DE102009026526A1

DE102009026526A1 - Lasereinrichtung

Info

Publication number: DE102009026526A1
Application number: DE102009026526A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jochen Schwarz; Hans Wenzel; Andre Maassdorf; Goetz Erbert
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-05-28
Filing date: 2009-05-28
Publication date: 2010-12-02
Also published as: WO2010136384A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lasereinrichtung (100) mit mindestens zwei schichtartig übereinander angeordneten und als Kantenemitter ausgebildeten monolithisch integrierten und optisch miteinander gekoppelten Halbleiterlasern (110, 120). Erfindungsgemäß ist mindestens ein weiterer Halbleiterlaser (130) vorgesehen, der nicht mit einem benachbarten Halbleiterlaser (120) optisch gekoppelt ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Lasereinrichtung mit mindestens zwei schichtartig übereinander angeordneten und als Kantenemitter ausgebildeten monolithisch integrierten und optisch miteinander gekoppelten Halbleiterlasern.
Eine derartige Lasereinrichtung ist bereits aus der DE 10 2006 061 532 A1 bekannt. Die bekannte Lasereinrichtung hat den Nachteil, dass sie nur für den Pulsbetrieb, speziell nur für verhältnismäßig kurze Pulsdauern im Nanosekundenbereich, geeignet ist, weil bereits bei Pulsdauern im Mikrosekundenbereich eine zu starke Erwärmung der Lasereinrichtung erfolgt, die zur Ausbildung eines in der Regel nichtkonstanten Temperaturprofils entlang einer Schichtdickenkoordinate der Lasereinrichtung führt. Das bedeutet, dass solche Laserschichten, die näher an einer Wärmesenke angeordnet sind, eine niedrigere Temperatur aufweisen, als solche Laserschichten, die weiter entfernt angeordnet sind von der Wärmesenke. Das nichtkonstante Temperaturprofil führt zu unerwünschten Änderungen in dem Brechungsindex einzelner Komponenten der Lasereinrichtung. Insbesondere bei optisch gekoppelten Strukturen sind derartige Variationen des Brechungsindex über der Schichtdickenkoordinate unerwünscht, da sie die Effizienz der optischen Kopplung beeinträchtigen. Infolgedessen ergeben sich insbesondere vergrößerte Abstrahlwinkel im Fernfeld und höhere intrinsische Verluste.
Offenbarung der Erfindung
Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lasereinrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass die mit dem sich während des Betriebs einstellenden unsymmetrischen Temperaturprofil einhergehenden Nachteile vermieden werden.
Diese Aufgabe wird bei der Lasereinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens ein weiterer Halbleiterlaser vorgesehen ist, der nicht mit einem benachbarten Halbleiterlaser optisch gekoppelt ist.
Dies ergibt den Vorteil, dass auch trotz verhältnismäßig starker Unsymmetrien eines Temperaturprofils mindestens ein weiterer Hableiterlaser in der Lasereinrichtung im Sinne einer Leistungssteigerung bezüglich der optischen Ausgangsleistung vorgesehen werden kann, der aufgrund der Unsymmetrien jedoch nur unzureichend mit einem benachbarten Halbleiterlaser gekoppelt werden könnte. Die erfindungsgemäß vorgesehenen nicht gekoppelten Halbleiterlaser weisen vorteilhaft eine günstige Intensitätsverteilung im Fernfeld auf, weil sie nicht der temperaturbedingt suboptimalen optischen Kopplung unterliegen.
Durch die erfindungsgemäße Kombination von mehreren optisch miteinander gekoppelten und mindestens einem nicht optisch gekoppelten Halbleiterlaser kann somit eine Lasereinrichtung mit großer optischer Ausgangsleistung bei gleichzeitig günstiger Intensitätsverteilung im Fernfeld realisiert werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lasereinrichtungen ist dieser Vorteil insbesondere auch dann noch gegeben, wenn sich eine ungleichmäßige Temperaturverteilung in der Lasereinrichtung ergibt.
Dadurch ist es vorteilhaft möglich, Lasereinrichtungen herzustellen, die im Gegensatz zu den bekannten Systemen auch bei Pulsdauern der erzeugten Laserstrahlung im Mikrosekundenbereich oder sogar im Millisekundenbereich und der damit einhergehenden Eigenerwärmung effizient arbeiten.
Die Anordnung der optisch nicht miteinander gekoppelten Halbleiterlaser in dem Stapelaufbau der Lasereinrichtung wird erfindungsgemäß vorteilhaft so gewählt, dass sie in Schichtdickenbereichen angeordnet sind, in denen bei Betrieb verhältnismäßig hohe Temperaturgradienten über der Schichtdicke auftreten.
Eine weitere, besonders einfache Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Schichtaufbau der Lasereinrichtung in zwei aneinander angrenzende Schichtdickenbereiche unterteilt ist, wobei ein erster Schichtdickenbereich Halbleiterlaser aufweist, die jeweils mit benachbarten Halbleiterlasern desselben Schichtdickenbereichs optisch gekoppelt sind, und wobei ein zweiter Schichtdickenbereich Halbleiterlaser aufweist, die nicht mit benachbarten Halbleiterlasern, insbesondere desselben Schichtdickenbereichs, optisch gekoppelt sind. Besonders bevorzugt erfolgt die Unterteilung der Schichtdickenbereiche in Abhängigkeit von einem für einen Betrieb der Lasereinrichtung erwarteten Temperaturverlauf über der Schichtdickenkoordinate. Die erfindungsgemäße Einteilung in die unterschiedlichen Schichtdickenbereiche ermöglicht eine besonders einfache Fertigung der Lasereinrichtung, bei der die eine optische Kopplung benachbarter Halbleiterlaser bestimmenden Fertigungsparameter nur einmal, nämlich in dem Übergangsbereich zwischen den beiden Schichtdickenbereichen, verändert werden müssen.
Eine bezogen auf die Schichtickenkoordinate abwechselnde Vorsehung von optisch miteinander gekoppelten und nicht optisch miteinander gekoppelten Halbleiterlasern ist ebenfalls denkbar.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Erfindungsvariante ist vorgesehen, dass ein erster Brechungsindexverlauf eines ersten Halbleiterlasers über einer Schichtdickenkoordinate und bezogen auf eine Referenztemperatur verschieden ist von einem entsprechenden zweiten Brechungsindexverlauf eines zweiten Halbleiterlasers. Die erfindungsgemäße, hinsichtlich des Brechungsindexverlaufes unterschiedliche, Auslegung verschiedener Halbleiterlaser bezogen auf die Referenztemperatur ermöglicht vorteilhaft eine Kompensation der störenden Effekte eines unsymmetrischen bzw. nichtkonstanten Temperaturprofils über die gesamte Lasereinrichtung.
Besonders bevorzugt wird unter Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips der Brechungsindexverlauf unterschiedlicher Halbleiterlaser der Lasereinrichtung – bezogen auf die Referenztemperatur, beispielsweise Raumtemperatur – so voneinander verschieden gewählt, dass sich während eines Betriebs der Lasereinrichtung und einer sich hierbei einstellenden nichtkonstanten Temperaturverteilung über der Schichtdickenkoordinate effektiv möglichst geringe Variationen bzw. Unsymmetrien bezüglich des Brechungsindex der einzelnen Halbleiterlaser ergeben. D. h., eine temperaturbedingte Variation des Brechungsindex entlang der Schichtdickenkoordinate in der Lasereinrichtung kann unter Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips durch geeignete „Vorhaltung” des Brechungsindex in ausgewählten Bereichen der Lasereinrichtung zumindest teilweise und zumindest für einen gewissen Temperaturbereich kompensiert werden. Auf diese Weise kann ein Betrieb insbesondere der optisch miteinander gekoppelten Halbleiterlaser optimiert werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung ist vorgesehen, dass ein über eine Schichtdicke eines ersten Halbleiterlasers gemittelter Brechungsindex bezogen auf die Referenztemperatur von einem über eine Schichtdicke eines zweiten Halbleiterlasers gemittelten Brechungsindex bezogen auf die Referenztemperatur verschieden ist. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass eine die optische Kopplung benachbarter Halbleiterlaser beeinträchtigende Deformation der entsprechenden Lasermoden im Wesentlichen von einem über die Schichtdicke des betreffenden Halbleiterlasers gemittelten Brechungsindex abhängt und somit entsprechend beeinflusst werden kann. Dadurch ergibt sich eine vereinfachte Herstellung der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung, weil vorwiegend auf die Einhaltung eines vorgegebenen gemittelten Brechungsindex zu achten ist und dementsprechend z. B. schichtintern lokale Variationen des Brechungsindex in gewissen Grenzen zugelassen werden können.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung ist vorgesehen, dass ein über die Schichtdicke des Halbleiterlasers gemittelter Brechungsindex in Abhängigkeit der Anordnung des betreffenden Halbleiterlasers innerhalb der Lasereinrichtung, insbesondere in Abhängigkeit einer räumlichen Entfernung zu einem Substrat und/oder einer Wärmesenke, gewählt ist, wodurch eine entsprechend präzise Kompensation von thermisch bedingten Variationen des Brechungsindex in unterschiedlichen Halbleiterlasern der Lasereinrichtung erzielt werden kann.
Eine besonders präzise Kompensation ist einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zufolge ferner dann gegeben, wenn der Brechungsindex der Lasereinrichtung, insbesondere von die Halbleiterlaser bildenden Komponenten, sich zumindest abschnittsweise kontinuierlich über der Schichtdickenkoordinate ändert, um einem sich während des Betriebs der Lasereinrichtung einstellenden nichtkonstanten Temperaturprofil Rechnung zu tragen.
Bei einer Ausbildung eines Substrats der Lasereinrichtung aus Galliumarsenid kann beispielsweise durch eine Einstellung eines Aluminiumgehalts entsprechender Schichten der Lasereinrichtung – beispielsweise im Rahmen eines Epitaxie-Fertigungsprozesses – der Brechungsindex der betreffenden Schichten beeinflusst werden. Der Aluminiumgehalt in den die Lasereinrichtung bildenden Schichten kann vorteilhaft während der Fertigung so eingestellt werden, dass sich bei der angestrebten Betriebstemperatur der Lasereinrichtung, die i. d. R. von den vorgesehenen Pulsdauern und dem Kühlsystem abhängt, das für den Betrieb, insbesondere die optische Kopplung, optimale Brechungsindexprofil ergibt. Dies führt u. a. dazu, dass die erfindungsgemäße Lasereinrichtung bei der Referenztemperatur, die üblicherweise geringer ist als die Betriebstemperatur, ein nichtkonstantes Brechungsindexprofil aufweist, welches mit dem nichtkonstanten Temperaturprofil während des Betriebs der Lasereinrichtung korrespondiert. D. h., die Lasereinrichtung wird erfindungsgemäß – z. B. bezogen auf Raumtemperatur – bewusst unsymmetrisch hinsichtlich ihres Brechungsindexverlaufs ausgelegt, damit sie bei der von der Raumtemperatur abweichenden Betriebstemperatur bzw. einem entsprechenden nichtkonstanten Temperaturprofil den gewünschten, vorzugsweise symmetrischen bzw. konstanten Brechungsindexverlauf aufweist.
Eine besonders einfach realisierbare Erfindungsvariante ist dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex einer Schicht eines ersten Halbleiterlasers zumindest abschnittsweise um einen vorgebbaren, vorzugsweise konstanten, Wert von dem Brechungsindex einer korrespondierenden Schicht eines weiteren Halbleiterlasers abweicht.
Eine weitere sehr vorteilhafte Variante der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung sieht vor, dass die Halbleiterlaser eine unterschiedliche Anzahl von Quantenfilmen aufweisen, wodurch ebenfalls eine Beeinflussung eines über den jeweiligen Halbleiterlaser gemittelten Brechungsindex möglich ist.
Aufgrund ihrer hohen Effizienz auch bei der Erzeugung von Laserpulsen mit Pulsdauern im Mikro- oder sogar Millisekundenbereich eignet sich die erfindungsgemäße Lasereinrichtung ganz besonders zur Erzeugung von Pumpstrahlung zum optischen Pumpen von weiteren Lasersystemen, insbesondere von Festkörperlasern mit passiver Güteschaltung.
Besonders bevorzugt wird die erfindungsgemäße Lasereinrichtung dazu eingesetzt, in einem Pulsbetrieb Laserimpulse mit Pulsdauern von mindestens etwa zwei Mikrosekunden, vorzugsweise mindestens etwa zehn Mikrosekunden, zu erzeugen.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.
In der Zeichnung zeigt:
1a einen Brechungsindexverlauf über einer Schichtdickenkoordinate einer herkömmlichen Lasereinrichtung;
1b ein Temperaturprofil über der Schichtdickenkoordinate der Lasereinrichtung gemäß 1a bei einem Pulsbetrieb mit Pulsdauern im Nanosekundenbereich;
1c eine Intensitätsverteilung der durch die Lasereinrichtung gemäß
1a erzeugten Laserstrahlung im Fernfeld;
2a einen Brechungsindexverlauf einer herkömmlichen Lasereinrichtung, wie er sich bei einem Pulsbetrieb mit Pulsdauern im Mikrosekundenbereich ergibt;
2b ein Temperaturprofil aufgetragen über der Schichtdickenkoordinate für die Lasereinrichtung gemäß 2a;
2c eine Intensitätsverteilung der durch die Lasereinrichtung gemäß 2a erzeugten Laserstrahlung im Fernfeld;
3a bis 5a jeweils einen Brechungsindexverlauf über einer Schichtdickenkoordinate gemäß der vorliegenden Erfindung;
3b bis 5b den Brechungsindexverläufen der 3a bis 5a entsprechende Temperaturprofile;
3c bis 5c den Brechungsindexverläufen in den 3a bis 5a entsprechende Intensitätsverteilungen im Fernfeld;
6, 7 einen Brechungsindexverlauf über der Schichtdickenkoordinate gemäß weiterer Ausführungsformen; und
8 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung.
1a zeigt einen Verlauf eines Brechungsindex n der Komponenten einer herkömmlichen Lasereinrichtung mit insgesamt drei schichtartig übereinander angeordneten als Kantenemitter ausgebildeten monolithisch integrierten Halbleiterlasern 110, 120, 130.
Der Brechungsindexverlauf n ist aufgetragen über einer Schichtdickenkoordinate x, die einer Wachstumsrichtung eines epitaktischen Fertigungsprozesses entspricht, bei dem einzelne Komponenten 110, 120, 130 der herkömmlichen Lasereinrichtung nacheinander schichtweise in an sich bekannter Weise auf ein Substrat aufgewachsen werden.
Bei der in 1a veranschaulichten Struktur ist links des ersten Halbleiterlasers 110 ein vorliegend nicht abgebildetes Galliumarsenid-Substrat angeordnet, und rechts des dritten Halbleiterlasers 130 befindet sich eine ebenfalls nicht abgebildete Wärmesenke.
Zusätzlich zu dem Brechungsindexverlauf n zeigt 1a auch einen entsprechenden Verlauf des Quadrats E² der elektrischen Feldstärke in der Lasereinrichtung, der ebenfalls über der Schichtdickenkoordinate x aufgetragen ist.
Wie aus 1a ersichtlich ist, weisen die insgesamt drei Halbleiterlaser, die den Schichtbereichen 110, 120, 130 entsprechen, jeweils denselben Brechungsindexverlauf n auf. Dabei umgeben Wellenleiterbereiche 112a, 112b mit einem Brechungsindex n0 eine nicht näher bezeichnete aktive Zone, die beispielsweise einen Quantenfilm aufweist und einen größeren Brechungsindex besitzt als die Wellenleiterbereiche 112a, 112b. Die weiteren Halbleiterlaser 120, 130 besitzen einen identischen Aufbau und sind von benachbarten Halbleiterlasern jeweils getrennt durch Tunneldioden 140, die zwischen Barriereschichten 150 mit niedrigem Brechungsindex eingebettet sind.
Ein sich bei einem Pulsbetrieb der Lasereinrichtung einstellendes Temperaturprofil, d. h. der Temperaturverlauf in der Lasereinrichtung aufgetragen über der Schichtdickenkoordinate x, ist in 1b angegeben. Die Temperatur T ist wie aus 1b ersichtlich über die gesamte Schichtdicke der Lasereinrichtung konstant, weil vorliegend nur Pulsdauern im Nanosekundenbereich mit hinreichend langen Pulspausen verwendet werden, wodurch ein entsprechend geringer Wärmeeintrag in die Lasereinrichtung erfolgt. Daher weist die gesamte Lasereinrichtung die Umgebungstemperatur, beispielsweise Raumtemperatur, auf.
1c zeigt eine Intensitätsverteilung I aufgetragen über dem Winkel θ, wie sie sich im Fernfeld der herkömmlichen Lasereinrichtung ergibt. Etwa 95% der als Laserstrahlung abgestrahlten Energie liegen in einem Winkelbereich Δθ von 60°, so dass ein effizienter Betrieb gegeben ist.
2a zeigt einen Brechungsindexverlauf n der bereits unter Bezugnahme auf die 1a bis 1c beschriebenen herkömmlichen Lasereinrichtung, wie er sich bei einem Betrieb mit Pulsdauern im Mikrosekundenbereich ergibt. Aufgrund der im Vergleich zu dem Szenario gemäß 1a wesentlich größeren Pulsdauern ergibt sich eine nicht mehr vernachlässigbare Erwärmung der herkömmlichen Lasereinrichtung, was auch aus dem Temperaturprofil T gemäß 2b ersichtlich ist. Eine maximale Temperatur herrscht etwa im Bereich der Lasereinrichtungen 110, 120, während in dem Bereich der Lasereinrichtung 130 eine verhältnismäßig geringe Temperatur herrscht, was darauf zurückzuführen ist, dass sich die Lasereinrichtung 130 in räumlicher Nähe zu der bereits erwähnten Wärmsenke, wie beispielsweise einem Kühlkörper, befindet.
Aufgrund des nunmehr nichtkonstanten Temperaturprofils T gemäß 2b ergibt sich eine von der Schichtdickenkoordinate x abhängige Veränderung des Brechungsindex n der verschiedenen Halbleiterlaser 110, 120, 130, vgl. 2a. D. h. während des Pulsbetriebs mit Pulsdauern im Mikrosekundenbereich haben die drei Halbleiterlaser 110, 120, 130 keine identischen Brechungsindexverläufe n mehr, wie dies bei dem Szenario gemäß 1a mit nur unwesentlicher Erwärmung der Fall war. Durch die individuellen Abweichungen des Brechungsindex n der Halbleiterlaser 110, 120, 130 werden die betreffenden Lasermoden entsprechend deformiert, und es sind keine optimalen Bedingungen mehr für die optische Kopplung der Halbleiterlaser 110, 120, 130 gegeben. Dies ist auch an der unsymmetrischen Verteilung des Quadrats E² der elektrischen Feldstärke aus 2a abzulesen.
Dementsprechend erhöht sich auch der Winkelbereich Δθ (2c), in dem etwa 95% der abgestrahlten Energie auftreten, nachteilig auf etwa 81°.
Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, dass anstelle von jeweils miteinander optisch gekoppelten Halbleiterlasern mindestens ein Halbleiterlaser 130 vorgesehen ist, der nicht mit einem benachbarten Halbleiterlaser 120 optisch gekoppelt ist.
8 zeigt schematisch eine Seitenansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 100, bei der drei als Kantenemitter ausgebildete Halbleiterlaser 110, 120, 130 in einer Stapelanordnung monolithisch integriert übereinander geschichtet sind. Benachbarte Halbeiterlaser 110, 120 sind hierbei in an sich bekannter Weise über eine Tunneldiode 140 miteinander verbunden, um eine elektrische Versorgung der Halbleiterlaser 110, 120, 130 zu ermöglichen. Entsprechende Elektroden an den Oberflächen der Lasereinrichtung 100 sind nicht abgebildet.
Das nachstehend beschriebene erfindungsgemäße Prinzip kann generell auf Lasereinrichtungen mit einer beliebigen Anzahl gestapelter Kantenemitter angewandt werden, ist der Übersichtlichkeit halber nachfolgend jedoch anhand einer Lasereinrichtung 100 mit drei gestapelten Halbleiterlasern 110, 120, 130 erläutert.
Die ebenfalls in 8 gezeigte Ortskoordinate x gibt eine Wachstumsrichtung eines epitaktischen Fertigungsprozesses an, bei dem die einzelnen Komponenten der Lasereinrichtung 100 nacheinander schichtweise in an sich bekannter Weise auf ein Substrat 102, beispielsweise ein GaAs-Substrat, aufgewachsen werden.
Die Lasereinrichtung 100 weist in an sich bekannter Weise angeordnete Barriereschichten 150 auf, die die optische Kopplung benachbarter Halbleiterlaser 110, 120 steuern und gleichzeitig dafür sorgen, dass das Strahlungsfeld im Bereich der Tunneldiode 140 einen vorgebbaren Schwellwert nicht überschreitet, um die intrinsischen Verluste in dem der Tunneldiode 140 zugeordneten Schichtbereich gering zu halten.
Die Halbleiterlaser 110, 120, 130 weisen die in 8 durch die Doppelpfeile x1, x2, x3 angedeuteten Schichtdicken auf, und die von ihnen emittierte Laserstrahlung ist durch den Blockpfeil 200 symbolisiert.
In dem in 8 oberen Bereich der Lasereinrichtung 100 ist eine Wärmesenke 104 angeordnet, die beispielsweise mit einer Kühlvorrichtung, wie z. B. einem Peltierelement, verbunden sein kann und der Kühlung der Lasereinrichtung 100 dient.
Eine Brechungsindexprofil n der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 100 ist in 3a abgebildet. Bei dieser Ausführungsform ist das Brechungsindexprofil n der Lasereinrichtung 100 vorteilhaft so gewählt, dass eine optische Kopplung zwischen den Halbleiterlasern 110, 120, nicht aber zwischen den Halbleiterlasern 120, 130 gegeben ist. Dies wird vorliegend dadurch bewirkt, dass die Barriereschichten 150' zwischen den nicht optisch gekoppelten Halbleiterlasern 120, 130 eine größere Schichtdicke, gemessen entlang der Schichtdickenkoordinate x, aufweisen als die Barriereschichten 150 zwischen den optisch gekoppelten Halbleiterlasern 110, 120. Alternativ oder ergänzend zu der gesteigerten Schichtdicke der Barriereschichten 150' kann für die Ausbildung der Barriereschichten 150' zum Zwecke der optischen Entkopplung auch ein niedrigerer Brechungsindex als in den herkömmlich ausgebildeten Barriereschichten 150 verwendet werden.
D. h., die Barriereschicht 150' zur Realisierung der erfindungsgemäßen optischen Entkopplung kann sich insbesondere hinsichtlich ihrer Schichtdicke und/oder ihres Brechungsindex von der herkömmlichen Barriereschicht 150 unterscheiden.
Infolge der erfindungsgemäßen gezielten Entkopplung des Halbleiterlasers 130 kann darin nur eine Lasermode anschwingen, deren günstige Fernfeldverteilung in 3c abgebildet ist.
Durch die erfindungsgemäße Kombination optisch gekoppelter Halbleiterlaser 110, 120 mit dem optisch nicht gekoppelten Halbleiterlaser 130 ist trotz des nichtkonstanten Temperaturprofils T, vgl. 3b, ein effizienter Betrieb der Lasereinrichtung 100 möglich, weil die Problematik von Unsymmetrien des Brechungsindex n hinsichtlich der optischen Kopplung zwischen den Halbleiterlasern 120, 130 aufgrund der fehlenden optischen Kopplung nicht auftritt
Die 4a, 5a zeigen zwei mögliche Moden, die in dem Bereich der optisch gekoppelten Halbleiterlaser 110, 120 gemäß 3a auftreten können, vgl. auch das sich jeweils ergebende Fernfeld in den 4c, 5c.
Durch die im Vergleich zu der Schichtgrenze 120, 130 geringen, jedoch nicht verschwindenden, Temperaturdifferenzen im Bereich der Halbleiterlaser 110, 120 (4b, 5b) können beide gezeigten Moden anschwingen. Allerdings fallen die Effizienzverluste durch ein unterschiedlich starkes Lichtfeld E² in den Bereichen 110, 120 nicht so stark aus, wie dies im Bereich größerer Temperaturunterschiede und damit i. d. R. größerer Brechungsindexunterschiede gegeben ist. Die beiden Moden haben typischerweise voneinander abweichende Fernfeldwinkel von etwa 65°, 4c, und etwa 55°, 5c. Sofern beide Moden mit gleicher Intensität schwingen, ist ein Fernfeldwinkel von etwa 60° zu erwarten, was bei der Auslegung der Wellenleiterschichten der Halbleiterlaser 110, 120 zu berücksichtigen ist.
Möglich ist auch, die Struktur so auszulegen, dass nur die in 5a abgebildete Mode hinreichend kleine intrinsische Verluste hat und somit nur diese Mode anschwingt. Dazu ist beispielsweise eine gesteigerte optische Kopplung oder eine dickere Tunneldiodenschicht 140 vorzusehen.
Eine weitere vorteilhafte Erfindungsvariante sieht vor, dass ein erster Brechungsindexverlauf eines ersten Halbleiterlasers 110 über der Schichtdickenkoordinate x und bezogen auf eine Referenztemperatur verschieden ist von einem entsprechenden zweiten Brechungsindexverlauf eines zweiten Halbleiterlasers 120. Durch diese erfindungsgemäße Variation des Brechungsindexverlaufs zwischen unterschiedlichen Halbleiterlasern 110, 120 der Lasereinrichtung ist vorteilhaft eine weitgehende Kompensation des vorstehend beschriebenen, von herkömmlichen Lasereinrichtungen bekannten, Effekts der Beeinflussung des Brechungsindexverlaufs aufgrund des Temperaturprofils möglich.
6 zeigt einen Brechungsindexverlauf n der optisch miteinander gekoppelten Halbleiterlaser 110, 120 einer entsprechenden Ausführungsform der Lasereinrichtung 100, wie er sich unter Einfluss von Temperatureffekten während eines Pulsbetriebs mit Pulsdauern im Mikrosekundenbereich ergibt. Der erfindungsgemäß entkoppelte weitere Halbleiterlaser 130 (3a) ist in 6 der Übersichtlichkeit halber nicht abgebildet.
Neben dem Verlauf des Brechungsindex n der Lasereinrichtung 100 über der Schichtdickenkoordinate x des Epitaxie-Fertigungsprozesses ist in 6 auch die Lichtverteilung über der Schichtdickenkoordinate x in Form des Quadrats E² der elektrischen Feldstärke in der Lasereinrichtung 100 angegeben.
Jeder Halbleiterlaser 110, 120 weist eine aktive Zone 111, 121 mit einem Quantenfilm oder dergleichen auf. Die aktive Zone 111, 121 ist jeweils von einem Wellenleiter 112a, 112b bzw. im Falle des weiteren Halbleiterlasers 120 von Wellenleitern 122a, 122b umgeben.
Außenseitig des Wellenleiterbereichs 112a ist eine Mantelschicht 101 angeordnet, deren Brechungsindex kleiner ist als der Brechungsindex des Wellenleiterbereichs 112a.
Mittig zu den Halbleiterlasern 110, 120 ist eine Tunneldiode 140 angeordnet, die zwischen den bereits unter Bezugnahme auf 8 beschriebenen Barriereschichten 150 liegt.
Die Barriereschichten 150 beeinflussen die Lichtverteilung E² in der Lasereinrichtung 100 vorteilhaft so, dass eine optische Kopplung zwischen der in dem ersten Wellenleiter 112a, 112b geführten Strahlung mit der in dem zweiten Wellenleiter 122a, 122b geführten Strahlung möglich ist. Gleichzeitig verhindern die Barriereschichten 150 vorteilhaft eine allzu starke Ausdehnung des Lichtfelds in die zwischen den Halbleiterlasern 110, 120, 130 liegenden Bereiche, so dass u. a. die Absorption durch die Tunneldioden 140 gering ist.
Erfindungsgemäß ist der Brechungsindexverlauf n der Halbleiterlaser 110, 120 – bezogen auf eine Referenztemperatur – unterschiedlich voneinander gewählt.
Dadurch wird vorteilhaft dem nichtkonstanten Temperaturprofil T (3b) Rechnung getragen, das sich während des Betriebs der Lasereinrichtung 100 in einem Pulsbetrieb mit Pulsdauern im Mikrosekundenbereich ergibt.
Durch die erfindungsgemäße Auswahl des Brechungsindexverlaufs n werden vorteilhaft Temperatureinflüsse auf den Brechungsindexverlauf derart kompensiert, dass ein jeweils über die Schichtdicken x1, x2 (8) der Halbleiterlaser 110, 120 gemittelter Brechungsindex – unter Berücksichtigung des Temperatureinflusses – einen gewünschten Wert annimmt.
Die erfindungsgemäße Modifikation des Brechungsindexverlaufs der Halbleiterlaser 110, 120 erfolgt wie aus 6 ersichtlich bei der vorliegenden Ausführungsform durch die Vorsehung besonderer Bereiche 112a', 112b', 122a', 122b', deren Brechungsindex etwas geringer gewählt ist als der Brechungsindex der sie umgebenden weiteren Wellenleiterbereiche 112a, 112b, 122a, 122b.
Hierdurch wird der in dem Bereich des Halbleiterlasers 120 bei Betrieb verstärkten Erwärmung, vgl. das Temperaturprofil T aus 3b, derart entgegengewirkt, dass sich für den Halbleiterlaser 120 unter Einwirkung der höheren Temperatur ein gemittelter Brechungsindex ergibt, der in etwa dem gemittelten Brechungsindex des nicht in demselben Maße temperaturbeaufschlagten Halbleiterlasers 110 entspricht.
Dadurch kann vorteilhaft die optische Kopplung zwischen den Halbleiterlasern 110, 120 verbessert werden, so dass zusätzlich zu der erfindungsgemäßen Vorsehung nicht optisch gekoppelter Halbleiterlaser 130 auch in dem Bereich der optisch gekoppelten Halbleiterlaser 110, 120 eine verbesserte Fernfeldcharakteristik erzielbar ist.
Obwohl durch die erfindungsgemäße Konfiguration der Halbleiterlaser 110, 120 mit nichtkonstantem Brechungsindexverlauf n vorliegend eine Fernfeldverteilung mit zwei Hauptmaxima erhalten wird, liegen etwa 95% der betrachteten Strahlungsleistung in einem vorgegebenen Winkelbereich Δθ = 60°, so dass die erfindungsgemäße Lasereinrichtung 100 besonders bevorzugt im Bereich von high-power-Laseranwendungen zum Einsatz kommt, die nicht unbedingt ein einzelnes Hauptmaximum erfordern, sondern vielmehr allein eine hohe Konzentration der Strahlungsleistung in dem vorgegebenen Winkelbereich Δθ. Daher eignet sich die erfindungsgemäße Lasereinrichtung 100 insbesondere zur Anwendung in laserbasierten Zündsystemen für Brennkraftmaschinen, speziell als Pumplichtquelle zum optischen Pumpen von weiteren Lasereinrichtungen wie z. B. passiv gütegeschalteten Festkörperlasern, die in Laserzündkerzen angeordnet sind.
Die erfindungsgemäße Lasereinrichtung 100 ist bevorzugt in Form eines AlGaAs-Systems realisiert, wobei die aktiven Zonen 111, 121, 131 GaAsP und/oder InAlGaAs aufweisen.
7 zeigt einen Brechungsindexverlauf n der optisch miteinander gekoppelten Halbleiterlaser 110, 120 einer weiteren Ausführungsform der Lasereinrichtung 100, bei dem die erfindungsgemäße Modifikation des über die jeweiligen Halbleiterlaser 110, 120 gemittelten Brechungsindex dadurch erfolgt, dass die aktiven Zonen 111, 121 jeweils über unterschiedliche viele Quantenfilme verfügen. Da die Einführung des weiteren Quantenfilms in der aktiven Zone 111 zu einer starken Erhöhung des mittleren Brechungsindex des Halbleiterlasers 110 führt, ist es vorteilhaft, gleichzeitig den Brechungsindex in dem umgebenden Wellenleiter 112a, 112b zu reduzieren. Die hierfür beispielsweise erforderliche Erhöhung des Aluminiumgehalts des die Wellenleiter 112a, 112b bildenden Materials liegt im einstelligen Prozentbereich und kann im Rahmen herkömmlicher epitaktischer Fertigungsprozesse gut eingestellt werden.
Es ist ferner vorteilhaft, den Brechungsindex der die Tunneldioden 140 umgebenden Barriere- bzw. Mantelschichten 150 zu erhöhen. Auch die Lage der Quantenfilme relativ zu den sie umgebenden Wellenleitern 112a, 112b kann erfindungsgemäß modifiziert werden, um temperaturbedingte Verzerrungen des Brechungsindexprofils n für einen vorgebbaren Betriebstemperaturbereich zu kompensieren.
Die vorstehend beschriebenen Maßnahmen ermöglichen eine weitgehende Kompensation der unsymmetrischen temperaturbedingten Beeinflussung des Brechungsindexprofils n über die optisch miteinander gekoppelten Halbleiterlaser 110, 120, was zu einer im wesentlichen symmetrischen Lichtfeldverteilung E² darin bei Betriebstemperatur und damit zu dem bereits beschriebenen günstigen Fernfeld führt.
Der erfindungsgemäß optisch nicht gekoppelte Halbleiterlaser 130 kann einen zu den Halbleiterlasern 110, 120 vergleichbaren oder auch einen abweichenden Brechzahlverlauf aufweisen.
Weitere Maßnahmen zur erfindungsgemäßen Beeinflussung des Brechungsindexverlaufs n im Sinne einer Kompensation von Temperatureffekten können umfassen: Vorsehung unterschiedlicher Schichtdicken für die Wellenleiterbereiche 112a, 112b, 122a, 122b, 132a, 132b, die Barriereschichten 150, 150' sowie die Zugabe weiterer Komponenten wie z. B. Phosphor bei der Fertigung der Lasereinrichtung 100, um das Brechungsindexprofil n zu verändern.
Die vorstehenden erfindungsgemäßen Maßnahmen lassen sich auch miteinander kombinieren und sind generell auch auf Lasereinrichtungen mit mehr als drei Halbleiterlasern 110, 120, 130 anwendbar.
Eine bezogen auf die Schichtickenkoordinate x abwechselnde Vorsehung von optisch miteinander gekoppelten Halbleiterlasern 110, 120 und nicht optisch miteinander gekoppelten Halbleiterlasern 130 ist ebenfalls denkbar.
Neben einer kontinuierlichen Veränderung des Brechungsindex n über der Schichtdickenkoordinate x, die eine sehr präzise Einstellung des Aluminium- oder sonstigen den Brechungsindex n beeinflussenden Fremdstoffgehalts, erfordert, kann z. B. ein bestimmter Abschnitt 112a' (6) einer Wellenleiterschicht 112a mit einem veränderten Brechungsindex ausgebildet werden, um den erfindungsgemäßen Effekt zu erzielen.
Eine weitere, besonders einfache Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 100 ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Schichtaufbau der Lasereinrichtung 100 in zwei aneinander angrenzende Schichtdickenbereiche B1, B2 (8) unterteilt ist, wobei ein erster Schichtdickenbereich B1 Halbleiterlaser 110, 120 aufweist, die jeweils mit benachbarten Halbleiterlasern desselben Schichtdickenbereichs optisch gekoppelt sind, und wobei ein zweiter Schichtdickenbereich B2 Halbleiterlaser 130 aufweist, die nicht mit benachbarten Halbleiterlasern, insbesondere desselben Schichtdickenbereichs, optisch gekoppelt sind. Besonders bevorzugt erfolgt die Unterteilung der Schichtdickenbereiche in Abhängigkeit von einem für einen Betrieb der Lasereinrichtung 100 erwarteten Temperaturverlauf T über der Schichtdickenkoordinate x. Die erfindungsgemäße Einteilung in die unterschiedlichen Schichtdickenbereiche B1, B2 ermöglicht eine besonders einfache Fertigung der Lasereinrichtung 100, bei der die eine optische Kopplung benachbarter Halbleiterlaser 110, 120 bestimmenden Fertigungsparameter nur einmal, nämlich in dem Übergangsbereich zwischen den beiden Schichtdickenbereichen B1, B2, verändert werden müssen.
Optisch von ihren Nachbarn entkoppelte Halbleiterlaser 130 werden bevorzugt in solchen Bereichen der Lasereinrichtung 100 vorgesehen, in denen bei Betrieb große Temperaturänderungen über der Schichtdickenkoordinate x vorhanden sind.
Aufgrund ihrer hohen Effizienz auch bei der Erzeugung von Laserpulsen mit Pulsdauern im Mikro- oder sogar Millisekundenbereich eignet sich die erfindungsgemäße Lasereinrichtung 100 ganz besonders zur Erzeugung von Pumpstrahlung 200 zum optischen Pumpen von weiteren Lasersystemen, insbesondere von Festkörperlasern mit passiver Güteschaltung.
Besonders bevorzugt wird die erfindungsgemäße Lasereinrichtung 100 dazu eingesetzt, in einem Pulsbetrieb Laserimpulse mit Pulsdauern von mindestens etwa zwei Mikrosekunden, vorzugsweise mindestens etwa zehn Mikrosekunden, zu erzeugen, insbesondere um Festkörperlaser von Laserzündkerzen optisch zu pumpen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006061532 A1 [0002]

Claims

Lasereinrichtung (100) mit mindestens zwei schichtartig übereinander angeordneten und als Kantenemitter ausgebildeten monolithisch integrierten und optisch miteinander gekoppelten Halbleiterlasern (110, 120), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer Halbleiterlaser (130) vorgesehen ist, der nicht mit einem benachbarten Halbleiterlaser (120) optisch gekoppelt ist.
Lasereinrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schichtaufbau der Lasereinrichtung (100) in zwei aneinandergrenzende Schichtdickenbereiche (B1, B2) unterteilt ist, wobei ein erster Schichtdickenbereich (B1) Halbleiterlaser (110, 120) aufweist, die jeweils mit benachbarten Halbleiterlasern (110, 120) desselben Schichtdickenbereichs (B1) optisch gekoppelt sind, und wobei ein zweiter Schichtdickenbereich (B2) Halbleiterlaser (130) aufweist, die nicht mit benachbarten Halbleiterlasern (130), insbesondere desselben Schichtdickenbereichs (B2), optisch gekoppelt sind.
Lasereinrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Brechungsindexverlauf (n) eines ersten Halbleiterlasers (110) über einer Schichtdickenkoordinate (x) und bezogen auf eine Referenztemperatur verschieden ist von einem entsprechenden zweiten Brechungsindexverlauf eines zweiten Halbleiterlasers (120).
Lasereinrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein über eine Schichtdicke (x1) eines ersten Halbleiterlasers (110) gemittelter Brechungsindex bezogen auf eine Referenztemperatur von einem über eine Schichtdicke (x2) eines zweiten Halbleiterlasers (120) gemittelten Brechungsindex bezogen auf die Referenztemperatur verschieden ist.
Lasereinrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex (n) der Lasereinrichtung (100), insbesondere von die Halbleiterlaser (110, 120) bildenden Komponenten, sich zumindest abschnittsweise kontinuierlich über der Schichtdickenkoordinate (x) ändert.
Lasereinrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex (n) einer Schicht (112) eines ersten Halbleiterlasers (110) zumindest abschnittsweise um einen vorgebbaren, vorzugsweise konstanten, Wert von dem Brechungsindex (n) einer korrespondierenden Schicht (122) eines weiteren Halbleiterlasers (120) abweicht.
Lasereinrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterlaser (110, 120, 130) eine unterschiedliche Anzahl von Quantenfilmen (111, 121, 131) aufweisen.
Verfahren zum optischen Pumpen eines Lasers, insbesondere eines passiv gütegeschalteten Festkörperlasers, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Lasereinrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche dazu verwendet wird, Pumpstrahlung zum optischen Pumpen des Lasers zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (100) in einem Pulsbetrieb Laserimpulse erzeugt, deren Impulsdauer mindestens 2 Mikrosekunden, vorzugsweise mindestens 10 Mikrosekunden, beträgt.