DE102008038961B9 - A surface-emitting semiconductor laser chip, laser arrangement with a surface-emitting semiconductor laser chip and method for producing a surface-emitting semiconductor laser chip - Google Patents

A surface-emitting semiconductor laser chip, laser arrangement with a surface-emitting semiconductor laser chip and method for producing a surface-emitting semiconductor laser chip Download PDF

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Abstract

Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (1) mit- einer ersten Schichtenfolge (2), die für eine Primärstrahlung (P) mit einer Primärwellenlänge λreflektierend wirkt, und- einem Schichtenstapel (4) mit mindestens einem aktiven Bereich (5), wobei der Schichtenstapel (4) an einer Hauptseite der ersten Schichtenfolge (2) aufgebracht und dazu ausgestaltet ist, die Primärstrahlung (P) zu emittieren, wobei eine Dicke (D) des Schichtenstapels (4) so gestaltet ist, dass dieser nicht-resonant bezüglich der Primärwellenlänge λist, sodass eine Intensität eines elektromagnetischen Feldes innerhalb des Halbleiterlaserchips (1) der eines Fabry-Perot-Elements bei minimaler Transmission entspricht,- für eine effektive Resonatorlänge L des Halbleiterlaserchips (1) mit einer Toleranz von höchstens λ/8 gilt: L = N λ/2 + λ/4 und N eine natürliche Zahl ist,- der Halbleiterlaserchip (1) ferner mindestens eine zweite Schicht (7) umfasst, die an der Lichtaustrittsfläche (6) des Schichtenstapels (4) angebracht und für die Primärstrahlung (P) teilreflektierend ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reflexionsgrad der mindestens einen zweiten Schicht (7) für die Primärstrahlung (P) zwischen 7 % und 13 % liegt.A surface emitting semiconductor laser chip (1) having a first layer sequence (2) which is reflective for a primary radiation (P) having a primary wavelength λ, and a layer stack (4) having at least one active region (5), the layer stack (4) a main side of the first layer sequence (2) is applied and configured to emit the primary radiation (P), wherein a thickness (D) of the layer stack (4) is designed so that it is non-resonant with respect to the primary wavelength λ, so that an intensity an electromagnetic field within the semiconductor laser chip (1) corresponds to that of a Fabry-Perot element with minimal transmission, - for an effective resonator length L of the semiconductor laser chip (1) with a tolerance of at most λ / 8: L = N λ / 2 + λ / 4 and N is a natural number, - the semiconductor laser chip (1) further comprises at least one second layer (7) attached to the light exit surface (6) of the layer nstapels (4) and for the primary radiation (P) is partially reflecting, characterized in that a reflectance of the at least one second layer (7) for the primary radiation (P) is between 7% and 13%.

Description

Die Erfindung betrifft einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchip, eine Laseranordnung mit einem oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchip sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Halbleiterlaserchips.The invention relates to a surface-emitting semiconductor laser chip, to a laser arrangement having a surface-emitting semiconductor laser chip and to a method for producing such a semiconductor laser chip.

Auf Halbleiter basierende Laser bieten gegenüber etwa Gas- oder Festkörperlasern mit einem optisch gepumpten YAG- oder YLF-Kristall als Verstärkermedium große Vorteile bezüglich Wirkungsgrad, Wartungsaufwand und Größe des Bauteils. Eine Möglichkeit, Halbleiterlaser zu klassifizieren, besteht in der Unterscheidung zwischen kantenemittierenden und oberflächenemittierenden Lasern. Bei kantenemittierenden Halbleiterlasern weist das vom Halbleiterchip emittierte Licht oft einen linienartigen, asymmetrischen Querschnitt des Strahlprofils auf. Bei oberflächenemittierenden Halbleiterlasern ist die Qualität des Strahlprofils meist günstiger, da das Strahlprofil symmetrischer ist. Oberflächenemittierende Halbleiterlaser sind auch dazu geeignet, Licht mit höherer Intensität zu erzeugen als kantenemittierende Halbleiterlaser. Die optischen Leistungsdichten innerhalb des Laserkristalls können hierbei, beispielsweise im Dauerstrichbetrieb, mehrere Watt pro Kubikmillimeter betragen.Semiconductor-based lasers offer great advantages in terms of efficiency, maintenance and size of the component compared to gas or solid state lasers with an optically pumped YAG or YLF crystal as the amplifier medium. One way to classify semiconductor lasers is to distinguish between edge emitting and surface emitting lasers. In edge-emitting semiconductor lasers, the light emitted by the semiconductor chip often has a line-like, asymmetrical cross-section of the beam profile. In the case of surface-emitting semiconductor lasers, the quality of the beam profile is usually more favorable since the beam profile is more symmetrical. Surface emitting semiconductor lasers are also capable of producing higher intensity light than edge emitting semiconductor lasers. The optical power densities within the laser crystal can be several watts per cubic millimeter, for example in continuous wave mode.

Die Druckschrift WO 02/47223 A1 betrifft einen optisch gepumpten VCSEL-Laser, der an einer Lichtaustrittsseite einen Bragg-Spiegel mit einer Antireflexschicht umfasst.The publication WO 02/47223 A1 relates to an optically pumped VCSEL laser comprising on a light exit side a Bragg mirror with an antireflection layer.

Die Druckschriften US 2002/0 071 463 A1 und US 6 741 629 B1 sind auf optisch gepumpte VCSEL gerichtet, die Lichteintrittsseiten mit einer geringen Reflektivität aufweisen.The pamphlets US 2002/0 071 463 A1 and US Pat. No. 6,741,629 B1 are directed to optically pumped VCSELs which have light entrance sides with a low reflectivity.

Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchip mit einem hohen Wirkungsgrad anzugeben. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Laseranordnung mit einem solchen Halbleiterlaserchip anzugeben. Des Weiteren ist eine zu lösende Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips anzugeben.An object to be solved is to provide a surface emitting semiconductor laser chip with a high efficiency. Another object to be solved is to specify a laser arrangement with such a semiconductor laser chip. Furthermore, an object to be solved is to provide a method for producing such a surface-emitting semiconductor laser chip.

Diese Aufgaben werden durch den oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchip gemäß Anspruch 1, durch die Laseranordnung gemäß Anspruch 5 und durch das Verfahren gemäß Anspruch 8 gelöst.These objects are achieved by the surface emitting semiconductor laser chip according to claim 1, by the laser arrangement according to claim 5 and by the method according to claim 8.

Erfindungsgemäß umfasst der oberflächenemittierende Halbleiterlaserchip eine erste Schichtenfolge. Die erste Schichtenfolge wirkt für eine in Betrieb des Halbleiterlaserchips erzeugte Primärstrahlung mit einer Primärwellenlänge λP reflektierend. Die Schichtenfolge kann aus einer einzelnen oder, bevorzugt, aus mehreren Schichten gebildet sein. Es ist möglich, dass die Schichtenfolge einen reflektierenden, metallischen Bestandteil aufweist. Ist die erste Schichtenfolge als Bragg-Spiegel ausgestaltet und weist dielektrische Schichten oder Halbleiterschichten mit abwechselnd niedrigem und hohem Brechungsindex auf, so umfasst die Schichtenfolge bevorzugt 20 bis 40 Paare an Schichten mit niedrigem und hohem Brechungsindex. Die Dicke der jeweiligen Schichten beträgt vorzugsweise ein Viertel der Primärwellenlänge λP . Mit Dicke ist hierbei die optische Dicke bezeichnet, also das Integral über das Produkt aus geometrischer Länge und Brechungsindex für die betreffende Wellenlänge.According to the invention, the surface-emitting semiconductor laser chip comprises a first layer sequence. The first layer sequence acts for a primary radiation generated in operation of the semiconductor laser chip with a primary wavelength λ P reflective. The layer sequence can be formed from a single or, preferably, from several layers. It is possible that the layer sequence has a reflective metallic component. If the first layer sequence is designed as a Bragg mirror and has dielectric layers or semiconductor layers with alternately low and high refractive index, the layer sequence preferably comprises 20 to 40 pairs of layers with low and high refractive index. The thickness of the respective layers is preferably one quarter of the primary wavelength λ P , Thickness here denotes the optical thickness, that is to say the integral over the product of geometric length and refractive index for the relevant wavelength.

Die erste Schichtenfolge kann alternativ oder zusätzlich auch reflektierende Metallschichten, reflektierende Schichten aus einem transparenten leitfähigen Oxid, kurz TCO, oder einen Aufbau ähnlich einem Beugungsgitter aufweisen. Bevorzugt sind alle Schichten der ersten Schichtenfolge eben ausgestaltet. Ebenso möglich ist es aber, dass einzelne oder auch alle Schichten eine Krümmung aufweisen, so dass etwa ein fokussierender Reflektor gebildet ist.The first layer sequence may alternatively or additionally also have reflective metal layers, reflective layers made of a transparent conductive oxide, TCO for short, or a structure similar to a diffraction grating. Preferably, all layers of the first layer sequence are configured just. But it is equally possible that individual or all layers have a curvature, so that approximately a focusing reflector is formed.

Für den Fall, dass die erste Schichtenfolge als Bragg-Spiegel ausgestaltet ist, weist die Primärstrahlung eine gewisse effektive Eindringtiefe in den Bragg-Spiegel und somit in die reflektierende, erste Schichtenfolge auf. Die effektive Eindringtiefe kann abgeschätzt werden als die Primärwellenlänge λP geteilt durch das Vierfache des Brechungsindexunterschieds zwischen Schichten mit hohem und niedrigem Brechungsindex. Beträgt der Brechungsindexunterschied zwischen den Schichten mit hohem und niedrigem Brechungsindex etwa 0,5, so beträgt die effektive Eindringtiefe also λP,0/(4 x 0,5), also in etwa λP,0/2. Bei dieser Abschätzung stellt λP,0 die Vakuumwellenlänge der Primärstrahlung dar, also nicht wie λP die Wellenlänge geteilt durch den Brechungsindex des Mediums. Die effektive Eindringtiefe ist also im Wesentlichen eine wellenlängenabhängige, physikalische Eigenschaft eines Bragg-Spiegels.In the event that the first layer sequence is configured as a Bragg mirror, the primary radiation has a certain effective penetration depth into the Bragg mirror and thus into the reflective, first layer sequence. The effective penetration depth can be estimated as the primary wavelength λ P divided by four times the refractive index difference between high and low refractive index layers. If the refractive index difference between the high and low refractive index layers is about 0.5, then the effective penetration depth is λ P, 0 / (4 x 0.5), that is approximately λ P, 0/2 . In this estimation λ P, 0 the vacuum wavelength of the primary radiation, so not how λ P the wavelength divided by the refractive index of the medium. The effective penetration depth is therefore essentially a wavelength-dependent physical property of a Bragg mirror.

Oberflächenemittierend bedeutet, dass der Halbleiterchip flächig an einer Außenfläche eines Halbleiterkörpers Laserstrahlung emittiert. Die Fläche, über die die Lichtstrahlung aus dem Halbleiterlaserchip emittiert wird, hat zweidimensionalen Charakter. Im Gegensatz hierzu zu sehen sind kantenemittierende Laser, deren Licht emittierende Fläche linienförmig ist und somit eine im Wesentlichen eindimensional ausgeprägte Fläche darstellt, deren Längsausdehnung deutlich größer ist als deren Querausdehnung. Bevorzugt weist die Fläche, über die der oberflächenemittierende Halbleiterlaserchip Laserstrahlung emittiert, zwei Hauptachsen auf, wobei jede der Hauptachsen eine größere Länge aufweist als eine Ausdehnung eines Licht erzeugenden Bereichs des Halbleiterlaserchips in einer Richtung senkrecht zur Licht emittierenden Fläche. Bevorzugt sind beide Hauptachsen der Licht emittierenden Fläche in etwa gleich groß. „In etwa“ bedeutet, dass die relative Abweichung weniger als 25 %, insbesondere weniger als 10 % beträgt. Mit anderen Worten ist die Licht emittierende Fläche beispielsweise ellipsoid oder, bevorzugt, kreisförmig.Surface emitting means that the semiconductor chip emits laser radiation in a planar manner on an outer surface of a semiconductor body. The surface over which the light radiation is emitted from the semiconductor laser chip has a two-dimensional character. In contrast to this, edge-emitting lasers whose light-emitting surface is linear and thus represents a substantially one-dimensional surface whose longitudinal extent is significantly larger than its transverse extent can be seen. Preferably, the surface over which the surface emitting semiconductor laser chip emits laser radiation has two major axes, each of the major axes having a greater length than an extension of a light generating region of the semiconductor laser chip in one direction perpendicular to the light emitting surface. Preferably, both major axes of the light-emitting surface are approximately the same size. "Approximately" means that the relative deviation is less than 25%, in particular less than 10%. In other words, the light-emitting surface is, for example, ellipsoidal or, preferably, circular.

Halbleiterlaserchip bedeutet, dass der Chip im Wesentlichen auf Halbleitermaterialien beruht. Mit anderen Worten weist der Halbleiterlaserchip erfindungsgemäß mindestens einen aktiven Bereich auf, der zur Erzeugung der Primärstrahlung ausgestaltet ist, der auf einem Halbleitermaterial beruht. Es ist prinzipiell möglich, dass der Halbleiterlaserchip neben Halbleitermaterialien auch noch andere Materialien wie dielektrische Schichten, Passivierungen oder elektrisch ohmsch leitfähige Lagen, beispielsweise aus einem Metall, aufweist. Die Erzeugung der Laserstrahlung beruht jedoch auf mindestens einem Halbleitermaterial, wie etwa GaAs, InGaAs, AlGaAs, GaP, InGaP, GaN, InGaN oder InP. Das Halbleitermaterial kann weiter Stoffe, zum Beispiel in Form von Dotierungen, beinhalten.Semiconductor laser chip means that the chip is based essentially on semiconductor materials. In other words, according to the invention, the semiconductor laser chip has at least one active region which is designed to generate the primary radiation which is based on a semiconductor material. It is in principle possible that the semiconductor laser chip in addition to semiconductor materials also other materials such as dielectric layers, passivation or electrically ohmic conductive layers, for example of a metal having. However, the generation of the laser radiation is based on at least one semiconductor material, such as GaAs, InGaAs, AlGaAs, GaP, InGaP, GaN, InGaN or InP. The semiconductor material may further include substances, for example in the form of dopants.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips liegt die Primärwellenlänge λP im nahinfraroten Spektralbereich, insbesondere zwischen 1000 nm und 1100 nm. Die Primärwellenlänge λP kann aber auch bei anderen Wellenlängen im Spektralbereich zwischen 200 nm und 3500 nm liegen.In accordance with at least one embodiment of the surface-emitting semiconductor laser chip, the primary wavelength lies λ P in the near-infrared spectral range, in particular between 1000 nm and 1100 nm. The primary wavelength λ P but can also be at other wavelengths in the spectral range between 200 nm and 3500 nm.

Erfindungsgemäß weist der oberflächenemittierende Halbleiterlaserchip einen Schichtenstapel mit mindestens einem aktiven Bereich auf. Die Schichten des Schichtenstapels können epitaktisch gewachsen sein und sich im Wesentlichen parallel zur Licht emittierenden Fläche ausdehnen. Der mindestens eine aktive Bereich ist dazu ausgestaltet, im Betrieb des Halbleiterlaserchips die Primärstrahlung mit der Primärwellenlänge λP zu erzeugen. Die Primärwellenlänge λP kann einen oder auch mehrere Wellenlängenbereiche umfassen. Bevorzugt weist der Hableiterlaserchip eine Mehrzahl von aktiven Bereichen auf, insbesondere zwischen fünf und 15 solcher Bereiche. Mindestens ein aktiver Bereich ist als Quantenpunkt, als Quantendraht oder bevorzugt als Quantentrog ausgebildet.According to the invention, the surface-emitting semiconductor laser chip has a layer stack with at least one active region. The layers of the layer stack may be grown epitaxially and expand substantially parallel to the light-emitting surface. The at least one active region is configured, in the operation of the semiconductor laser chip, the primary radiation having the primary wavelength λ P to create. The primary wavelength λ P may include one or more wavelength ranges. Preferably, the semiconductor laser chip has a plurality of active regions, in particular between five and 15 such regions. At least one active region is designed as a quantum dot, as a quantum wire or preferably as a quantum well.

Der mindestens eine aktive Bereich kann optisch oder elektrisch gepumpt sein. Das Pumpen mindestens eines aktiven Bereichs kann direkt oder auch indirekt erfolgen. Beim direkten Pumpen werden beispielsweise Elektron-Loch-Paare im aktiven Bereich selbst erzeugt. Im Falle eines indirekten Pumpens weist der Schichtenstapel beispielsweise Barriereschichten auf, in denen über das Pumpen Elektron-Loch-Paare erzeugt werden, die dann in die aktiven Bereiche beziehungsweise in mindestens einen aktiven Bereich propagieren und dort zur Erzeugung der Primärstrahlung dienen.The at least one active region may be optically or electrically pumped. The pumping of at least one active area can be direct or indirect. In direct pumping, for example, electron-hole pairs are generated in the active region itself. In the case of indirect pumping, the layer stack has, for example, barrier layers in which electron-hole pairs are generated by pumping, which then propagate into the active regions or into at least one active region and serve to generate the primary radiation there.

Erfindungsgemäß ist der Schichtenstapel mit dem mindestens einen aktiven Bereich an einer Hauptseite der ersten Schichtenfolge aufgebracht. Bevorzugt stehen erste Schichtenfolge und Schichtenstapel in direktem Kontakt zueinander, es können aber auch Schichten, die beispielsweise einer elektrischen Kontaktierung dienen, zwischen reflektierender ersten Schichtenfolge und Schichtenstapel angebracht sein. Eine der ersten Schichtenfolge abgewandte Hauptseite des Schichtenstapels ist, mindestens zum Teil, durch eine Lichtaustrittsfläche gebildet.According to the invention, the layer stack having the at least one active region is applied to a main side of the first layer sequence. The first layer sequence and the layer stack are preferably in direct contact with one another, but it is also possible for layers which serve, for example, an electrical contacting, to be arranged between the reflective first layer sequence and the layer stack. A main side of the layer stack facing away from the first layer sequence is formed, at least in part, by a light exit surface.

Die Dicke des Schichtenstapels ist dessen optische Dicke, das heißt das Integral über dem optischen Brechungsindex und einem Weg längs einer Laufrichtung der im Betrieb des Halbleiterlaserchips im Schichtenstapel erzeugten Strahlung. Der Schichtenstapel ist insbesondere begrenzt durch die Lichtaustrittsfläche und die reflektierende erste Schichtenfolge. Die Lichtaustrittsfläche kann sich dadurch auszeichnen, dass an der der Lichtaustrittsfläche abgewandten Seite des Schichtenstapels ein Material mit deutlich reduziertem Brechungsindex vorliegt, wie etwa Luft oder eine Antireflexionsschicht. „Deutlich reduziert“ bedeutet, dass der Brechungsindexunterschied, ausgehend vom die Lichtaustrittsfläche bildenden Material, mindestens 20 %, bevorzugt mindestens 40 % beträgt.The thickness of the layer stack is its optical thickness, that is the integral over the optical refractive index and a path along a running direction of the radiation generated in the stack of layers during operation of the semiconductor laser chip. The layer stack is in particular limited by the light exit surface and the reflective first layer sequence. The light exit surface can be distinguished by the fact that a material having a significantly reduced refractive index, such as air or an antireflection layer, is present on the side of the layer stack facing away from the light exit surface. "Substantially reduced" means that the refractive index difference, starting from the material forming the light exit surface, is at least 20%, preferably at least 40%.

Erfindungsgemäß ist die Dicke des Schichtenstapels derart gestaltet, so dass dieser nicht-resonant bezüglich der Primärwellenlänge λP ist. „Nicht-resonant“ bedeutet hierbei, dass sich bezüglich Noden und Antinoden innerhalb des Halbleiterchips kein elektrisches Lichtfeld ausbildet, wie es im resonanten Fall etwa in einem Fabry-Perot-Element der Fall ist.According to the invention, the thickness of the layer stack is designed such that it is non-resonant with respect to the primary wavelength λ P is. In this case, "non-resonant" means that with respect to nodes and antinodes within the semiconductor chip, no electric light field is formed, as is the case, for example, in a resonant case in a Fabry-Perot element.

Erfindungsgemäß weist der oberflächenemittierende Halbleiterlaserchip einen Resonator auf. Der Resonator ist im Halbleiterlaserchip integriert und gebildet von der Lichtaustrittsfläche und von der reflektierenden ersten Schichtenfolge. Die Lichtaustrittsfläche weist eine nicht verschwindende Reflektivität bezüglich der Primärwellenlänge λP auf.According to the invention, the surface-emitting semiconductor laser chip has a resonator. The resonator is integrated in the semiconductor laser chip and formed by the light exit surface and by the reflective first layer sequence. The light exit surface has a non-vanishing reflectivity with respect to the primary wavelength λ P on.

Erfindungsgemäß weist der oberflächenemittierende Halbleiterlaserchip eine effektive Resonatorlänge L auf. Die effektive Resonatorlänge L ist gebildet aus der Summe der Dicke des Schichtenstapels und der effektiven Eindringtiefe der Primärstrahlung in die reflektierende erste Schichtenfolge. Das heißt, die Resonatorlänge L ist größer oder gleich der Dicke des Schichtenstapels. Die jeweiligen Dicken beziehungsweise Längen beziehen sich hierbei auf die optischen Längen, das heißt auf das Integral über das Produkt aus Weglänge und Brechungsindex.According to the invention, the surface-emitting semiconductor laser chip has an effective resonator length L on. The effective resonator length L is formed from the sum of the thickness of the layer stack and the effective penetration depth of the primary radiation into the reflective first layer sequence. That is, the resonator length L is greater than or equal to the thickness of the layer stack. The respective thicknesses or lengths relate to the optical lengths, that is, the integral over the product of path length and refractive index.

Erfindungsgemäß umfasst der oberflächenemittierende Halbleiterlaserchip eine erste Schichtenfolge, die für eine Primärstrahlung mit einer Primärwellenlänge λP reflektierend wirkt. Außerdem umfasst der Halbleiterlaserchip einen Schichtenstapel mit mindestens einem aktiven Bereich, wobei der Schichtenstapel an einer Hauptseite der ersten Schichtenfolge aufgebracht und dazu ausgestaltet ist, die Primärstrahlung zu emittieren. Die Dicke des Schichtenstapels ist so gestaltet, dass dieser nicht-resonant bezüglich der Primärwellenlänge λP ist.According to the invention, the surface-emitting semiconductor laser chip comprises a first layer sequence which is suitable for primary radiation having a primary wavelength λ P reflective effect. In addition, the semiconductor laser chip comprises a layer stack having at least one active region, wherein the layer stack is applied to a main side of the first layer sequence and configured to emit the primary radiation. The thickness of the layer stack is designed to be non-resonant with respect to the primary wavelength λ P is.

Der Halbleiterlaserchip ist mit anderen Worten mit einer nicht-resonanten Verstärkerstruktur gestaltet.In other words, the semiconductor laser chip is designed with a non-resonant amplifier structure.

In einem solchen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchip treten nur geringe optische Verluste innerhalb des Halbleiterlaserchips auf. Daher weist ein derartiger Halbleiterlaserchip einen hohen Wirkungsgrad auf.In such a surface emitting semiconductor laser chip, only small optical losses occur within the semiconductor laser chip. Therefore, such a semiconductor laser chip has a high efficiency.

Die Effizienz eines Halbleiterlaserchips ergibt sich aus der Relation von erzielter Verstärkung und auftretenden optischen Verlusten. Sowohl Verstärkung als auch optische Verluste sind näherungsweise direkt proportional zur optischen Intensität im Schichtenstapel mit dem mindestens einen aktiven Bereich. Das heißt, in dem Fall, dass die Verstärkung hoch ist, so sind ebenfalls die optischen Verluste hoch. Dies wirkt sich nachteilig auf die Gesamteffizienz des Halbleiterlaserchips aus.The efficiency of a semiconductor laser chip results from the relation of gain achieved and optical losses occurring. Both gain and optical losses are approximately directly proportional to the optical intensity in the stack of layers having the at least one active region. That is, in the case where the gain is high, the optical losses are also high. This adversely affects the overall efficiency of the semiconductor laser chip.

Die optische Intensität im Halbleiterlaserchip ist zum Beispiel dann am höchsten, wenn die Dicke des Schichtenstapels so gestaltet ist, dass der Schichtenstapel resonant bezüglich der Primärwellenlänge λP ist. Das heißt, im resonanten Fall bildet sich innerhalb des Halbleiterlaserchips eine Stehwelle aus, die analog zu einer Resonanz in einem Fabry-Perot-Element zu sehen ist. In einem nicht-resonanten Fall ist die optische Intensität im Halbleiterlaserchip entsprechend verringert.For example, the optical intensity in the semiconductor laser chip is highest when the thickness of the layer stack is designed so that the layer stack is resonant with respect to the primary wavelength λ P is. That is, in the resonant case forms within the semiconductor laser chip, a standing wave, which is analogous to a resonance in a Fabry-Perot element to see. In a non-resonant case, the optical intensity in the semiconductor laser chip is correspondingly reduced.

Mindestens drei Arten optischer Verluste innerhalb des Halbleiterlaserchips lassen sich durch eine nicht-resonante Gestaltung der Dicke des Schichtenstapels reduzieren. Wegen der verringerten optischen Intensität im Halbleiterlaserchip ist erstens auch die Reabsorption von Strahlung innerhalb des Halbleiterlaserchips, etwa durch die Absorption an freien Ladungsträgern, englisch Free Carrier Absorption, reduziert. Über die Reduzierung der Absorption beziehungsweise Reabsorption wiederum ist zweitens die Temperatur und insbesondere der Temperaturgradient innerhalb des Halbleiterlaserchips verringert. Drittens wirken im resonanten Fall, wie erwähnt, die Lichtaustrittsfläche und die reflektierende erste Schichtenfolge als Fabry-Perot-Resonator. Im Resonanzfall weist ein Fabry-Perot-Element eine erhöhte Transmission auf, die im Falle eines Halbleiterlaserchips als optische Verlustleistung auftritt.At least three types of optical losses within the semiconductor laser chip can be reduced by non-resonant design of the thickness of the layer stack. Firstly, because of the reduced optical intensity in the semiconductor laser chip, the reabsorption of radiation within the semiconductor laser chip, for example through free carrier absorption, is also reduced. Secondly, the reduction of the absorption or reabsorption reduces the temperature and in particular the temperature gradient within the semiconductor laser chip. Third, in the resonant case, as mentioned, the light exit surface and the reflective first layer sequence act as a Fabry-Perot resonator. In the case of resonance, a Fabry-Perot element has an increased transmission, which occurs in the case of a semiconductor laser chip as an optical power loss.

Ein Aspekt für den Betrieb des Halbleiterlaserchips ist demnach, dass durch den nicht-resonanten Aufbau störende Effekte durch die Ausbildung einer thermischen Linse, beispielsweise durch ein optisches Pumpen des Halbleiterlaserchips, reduziert werden können. Da eine effektive Eindringtiefe der Primärstrahlung und/oder einer Pumpstrahlung in den Halbleiterlaserchip für einen nicht-resonanten Aufbau des Halbleiterlaserchips verringert ist, sind in diesem Fall auch die thermische Linse und die mit dieser verknüpften Verluste schwächer ausgeprägt.One aspect of the operation of the semiconductor laser chip is therefore that can be reduced by the non-resonant structure disturbing effects by the formation of a thermal lens, for example by an optical pumping of the semiconductor laser chip. Since an effective penetration depth of the primary radiation and / or a pumping radiation into the semiconductor laser chip is reduced for a non-resonant structure of the semiconductor laser chip, in this case also the thermal lens and the losses associated therewith are weaker.

Es können also über eine Reduzierung der optischen Intensität im Halbleiterlaserchip die optischen Verluste reduziert und die Effizienz beziehungsweise der Wirkungsgrad des Halbleiterlaserchips erhöht werden. Dies ist möglich, sofern die Verstärkung im Schichtenstapel ausreichend hoch ist, so dass die Verstärkung nicht optimiert zu werden braucht. Bei einem solchen Halbleiterlaserchip ist also nicht die Verstärkung, englisch Gain, sondern der Wirkungsgrad optimiert beziehungsweise verbessert.It can therefore be reduced by reducing the optical intensity in the semiconductor laser chip, the optical losses and the efficiency or the efficiency of the semiconductor laser chip can be increased. This is possible if the gain in the stack of layers is sufficiently high so that the gain need not be optimized. In such a semiconductor laser chip so not the gain, English gain, but the efficiency is optimized or improved.

Erfindungsgemäß entspricht die effektive Resonatorlänge L der Formel: L = 0,5  N  λ P + 0,25   λ P

Figure DE102008038961B9_0001
N ist hierbei eine natürliche Zahl. Die Toleranz für die effektive Resonatorlänge L beträgt hierbei höchstens λP/8.According to the invention, the effective resonator length L corresponds to the formula: L = 0.5 N λ P + 0.25 λ P
Figure DE102008038961B9_0001
N is a natural number. The tolerance for the effective resonator length L is in this case at most λ P / 8.

Mit anderen Worten entspricht die effektive Resonatorlänge L einem ganzzahligen Vielfachen der halben Primärwellenlänge λP , verlängert um λP/4. Das heißt, die effektive Resonatorlänge L ist also 3 λP/4 oder 5 λP/4 oder 7 λP/4 und so weiter. Über eine solche effektive Resonatorlänge L ist der Fabry-Perot-Effekt und somit die Transmission in Richtung vom Schichtenstapel weg durch die reflektierende erste Schichtenfolge hindurch verringert. Die Effizienz des Halbleiterlaserchips ist hierdurch erhöht.In other words, the effective resonator length corresponds L an integer multiple of half the primary wavelength λ P , extended by λ P / 4. That is, the effective resonator length L is thus 3 λ P / 4 or 5 λ P / 4 or 7 λ P / 4 and so on. About such an effective resonator length L the Fabry-Perot effect and thus the transmission in the direction away from the layer stack is reduced away by the reflective first layer sequence. The efficiency of the semiconductor laser chip is thereby increased.

Auch hier gilt, wie im Folgenden, dass als effektive Resonatorlänge L die optische und nicht die geometrische Länge zu verstehen ist.Again, as in the following, that as the effective resonator length L the optical and not the geometric length is to be understood.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips beträgt die Toleranz bezüglich der effektiven Resonatorlänge L höchstens λP/16, insbesondere höchstens λP/32. Eine verkleinerte Toleranz der effektiven Resonatorlänge L führt zu einer wirkungsvolleren Reduzierung der optischen Verluste im Halbleiterlaserchip und erhöht somit dessen Effizienz.In accordance with at least one embodiment of the surface-emitting semiconductor laser chip, the tolerance with respect to the effective resonator length is L at most λ P / 16, in particular at most λ P / 32. A reduced tolerance of the effective resonator length L leads to a more effective Reduction of optical losses in the semiconductor laser chip and thus increases its efficiency.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips ist die Dicke des Schichtenstapels so ausgestaltet, dass der Halbleiterlaserchip anti-resonant bezüglich der Primärwellenlänge λP ist. Das heißt, dass die Intensität des elektromagnetischen Feldes innerhalb des Halbleiterlaserchips dem eines Fabry-Perot-Elements bei minimaler Transmission entspricht. Im anti-resonanten Fall ist die optische Intensität im Halbleiterlaserchip verkleinert. Über eine derartige Wahl der Dicke des Schichtenstapels lassen sich die optischen Verluste im Halbleiterlaserchip ebenfalls reduzieren.In accordance with at least one embodiment of the surface emitting semiconductor laser chip, the thickness of the layer stack is designed so that the semiconductor laser chip is anti-resonant with respect to the primary wavelength λ P is. That is, the intensity of the electromagnetic field within the semiconductor laser chip corresponds to that of a Fabry-Perot element with minimal transmission. In the anti-resonant case, the optical intensity in the semiconductor laser chip is reduced. Such a choice of the thickness of the layer stack can also reduce the optical losses in the semiconductor laser chip.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips liegt im Betrieb des Halbleiterlaserchips an der Lichtaustrittsfläche des Schichtenstapels kein Intensitätsmaximum bezüglich der optischen Intensität der Primärstrahlung vor. Bevorzugt liegt ein Intensitätsminimum an der Lichtaustrittsfläche vor. Die Toleranz hierfür beträgt höchstens λP/16, insbesondere höchstens λP/32. Mit der Minimierung der Intensität an der Lichtaustrittsfläche geht auch eine Minimierung der optischen Intensität innerhalb des Halbleiterchips einher. Hierüber werden auch die auftretenden optischen Verluste im Halblaserchips reduziert, wodurch dessen Effizienz erhöht ist.In accordance with at least one embodiment of the surface-emitting semiconductor laser chip, no intensity maximum with respect to the optical intensity of the primary radiation is present at the light exit surface of the layer stack during operation of the semiconductor laser chip. Preferably, an intensity minimum is present at the light exit surface. The tolerance for this is at most λ P / 16, in particular at most λ P / 32. By minimizing the intensity at the light exit surface is also accompanied by a minimization of the optical intensity within the semiconductor chip. This also reduces the occurring optical losses in the half-fiber chips, whereby its efficiency is increased.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips umfasst dieser eine Mehrzahl aktiver Bereiche, wobei mindestens ein Abstand zwischen zwei benachbarten aktiven Bereichen einem Vielfachen der Hälfte der Primärwellenlänge λP entspricht und wobei sich mindestens ein aktiver Bereich im Betrieb des Halbleiterlaserchips in einem Intensitätsmaximum der Primärstrahlung befindet. In Richtung zur reflektierenden ersten Schichtenfolge hin können die Abstände zwischen benachbarten aktiven Bereichen bevorzugt zunehmen. Sind die aktiven Bereiche in Gruppen mit mindestens zwei aktiven Bereichen angeordnet, wobei innerhalb einer Gruppe die Abstände zwischen benachbarten aktiven Bereichen in etwa gleich sind, so nehmen die Abstände zwischen den Gruppen in Richtung zur ersten Schichtenfolge hin zu. Ebenso bevorzugt ist mindestens die Hälfte der aktiven Bereiche, insbesondere alle aktiven Bereiche, in einem Intensitätsmaximum der Primärstrahlung angeordnet. Sind aktive Bereiche im Intensitätsmaxima der Primärstrahlung platziert, so erhöht sich die Verstärkung des Halbleiterlaserchips.According to at least one embodiment of the surface emitting semiconductor laser chip, the latter comprises a plurality of active regions, wherein at least one distance between two adjacent active regions is a multiple of half the primary wavelength λ P corresponds and wherein at least one active region is in operation of the semiconductor laser chip in an intensity maximum of the primary radiation. Towards the reflective first layer sequence, the distances between adjacent active regions may preferably increase. If the active regions are arranged in groups with at least two active regions, wherein within a group the distances between adjacent active regions are approximately the same, the distances between the groups increase in the direction of the first layer sequence. Likewise, at least half of the active regions, in particular all active regions, are arranged in an intensity maximum of the primary radiation. If active regions are placed in the intensity maxima of the primary radiation, the gain of the semiconductor laser chip increases.

Erfindungsgemäß umfasst der oberflächenemittierende Halbleiterlaserchip mindestens eine zweite Schicht, die an der Lichtaustrittsfläche des Schichtenstapels angebracht und für die Primärstrahlung teilreflektierend ist. Die zweite Schicht kann in direktem physischem Kontakt zur Lichtaustrittsfläche stehen, dies ist der bevorzugte Fall, oder auch durch eine oder mehrere funktionelle Schichten vom Schichtenstapel separiert sein. Die mindestens eine zweite Schicht ist beispielsweise eine Schicht, die einen Brechungsindex aufweist, der zwischen dem von Luft und dem des den Schichtenstapel bildenden Materials liegt. Über eine solche teilreflektierende Schicht kann die Auskoppeleffizienz aus dem Halbleiterlaserchip erhöht werden. Außerdem kann die Reflektivität der Lichtaustrittsfläche des Schichtenstapels über eine solche zweite Schicht gezielt eingestellt werden.According to the invention, the surface-emitting semiconductor laser chip comprises at least one second layer, which is attached to the light exit surface of the layer stack and partially reflecting the primary radiation. The second layer may be in direct physical contact with the light exit surface, this being the preferred case or separated by one or more functional layers from the layer stack. The at least one second layer is, for example, a layer which has a refractive index which lies between that of air and that of the layer stack forming material. About such a partially reflecting layer, the coupling-out efficiency can be increased from the semiconductor laser chip. In addition, the reflectivity of the light exit surface of the layer stack can be selectively adjusted via such a second layer.

Erfindungsgemäß liegt der Reflexionsgrad der Lichtaustrittsfläche des Schichtenstapels bezüglich der Primärstrahlung aufgrund der mindestens einen zweiten Schicht zwischen 7 % und 13 %. Die Reflektivität weicht also von der einer optimierten, einschichtigen Antireflexbeschichtung, mit einer Reflektivität von weniger als 2 %, und auch von der einer Grenzfläche Luft-Lichtaustrittsfläche beziehungsweise Luft-Halbleitermaterial, mit einer Reflektivität von >30 %, ab. Vielmehr ist eine Reflektivität eingestellt, die sich hinsichtlich der Vermeidung von Verlusten im Halbleiterchip als optimal herausgestellt hat. Eine Reflektivität der Lichtaustrittsfläche im genannten Wertebereich aufgrund der zweiten Schicht ist mit vergleichsweise geringem technischen Aufwand zu realisieren.According to the invention, the reflectance of the light exit surface of the layer stack with respect to the primary radiation due to the at least one second layer is between 7% and 13%. The reflectivity thus differs from that of an optimized, single-layer antireflection coating, with a reflectivity of less than 2%, and also of an interface air-light exit surface or air-semiconductor material, with a reflectivity of> 30%. Rather, a reflectivity is set, which has proven to be optimal in terms of avoiding losses in the semiconductor chip. A reflectivity of the light exit surface in said value range due to the second layer can be realized with comparatively little technical effort.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterlaserchips ist die mindestens eine zweite Schicht eine Passivierung. Das heißt, durch die mindestens eine zweite Schicht wird der Schichtenstapel mindestens zum Teil vor chemischen oder physikalischen, für den Schichtenstapel schädlichen Einflüssen geschützt. Durch eine solche zweite Schicht erhöht sich die Lebensdauer des Halbleiterlaserchips.In accordance with at least one embodiment of the semiconductor laser chip, the at least one second layer is a passivation. That is, the at least one second layer protects the layer stack at least in part from chemical or physical influences that are detrimental to the layer stack. Such a second layer increases the life of the semiconductor laser chip.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips ist dieser indirekt optisch pumpbar. Ein derartiges Pumpen des Halbleiterlaserchips wird auch als Barriere-Pumpen bezeichnet. Das heißt, Licht mit einer Pumpwellenlänge λR wird in den Halbleiterlaserchip eingestrahlt. Dieses Pumplicht wird in Barriereschichten absorbiert, in denen Elektron-Loch-Paare erzeugt werden. Diese Elektron-Loch-Paare propagieren dann in den mindestens einen aktiven Bereich und dienen anschließend über Rekombination zur Erzeugung der Primärstrahlung. Die Barriereschichten sind bevorzugt transparent für die Primärstrahlung und absorbierend für die Pumpstrahlung ausgestaltet. Ein solcher Halbleiterlaserchip weist einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Strahlqualität auf.According to at least one embodiment of the surface emitting semiconductor laser chip, this is indirectly optically pumpable. Such pumping of the semiconductor laser chip is also referred to as barrier pumps. That is, light with a pump wavelength λ R is injected into the semiconductor laser chip. This pump light is absorbed in barrier layers in which electron-hole pairs are generated. These electron-hole pairs then propagate into the at least one active region and subsequently serve via recombination to generate the primary radiation. The barrier layers are preferably transparent to the primary radiation and designed to be absorbent for the pump radiation. Such a semiconductor laser chip has a high efficiency and a high beam quality.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterlaserchips ist die mindestens eine zweite Schicht als Antireflex-Schicht bezüglich der Pumpwellenlänge λR ausgestaltet.In accordance with at least one embodiment of the semiconductor laser chip, the at least one second layer as an antireflection layer with respect to the pump wavelength λ R designed.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips ist dieser für einen Dauerstrichbetrieb gestaltet. Das heißt, der Halbleiterlaserchip wird nicht gepulst betrieben. Mit Dauerstrichbetrieb ist insbesondere gemeint, dass eine Repetitionsrate höchstens 10 Hz und eine Impulsdauer mindestens 0,1 s beträgt.According to at least one embodiment of the surface emitting semiconductor laser chip, this is designed for a continuous wave operation. That is, the semiconductor laser chip is not pulsed. In particular, continuous wave operation means that a repetition rate is at most 10 Hz and a pulse duration is at least 0.1 s.

Es wird darüber hinaus eine Laseranordnung mit mindestens einem oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchip angegeben. Die Laseranordnung umfasst einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchip, wie vorangehend beschrieben.In addition, a laser arrangement with at least one surface-emitting semiconductor laser chip is specified. The laser arrangement comprises a surface emitting semiconductor laser chip as described above.

Erfindungsgemäß umfasst die Laseranordnung mindestens einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchip und mindestens eine Pumplichtquelle, die zum Pumpen des Halbleiterlaserchips gestaltet ist.According to the invention, the laser arrangement comprises at least one surface emitting semiconductor laser chip and at least one pumping light source which is designed for pumping the semiconductor laser chip.

Erfindungsgemäß umfasst die Laseranordnung mindestens einen externen, für die vom Halbleiterlaserchip erzeugte Primärstrahlung reflektierend wirkenden Spiegel. Bevorzugt ist der externe Spiegel ein hochreflektierender, dielektrischer Spiegel oder ein Metallspiegel. Der externe Spiegel kann eine Krümmung aufweisen, so dass der externe Spiegel zum Beispiel fokussierend wirkt.According to the invention, the laser arrangement comprises at least one external mirror which has a reflective effect on the primary radiation generated by the semiconductor laser chip. The external mirror is preferably a highly reflecting dielectric mirror or a metal mirror. The external mirror may have a curvature such that the external mirror, for example, has a focusing effect.

Erfindungsgemäß wird von der ersten Schichtenfolge des mindestens einen Halbleiterlaserchips und vom mindestens einen externen Spiegel ein externer Resonator der Laseranordnung gebildet.According to the invention, an external resonator of the laser arrangement is formed by the first layer sequence of the at least one semiconductor laser chip and by the at least one external mirror.

Erfindungsgemäß umfasst die Laseranordnung mindestens einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchip, wie voranstehend beschrieben. Weiterhin umfasst die Laseranordnung mindestens eine Pumplichtquelle zum Pumpen des Halbleiterlaserchips. Zudem weist die Laseranordnung mindestens einen externen, für die Primärstrahlung reflektierend wirkenden Spiegel auf, so dass von der ersten Schichtenfolge des Halbleiterlaserchips und vom mindestens einen externen Spiegel ein externer Resonator der Laseranordnung gebildet ist.According to the invention, the laser arrangement comprises at least one surface-emitting semiconductor laser chip, as described above. Furthermore, the laser arrangement comprises at least one pumping light source for pumping the semiconductor laser chip. In addition, the laser arrangement has at least one external mirror which has a reflective effect on the primary radiation, so that an external resonator of the laser arrangement is formed by the first layer sequence of the semiconductor laser chip and by the at least one external mirror.

Eine solche Laseranordnung kann kompakt aufgebaut sein und ermöglicht eine Konversion der vom Halbleiterlaserchip erzeugten Strahlung in eine Sekundärstrahlung mit einer von der Primärstrahlung verschiedenen Sekundärwellenlänge λs .Such a laser arrangement can have a compact design and makes it possible to convert the radiation generated by the semiconductor laser chip into a secondary radiation having a secondary wavelength that is different from the primary radiation λ s ,

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laseranordnung umfasst der Resonator der Laseranordnung ein wellenlängenselektives Element. Optional kann über das wellenlängenselektive Element auch die Polarisation der Primär- und/oder Sekundärstrahlung definiert werden. Über ein solches wellenlängenselektives Element können die spektralen Eigenschaften der Laseranordnung gezielt eingestellt werden.In accordance with at least one embodiment of the laser arrangement, the resonator of the laser arrangement comprises a wavelength-selective element. Optionally, the polarization of the primary and / or secondary radiation can also be defined via the wavelength-selective element. About such a wavelength-selective element, the spectral properties of the laser array can be adjusted specifically.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laseranordnung umfasst diese ein wellenlängenselektives Element in Verbindung mit einem Halbleiterchip, bei dem die Lichtaustrittsfläche eine Reflektivität im Bereich von 4 % bis 20 %, insbesondere zwischen 7 % und 13 %, aufweist.According to at least one embodiment of the laser arrangement, this comprises a wavelength-selective element in conjunction with a semiconductor chip, in which the light exit surface has a reflectivity in the range of 4% to 20%, in particular between 7% and 13%.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laseranordnung wirkt das wellenlängenselektive Element in einem Wellenlängenbereich von 0,8 λP bis 1,2 λP sperrend für Wellenlängen λRes , die mit einer Wellenlängentoleranz von höchstens λP/16 bezüglich der effektiven Resonatorlänge L des Halbleiterlaserchips die Bedingung erfüllen: λ Res = ( 2 L ) / N ,

Figure DE102008038961B9_0002
wobei N eine natürliche Zahl ist. Das heißt, die Wellenlängen λRes erfüllen eine Resonanzbedingung im Sinne eines Fabry-Perot-Effekts bezüglich der effektiven Resonatorlänge L. Für solche Wellenlängen λRes , bezüglich denen der Resonator des Halbleiterlaserchips resonant ist, wirkt also das wellenlängenselektive Element sperrend. „Sperrend“ kann hierbei bedeuten, dass die Transmission für resonante Wellenlängen λRes um einige Prozent unterhalb der Transmission für anti-resonante Wellenlängen λP liegt. Der Wellenlängenbereich, in dem das Element sperrend wirkt, ist bevorzugt so gewählt, dass im gesamten Verstärkungsbereich des Schichtenstapels solche Wellenlängen λRes unterdrückt sind. Ein derartiges wellenlängenselektives Element verhindert, dass der Halbleiterlaserchip in einen resonanten Modus gerät, in dem die optische Intensität im Halbleiterlaserchip hoch ist und somit auch die optischen Verluste groß sind. Über ein solches wellenlängenselektives Element kann eine bestimmte, insbesondere bezüglich der effektiven Resonatorlänge des Halbleiterlaserchips anti-resonante Primärwellenlänge λP gezielt eingestellt werden.In accordance with at least one embodiment of the laser arrangement, the wavelength-selective element acts in a wavelength range of 0.8 λ P to 1.2 λ P blocking for wavelengths λ res with a wavelength tolerance of at most λ P / 16 with respect to the effective resonator length L of the semiconductor laser chip satisfy the condition: λ Res = ( 2 L ) / N .
Figure DE102008038961B9_0002
where N is a natural number. That is, the wavelengths λ res satisfy a resonance condition in the sense of a Fabry-Perot effect with respect to the effective resonator length L , For such wavelengths λ res with respect to which the resonator of the semiconductor laser chip is resonant, that is to say the wavelength-selective element has a blocking effect. "Blocking" may mean that the transmission is for resonant wavelengths λ res by a few percent below the transmission for anti-resonant wavelengths λ P lies. The wavelength range in which the element acts as a blocking element is preferably selected such that wavelengths are present in the entire amplification range of the layer stack λ res are suppressed. Such a wavelength-selective element prevents the semiconductor laser chip from entering a resonant mode in which the optical intensity in the semiconductor laser chip is high and thus the optical losses are also large. About such a wavelength-selective element may have a certain, in particular with respect to the effective resonator length of the semiconductor laser chip anti-resonant primary wavelength λ P be targeted.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laseranordnung ist das wellenlängenselektive Element ein Etalon. Etalone können sehr kompakt aufgebaut sein und neben der Wellenlängenselektivität auch eine Polarisationsselektivität aufweisen. Über ein Etalon lassen sich also sowohl die spektralen Eigenschaften als auch die Polarisationseigenschaften der Laseranordnung bestimmen. Eine Laseranordnung mit einem Etalon ist zum Beispiel in der Druckschrift WO 2008/028454 A1 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug mit aufgenommen wird. In accordance with at least one embodiment of the laser arrangement, the wavelength-selective element is an etalon. Etalons can be very compact and, in addition to the wavelength selectivity, also have a polarization selectivity. Via an etalon, it is thus possible to determine both the spectral properties and the polarization properties of the laser arrangement. A laser arrangement with an etalon is for example in the document WO 2008/028454 A1 whose disclosure content is hereby incorporated by reference.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laseranordnung umfasst der Resonator der Laseranordnung mindestens einen Kristall zur Frequenzverdopplung der Primärstrahlung. Über Frequenzverdopplung kann insbesondere nahinfrarotes Licht mit Wellenlängen im Bereich von 1 µm, insbesondere zwischen 0,95 µm und 1,15 µm, in grünes Licht mit Wellenlängen insbesondere im Bereich von 510 nm bis 570 nm konvertiert werden.In accordance with at least one embodiment of the laser arrangement, the resonator of the laser arrangement comprises at least one crystal for frequency doubling of the primary radiation. By way of frequency doubling, in particular near-infrared light with wavelengths in the range of 1 μm, in particular between 0.95 μm and 1.15 μm, can be converted into green light with wavelengths, in particular in the range from 510 nm to 570 nm.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laseranordnung ist im Betrieb des Halbleiterlaserchips in diesem eine thermische Linse ausgebildet, über die die Primärstrahlung in den Kristall zur Frequenzverdopplung fokussiert ist. Bei einer vorgegebenen Pumpleistung bildet sich im Halbleiterlaserchip definiert ein Temperaturgradient aus. Dieser Temperaturgradient führt zu einer Variation des optischen Brechungsindex in einer Richtung parallel zur Lichtaustrittsfläche. Dieser Brechungsindexgradient hat die Wirkung eines linsenartigen Elements, insbesondere einer Sammellinse. Über diese thermischen Linse kann die Primärstrahlung in den Kristall fokussiert sein. Über eine solche thermische Linse kann eine externe Linse außerhalb des Halbleiterlaserchips entfallen und die Verdopplungseffizienz im Kristall kann erhöht werden.In accordance with at least one embodiment of the laser arrangement, during operation of the semiconductor laser chip, a thermal lens is formed in the latter, via which the primary radiation is focused into the crystal for frequency doubling. For a given pump power, a temperature gradient is formed in the semiconductor laser chip. This temperature gradient leads to a variation of the optical refractive index in a direction parallel to the light exit surface. This refractive index gradient has the effect of a lenticular element, in particular a condenser lens. Via this thermal lens, the primary radiation can be focused in the crystal. Such a thermal lens can eliminate an external lens outside the semiconductor laser chip and increase the doubling efficiency in the crystal.

Es wird darüber hinaus ein Verfahren zur Herstellung eines oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips angegeben. Mittels des Verfahrens wird ein oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip hergestellt, wie oben beschrieben.There is also provided a method of manufacturing a surface emitting semiconductor laser chip. By means of the method, a surface-emitting semiconductor laser chip is produced, as described above.

Das Verfahren weist erfindungsgemäß die folgenden Schritte auf:

  • - Bereitstellen eines Halbleiterlaserchips mit der ersten Schichtenfolge und dem Schichtenstapel, wobei die effektive Resonatorlänge L des Halbleiterlaserchips mit einer Toleranz von höchstens λP/16 einem ganzzahligen Vielfachen der Hälfte der Primärwellenlänge λP entspricht, und
  • - Reduzierung der effektiven Resonatorlänge L des Halbleiterlaserchips mit einer Toleranz von höchstens λP/16 um einen Wert von ((2 N - 1) λP)/4, wobei N eine natürliche Zahl ist.
The method according to the invention comprises the following steps:
  • - Providing a semiconductor laser chip with the first layer sequence and the layer stack, wherein the effective resonator length L of the semiconductor laser chip with a tolerance of at most λ P / 16 an integer multiple of half the primary wavelength λ P corresponds, and
  • - Reduction of the effective resonator length L of the semiconductor laser chip having a tolerance of at most λ P / 16 by a value of ((2 N -1) λ P ) / 4, where N is a natural number.

Das Bereitstellen des Halbleiterlaserchips kann ein epitaktisches Wachsen der ersten Schichtenfolge und/oder des Schichtenstapels auf einem Aufwachssubstrat beinhalten. Die epitaktisch aufgewachsenen Schichten können anschließend vom Aufwachssubstrat auf einen Träger transferiert werden oder auch auf dem Aufwachssubstrat verbleiben. Dass die effektive Resonatorlänge L einem Vielfachen der halben Primärwellenlänge λP entspricht, bedeutet, dass der Halbleiterlaserchip resonant ist bezüglich der Primärwellenlänge λP .The provision of the semiconductor laser chip may include epitaxial growth of the first layer sequence and / or the layer stack on a growth substrate. The epitaxially grown layers can then be transferred from the growth substrate to a support or remain on the growth substrate. That the effective resonator length L a multiple of half the primary wavelength λ P means that the semiconductor laser chip is resonant with respect to the primary wavelength λ P ,

Der Verfahrensschritt des Reduzierens der effektiven Resonatorlänge L folgt dem Bereitstellen des Halbleiterlaserchips nach. Die effektive Resonatorlänge L wird hierbei um ein ungeradzahliges Vielfaches der viertelten Primärwellenlänge λP verringert, also beispielsweise um λP/4, 3 λP/4, 5 λP/4 und so weiter. Eine solche Verringerung der effektiven Resonatorlänge L bedeutet, dass der zuvor bezüglich der Primärwellenlänge λP resonante Halbleiterlaserchip nunmehr nicht-, insbesondere anti-resonant ist.The process step of reducing the effective resonator length L follows the provision of the semiconductor laser chip. The effective resonator length L This is an odd multiple of the quartered primary wavelength λ P is reduced, so for example by λ P / 4, 3 λ P / 4, 5 λ P / 4 and so on. Such a reduction of the effective resonator length L means that the previously with respect to the primary wavelength λ P resonant semiconductor laser chip now not, in particular anti-resonant.

Die Fertigungstoleranz bei den einzelnen Verfahrensschritten bezüglich der jeweiligen optischen Dicken der Schichten beträgt gemäß zumindest einer Ausführungsform höchsten λP/32.The manufacturing tolerance in the individual method steps with respect to the respective optical thicknesses of the layers is, according to at least one embodiment, highest λ P / 32.

Über ein derartiges Verfahren können effektiv und mit hoher Ausbeute Halbleiterlaserchips mit einer nicht- oder anti-resonanten effektiven Resonatorlänge L hergestellt werden, die eine hohe Effizienz und einen hohen Wirkungsgrad aufweisen.By such a method, semiconductor laser chips having a non-resonant or anti-resonant effective resonator length can be effectively and in high yield L produced, which have a high efficiency and high efficiency.

Mit anderen Worten wird zuerst ein resonanter Halbleiterlaserchip hergestellt, bei dem die Verstärkung optimiert und somit die optische Intensität im Schichtenstapel maximiert ist. Die Primärwellenlänge λP liegt hierbei insbesondere bei der Wellenlänge, bei der die durch das Material des mindestens einen aktiven Bereichs vorgegebene optische Verstärkung bei Lasertätigkeit ein Maximum aufweist. Dieses Maximum liegt insbesondere bei zirka 1055 nm. Anschließend wird die Dicke des Schichtenstapels reduziert, so dass der Halbleiterlaserchip zum Beispiel anti-resonant bei der Primärwellenlänge λP ist. Insbesondere ändert sich die Primärwellenlänge λP durch die Reduzierung der Dicke nicht. Allerdings verringern sich die optischen Verluste im Halbleiterlaserchip, da die Intensität im Halbleiterlaserchip reduziert und die Transmission durch die reflektierende erste Schichtenfolge aufgrund des Fabry-Perot-Effekts herabgesetzt ist.In other words, first a resonant semiconductor laser chip is produced in which the gain is optimized and thus the optical intensity in the layer stack is maximized. The primary wavelength λ P in this case lies in particular at the wavelength at which the optical amplification predetermined by the material of the at least one active region has a maximum during laser action. This maximum is in particular at about 1055 nm. Subsequently, the thickness of the layer stack is reduced, so that the semiconductor laser chip, for example, anti-resonant at the primary wavelength λ P is. In particular, the primary wavelength changes λ P not by reducing the thickness. However, the optical losses in the semiconductor laser chip decrease because the intensity in the semiconductor laser chip is reduced and the transmission through the reflective first layer sequence is reduced due to the Fabry-Perot effect.

Ein Unterschied zwischen einem resonanten und einem anti-resonanten Halbleiterlaserchip liegt also in der effektiven Resonatorlänge L.A difference between a resonant and an anti-resonant semiconductor laser chip thus lies in the effective resonator length L ,

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird vor dem Schritt des Reduzierens der effektiven Resonatorlänge L die Funktion des Halbleiterlaserchips bei der Primärwellenlänge λP im resonanten Fall getestet. Ein resonant aufgebauter Halbleiterlaserchip kann, unabhängig von der Reflektivität der Lichtaustrittsfläche, eine Lasertätigkeit aufzeigen, insbesondere bei einer Lichtaustrittsfläche mit einer Reflektivität >30 % im Falle einer Grenzfläche Luft-Halbleitermaterial. Bei einem nicht- oder anti-resonant gestalteten Halbleiterlaserchip kann hierzu eine Lichtaustrittsfläche mit einer Reflektivität zwischen 2 % und 20 %, insbesondere zwischen 7 % und 13 %, erforderlich sein. Es ist also ein im Rahmen der Herstellung frühzeitiges Testen der Halbleiterlaserchips ermöglicht.In accordance with at least one embodiment of the method, before the step of reducing the effective resonator length L the function of the semiconductor laser chip at the primary wavelength λ P tested in the resonant case. A resonantly constructed semiconductor laser chip can, regardless of the reflectivity of the light exit surface, show a laser action, in particular in the case of a light exit surface with a reflectivity> 30% in the case of an air-semiconductor material interface. In the case of a non-resonant or anti-resonant semiconductor laser chip, a light exit surface with a reflectivity of between 2% and 20%, in particular between 7% and 13%, may be required for this purpose. So it's an im Frame of manufacture allows early testing of semiconductor laser chips.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt der Schritt des Reduzierens der effektiven Resonatorlänge L mit Hilfe mindestens einer Ätzstoppschicht. Das bedeutet, bevorzugt innerhalb des Schichtenstapels befindet sich an einer solchen Stelle eine Ätzstoppschicht, dass das Ätzen automatisch bei einer effektiven Resonatorlänge L beendet wird, die einem ungeradzahligen Vielfachen der viertelten Primärwellenlänge λP entspricht. Sämtliche aktiven Bereiche des Schichtenstapels befinden sich bevorzugt zwischen der Ätzstoppschicht und der reflektierenden ersten Schichtenfolge. Über die Verwendung einer Ätzstoppschicht kann die effektive Resonatorlänge L besonders einfach und genau reduziert werden.In accordance with at least one embodiment of the method, the step of reducing the effective resonator length takes place L with the aid of at least one etching stop layer. This means that, preferably within the layer stack, an etching stop layer is located at such a location that the etching automatically takes place at an effective resonator length L is terminated, which is an odd multiple of the quartered primary wavelength λ P equivalent. All active regions of the layer stack are preferably located between the etch stop layer and the reflective first layer sequence. Through the use of an etch stop layer, the effective resonator length L be particularly easy and accurate reduced.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Schritt des Reduzierens der effektiven Resonatorlänge L über ein nasschemisches Ätzen durchgeführt.In accordance with at least one embodiment of the method, the step of reducing the effective resonator length becomes L carried out via a wet-chemical etching.

Gemäß zumindest einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens kann der Halbleiterlaserchip ebenso direkt, beispielsweise über epitaktisches Wachsen, als nichtresonanter Chip hergestellt werden. Mit anderen Worten wird der Schichtenstapel also derart gewachsen, dass dessen Dicke so groß ist, dass eine effektive Resonatorlänge L resultiert, so dass der Halbleiterlaserchip nicht-resonant oder anti-resonant bezüglich der Primärwellenlänge λP ist. Hierdurch entfällt der Arbeitsschritt des Reduzierens der effektiven Resonatorlänge L. Jedoch ist ein Testen des Bauteils im Rahmen der Produktion erschwert.In accordance with at least one alternative embodiment of the method, the semiconductor laser chip can also be produced directly, for example by epitaxial growth, as a non-resonant chip. In other words, the layer stack is thus grown in such a way that its thickness is so great that an effective resonator length L results, so that the semiconductor laser chip non-resonant or anti-resonant with respect to the primary wavelength λ P is. This eliminates the operation of reducing the effective resonator length L , However, testing of the component in production is difficult.

Einige Anwendungsbereiche, in denen hier beschriebene oberflächenemittierende Halbleiterlaserchips oder Laseranordnungen Anwendung finden können, sind beispielsweise Anzeigeeinrichtungen, Beleuchtungseinrichtungen zu Projektionszwecken, Scheinwerfer, Lichtstrahler oder auch Einrichtungen zur Allgemeinbeleuchtung.Some fields of application in which surface-emitting semiconductor laser chips or laser arrangements described here can be used are, for example, display devices, illumination devices for projection purposes, headlights, light emitters or else devices for general illumination.

Nachfolgend wird ein hier beschriebener oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip, eine hier beschriebene Laseranordnung sowie ein hier beschriebenes Verfahren unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.In the following, a surface-emitting semiconductor laser chip described here, a laser arrangement described here and a method described here will be explained in more detail with reference to the drawing.

Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.The same reference numerals indicate the same elements in the individual figures. However, there are no scale relationships shown, but individual elements can be shown exaggerated for better understanding.

Es zeigen:

  • 1 und 2 schematische Darstellungen von resonanten Halbleiterlaserchips (A) sowie schematische Darstellungen des Verlaufs der optischen Intensität (B, C),
  • 3 eine schematische Darstellung einer nicht erfindungsgemäßen Abwandlung eines Halbleiterlaserchips (A) sowie eine schematische Darstellung des Intensitätsverlaufs (B),
  • 4 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines erfindungsgemäßen, hier beschriebenen Halbleiterlaserchips,
  • 5 und 6 schematische Darstellungen des optischen Intensitätsverlaufs sowie des Brechungsindexverlaufs für resonante und hier beschriebene nicht-resonante Halbleiterlaserchips,
  • 7 eine schematische Illustration von Verlustmechanismen bezüglich der optischen Leistung eines Halbleiterlaserchips,
  • 8 eine schematische Darstellung eines Fabry-Perot-Effekts sowie der Verstärkung im resonanten (A, B) sowie im anti-resonanten Fall (C, D),
  • 9 eine schematische Darstellung einer durch eine thermische Linse hervorgerufenen Phasenstörung für drei verschiedene Wellenlängen (A) sowie Lage der Wellenlängen bezüglich der spektralen Position einer Resonanz eines zugrunde liegenden Halbleiterlaserchips (B),
  • 10 eine schematische Darstellung der Ausprägung einer thermischen Linse von Halbleiterlaserchips in Abhängigkeit von einer maximalen Temperatur in einer Pumpregion für vier verschiedene Reflektivitäten einer Lichtaustrittsfläche,
  • 11 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer hier beschriebenen Laseranordnung,
  • 12 schematische Darstellungen der Ausgangsleistung (A), der Emissionswellenlänge (B) und der optischen Verluste (C) eines Halbleiterlaserchips in Abhängigkeit von der Reflektivität der Lichtaustrittsfläche,
  • 13 schematische Darstellungen der Leistungsdaten eines Halbleiterlaserchips mit einem Etalon und mit einem externen Resonator,
  • 14 und 15 schematische Darstellungen eines Vergleichs zwischen einem resonanten und einem anti-resonanten Halbleiterlaserchip, und
  • 16 eine schematische Veranschaulichung eines Herstellungsverfahren für einen Halbleiterlaserchip.
Show it:
  • 1 and 2 schematic representations of resonant semiconductor laser chips ( A ) as well as schematic representations of the course of the optical intensity ( B . C )
  • 3 1 is a schematic representation of a non-inventive modification of a semiconductor laser chip ( A ) and a schematic representation of the intensity profile ( B )
  • 4 a schematic representation of the structure of a semiconductor laser chip according to the invention described here,
  • 5 and 6 schematic representations of the optical intensity profile and the refractive index profile for resonant and here described non-resonant semiconductor laser chips,
  • 7 a schematic illustration of loss mechanisms with respect to the optical power of a semiconductor laser chip,
  • 8th a schematic representation of a Fabry-Perot effect and the amplification in the resonant ( A . B ) as well as in the anti-resonant case ( C . D )
  • 9 3 is a schematic representation of a thermal lens induced phase disturbance for three different wavelengths (FIG. A ) and position of the wavelengths with respect to the spectral position of a resonance of an underlying semiconductor laser chip ( B )
  • 10 1 is a schematic representation of the characteristic of a thermal lens of semiconductor laser chips as a function of a maximum temperature in a pumping region for four different reflectivities of a light exit surface;
  • 11 a schematic representation of an embodiment of a laser arrangement described herein,
  • 12 schematic representations of the output power ( A ), the emission wavelength ( B ) and optical losses ( C ) of a semiconductor laser chip as a function of the reflectivity of the light exit surface,
  • 13 schematic representations of the performance data of a semiconductor laser chip with an etalon and with an external resonator,
  • 14 and 15 schematic representations of a comparison between a resonant and an anti-resonant semiconductor laser chip, and
  • 16 a schematic illustration of a manufacturing method for a semiconductor laser chip.

In 1A ist ein oberflächenemittierender Halbleiterchip 1 dargestellt, der einen Schichtenstapels 4 mit einer Dicke D umfasst. Die Dicke D ist so gestaltet, dass der Halbleiterlaserchip 1 resonant bezüglich einer Primärwellenlänge λP einer im Schichtenstapel 4 erzeugten Primärstrahlung P ist. Die Primärstrahlung P ist durch eine dicke, Pfeil-Linie symbolisiert. In 1A is a surface emitting semiconductor chip 1 represented by a layer stack 4 with a thickness D includes. The fat D is designed so that the semiconductor laser chip 1 resonant with respect to a primary wavelength λ P one in the stack of layers 4 generated primary radiation P is. The primary radiation P is symbolized by a thick, arrow-line.

Der Halbleiterlaserchip 1 beinhaltet eine reflektierende erste Schichtenfolge 2. Diese besteht gemäß 1A im Wesentlichen aus einer reflektierenden, metallischen Schicht. An der der Schichtenfolge 2 gegenüberliegenden Seite des Schichtenstapels 4 befindet sich eine Lichtaustrittsfläche 6 des Schichtenstapels 4. Über den Brechungsindexsprung zwischen der den Schichtenstapel 4 umgebenden Luft und dem den Schichtenstapel 4 bildenden Halbleitermaterial wirkt die Lichtaustrittfläche 6, ebenso wie die erste Schichtenfolge 2, mindestens teilreflektierend für die Primärstrahlung P. Hierdurch ist von der Lichtaustrittsfläche 6 und von der ersten Schichtenfolge 2 ein Resonator im Halbleiterlaserchip 1 gebildet. Da die reflektierende erste Schichtenfolge 2 metallisch gestaltet ist und somit die Primärstrahlung P keine signifikante Eindringtiefe in die erste Schichtenfolge 2 aufweist, ist die Dicke D des Schichtenstapels 4 praktisch gleich einer effektiven Resonatorlänge L des Halbleiterlaserchips 1.The semiconductor laser chip 1 includes a reflective first layer sequence 2 , This consists according to 1A essentially of a reflective, metallic layer. At the layer sequence 2 opposite side of the layer stack 4 there is a light exit surface 6 of the layer stack 4 , About the refractive index jump between the layer stack 4 surrounding air and that the layer stack 4 forming semiconductor material acts the light exit surface 6 , as well as the first layer sequence 2 , at least partially reflecting for the primary radiation P , This is from the light exit surface 6 and from the first layer sequence 2 a resonator in the semiconductor laser chip 1 educated. Because the reflective first layer sequence 2 is designed metallic and thus the primary radiation P no significant penetration into the first layer sequence 2 has, is the thickness D of the layer stack 4 practically equal to an effective resonator length L of the semiconductor laser chip 1 ,

In 1B ist schematisch der Verlauf der optischen Intensität I in einer Richtung x senkrecht zur Lichtaustrittsfläche 6 dargestellt. Da die Intensität I proportional zum Quadrat des elektrischen Feldes ist, beträgt die Periodenlänge bezüglich der Intensität I lediglich die Hälfte der Periodenlänge des elektromagnetischen Feldes. Das heißt, zwei Maxima bezüglich der Intensität I sind voneinander nicht eine ganze Primärwellenlänge λP entfernt, sondern lediglich eine halbe Primärwellenlänge λP . Alle Angaben von Längen beziehungsweise von Wellenlängen beziehen sich im Folgenden auf die im entsprechenden Medium auftretende Wellenlänge, sofern nicht anders beschrieben. Das heißt, es ist jeweils der Brechungsindex des Mediums längs der Ausdehnungsrichtung des Lichts zu berücksichtigen. Die Höhe der Intensitätsmaxima ist innerhalb des gesamten Schichtenstapels 4 in etwa gleich groß.In 1B is schematically the course of the optical intensity I in one direction x perpendicular to the light exit surface 6 shown. Because the intensity I is proportional to the square of the electric field, the period length is in terms of intensity I only half the period length of the electromagnetic field. That is, two maxima in intensity I are not an entire primary wavelength from each other λ P removed, but only half a primary wavelength λ P , All details of lengths or wavelengths refer in the following to the wavelength occurring in the corresponding medium, unless otherwise described. That is, the refractive index of the medium along the direction of extension of the light must be taken into account. The height of the intensity maxima is within the entire layer stack 4 in about the same size.

Beim Halbleiterlaserchip 1 gemäß 1A handelt es sich um einen resonanten Chip. Das heißt, ähnlich wie in einem Fabry-Perot-Element befinden sich im Resonanzfall an den Enden des von Lichtaustrittsfläche 6 und erster Schichtenfolge 2 gebildeten Resonators mit der Dicke D Maxima bezüglich der optischen Intensität I. Da außerhalb des Schichtenstapels 4 der Brechungsindex erheblich geringer ist als innerhalb, ist die Wellenlänge auf der dem Schichtenstapel 4 abgewandten Seite der Lichtaustrittsfläche 6 entsprechend vergrößert. Die effektive Resonatorlänge L ist in diesem Falle gleich der Dicke D des Schichtenstapels 4 und beträgt N λP/2, wobei N eine natürliche Zahl ist.At the semiconductor laser chip 1 according to 1A it is a resonant chip. That is, similar to a Fabry-Perot element are in the resonance case at the ends of the light exit surface 6 and first layer sequence 2 formed resonator with the thickness D Maxima with respect to the optical intensity I , Because outside the layer stack 4 the refractive index is significantly lower than inside, the wavelength is on the layer stack 4 opposite side of the light exit surface 6 increased accordingly. The effective resonator length L in this case is equal to the thickness D of the layer stack 4 and is Nλ P / 2, where N is a natural number.

Der Halbleiterlaserchip 1 gemäß 2A ist ebenfalls ein resonanter Chip. Die reflektierende erste Schichtenfolge 2 ist hier durch eine Abfolge von Schichten mit niedrigem Brechungsindex 2a im Wechsel mit Schichten mit hohem Brechungsindex 2b aufgebaut. Die erste Schichtenfolge 2 entspricht also einem Bragg-Spiegel, der für die Primärstrahlung P hochreflektierend ist. Der Schichtenstapel 4 befindet sich wiederum in einem Resonator, der von Lichtaustrittsfläche 6 und erster Schichtenfolge 2 gebildet ist. Da die erste Schichtenfolge 2 aus mehreren dielektrischen oder halbleitenden Schichten aufgebaut ist, weist die Primärstrahlung P eine gewisse effektive Eindringtiefe in die erste Schichtenfolge 2 auf. Diese Eindringtiefe kann abgeschätzt werden als die Wellenlänge λP,0 der Primärstrahlung im Vakuum geteilt durch das Vierfache des Brechungsindexunterschieds zwischen Schichten mit niedrigem Brechungsindex 2a und Schichten mit hohem Brechungsindex 2b. Beträgt der Brechungsindex der Schichten 2a in etwa 3 und der Brechungsindex der Schichten 2b in etwa 3,5, so ist der Brechungsindexunterschied in etwa 0,5. Die effektive Eindringtiefe beträgt also zirka 0,5 λP,0 . Liegt der Brechungsindex des Schichtenstapels 4 bei etwa 3,5, so beträgt die effektive Eindringtiefe in etwa 1,75 λP . Die effektive Resonatorlänge L entspricht der Summe aus der Dicke D des Schichtenstapels 4 und der effektiven Eindringtiefe in die erste Schichtenfolge 2. Die Resonatorlänge L ist somit im Falle eines Bragg-Spiegels als reflektierende erste Schichtenfolge 2 größer als die Dicke D des Schichtenstapels 4.The semiconductor laser chip 1 according to 2A is also a resonant chip. The reflective first layer sequence 2 Here is a sequence of low refractive index layers 2a alternating with layers with high refractive index 2 B built up. The first layer sequence 2 thus corresponds to a Bragg mirror, which is responsible for the primary radiation P highly reflective. The layer stack 4 is in turn located in a resonator, the light exit surface 6 and first layer sequence 2 is formed. Because the first layer sequence 2 is constructed of a plurality of dielectric or semiconducting layers, the primary radiation P a certain effective penetration depth into the first layer sequence 2 on. This penetration depth can be estimated as the wavelength λ P, 0 the primary radiation in vacuum divided by four times the refractive index difference between low refractive index layers 2a and high refractive index layers 2 B , Is the refractive index of the layers 2a in about 3 and the refractive index of the layers 2 B in about 3.5, the refractive index difference is about 0.5. The effective penetration depth is therefore about 0.5 λ P, 0 , Is the refractive index of the layer stack 4 at about 3.5, the effective penetration depth is about 1.75 λ P , The effective resonator length L corresponds to the sum of the thickness D of the layer stack 4 and the effective penetration depth into the first layer sequence 2 , The resonator length L is thus in the case of a Bragg mirror as a reflective first layer sequence 2 bigger than the thickness D of the layer stack 4 ,

In 2B ist der schematische Verlauf der optischen Intensität I dargestellt. Entlang der x-Achse nimmt die Intensität in Richtung weg vom Schichtenstapel 4 in der ersten Schichtenfolge 2 in etwa exponentiell ab, innerhalb des Schichtenstapels 4 ist die Intensität I im Mittel gleich verteilt.In 2 B is the schematic curve of the optical intensity I shown. Along the x Axis takes the intensity towards the layer stack 4 in the first layer sequence 2 approximately exponentially, within the layer stack 4 is the intensity I equally distributed on average.

2C zeigt eine alternative Darstellung zum Intensitätsverlauf. Hierbei kennzeichnet die vertikale Strichlinie die effektive Eindringtiefe in die erste Schichtenfolge 2, die vertikale Punktlinie die Dicke D des Schichtenstapels 4. Da es sich um einen resonanten Halbleiterlaserchip 1 handelt, befindet sich an der Lichtaustrittsfläche 6 sowie am fiktiven Punkt der effektiven Eindringtiefe in die erste Schichtenfolge 2, die den Abstand L voneinander haben, jeweils ein Maximum der Intensität I. Zur Vereinfachung der Darstellung ist die effektive Eindringtiefe in die reflektierende erste Schichtenfolge 2 verkürzt gezeichnet. 2C shows an alternative representation of the intensity profile. Here, the vertical dashed line indicates the effective penetration depth into the first layer sequence 2 , the vertical dotted line the thickness D of the layer stack 4 , Since it is a resonant semiconductor laser chip 1 is located at the light exit surface 6 as well as at the fictitious point of the effective penetration into the first layer sequence 2 that the distance L each other, each having a maximum of intensity I , To simplify the illustration, the effective penetration depth into the reflective first layer sequence 2 shortened drawn.

Der Schichtenstapel 4 weist drei aktive Bereiche 5 auf. Die aktiven Bereiche 5 sind in einem Abstand T zueinander positioniert, der der Hälfte der Primärwellenlänge λP entspricht. Alle aktiven Bereiche 5 befinden sich in Regionen maximaler Intensität I.The layer stack 4 has three active areas 5 on. The active areas 5 are at a distance T positioned to each other, half of the Primary wavelength λ P equivalent. All active areas 5 are in regions of maximum intensity I ,

In 3A ist eine nicht erfindungsgemäße Abwandlung eines nicht-resonanten Halbleiterlaserchips 1 dargestellt. Der Schichtenstapel 4 weist eine Dicke D beziehungsweise der Halbleiterlaserchip 1 eine effektive Resonatorlänge L auf, so dass der Halbleiterlaserchip 1 anti-resonant ist.In 3A is a non-inventive modification of a non-resonant semiconductor laser chip 1 shown. The layer stack 4 has a thickness D or the semiconductor laser chip 1 an effective resonator length L on, so that the semiconductor laser chip 1 is anti-resonant.

In 3B ist erneut schematisch der Verlauf der Intensität I entlang der x-Achse dargestellt. Die effektive Resonatorlänge L ist wieder bestimmt durch die Dicke D des Schichtenstapels 4 und der effektiven Eindringtiefe in die erste Schichtenfolge 2. Die drei aktiven Bereiche 5 im Schichtenstapel 4 befinden sich in Maxima der Intensität I und sind λP/2 voneinander beanstandet. Die effektive Resonatorlänge L ist so gewählt, dass an der Lichtaustrittsfläche 6 ein Minimum der optischen Intensität I vorliegt, am fiktiven Punkt der effektiven Eindringtiefe ein Intensitätsmaximum. Die effektive Resonatorlänge L entspricht also einem ungeradzahligen, ganzzahligen Vielfachen der viertelten Primärwellenlänge λP . Der Punkt der effektiven Eindringtiefe in die erste Schichtenfolge 2 ist in 3B durch eine vertikale Strichlinie angedeutet, die Dicke D des Schichtenstapels 4 durch eine vertikale Punktlinie.In 3B is again schematically the course of the intensity I along the x Axis. The effective resonator length L is determined by the thickness again D of the layer stack 4 and the effective penetration depth into the first layer sequence 2 , The three active areas 5 in the layer stack 4 are in maxima of intensity I and λ P / 2 are off to each other. The effective resonator length L is chosen so that at the light exit surface 6 a minimum of optical intensity I is present, at the fictitious point of the effective penetration depth an intensity maximum. The effective resonator length L thus corresponds to an odd, integer multiple of the quartered primary wavelength λ P , The point of the effective penetration into the first layer sequence 2 is in 3B indicated by a vertical dashed line, the thickness D of the layer stack 4 through a vertical dotted line.

Eine erfindungsgemäße Ausführungsform des oberflächenemittierenden, nicht-resonanten Halbleiterlaserchips 1 ist in 4 illustriert. 26 Paare aus Schichten mit niedrigem Brechungsindex 2a und Schichten mit hohem Brechungsindex 2b bilden die erste reflektierende Schichtenfolge 2, die als Bragg-Spiegel ausgestaltet ist. An einer Hauptseite der ersten Schichtenfolge 2 ist der Schichtenstapel 4 aufgebracht. Der Schichtenstapel 4 weist Barriereschichten 16 und vier aktive Bereiche 5 auf, die abwechselnd aufeinander folgen. Die Barriereschichten 16 sind dazu ausgestaltet, Licht einer Pumpstrahlung R mit einer Wellenlänge λR zu absorbieren. Über die Pumpstrahlung R werden in den Barriereschichten 16 freie Elektron-Loch-Paare gebildet. Über Energierelaxation werden diese Elektron-Loch-Paare in den als Quantentröge ausgestalteten aktiven Bereichen 5 eingefangen. Über Rekombination der Elektron-Loch-Paare wird schließlich die Primärstrahlung P erzeugt. Der Schichtenstapel 4 ist an der der ersten Schichtenfolge 2 abgewandten Seite von der Lichtaustrittsfläche 6 begrenzt.An embodiment according to the invention of the surface-emitting, non-resonant semiconductor laser chip 1 is in 4 illustrated. 26 pairs of low refractive index layers 2a and high refractive index layers 2 B form the first reflective layer sequence 2 , which is designed as a Bragg mirror. On a main page of the first layer sequence 2 is the layer stack 4 applied. The layer stack 4 has barrier layers 16 and four active areas 5 that follow each other alternately. The barrier stories 16 are designed to light a pump radiation R with one wavelength λ R to absorb. About the pump radiation R be in the barrier stories 16 free electron-hole pairs formed. Through energy relaxation, these electron-hole pairs become active in the quantum wells 5 captured. By recombination of the electron-hole pairs finally the primary radiation P generated. The layer stack 4 is at the first layer sequence 2 opposite side of the light exit surface 6 limited.

Optional können die aktiven Bereiche 5 von Verspannungskompensionsschichten 15 eingefasst sein. Über die Verspannungskompensionsschichten 15 kann das Kristallgitter zwischen Barriereschichten 16 und aktiven Bereichen 5 aneinander angepasst werden. Ebenso kann an der dem Schichtenstapel 4 abgewandten Seite der Lichtaustrittsfläche 6 mindestens eine teilreflektierende zweite Schicht 7 aufgebracht sein.Optionally, the active areas 5 of tension compilation layers 15 be enclosed. About the tension compensation layers 15 can the crystal lattice between barrier layers 16 and active areas 5 be adapted to each other. Likewise, at the the layer stack 4 opposite side of the light exit surface 6 at least one partially reflective second layer 7 be upset.

Der Halbleiterlaserchip 1 kann auf dem Galliumarsenid-Materialsystem beruhen. Als Schichten 2b mit hohem Brechungsindex der ersten Schichtenfolge 2 dienen dann Lagen aus GaAs, als Schichten 2a mit niedrigem Brechungsindex AlAs oder AlGaAs-95. AlGaAs-95 bedeutet, dass zirka 95 % der Gitterplätze der Galliumatome, bezüglich reinem GaAs, durch Aluminiumatome ersetzt sind. Die Schichtdicke der Schichten 2a, 2b beträgt jeweils ein Viertel der Primärwellenlänge λP . Bei einer Emissionswellenlänge von zirka 1000 nm und einem Brechungsindex von zirka 4 liegen die jeweiligen Schichtdicken der Schichten 2a, 2b in der Größenordnung von 60 nm. Die gesamte Dicke des Bragg-Spiegels beziehungsweise der ersten Schichtenfolge 2 liegt dann bei zirka 5 µm. Die erste Schichtenfolge 2 kann auf einem nicht gezeichneten Substrat aus GaAs aufgewachsen sein.The semiconductor laser chip 1 may be based on the gallium arsenide material system. As layers 2 B with high refractive index of the first layer sequence 2 then serve layers of GaAs, as layers 2a low refractive index AlAs or AlGaAs-95. AlGaAs-95 means that about 95% of the lattice sites of gallium atoms, with respect to pure GaAs, are replaced by aluminum atoms. The layer thickness of the layers 2a . 2 B is one quarter of the primary wavelength λ P , At an emission wavelength of about 1000 nm and a refractive index of about 4, the respective layer thicknesses of the layers are 2a . 2 B in the order of 60 nm. The total thickness of the Bragg mirror or the first layer sequence 2 then lies at about 5 microns. The first layer sequence 2 may be grown on a non-subscribed GaAs substrate.

Die Barriereschichten 16 des Schichtenstapels 4 sind aus GaAs gefertigt und dazu ausgestaltet, Pumpstrahlung R mit einer Wellenlänge λR von zirka 808 nm zu absorbieren. Die die aktiven Bereiche 5 bildenden Quantentröge bestehen aus InGaAs mit einer Dicke im Bereich von 6 nm bis 12 nm. Die Verspannungskompensionsschichten 15 weisen eine Dicke im Bereich von 15 nm bis 30 nm auf und sind zum Beispiel aus GaAsP gefertigt. Die Dicke der einzelnen Barriereschichten 16 ist im Ausführungsbeispiel gemäß 4 jeweils in etwa gleich groß, wobei die Schichtdicken der von der ersten Schichtenfolge 2 aus gesehen ersten und letzten Barriereschicht 16 davon abweichende Dicken aufweisen können, insbesondere die an der Lichtaustrittsfläche 6 liegende Barriereschicht 16 weist eine Dicke auf, so dass der Halbleiterlaserchip 1, etwa wie gemäß 3, anti-resonant ist und die aktiven Bereich 5 jeweils in Maxima der optischen Intensität I liegen. Die Fertigungstoleranzen bezüglich der einzelnen Schichten liegen bevorzugt bei unter 10 nm insbesondere bei zirka 5 nm. Dies entspricht in etwa λP/60.The barrier stories 16 of the layer stack 4 are made of GaAs and designed to pump radiation R with one wavelength λ R of about 808 nm. The active areas 5 forming quantum wells are made of InGaAs having a thickness in the range of 6 nm to 12 nm. The strain compensation layers 15 have a thickness in the range of 15 nm to 30 nm and are made of GaAsP, for example. The thickness of the individual barrier layers 16 is in the embodiment according to 4 each about the same size, wherein the layer thicknesses of the first layer sequence 2 seen from first and last barrier layer 16 may have different thicknesses, in particular those at the light exit surface 6 lying barrier layer 16 has a thickness such that the semiconductor laser chip 1 , as in accordance with 3 , is anti-resonant and the active area 5 in each case in maxima of the optical intensity I lie. The manufacturing tolerances with respect to the individual layers are preferably below 10 nm, in particular at approximately 5 nm. This corresponds approximately to λ P / 60.

Alternativ können die Barriereschichten 16 in Richtung zur ersten Schichtenfolge 2 hin zunehmende Dicken aufweisen, so dass die Abstände T zwischen einzelnen, benachbarten aktiven Bereichen 5 in Richtung zur ersten Schichtenfolge 2 hin ebenfalls vergrößert sind. Die aktiven Bereiche 5 können auch in Gruppen angeordnet sein. Innerhalb einer Gruppe können die aktiven Bereiche 5 gleiche Abstände zueinander aufweisen. In Richtung zur ersten Schichtenfolge 2 hin nehmen die Abstände zwischen einzelnen, benachbarten Gruppen dann bevorzugt zu. Über eine Vergrößerung der Abstände zwischen benachbarten aktiven Bereichen 5 beziehungsweise Gruppen in Richtung zur ersten Schichtenfolge 2 hin kann ausgeglichen werden, dass die Pumpstrahlung R verstärkt in den Barriereschichten 16 in der Nähe der Lichtaustrittsfläche 6 absorbiert wird, und die Intensität der Pumpstrahlung R in Richtung zur ersten Schichtenfolge 2 hin in etwa exponentiell abnimmt. Zur Kompensation dieses Effekts und, damit in jeder der Barriereschichten 16 jeweils eine in etwa gleich große Anzahl an Elektron-Loch-Paaren erzeugt wird, wächst die Dicke der Barriereschichten 16 in Richtung zur ersten Schichtenfolge 2 hin exponentiell an. Um eine vollständige Absorption der Pumpstrahlung R zu gewährleisten, weist der gesamte Schichtenstapel 4 eine Dicke D auf, die einer geometrischen Dicke in der Größenordnung von 2,5 µm entspricht.Alternatively, the barrier layers 16 towards the first layer sequence 2 have increasing thicknesses so that the distances T between individual, adjacent active areas 5 towards the first layer sequence 2 are also enlarged. The active areas 5 can also be arranged in groups. Within a group, the active areas 5 have the same distances from each other. Toward the first layer sequence 2 In addition, the distances between individual, neighboring groups then increase preferentially. By increasing the distances between adjacent active areas 5 or groups in the direction of the first layer sequence 2 can be compensated that the pump radiation R reinforced in the barrier layers 16 near the light exit surface 6 is absorbed, and the intensity of the pump radiation R towards the first layer sequence 2 towards decreasing exponentially. To compensate for this effect and, therefore, in each of the barrier layers 16 In each case an approximately equal number of electron-hole pairs is generated, the thickness of the barrier layers increases 16 towards the first layer sequence 2 exponential. For a complete absorption of the pump radiation R ensure the entire stack of layers 4 a thickness D which corresponds to a geometric thickness of the order of 2.5 μm.

Als zweite Schicht 7 kann Si3N4 dienen. Die Dicke der zweiten Schicht 7, die als Antireflexbeschichtung 17 ausgestaltet ist, liegt bevorzugt bei Werten um 100 nm. Da der Brechungsindex von Si3N4 im Bereich von 2,0 liegt, im Vergleich zu einem Brechungsindex von zirka 3,5 des Schichtenstapels 4, ist eine hohe Auskoppeleffizienz aus dem Halbleiterlaserchip 1 gewährleistet.As second layer 7 Si 3 N 4 can serve. The thickness of the second layer 7 as an antireflective coating 17 The refractive index of Si 3 N 4 is in the range of 2.0, compared to a refractive index of approximately 3.5 of the layer stack 4 , is a high extraction efficiency from the semiconductor laser chip 1 guaranteed.

In den 5A, 5B sind schematisch zwei resonante Halbleiterlaserchips 1 veranschaulicht. Es ist der Brechungsindex n, siehe linke Ordinatenachse, und die Intensität I aufgetragen, siehe rechte Ordinatenachse, jeweils entlang einer Richtung x senkrecht zur Lichtaustrittsfläche 6. Die horizontalen Pfeile kennzeichnen, welche Kurve sich auf welche Ordinatenachse bezieht.In the 5A . 5B schematically are two resonant semiconductor laser chips 1 illustrated. It is the refractive index n, see left ordinate axis, and the intensity I plotted, see right ordinate axis, each along one direction x perpendicular to the light exit surface 6 , The horizontal arrows indicate which curve refers to which ordinate axis.

An der Lichtaustrittfläche 6 weisen beide Halbleiterlaserchips 1 jeweils ein Maximum der Intensität I der optischen Leistung im Betrieb des Halbleiterlaserchips 1 auf. Aufgrund der resonanten Struktur ist die Intensität I innerhalb des Halbleiterlaserchips 1, insbesondere innerhalb des Schichtenstapels 4, vergleichsweise hoch. In Richtung vom Schichtenstapel 4 weg fällt die Intensität I innerhalb der als Bragg-Spiegel ausgestalteten ersten Schichtenfolge 2 exponentiell ab.At the light exit surface 6 Both have semiconductor laser chips 1 in each case a maximum of the intensity I of the optical power during operation of the semiconductor laser chip 1 on. Due to the resonant structure is the intensity I within the semiconductor laser chip 1 , especially within the layer stack 4 , comparatively high. Toward the layer stack 4 away falls the intensity I within the first layer sequence designed as a Bragg mirror 2 exponentially.

Gemäß 5A befinden sich die aktiven Bereiche 5, gezeichnet als Regionen mit erhöhtem Brechungsindex, in Maxima der stehenden Welle bezüglich der Intensität I. Die aktiven Bereiche 5 stellen somit eine resonante periodische Verstärkungsstruktur, auch als Resonant Periodic Gain oder RPG bezeichnet, dar.According to 5A are the active areas 5 , plotted as regions of increased refractive index, in maxima of standing wave with respect to intensity I , The active areas 5 thus provide a resonant periodic gain structure, also called Resonant Periodic Gain or RPG denotes, dar.

Gemäß 5B ist der Abstand zwischen einzelnen benachbarten aktiven Bereichen 5 in der Nähe der Lichtaustrittfläche 6 zuerst konstant und nimmt dann in Richtung zur ersten Schichtenfolge 2 hin näherungsweise exponentiell zu. Des weiteren ist eine zweite Schicht 7 in Form einer Antireflexbeschichtung 17 im Ausführungsbeispiel gemäß 5B vorhanden. Die Antireflexbeschichtung 17 weist einen Brechungsindex von etwa 1,6 auf.According to 5B is the distance between individual adjacent active areas 5 near the light exit surface 6 first constant and then take in the direction of the first layer sequence 2 towards approximately exponential. Furthermore, a second layer 7 in the form of an antireflective coating 17 in the embodiment according to 5B available. The anti-reflective coating 17 has a refractive index of about 1.6.

In den 6A, 6B, 6C ist die Abhängigkeit der Intensität I innerhalb des Schichtenstapels 4 von der Resonanzbedingung illustriert, die Art der Darstellung folgt den 5A, 5B. In 6A ist ein resonanter Halbleiterlaserchip 1 gezeigt. Gemäß 6B ist die Wellenlänge λP der Primärstrahlung P gegenüber einer Resonanzwellenlänge λRes um 6 nm verschoben. Die Intensität I des Lichtfeldes innerhalb des Halbleiterlaserchips 1 sinkt hierdurch um etwa einen Faktor 2. Bei einer weiteren Verschiebung der Wellenlänge um 5 nm weg von der Resonanz, also eine Wellenlängenverschiebung von 11 nm gegenüber dem Resonanzfall, gezeigt in 6C, halbiert sich nahezu die optische Intensität I im Vergleich zu 6B. Im Vergleich zu einem resonanten Halbleiterlaserchip 1 ist die optische Intensität I innerhalb des Halbleiterlaserchips 1 also bei einem nicht-resonanten Halbleiterchip 1 deutlich verringert.In the 6A . 6B . 6C is the dependence of the intensity I within the layer stack 4 illustrated by the resonance condition, the type of representation follows the 5A . 5B , In 6A is a resonant semiconductor laser chip 1 shown. According to 6B is the wavelength λ P the primary radiation P opposite to a resonance wavelength λ res shifted by 6 nm. The intensity I of the light field within the semiconductor laser chip 1 This reduces by about a factor 2 , In a further shift of the wavelength by 5 nm away from the resonance, ie a wavelength shift of 11 nm compared to the resonance case, shown in 6C , almost halves the optical intensity I compared to 6B , Compared to a resonant semiconductor laser chip 1 is the optical intensity I within the semiconductor laser chip 1 So in a non-resonant semiconductor chip 1 significantly reduced.

Die in den 6A, 6B, 6C dargestellten Halbleiterschichtenstapel 4 können optional gemäß 5B gestaltet sein.The in the 6A . 6B . 6C illustrated semiconductor layer stack 4 can optionally according to 5B be designed.

Auftretende optische Verluste und Verlustmechanismen sind in 7 veranschaulicht. Hierbei wird, außerhalb des Betriebs des Halbleiterlaserchips 1, dessen Reflektivität gemessen. Eine Strahlung PIn mit der Wellenlänge λP der Primärstrahlung P wird senkrecht auf einen Halbleiterlaserchip 1 gestrahlt. Ein Großteil des Lichts PIn wird vom Halbleiterlaserchip 1 reflektiert. Dieses reflektierte Licht ist mit PRefl bezeichnet. Ein Teil der Strahlung PIn , die in den Halbleiterlaserchip 1 eindringt, wird im Schichtenstapel 4 absorbiert, bezeichnet als PAbs . Die Absorption erfolgt beispielsweise an aktiven Bereichen 5, an Verunreinigungen im Schichtenstapel 4 oder an Störungen des Kristallgitters. Ein Teil der Strahlung wird auch durch den Bragg-Spiegel, der die reflektierende erste Schichtenfolge 2 bildet, transmittiert. Dieser Strahlungsanteil ist mit PTrans gekennzeichnet. Zur optischen Verlustleistung tragen insbesondere die Strahlungsanteile PTrans und, mindestens teilweise, PAbs bei. Ist PIn bekannt und wird PRefl gemessen, so kann die Summe aus PAbs und PTrans ermittelt werden. Der Quotient PRefl/PIn ist eine Reflektivität R des Halbleiterlaserchips 1.Occurring optical losses and loss mechanisms are in 7 illustrated. This is, outside the operation of the semiconductor laser chip 1 whose reflectance is measured. A radiation P in with the wavelength λ P the primary radiation P is perpendicular to a semiconductor laser chip 1 blasted. Much of the light P in is from the semiconductor laser chip 1 reflected. This reflected light is with P Refl designated. Part of the radiation P in placed in the semiconductor laser chip 1 penetrates, is in the layer stack 4 absorbed, referred to as P Abs , The absorption occurs, for example, at active areas 5 , impurities in the layer stack 4 or disturbances of the crystal lattice. Part of the radiation is also transmitted through the Bragg mirror, which is the reflective first layer sequence 2 forms, transmits. This radiation component is with P trans characterized. In particular, the radiation components contribute to the optical power loss P trans and, at least in part, P Abs at. is P in known and will P Refl measured, so can the sum of P Abs and P trans be determined. The quotient P Refl / P In is a reflectivity R of the semiconductor laser chip 1 ,

Die Verluste aufgrund der Absorption im Schichtenstapel 4 sind näherungsweise proportional zur optischen Intensität I im Schichtenstapel 4. Daher werden diese Verluste verkleinert, in dem auch die optische Intensität I im Schichtenstapel 4 reduziert wird, wie dies durch eine anti-resonante Struktur des Halbleiterlaserchips 1 geschieht.The losses due to the absorption in the layer stack 4 are approximately proportional to the optical intensity I in the layer stack 4 , Therefore, these losses are reduced, in which also the optical intensity I in the layer stack 4 is reduced, as by an anti-resonant structure of the semiconductor laser chip 1 happens.

Ein weiterer Verlustmechanismus, der auf dem Fabry-Perot-Effekt beruht und die transmittierte Lichtleistung PTrans betrifft, ist in 8 veranschaulicht. In 8A ist die Reflektivität p des Halbleiterlaserchips 1, bei ungepumptem Halbleiterlaserchip 1, in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ aufgetragen. Die Reflektivität p weist in einem Spektralbereich von zirka 1010 nm bis zirka 1090 nm Werte von über 98 % auf. Dieser Spektralbereich entspricht der spektralen Reflexionsbreite der ersten Schichtenfolge 2. Im Zentrum dieses Bereichs bei zirka 1050 nm, entsprechend der Primärwellenlänge λP , befindet sich ein Minimum, bei dem die Reflektivität p deutlich unter 99 % abfällt. Dieses Minimum ist auf den Fabry-Perot-Effekt im resonanten Fall zurückzuführen, bei dem die effektive Resonatorlänge L ein ganzzahliges Vielfaches von λP/2 ist.Another loss mechanism based on the Fabry-Perot effect and the transmitted light output P trans is concerned in 8th illustrated. In 8A is the reflectivity p of the semiconductor laser chip 1 , with unpumped semiconductor laser chip 1 . depending on the wavelength λ applied. The reflectivity p has values of over 98% in a spectral range from about 1010 nm to about 1090 nm. This spectral range corresponds to the spectral reflection width of the first layer sequence 2 , In the center of this area at about 1050 nm, corresponding to the primary wavelength λ P , there is a minimum at which the reflectivity p drops well below 99%. This minimum is due to the Fabry-Perot effect in the resonant case where the effective resonator length L is an integer multiple of λ P / 2.

Eine entsprechende Darstellung im Falle eines anti-resonanten Halbleiterlaserchips 1 ist in 8C illustriert. Um eine Vergleichbarkeit zu gewährleisten, sind in 8A und 8C die optischen Verluste aufgrund von Absorption im Schichtenstapel 4 jeweils gleich groß. Im Bereich um 1050 nm befindet sich ein spektral breites Maximum der Reflektivität p. Die Reflektivität p hat hier Werte von deutlich über 99 % und liegt somit bei dieser Wellenlänge signifikant höher als im Falle eines resonanten Halbleiterlaserchips 1 gemäß 8A. Das heißt, die optischen Verluste aufgrund des Fabry-Perot-Effekts sind von zirka 1,2 % im resonanten Fall auf zirka 0,6 % im anti-resonanten Fall reduziert. Diese optischen Verluste sind also in etwa halbiert.A corresponding representation in the case of an anti-resonant semiconductor laser chip 1 is in 8C illustrated. To ensure comparability are in 8A and 8C the optical losses due to absorption in the layer stack 4 each same size. In the range around 1050 nm there is a spectrally broad maximum of the reflectivity p , The reflectivity p here has values of well over 99% and is therefore significantly higher at this wavelength than in the case of a resonant semiconductor laser chip 1 according to 8A , That is, the optical losses due to the Fabry-Perot effect are reduced from about 1.2% in the resonant case to about 0.6% in the anti-resonant case. These optical losses are thus approximately halved.

In 8B ist die Reflektivität p gegenüber der Wellenlänge λ im Betrieb des Halbleiterlaserchips 1 gezeichnet. Im Bereich der resonanten Wellenlänge λRes von 1050 nm zeigt sich ein deutliches Maximum. Aufgrund der Verstärkung im Schichtenstapel 4 erscheint die Reflektivität p höher als 1 und liegt bei zirka 1,03 beziehungsweise 103 %.In 8B is the reflectivity p opposite the wavelength λ during operation of the semiconductor laser chip 1 drawn. In the range of the resonant wavelength λ res of 1050 nm shows a clear maximum. Due to the reinforcement in the layer stack 4 the reflectivity p appears higher than 1 and is about 1.03 or 103%.

Im anti-resonanten Fall, wie in 8D zu sehen ist, ist das Maximum der Reflektivität p im Falle einer Verstärkung niedriger, bei etwa 1,016, und spektral deutlich breiter.In the anti-resonant case, as in 8D can be seen, the maximum of the reflectivity p in the case of a gain is lower, at about 1.016, and spectrally much wider.

Somit sind im anti-resonanten Fall sowohl die Verstärkung als auch die optischen Verluste reduziert. Reicht die verminderte Verstärkung im anti-resonanten Fall zum Betrieb des Halbleiterlaserchips 1 aus, so ist die anti-resonante Konfiguration bezüglich der Effizienz aufgrund der reduzierten optischen Verluste günstiger. Die Kenngröße Reflektivität p und somit die optischen Verluste sind insbesondere in Laseranordnungen oder Halbleiterlaserchips 1 besonders relevant, die einen externen Resonator aufweisen, bei dem pro Umlauf nur eine geringe Lichtleistung ausgekoppelt wird. Mit anderen Worten, bei einem solchen externen Resonator durchläuft das Licht oftmals den externen Resonator, wird oft am Halbleiterlaserchip 1 reflektiert und insbesondere die Verluste aufgrund von Transmission durch die erste Schichtenfolge 2 hindurch kommen zum Tragen. Solch ein externer Resonator mit einer niedrigen Auskoppelrate wird beispielsweise zur Frequenzverdopplung nahinfraroter Strahlung verwendet, um eine hohe Intensität innerhalb des externen Resonators zu gewährleisten und somit die Leistung an verdoppeltem Licht zu erhöhen, da die Verdopplung ein optisch nicht-linearer Prozess ist.Thus, both the gain and the optical losses are reduced in the anti-resonant case. In the anti-resonant case, the reduced gain suffices for the operation of the semiconductor laser chip 1 Thus, the anti-resonant configuration is more efficient in terms of efficiency due to the reduced optical losses. The characteristic reflectivity p and thus the optical losses are especially in laser arrays or semiconductor laser chips 1 particularly relevant, which have an external resonator, in which only a small light output is coupled out per revolution. In other words, in such an external resonator, the light often passes through the external resonator, often on the semiconductor laser chip 1 reflects and in particular the losses due to transmission through the first layer sequence 2 through come to fruition. Such an external resonator with a low decoupling rate is used, for example, to frequency-double near-infrared radiation to ensure a high intensity within the external resonator and thus to increase the power of doubled light, since the doubling is an optically non-linear process.

Aufgrund von Absorption der Primärstrahlung P im Schichtenstapel 4 und aufgrund von Absorption der kurzwelligeren Pumpstrahlung R erwärmt sich der Halbleiterlaserchip 1 in den Regionen, in denen die Pumpstrahlung R absorbiert und die Primärstrahlung P erzeugt wird. Hierdurch bildet sich eine Temperaturverteilung im Halbleiterlaserchip 1 aus. Die Temperatur im Inneren des gepumpten Halbleiterbereichs ist hierbei am höchsten, in den Randbereichen nimmt die Temperatur ab. Aufgrund dieses Temperaturgradientens entsteht eine thermische Linse, da der Brechungsindex des Halbleitermaterials von der Temperatur abhängt. Das bedeutet, im Zentrum des gepumpten Bereichs ist der Brechungsindex größer als an den Randbereichen. Dies entspricht einer Sammellinse. Da die Absorption von Primärstrahlung P näherungsweise proportional zur optischen Intensität I der Primärstrahlung P im Halbleiterlaserchip 1 ist, ist die thermische Linse umso stärker ausgeprägt, je höher die optische Intensität I im Halbleiterlaserchip 1 ist.Due to absorption of the primary radiation P in the layer stack 4 and due to absorption of the shorter wavelength pump radiation R the semiconductor laser chip heats up 1 in the regions where the pump radiation R absorbed and the primary radiation P is produced. As a result, a temperature distribution is formed in the semiconductor laser chip 1 out. The temperature inside the pumped semiconductor region is highest here, in the edge regions the temperature decreases. Due to this temperature gradient, a thermal lens is formed, since the refractive index of the semiconductor material depends on the temperature. This means that in the center of the pumped area the refractive index is greater than at the edge areas. This corresponds to a condenser lens. Because the absorption of primary radiation P approximately proportional to the optical intensity I the primary radiation P in the semiconductor laser chip 1 is, the thermal lens is more pronounced, the higher the optical intensity I in the semiconductor laser chip 1 is.

Dies ist in 9A veranschaulicht. In 9A ist die radiale Position r in Mikrometern aufgetragen gegen die Phasenstörung q in Rad. Die im Halbleiterlaserchip 1 deponierte thermische Leistung ist gemäß 9A zu 1 W angenommen, der Durchmesser des Pumpstrahls R beträgt zirka 100 µm. Die mit M gekennzeichnete Kurve entspricht einem sphärischen Spiegel mit einem Krümmungsradius von 10 mm. Dieser sphärische Spiegel dient als Referenz. Im Falle einer resonanten Wellenlänge bei 1054 nm entspricht die Ausprägung der thermischen Linse bei radialen Positionen r bis zu zirka 50 µm in guter Näherung einem solchen Spiegel. Spektral entfernt von einer resonanten Wellenlänge, beispielsweise bei 1060 nm und 1065 nm, nimmt der Effekt durch die thermische Linse, zu erkennen anhand des flacheren Verlaufs der entsprechenden Kurven, stark ab.This is in 9A illustrated. In 9A is the radial position r plotted in microns against the phase noise q in rad. The in the semiconductor laser chip 1 Deposited thermal power is according to 9A assumed to be 1 W, the diameter of the pump beam R is about 100 microns. With M marked curve corresponds to a spherical mirror with a radius of curvature of 10 mm. This spherical mirror serves as a reference. In the case of a resonant wavelength at 1054 nm corresponds to the expression of the thermal lens at radial positions r up to about 50 microns in a good approximation of such a mirror. Spectrally distant from a resonant wavelength, for example, at 1060 nm and 1065 nm, the effect of the thermal lens, recognizable by the flatter course of the corresponding curves, decreases sharply.

In 9B ist die Reflektivität R gegenüber der Wellenlänge λ aufgetragen. Die in 9A dargestellten Wellenlängen sind in 9B durch vertikale Pfeile symbolisiert. Die Form der Reflektivitätskurve ähnelt der in 8B dargestellten.In 9B is the reflectivity R opposite the wavelength λ applied. In the 9A shown wavelengths are in 9B symbolized by vertical arrows. The shape of the reflectivity curve is similar to that in 8B shown.

Die Ausprägung der thermischen Linse ist auch davon abhängig, wie stark die Lichtaustrittsfläche reflektierend wirkt für die Primärstrahlung P, wie in 10 näher erläutert. In den 10A bis 10D ist jeweils die Wellenlänge λ gegenüber einer in einer Pumpregion auftretenden, maximalen Temperatur t aufgetragen. Graustufenkodiert und mit Profillinien gekennzeichnet sind die jeweiligen Brennweiten der thermischen Linse eingetragen. Je kleiner der Wert für die Brennweite ist, desto stärker ist die thermische Linse ausgeprägt. Bei allen vier 10A bis 10D ist zu erkennen, dass die thermische Linse bei einer bestimmten Wellenlänge λ mit zunehmender Temperatur t stärker ausgeprägt ist.The nature of the thermal lens also depends on how strongly the light exit surface has a reflective effect on the primary radiation P , as in 10 explained in more detail. In the 10A to 10D is each the wavelength λ compared with a occurring in a pumping region, maximum temperature t applied. Grayscale coded and with Profile lines are marked, the respective focal lengths of the thermal lens registered. The smaller the value for the focal length, the stronger the thermal lens is pronounced. For all four 10A to 10D It can be seen that the thermal lens at a certain wavelength λ is more pronounced with increasing temperature t.

Gemäß 10A weist die Lichtaustrittsfläche 6 keine Reflektivität auf, die Reflektivität liegt also exakt bei 0 %. Bedingt hierdurch ist die Ausprägung der thermischen Linse nahezu unabhängig von der Wellenlänge λ, da der Halbleiterlaserchip 1 im Falle einer verschwindenden Reflektivität an der Lichtaustrittsfläche 6 keinen internen Resonator aufweist, und somit auch keine Resonanz- oder Anti-Resonanzbedingung eingestellt werden kann. Für Temperaturen t im Bereich von 360 K beträgt die Brennweite der thermischen Linse zirka 45 mm.According to 10A has the light exit surface 6 no reflectivity, so the reflectivity is exactly 0%. Due to this, the expression of the thermal lens is almost independent of the wavelength λ because the semiconductor laser chip 1 in the case of a vanishing reflectivity at the light exit surface 6 has no internal resonator, and thus no resonance or anti-resonance condition can be set. For temperatures t in the range of 360 K, the focal length of the thermal lens is approximately 45 mm.

Gemäß 10B weist die Lichtaustrittsfläche 6 eine Reflektivität von 2 % auf. Dies entspricht einer Reflektivität, die ein Halbleiterlaserchip 1 mit einer optimierten, einschichtigen Antireflexbeschichtung 17 aufweist. Da über die endliche Reflektivität der Lichtaustrittsfläche 6 zusammen mit der ersten Schichtenfolge 2 eine Resonator-ähnliche Struktur ausgebildet ist, sind, in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ, auch Resonanz- und Anti-Resonanzbedingungen erfüllt. Die Resonanzbedingung, bei der die effektive Resonatorlänge L des durch Lichtaustrittsfläche 6 und erster Schichtenfolge 2 gebildeten internen Resonators des Halbleiterlaserchips 1 einem Vielfachen der halben Wellenlänge der Primärwellenlänge λP entspricht, weist die Stärke der thermischen Linse ein Maximum auf. Das heißt, bei bereits einer relativ niedrigen Temperatur t von zirka 340 K wird eine Brennweite von 50 mm erzielt. Im anti-resonanten Fall, bei zirka 1030 nm und 1080 nm, wird diese Stärke der thermischen Linse erst bei etwa 375 K erreicht.According to 10B has the light exit surface 6 a reflectivity of 2%. This corresponds to a reflectivity, which is a semiconductor laser chip 1 with an optimized, single-layer antireflective coating 17 having. Because of the finite reflectivity of the light exit surface 6 together with the first layer sequence 2 a resonator-like structure is formed, depending on the wavelength λ , also satisfies resonance and anti-resonance conditions. The resonance condition at which the effective resonator length L by the light exit surface 6 and first layer sequence 2 formed internal resonator of the semiconductor laser chip 1 a multiple of half the wavelength of the primary wavelength λ P corresponds, the strength of the thermal lens has a maximum. That is, at already a relatively low temperature t of about 340 K, a focal length of 50 mm is achieved. In the anti-resonant case, at about 1030 nm and 1080 nm, this thickness of the thermal lens is reached only at about 375 K.

Der wellenförmige Verlauf der Stärke der thermischen Linse folgt im Wesentlichen dem Intensitätsverlauf in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ im Halbleiterlaserchip 1. Dies illustriert nochmals, dass die Intensität I im Halbleiterlaserchip 1 im resonanten Fall am höchsten ist und im anti-resonanten Fall am niedrigsten.The wavy curve of the thickness of the thermal lens essentially follows the intensity curve as a function of the wavelength λ in the semiconductor laser chip 1 , This illustrates once again that the intensity I in the semiconductor laser chip 1 highest in the resonant case and lowest in the anti-resonant case.

In 10C beträgt die Reflektivität der Lichtaustrittsfläche 6 zirka 5 %. Die bezüglich der Wellenlänge λ oszillierende Ausprägung der thermischen Linse ist deshalb verstärkt. Aufgrund der höheren Reflektivität der Lichtaustrittsfläche 6 ist im anti-resonanten Fall die Intensität I im Halbleiterchip verringert und im resonanten Fall erhöht. Deshalb ist auch der Effekt der thermischen Linse im Vergleich zu 10B bei den anti-resonanten Wellenlängen reduziert.In 10C is the reflectivity of the light exit surface 6 about 5%. The in terms of wavelength λ oscillating expression of the thermal lens is therefore enhanced. Due to the higher reflectivity of the light exit surface 6 is the intensity in the anti-resonant case I reduced in the semiconductor chip and increased in the resonant case. Therefore, the effect of the thermal lens compared to 10B reduced at the anti-resonant wavelengths.

Gemäß 10D entspricht die Reflektivität der Lichtaustrittsfläche 30 %. Dies entspricht einem Halbleiterlaserchip 1, der keine zweite Schicht 7 aufweist. Hier ist der oszillierende Verlauf des Effekts der thermischen Linse am stärksten ausgeprägt. Im anti-resonanten Fall ist die optische Intensität I im Halbleiterlaserchip 1 gegenüber niedrigerer Reflektivitäten der Lichtaustrittsfläche 6 weiter reduziert. Die Verschiebung der sinusförmigen wellenartigen Struktur hin zu einer sägezahnähnlichen Struktur ist ebenfalls auf einen Temperatureffekt zurückzuführen. Diese Verschiebung mit zunehmender Temperatur hängt mit dem mit zunehmender Temperatur ebenfalls anwachsenden Brechungsindex zusammen, wodurch sich die Resonanzen und Anti-Resonanzen zu größeren Wellenlängen λ hin verschieben.According to 10D corresponds to the reflectivity of the light exit surface 30%. This corresponds to a semiconductor laser chip 1 who does not have second layer 7 having. Here the oscillating course of the effect of the thermal lens is most pronounced. In the anti-resonant case, the optical intensity is I in the semiconductor laser chip 1 towards lower reflectivities of the light exit surface 6 further reduced. The shift of the sinusoidal wave-like structure towards a sawtooth-like structure is also due to a temperature effect. This shift with increasing temperature is related to the refractive index, which also increases with increasing temperature, as a result of which the resonances and anti-resonances become longer wavelengths λ move back.

In 11 ist eine Laseranordnung 100 mit einem oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchip 1 dargestellt. Der Halbleiterlaserchip 1 ist auf einem Substrat 10 aufgebracht. Über das Substrat 10 kann beispielsweise eine Wärmesenke und eine mechanisch stabile Montagefläche realisiert sein. Der Halbleiterlaserchip 1 ist optisch von einer Pumplichtquelle 13 gepumpt, die die Pumpstrahlung R aussendet, symbolisiert durch eine dünne Pfeil-Linie. Die Wellenlänge λR der Pumpstrahlung liegt bei zirka 808 nm. Die Primärstrahlung P, symbolisiert durch eine dicke Pfeil-Linie, wird vom Halbleiterlaserchip 1 emittiert. Die Emission der Primärstrahlung P erfolgt in etwa senkrecht zur Lichtaustrittsfläche 6 des Halbleiterlaserchips 1, die Einkopplung der Pumpstrahlung R erfolgt unter einem Winkel von zirka 45°. Bezüglich der Primärstrahlung P stellt der Halbleiterlaserchip 1 sowie zwei Spiegel 8a, 8b einen externen Resonator der Laseranordnung 100 dar. Beide Spiegel 8a, 8b sind hochreflektierend für die Primärstrahlung P. Vom ersten Spiegel 8a wird die Primärstrahlung P in Richtung eines Verdopplerkristalls 12 weitergeleitet, wird im Verdopplerkristall 12 zum Teil in eine Sekundärstrahlung S mit einer Sekundärwellenlänge λS ≈ λP/2, symbolisiert durch eine Pfeil-Strichlinie, konvertiert. Anschließend treffen sowohl konvertierte S als auch Primärstrahlung P auf den zweiten Spiegel 8b und werden zurück in Richtung zum ersten Spiegel 8a reflektiert. Auf dem Rückweg wird ein weiterer Teil der Primärstrahlung P in die Sekundärstrahlung S umgewandelt. Der erste Spiegel 8a ist transmittierend für die Sekundärstrahlung S, so dass diese aus dem externen Resonator ausgekoppelt wird.In 11 is a laser arrangement 100 with a surface emitting semiconductor laser chip 1 shown. The semiconductor laser chip 1 is on a substrate 10 applied. About the substrate 10 For example, a heat sink and a mechanically stable mounting surface can be realized. The semiconductor laser chip 1 is optically from a pump light source 13 pumped the pump radiation R emits symbolized by a thin arrow line. The wavelength λ R The pump radiation is at about 808 nm. The primary radiation P , symbolized by a thick arrow line, is from the semiconductor laser chip 1 emitted. The emission of the primary radiation P takes place approximately perpendicular to the light exit surface 6 of the semiconductor laser chip 1 , the coupling of the pump radiation R takes place at an angle of approximately 45 °. Regarding the primary radiation P represents the semiconductor laser chip 1 as well as two mirrors 8a . 8b an external resonator of the laser array 100 dar. Both mirrors 8a . 8b are highly reflective for the primary radiation P , From the first mirror 8a becomes the primary radiation P in the direction of a doubling crystal 12 forwarded, is in the doubling crystal 12 partly into a secondary radiation S with a secondary wavelength λ S ≈ λ P / 2, symbolized by an arrow-dashed line, converted. Then meet both converted S as well as primary radiation P on the second mirror 8b and become back towards the first mirror 8a reflected. On the way back is another part of the primary radiation P into the secondary radiation S converted. The first mirror 8a is transmissive to the secondary radiation S so that it is decoupled from the external resonator.

Optional kann der externe Resonator der Laseranordnung 100 ein wellenlängenselektives Element 11, das beispielsweise als Etalon ausgestaltet ist, aufweisen. Über das wellenlängenselektive Element 11 ist es auch möglich, dass die Polarisation der Primärstrahlung P eingestellt wird.Optionally, the external resonator of the laser arrangement 100 a wavelength-selective element 11 , which is designed for example as etalon. About the wavelength-selective element 11 it is also possible that the polarization of the primary radiation P is set.

In 12 sind die optische Leistung der Primärstrahlung P, die Emissionswellenlänge λEm sowie die optischen Verluste OL im Halbleiterlaserchip 1 in Abhängigkeit von der Leistung der Pumpstrahlung R für verschiedene Reflektivitäten der Lichtaustrittsfläche 6 gezeichnet. Die jeweiligen Kurven, bezeichnet mit der jeweiligen Reflektivität an der Lichtaustrittsfläche 6 in %, sind Simulationen für den Fall einer Laseranordnung 100, die neben den oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchip 1 einen externen Spiegel 8 aufweist, der eine Reflektivität von 99 % hat und entsprechend 1 % der Primärstrahlung P aus der Laseranordnung 100 auskoppelt. Die simulierte Laseranordnung 100 weist keinen Verdopplerkristall und kein wellenlängenselektives Element auf. Der Halbleiterlaserchip 1 ist ein antiresonanter Chip. Die einzelnen Kurven sind jeweils mit dem Prozentwert der Reflektivität der Lichtaustrittsfläche 6 gekennzeichnet.In 12 are the optical power of the primary radiation P , the emission wavelength λ Em such as the optical losses O L in the semiconductor laser chip 1 depending on the power of the pump radiation R for different reflectivities of the light exit surface 6 drawn. The respective curves, designated with the respective reflectivity at the light exit surface 6 in%, are simulations for the case of a laser array 100 , in addition to the surface-emitting semiconductor laser chip 1 an external mirror 8th having a reflectivity of 99% and corresponding to 1% of the primary radiation P from the laser arrangement 100 couples out. The simulated laser arrangement 100 has no doubling crystal and no wavelength-selective element. The semiconductor laser chip 1 is an anti-resonant chip. The individual curves are each with the percentage of the reflectivity of the light exit surface 6 characterized.

Gemäß 12A ist gegenüber der Leistung der Pumpstrahlung R die aus der Laseranordnung 100 ausgekoppelte Leistung der Primärstrahlung P aufgetragen. Bei einer hohen Reflektivität der Lichtaustrittsfläche 6 wird die Laserschwelle erst bei höheren Leistungen der Pumpstrahlung R überschritten, so dass die einzelnen Kurven mit zunehmender Reflektivität der Lichtaustrittsfläche 6 erst bei höheren Pumpleistungen beginnen. Die Steigung der Kurven weist, bis zu einem kritischen maximalen Wert der Leistung der Pumpstrahlung R, einen größten Wert bei einer Reflektivität der Lichtaustrittsfläche 6 von etwa 10 % auf. Somit stellt, mindestens für Pumpleistungen im Bereich größer als zirka 0,8 W, eine Reflektivität von zirka 10 % einen bevorzugten Wert dar.According to 12A is opposite to the power of the pump radiation R those from the laser array 100 decoupled power of the primary radiation P applied. With a high reflectivity of the light exit surface 6 The laser threshold is only at higher powers of the pump radiation R exceeded, so that the individual curves with increasing reflectivity of the light exit surface 6 only start at higher pump powers. The slope of the curves points, up to a critical maximum value of the power of the pump radiation R , a maximum value at a reflectivity of the light exit surface 6 from about 10% up. Thus, at least for pump powers in the range greater than about 0.8 W , a reflectivity of about 10% is a preferred value.

In 12B ist gegenüber der Leistung der Pumpstrahlung R die Emissionswellenlänge λEm aufgetragen. Die jeweiligen Kurven schwanken um einige Nanometer. Bei einer Reflektivität der Lichtaustrittsfläche 6 von 30 % weicht die Emissionswellenlänge λEm deutlich ab.In 12B is opposite to the power of the pump radiation R the emission wavelength λ Em applied. The respective curves vary by a few nanometers. At a reflectivity of the light exit surface 6 of 30% gives way to the emission wavelength λ Em clearly off.

In 12C sind, in Prozent, die optischen Verluste OL im Halbleiterlaserchip 1 gegenüber der Leistung der Pumpstrahlung R aufgetragen. Bei einer Reflektivität der Lichtaustrittsfläche 6 von zirka 10 % sind die optischen Verluste am geringsten. Eine Reflektivität der Lichtaustrittfläche von zirka 10 % stellt auch bezüglich diesem Aspekt einen bevorzugten Wert dar.In 12C are, in percent, the optical losses O L in the semiconductor laser chip 1 compared to the power of the pump radiation R applied. At a reflectivity of the light exit surface 6 of about 10%, the optical losses are lowest. A reflectivity of the light exit surface of about 10% is also a preferred value with respect to this aspect.

Bei einer erfindungsgemäßen Reflektivität im Bereich von zirka 10 % ist also eine effiziente Abstimmung zwischen den optischen Verlusten und der optischen Intensität im Halbleiterlaserchip 1, und damit der Verstärkung, gegeben. With a reflectivity according to the invention in the range of approximately 10%, therefore, there is an efficient coordination between the optical losses and the optical intensity in the semiconductor laser chip 1 , and thus the reinforcement, given.

Ist die Reflektivität der Lichtaustrittsfläche 6 relativ hoch, beispielsweise 30 %, so besteht die Möglichkeit, dass der Halbleiterlaserchip 6, ohne zusätzliche Maßnahmen, selbstständig von einer anti-resonanten Wellenlänge zu einer resonanten Wellenlänge wechselt, siehe 12B. Diese Möglichkeit ist insbesondere gegeben, da die Verstärkungsbandbreite des Verstärkungsmediums beziehungsweise der aktiven Bereiche 5 sowie die spektrale Breite der Reflektivität der ersten Schichtenfolge 2 bis zu 80 nm betragen kann. In diesem zirka 80 nm breiten Spektralbereich ist also prinzipiell eine Lasertätigkeit möglich.Is the reflectivity of the light exit surface 6 relatively high, for example, 30%, so there is a possibility that the semiconductor laser chip 6 , without additional measures, automatically switches from an anti-resonant wavelength to a resonant wavelength, see 12B , This possibility is given in particular, since the amplification bandwidth of the amplification medium or of the active regions 5 and the spectral width of the reflectivity of the first layer sequence 2 can be up to 80 nm. In this approximately 80 nm wide spectral range, in principle, a laser action is possible.

Ist die effektive Resonatorlänge L beispielsweise 10,25 λP im anti-resonanten Fall, so könnte dies beispielsweise 10 λRes der resonanten Wellenlänge λRes entsprechen. Der Wellenlängenunterschied zwischen λP und λRes wäre dann, bei einer Wellenlänge λP von zirka 1050 nm, lediglich etwa 30 nm. Mit anderen Worten liegt sowohl die anti-resonante Wellenlänge λP als auch die resonante Wellenlänge λRes im Verstärkungsbereich bezüglich der Lasertätigkeit. Das Springen von einer anti-resonanten zu einer resonanten Wellenlänge ist insbesondere dadurch begünstigt, dass die Verstärkung im resonanten Fall höher ist als im anti-resonanten Fall.Is the effective resonator length L for example 10.25 λ P in the anti-resonant case, this could for example be 10 λ res the resonant wavelength λ res correspond. The wavelength difference between λ P and λ res would be, at one wavelength λ P of about 1050 nm, only about 30 nm. In other words, both the anti-resonant wavelength λ P as well as the resonant wavelength λ res in the amplification area with respect to the laser action. The jumping from an anti-resonant to a resonant wavelength is favored in particular by the fact that the amplification is higher in the resonant case than in the anti-resonant case.

Um ein solches Springen der Wellenlänge, bei der die Lasertätigkeit erfolgt, zu verhindern, kann, wie in 11 gezeigt, im externen Resonator der Laseranordnung 100 ein wellenlängenselektives Element 11 eingebracht sein. Dieses wellenlängenselektive Element 11 kann für eine anti-resonante Wellenlänge λP transmittierend sein, und gleichzeitig für resonante Wellenlängen λRes , die im Verstärkungsbereich des Schichtenstapels 4 liegen, sperrend wirken. „Sperrend“ bedeutet hierbei, dass die Transmission für resonante Wellenlängen λRes um einige Prozent unterhalb der Transmission für anti-resonante Wellenlängen λP liegt. Beispielsweise beträgt die Transmission bezüglich der Wellenlänge λP mehr als 99,9 %, und die Transmission bezüglich der Wellenlänge λRes weniger als 96 %. Über eine solche Anordnung wird ein Springen von einer anti-resonanten Wellenlänge λP auf eine resonante Wellenlänge λRes effektiv unterdrückt.In order to prevent such jumping of the wavelength at which the laser action takes place, as in 11 shown in the external cavity of the laser array 100 a wavelength-selective element 11 be introduced. This wavelength-selective element 11 can for an anti-resonant wavelength λ P be transmissive, and at the same time for resonant wavelengths λ res in the reinforcement area of the layer stack 4 lie, have a blocking effect. "Blocking" here means that the transmission is for resonant wavelengths λ res by a few percent below the transmission for anti-resonant wavelengths λ P lies. For example, the transmission is in terms of wavelength λ P more than 99.9%, and the transmission in terms of wavelength λ res less than 96%. About such an arrangement is jumping from an anti-resonant wavelength λ P to a resonant wavelength λ res effectively suppressed.

Die Wirkung eines wellenlängenselektiven Elements 11 ist in 13 illustriert. In 13A ist die Pumpleistung der Pumpstrahlung R gegenüber der Leistung der Primärstrahlung P einer Laseranordnung 100, beispielsweise wie in 12 gezeigt, dargestellt. Im Falle eines freilaufenden Lasers einer anti-resonanten Anordnung fällt der Halbleiterlaserchip 1 im Betrieb automatisch auf eine resonante Wellenlänge λRes von etwa 1032 nm, siehe 13B. Hierdurch ist die Effizienz signifikant verringert, vergleiche 13A. Im Falle eines sich im externen Resonator der Laseranordnung 100 befindlichen wellenlängenselektiven Elements 11, gezeigt in der mit E gekennzeichneten Kurve, tritt dieser Effekt nicht auf und die Leistung der Primärstrahlung P ist, bei Leistungen der Pumpstrahlung R oberhalb von etwa 0,5 W, deutlich höher.The effect of a wavelength-selective element 11 is in 13 illustrated. In 13A is the pump power of the pump radiation R compared to the power of the primary radiation P a laser arrangement 100 , for example as in 12 shown shown. In the case of a free-running laser of an anti-resonant arrangement, the semiconductor laser chip falls 1 during operation automatically to a resonant wavelength λ res of about 1032 nm, see 13B , As a result, the efficiency is significantly reduced, see 13A , In case of an external resonator of the laser arrangement 100 located wavelength-selective element 11 shown in the with e marked curve, this effect does not occur and the power of the primary radiation P is, at powers of the pump radiation R above about 0.5 W, much higher.

In 13B ist die Wellenlängen stabilisierende Eigenschaft des wellenlängenselektiven Elements 11 dargestellt. Die Primärwellenlänge λP bleibt über den ganzen Bereich der Pumpleistung der Pumpstrahlung R gleich.In 13B is the wavelength stabilizing property of the wavelength-selective element 11 shown. The primary wavelength λ P remains over the entire range of the pump power of the pump radiation R equal.

Hierdurch werden, gezeigt in 13C, auch die in Prozent angegebenen optischen Verluste OL gegenüber einem freilaufenden Betrieb ohne wellenlängenselektives Element 11 deutlich reduziert.This will be shown in 13C , also the percent optical losses O L compared to a free-running operation without wavelength-selective element 11 significantly reduced.

In 14 sind, in Prozent, die optischen Verluste OL eines resonanten Halbleiterlaserchips und eines anti-resonanten Halbleiterlaserchips 1 miteinander verglichen. Die Kurve bezüglich des resonanten Halbleiterlaserchips ist mit „Res“ gekennzeichnet. Beide Halbleiterlaserchips 1 weisen eine resonante periodische Verstärkerstruktur, kurz RPG, mit sechs Quantentrögen auf. Bei einer Pumpleistung von beispielsweise 0,5 W liegen die optischen Verluste beim resonanten Chip bei zirka 0,3 %, beim anti-resonanten Halbleiterlaserchip 1 lediglich bei 0,16 %. Die optischen Verluste OL halbieren sich also fast aufgrund der anti-resonanten Gestaltung des Halbleiterlaserchips 1, dessen Effizienz ist deutlich gesteigert.In 14 are, in percent, the optical losses O L a resonant semiconductor laser chip and an anti-resonant semiconductor laser chip 1 compared to each other. The curve with respect to the resonant semiconductor laser chip is marked "Res". Both semiconductor laser chips 1 have a resonant periodic amplifier structure, RPG for short, with six quantum wells. At a pump power of, for example, 0.5 W, the optical losses in the resonant chip at about 0.3%, the anti-resonant semiconductor laser chip 1 only at 0.16%. The optical losses O L So almost halve due to the anti-resonant design of the semiconductor laser chip 1 whose efficiency is significantly increased.

In 15 sind simulierte Leistungsdaten, gezeigt in 15B, mit gemessenen Daten, gezeigt in 15A, verglichen. Simulation und Rechnung stimmen gut überein. Gegenüber einem resonanten Halbleiterlaserchip weist der anti-resonante Halbleiterchip 1 eine um zirka 25 bis 30 % verbesserte Leistung der Primärstrahlung P bei einer Pumpleistung von zirka 1,4 W auf. Die Messwerte wurden mit einem externen Resonator einer Länge von 25 mm und einem externen Spiegel 8 mit einer Reflektivität von 99,7 % ermittelt.In 15 are simulated performance data shown in 15B , with measured data, shown in 15A , compared. Simulation and calculation are in good agreement. Opposite a resonant semiconductor laser chip has the anti-resonant semiconductor chip 1 an approximately 25 to 30% better performance of the primary radiation P at a pump power of about 1.4W. The measured values were taken with an external resonator with a length of 25 mm and an external mirror 8th determined with a reflectivity of 99.7%.

Aufgrund der verringerten Intensität im Halbleiterlaserchip 1 und wegen der Vermeidung der Fabry-Perot-Verluste im anti-resonanten Fall ist also die Effizienz eines anti-resonanten Halbleiterlaserchips 1 gegenüber einem resonanten Halbleiterlaserchips signifikant erhöht.Due to the reduced intensity in the semiconductor laser chip 1 and because of the avoidance of Fabry-Perot losses in the anti-resonant case, so is the efficiency of an anti-resonant semiconductor laser chip 1 significantly increased compared to a resonant semiconductor laser chip.

In 16 ist schematisch ein Herstellungsverfahren für einen nicht-resonanten, oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchip 1 dargestellt. Gemäß 16A umfasst der Schichtenstapel 4 drei aktive Bereiche 5 sowie eine Ätzstoppschicht 18. Die effektive Resonatorlänge L entspricht einem ganzzahligen Vielfachen der halben Primärwellenlänge λP .In 16 FIG. 3 is a schematic of a fabrication process for a non-resonant surface emitting semiconductor laser chip 1 shown. According to 16A includes the layer stack 4 three active areas 5 and an etch stop layer 18 , The effective resonator length L corresponds to an integer multiple of half the primary wavelength λ P ,

In 16B ist dargestellt, dass über das Einstrahlen der Pumpstrahlung R der Halbleiterlaserchip 1 getestet wird. Dieser Test erlaubt zu einem frühen Zeitpunkt im Herstellungsverfahren festzustellen, ob der Halbleiterlaserchip 1 ein funktionstüchtiges Bauelement ist. Dies reduziert Ausschuss in späteren Verfahrensschritten und mindert die Herstellungskosten.In 16B is shown that about the irradiation of the pump radiation R the semiconductor laser chip 1 Is tested. This test allows early in the manufacturing process to determine if the semiconductor laser chip 1 is a functional component. This reduces rejects in later process steps and reduces manufacturing costs.

Beim Verfahrensschritt gemäß 16C wird über ein Ätzverfahren bis zu einer Ätzstoppschicht 18 die effektive Resonatorlänge L soweit reduziert, bis es sich um einen anti-resonanten Halbleiterlaserchip handelt. Die Dicke, um die der Schichtenstapel 4 hierbei reduziert wird, ist ein ungeradzahliges Vielfaches von λP/4.In the process step according to 16C is etched through an etch process to an etch stop layer 18 the effective resonator length L reduced until it is an anti-resonant semiconductor laser chip. The thickness around which the layer stack 4 is reduced, is an odd multiple of λ P / 4.

Gemäß 16D wird erfindungsgemäß anschließend eine zweite Schicht 7 in Form einer Antireflexschicht 17 aufgebracht, über die gezielt die Reflektivität der Lichtaustrittsfläche 6 des Schichtenstapels 4 eingestellt wird.According to 16D is then according to the invention a second layer 7 in the form of an antireflection coating 17 applied, over the targeted the reflectivity of the light exit surface 6 of the layer stack 4 is set.

Claims (11)

Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (1) mit - einer ersten Schichtenfolge (2), die für eine Primärstrahlung (P) mit einer Primärwellenlänge λP reflektierend wirkt, und - einem Schichtenstapel (4) mit mindestens einem aktiven Bereich (5), wobei der Schichtenstapel (4) an einer Hauptseite der ersten Schichtenfolge (2) aufgebracht und dazu ausgestaltet ist, die Primärstrahlung (P) zu emittieren, wobei eine Dicke (D) des Schichtenstapels (4) so gestaltet ist, dass dieser nicht-resonant bezüglich der Primärwellenlänge λP ist, sodass eine Intensität eines elektromagnetischen Feldes innerhalb des Halbleiterlaserchips (1) der eines Fabry-Perot-Elements bei minimaler Transmission entspricht, - für eine effektive Resonatorlänge L des Halbleiterlaserchips (1) mit einer Toleranz von höchstens λP/8 gilt: L = N λP/2 + λP/4 und N eine natürliche Zahl ist, - der Halbleiterlaserchip (1) ferner mindestens eine zweite Schicht (7) umfasst, die an der Lichtaustrittsfläche (6) des Schichtenstapels (4) angebracht und für die Primärstrahlung (P) teilreflektierend ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reflexionsgrad der mindestens einen zweiten Schicht (7) für die Primärstrahlung (P) zwischen 7 % und 13 % liegt.A surface-emitting semiconductor laser chip (1) having - a first layer sequence (2) which is reflective for a primary radiation (P) having a primary wavelength λ P , and - a layer stack (4) having at least one active region (5), the layer stack (4 ) is applied to a main side of the first layer sequence (2) and configured to emit the primary radiation (P), wherein a thickness (D) of the layer stack (4) is made non-resonant with respect to the primary wavelength λ P such that an intensity of an electromagnetic field within the semiconductor laser chip (1) corresponds to that of a Fabry-Perot element with minimal transmission, - for an effective resonator length L of the semiconductor laser chip (1) with a tolerance of at most λ P / 8: L = N λ P / 2 + λ P / 4 and N is a natural number, - the semiconductor laser chip (1) further comprises at least one second layer (7), which at the Lichtaustrittsfläc He (6) of the layer stack (4) and for the primary radiation (P) is partially reflecting, characterized in that a reflectance of the at least one second layer (7) for the primary radiation (P) is between 7% and 13%. Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (1) gemäß Anspruch 1, bei dem die Toleranz für die effektive Resonatorlänge L höchstens λP/16 ist.Surface emitting semiconductor laser chip (1) according to Claim 1 in which the tolerance for the effective resonator length L is at most λ P / 16. Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem an einer Lichtaustrittsfläche (6) des Schichtenstapels (4), die der ersten Schichtenfolge (2) abgewandt ist, im Betrieb des Halbleiterlaserchips (1) kein Intensitätsmaximum der Primärstrahlung (P) vorliegt.Surface-emitting semiconductor laser chip (1) according to one of the preceding claims, in which there is no intensity maximum of the primary radiation (P) at a light exit surface (6) of the layer stack (4) facing away from the first layer sequence (2) during operation of the semiconductor laser chip (1) , Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens ein Abstand (T) zwischen zwei benachbarten aktiven Bereichen (5) ein Vielfaches der Hälfte der Primärwellenlänge λP beträgt und bei dem sich mindestens ein aktiver Bereich (5) im Betrieb des Halbleiterlaserchips (1) in einem Intensitätsmaximum der Primärstrahlung (P) befindet, und bei dem in mindestens einem Fall die Abstände (T) zwischen benachbarten aktiven Bereichen (5) in Richtung zur ersten Schichtenfolge (2) hin zunehmen. A surface-emitting semiconductor laser chip (1) according to one of the preceding claims, wherein at least one distance (T) between two adjacent active regions (5) is a multiple of half the primary wavelength λ P and at least one active region (5) during operation of the Semiconductor laser chips (1) in an intensity maximum of the primary radiation (P) is located, and increase in at least one case, the distances (T) between adjacent active areas (5) in the direction of the first layer sequence (2). Laseranordnung (100) mit - mindestens einem oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchip (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, - mindestens einer Pumplichtquelle (13) zum Pumpen des Halbleiterlaserchips (1), und - mit mindestens einem externen, für die Primärstrahlung (P) reflektierend wirkenden Spiegel (8), so dass von der ersten Schichtenfolge (2) und von dem mindestens einen reflektierend wirkenden Spiegel (8) ein Resonator (9) gebildet ist.Laser arrangement (100) with at least one surface-emitting semiconductor laser chip (1) according to one of the preceding claims, - At least one pump light source (13) for pumping the semiconductor laser chip (1), and - With at least one external, for the primary radiation (P) reflecting mirror (8), so that of the first layer sequence (2) and of the at least one reflective mirror (8), a resonator (9) is formed. Laseranordnung (100) nach Anspruch 5, bei dem der Resonator (9) ein wellenlängenselektives Element (11) umfasst.Laser arrangement (100) according to Claim 5 in which the resonator (9) comprises a wavelength-selective element (11). Laseranordnung (100) nach Anspruch 6, bei dem das wellenlängenselektive Element (11) in einem Wellenlängenbereich von 0,8 λP bis 1,2 λP sperrend wirkt für Wellenlängen λRes, für die mit einer Wellenlängentoleranz von höchstens λP/16 bezüglich der effektiven Resonatorlänge L des Halbleiterlaserchips (1) gilt: λ Res = ( 2 L ) / N ,
Figure DE102008038961B9_0003
wobei N eine natürliche Zahl ist.
Laser arrangement (100) according to Claim 6 in which the wavelength-selective element (11) in a wavelength range of 0.8 λ P to 1.2 λ P is blocking for wavelengths λ Res , for those with a wavelength tolerance of at most λ P / 16 with respect to the effective resonator length L of the semiconductor laser chip ( 1) applies: λ Res = ( 2 L ) / N .
Figure DE102008038961B9_0003
where N is a natural number.
Verfahren, mit dem ein oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 hergestellt wird, mit den Schritten: - Bereitstellen eines Halbleiterlaserchips (1) mit der ersten Schichtenfolge (2) und dem Schichtenstapel (4), wobei die effektive Resonatorlänge L des Halbleiterlaserchips (1) mit einer Toleranz von höchstens λP/16 einem ganzzahligen Vielfachen der Hälfte der Primärwellenlänge λP entspricht, und - Reduzierung der effektiven Resonatorlänge (L) des Halbleiterlaserchips (1) mit einer Toleranz von höchstens λP/16 um einen Wert von ((2 N - 1) λP) / 4, wobei N eine natürliche Zahl ist.Method by which a surface-emitting semiconductor laser chip (1) according to one of the Claims 1 to 4 providing, comprising the steps: - providing a semiconductor laser chip (1) with the first layer sequence (2) and the layer stack (4), wherein the effective resonator length L of the semiconductor laser chip (1) with an allowance of at most λ P / 16 an integral multiple corresponds to half of the primary wavelength λ P , and - reducing the effective resonator length (L) of the semiconductor laser chip (1) with a tolerance of at most λ P / 16 by a value of ((2 N - 1) λ P ) / 4, where N a natural number is. Verfahren nach Anspruch 8, wobei vor dem Schritt des Reduzierens der effektiven Resonatorlänge L die Funktion des Halbleiterlaserchips (1) bei der Primärwellenlänge λP getestet wird.Method according to Claim 8 wherein before the step of reducing the effective resonator length L, the function of the semiconductor laser chip (1) at the primary wavelength λ P is tested. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Schritt des Reduzierens der effektiven Resonatorlänge L mithilfe mindestens einer Ätzstoppschicht erfolgt.Method according to Claim 8 or 9 wherein the step of reducing the effective resonator length L is performed using at least one etch stop layer. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der Schritt des Reduzierens der effektiven Resonatorlänge L über nasschemisches Ätzen erfolgt.Method according to one of Claims 8 to 10 wherein the step of reducing the effective resonator length L is via wet chemical etching.
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