einen Laserresonator, dessen Länge etwa 5 mm beträgt, beträgt der Abstand der longitudinalen Lasermoden etwa 0,1 nm.
In 4 ist die Transmission T eines Wellenlängenfilters, beispielsweise eines Etalons, in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ dargestellt. Die Bandbreite eines derartigen Filters kann beispielsweise etwa 2 nm betragen, so dass immer noch eine Vielzahl der Lasermoden in den Transmissionsbereich des Transmissionsfilters fällt.
Damit nur wenige oder vorzugsweise nur eine longitudinale Lasermode anschwingen kann, ist daher in der Regel ein zweites wellenlängenselektives Element erforderlich.
In 5 ist auf der linken Seite die Reflexion R eines DBR-Spiegels in der Nähe des Reflexionsmaximums in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ dargestellt. Die rechte Seite zeigt die Reflexion R in der Nähe des Reflexionsmaximums für den Fall, dass der DBR-Spiegel teildurchlässig ist und zusammen mit einem Substrat, das eine reflektierende Rückseite aufweist, eine Kavität ausbildet. Im letzteren Fall sind dem Reflexionsmaximum mehrere Minima überlagert, die den Resonanzen der Kavität entsprechen. Die Maxima entsprechen den Wellenlängen, für die die aus dem DBR-Spiegel und der Rückseite des Substrats gebildete Kavität antiresonant ist.
In 6 wird verdeutlicht, wie der Resonanzeffekt der Kavität zur Selektion einer longitudinalen Lasermode ausgenutzt werden kann. Die linke Seite der 6 zeigt schematisch das Emissionsspektrum eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers, bei dem zur spektralen Filterung in herkömmlicher Weise ein Transmissionsfilter, dessen Transmissionskurve beispielsweise der 4 entspricht, und ein herkömmlicher DBR-Spiegel, dessen Reflexionskurve auf der linken Seite der 5 dargestellt ist, zur Wellenlängenselektion eingesetzt werden. Innerhalb des Transmissionsmaximums des Transmissionsfilters können eine Vielzahl von longitudinalen Lasermoden anschwingen, da das vergleichsweise breite Reflexionsmaximum des DBR-Spiegels nicht wesentlich zur Wellenlängenselektion beiträgt.
Auf der rechten Seite der 6 ist schematisch das Emissionsspektrum eines Ausführungsbeispiels eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß der Erfindung dargestellt, bei dem die Wellenlängenselektion zusätzlich dadurch erfolgt, dass der DBR-Spiegel teildurchlässig ist und zusammen mit der reflektierenden Rückseite eines Substrats eine Kavität ausbildet. In diesem Fall weist nur eine einzige longitudinale Lasermode eine signifikante Intensität auf, so dass auf diese Weise ein Einmoden-Betrieb des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers erzielt wird. Die auf diese Weise selektierte longitudinale Lasermode liegt in einem Reflexionsmaximum der Kombination aus dem DBR-Spiegel und der reflektierenden Rückseite des Substrats.
In den 7 und 8 sind gemessene Emissionsspektren von zwei Ausführungsbeispielen eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß der Erfindung dargestellt, die wie bei dem auf der rechten Seite der 6 dargestellten Beispiel durch Reflexionen an der Rückseite des Substrats beeinflusst sind. Bei dem Substrat handelt es sich in beiden Fällen um ein GaAs-Substrat.
Die oberflächenemittierenden Halbleiterlaser der in den 7 und 8 dargestellten Emissionsspektren unterscheiden sich in der Dicke des Substrats. Bei dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Substrat eine Dicke von 115 μm auf. Das Emissionsspektrum zeigt zwei Emissionsmaxima, die einen Abstand von 1,2 nm aufweisen.
Das in 8 dargestellte Emissionsspektrum wurde mit einem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser, der eine Substratdicke von 80 μm aufweist, erzeugt. In diesem Fall beträgt der Abstand der Emissionsmaxima, der mit der reziproken optischen Dicke des Substrats skaliert, 1,8 nm.
In 9 ist eine Simulation eines Reflexionsspektrums eines DBR-Spiegels auf einem 80 μm dicken GaAs-Substrat unter Berücksichtigung von Reflexionen an der Rückseite des Substrats gezeigt. Dargestellt ist die Reflektivität R der Kombination aus dem DBR-Spiegel und dem Substrat für verschiedene Reflexionsgrade R_S der Rückseite des Substrats, und zwar für R_S = 0% (Kurve 17), R_S = 35% (Kurve 18), R_S = 59% (Kurve 19) und R_S = 83% (Kurve 20).
Die Simulationen verdeutlichen, dass sich bei einer reflektierenden Rückseite des Substrats Reflexionsminima 21 ausbilden, die sich mit zunehmender Reflexion an der Rückseite des Substrats verstärken. Die Wellenlängen der Reflexionsminima 21 entsprechen den Resonanzwellenlängen der Kavität, die das zwischen dem DBR-Spiegel und der reflektierenden Rückseite des Substrats angeordnete Substrat ausbildet. Zwischen den Reflexionsminima 21 sind Reflexionsmaxima 22 angeordnet, die den Wellenlängen entsprechen, bei denen die Kavität antiresonant ist. Bei dem erfindungsgemäßen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser ist die Kavität vorteilhaft antiresonant, so dass bei der von der aktiven Schicht emittierten Wellenlänge ein Reflexionsmaximum 22 vorliegt.
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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 01/93386 A1 [0027]

Claims

Oberflächenemittierender Halbleiterlaser mit einem Halbleiterchip (1), der ein Substrat (2), einen auf das Substrat (2) aufgebrachten DBR-Spiegel (3) und eine auf den DBR-Spiegel (3) aufgebrachte Epitaxieschichtenfolge (4), die eine strahlungsemittierende aktive Schicht (5) umfasst, aufweist, und einem außerhalb des Halbleiterchips (1) angeordneten externen Resonatorspiegel (9), dadurch gekennzeichnet, dass der DBR-Spiegel (3) und das Substrat (2) für die von der aktiven Schicht (5) emittierte Strahlung (6) teildurchlässig sind und eine von dem DBR-Spiegel (3) abgewandte Rückseite (14) des Substrats (2) für die emittierte Strahlung (6) reflektierend ist.
Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine von dem DBR-Spiegel (3) und der reflektierenden Rückseite (14) des Substrats (2) ausgebildete Kavität bei der Wellenlänge der von der aktiven Schicht (5) emittierten Strahlung (6) antiresonant ist.
Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseite (14) des Substrats (2) mit einer reflexionserhöhenden Schicht (7) versehen ist.
Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die reflexionserhöhende Schicht (7) ein Metall oder eine Metalllegierung aufweist.
Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexion der mit der reflexionserhöhenden Schicht (7) versehenen Rückseite (14) des Substrats (2) mehr als 30% beträgt.
Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der DBR-Spiegel (3) für die von der aktiven Schicht (5) emittierte Strahlung (6) eine Transmission von mehr als 0,1% aufweist.
Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombination aus dem DBR-Spiegel (3) und der mit der reflektierenden Rückseite (14) des Substrats (2) ausgebildeten Kavität eine Reflexion von mehr als 99,9% aufweist.
Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem externen Resonator ein einziges Etalon (13) enthalten ist.
Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das einzige in dem externen Resonator enthaltene Etalon (13) ein unbeschichtetes Etalon ist.
Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Etalon (13) ein unbeschichtetes Glasplättchen ist.
Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) GaAs, InP, SiC oder Saphir aufweist.
Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oberflächenemittierende Halbleiterlaser ein optisch gepumpter Halbleiterlaser ist.
Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der oberflächenemittierende Halbleiterlaser eine außerhalb des Halbleiterchips (1) angeordnete Pumpstrahlungsquelle (10) aufweist.
Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der oberflächenemittierende Halbleiterlaser einen monolithisch in die Epitaxieschichtenfolge (4) integrierten Pumplaser (15) aufweist.
Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oberflächenemittierende Halbleiterlaser ein Frequenzkonversionselement (12) zur Frequenzkonversion der emittierten Strahlung (6) aufweist.
Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzkonversion eine Frequenzvervielfachung, insbesondere eine Frequenzverdopplung, ist.
Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht (5) infrarote Strahlung emittiert, die von dem Frequenzkonversionselement (12) in sichtbares Licht konvertiert wird.