DE102011103952A1

DE102011103952A1 - Kantenemittierender Halbleiterlaser

Info

Publication number: DE102011103952A1
Application number: DE102011103952A
Authority: DE
Inventors: Dr. Lindberg Hans
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2011-06-10
Filing date: 2011-06-10
Publication date: 2012-12-13
Anticipated expiration: 2031-06-11
Also published as: US8995491B2; JP2014516211A; WO2012168437A1; DE102011103952B4; JP6002213B2; US20140133505A1

Abstract

Es wird ein kantenemittierender Halbleiterlaser mit einer ersten Wellenleiterschicht (1), in die eine Laserstrahlung (11) erzeugende aktive Schicht (3) eingebettet ist, und einer zweiten Wellenleiterschicht (2), in die keine aktive Schicht eingebettet ist, angegeben. Die in der aktiven Schicht (3) erzeugte Laserstrahlung (11) bildet eine stehende Welle (12) ausbildet, die in einer Strahlrichtung des Halbleiterlasers in periodischen Abständen jeweils Intensitätsmaxima in der ersten Wellenleiterschicht (1) und korrespondierende Intensitätsminima in der zweiten Wellenleiterschicht (2) sowie Intensitätsminima in der ersten Wellenleiterschicht (1) und korrespondierende Intensitätsmaxima in der zweiten Wellenleiterschicht (2) aufweist. Eine zumindest bereichsweise periodische Kontaktstruktur (8) ist an einer Oberfläche des kantenemittierenden Halbleiterlasers angeordnet, wobei eine Periodenlänge der Kontaktstruktur (8) gleich einer Periodenlänge der stehenden Welle (12) ist, so dass der Halbleiterlaser eine Emissionswellenlänge λ aufweist, die durch die Periodenlänge der Kontaktstruktur (8) eingestellt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen kantenemittierenden Halbleiterlaser.
Die Emissionswellenlänge von Halbleiterlasern ist in der Regel von der Temperatur abhängig. Dies beruht insbesondere auf der Temperaturabhängigkeit der elektronischen Bandlücke der verwendeten Halbleitermaterialien. Um die in der Regel unerwünschte Temperaturabhängigkeit der Emissionswellenlänge zu vermindern, wird bei herkömmlichen Halbleiterlasern zum Beispiel eine Temperaturstabilisierung mittels passiven oder aktiv gekühlten Wärmesenken durchgeführt.
Alternativ oder zusätzlich werden Strukturen mit räumlich variierendem Brechungsindex eingesetzt, zum Beispiel bei DFB- oder DBR-Lasern. Durch solche Strukturen kann die Temperaturabhängigkeit der Wellenlänge vermindert werden, wobei aber in der Regel ein erhöhter Herstellungsaufwand erforderlich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kantenemittierenden Halbleiterlaser anzugeben, der sich durch eine verringerte und/oder gezielt einstellbare Temperaturabhängigkeit der Emissionswellenlänge auszeichnet und mit einem vergleichsweise geringen Herstellungsaufwand hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch einen kantenemittierenden Halbleiterlaser mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einer Ausgestaltung weist der kantenemittierende Halbleiterlaser eine erste Wellenleiterschicht, in die eine Laserstrahlung erzeugende aktive Schicht eingebettet ist, und eine zweite Wellenleiterschicht, in die keine aktive Schicht eingebettet ist, auf. Mit anderen Worten enthält der kantenemittierende Halbleiterlaser einen aktiven Wellenleiter, der durch die erste Wellenleiterschicht mit der eingebetteten aktiven Schicht gebildet wird, und einen passiven Wellenleiter, der durch die zweite Wellenleiterschicht gebildet wird.
Gemäß einer Ausgestaltung ist die erste Wellenleiterschicht zwischen einer ersten Mantelschicht und einer zweiten Mantelschicht angeordnet, und die zweite Wellenleiterschicht zwischen der zweiten Mantelschicht und einer dritten Mantelschicht angeordnet. Die erste Wellenleiterschicht und die zweite Wellenleiterschicht sind also in vertikaler Richtung übereinander angeordnet und durch die zweite Mantelschicht voneinander beabstandet.
Die in der aktiven Schicht erzeugte Laserstrahlung bildet vorteilhaft in einem Laserresonator, der durch Seitenfacetten des Halbleiterlasers gebildet wird, eine stehende Welle aus. Die stehende Welle weist in einer Strahlrichtung des Halbleiterlasers in periodischen Abständen jeweils Intensitätsmaxima in der ersten Wellenleiterschicht und korrespondierende Intensitätsminima in der zweiten Wellenleiterschicht sowie Intensitätsminima in der ersten Wellenleiterschicht und korrespondierende Intensitätsmaxima in der zweiten Wellenleiterschicht auf.
In dem Halbleiterlaser gibt es also periodisch angeordnete Bereiche, in denen die sich entlang der Wellenleiterschichten ausbreitende Laserstrahlung eine hohe Intensität in der ersten Wellenleiterschicht und eine niedrigere Intensität in der zweiten Wellenleiterschicht aufweist, und dazwischen angeordnete Bereiche, in denen die Laserstrahlung eine hohe Intensität in der zweiten Wellenleiterschicht und eine niedrige Intensität in der ersten Wellenleiterschicht aufweist. Dies beruht darauf, dass die Laserstrahlung, die sich in den benachbarten Wellenleiterschichten ausbreitet, teilweise oder sogar vollständig von dem einen Wellenleiter in den anderen Wellenleiter überkoppeln kann. Die erste Wellenleiterschicht und die zweite Wellenleiterschicht sind also optisch aneinander gekoppelt. Simulationsrechnungen zeigen, dass die Wellenleiterstruktur aus der ersten Wellenleiterschicht und der zweiten Wellenleiterschicht die Ausbreitung von zwei Lasermoden ermöglicht, für die die Wellenleiterstruktur zwei geringfügig verschiedene effektive Brechungsindizes aufweist, so dass sich die beiden Lasermoden mit verschiedenen Geschwindigkeiten ausbreiten. Die Überlagerung der elektromagnetischen Felder der beiden ausbreitungsfähigen Moden führt zu einem periodischen Intensitätsprofil in der Strahlrichtung, bei dem die Intensität abwechselnd Maxima in der einen und korrespondierende Minima in der anderen Wellenleiterschicht aufweist.
Für die Periodenlänge Γ der stehenden Welle gilt Γ = λ/(n₁ – n₂), wobei λ die Wellenlänge der Laserstrahlung und n₁ und n₂ die effektiven Brechungsindizes der beiden überlagerten Lasermoden sind. Die Periodenlänge Γ der stehenden Welle ist in der Regel wesentlich größer als die Wellenlänge der Laserstrahlung λ Beispielsweise ergibt sich für die Wellenlänge λ = 950 nm und die effektiven Brechungsindizes n₁ 3,4120 und n₂ = 3,3824 eine Periodenlänge Γ = 32 μm.
Gemäß einer Ausgestaltung ist eine zumindest bereichsweise periodische Kontaktstruktur an einer Oberfläche des kantenemittierenden Halbleiterlasers angeordnet. Eine Periodenlänge der Kontaktstruktur ist gleich einer Periodenlänge der stehenden Welle. Die periodische Kontaktstruktur weist insbesondere eine periodische Abfolge von Kontaktflächen und dazwischen liegenden Öffnungen auf. Wenn durch die periodische Kontaktstruktur ein Strom in die Halbleiterschichtenfolge des kantenemittierenden Halbleiterlasers eingeprägt wird, wird die aktive Schicht in den Bereichen unterhalb der Kontaktflächen elektrisch gepumpt, so dass in diesen Bereichen eine optische Verstärkung vorliegt. Dagegen sind diejenigen Bereiche der aktiven Schicht, die unterhalb der zwischen den Kontaktflächen angeordneten Öffnungen liegen, absorbierend. Durch die periodische Kontaktstruktur wird daher ein periodisches Verstärkungs- und Absorptionsprofil in der aktiven Schicht erzeugt. Da die Periodenlänge der stehenden Welle von der Emissionswellenlänge des Halbleiterlasers abhängig ist, stimmt die Periodenlänge der stehenden Welle bei einer vorgegebenen Periodenlänge der Kontaktstruktur nur für eine bestimmte Emissionswellenlänge mit der Periodenlänge der Kontaktstruktur überein. Nur für diese Emissionswellenlänge ergibt sich eine stehende Welle, deren Periodenlänge mit dem durch die Kontaktstruktur erzeugten Verstärkungsprofil übereinstimmt, so dass nur diese durch die Periodenlänge der Kontaktstruktur definierte Emissionswellenlänge verstärkt wird. Auf diese Weise wird daher erreicht, dass der Halbleiterlaser eine Emissionswellenlänge aufweist, die durch die Periodenlänge der Kontaktstruktur eingestellt ist.
Bei dem hier beschriebenen Halbleiterlaser ist im Vergleich zu herkömmlichen Halbleiterlasern insbesondere die Temperaturabhängigkeit der Emissionswellenlänge aufgrund einer temperaturabhängigen Änderung der elektronischen Bandlücke des Materials der aktiven Schicht vermindert. Dies beruht darauf, dass die Emissionswellenlänge von der Periodenlänge der Kontaktstruktur abhängig ist und somit durch die vorgegebene Kontaktstruktur fixiert wird.
Da die effektiven Brechungsindizes der ausbreitungsfähigen Lasermoden temperaturabhängig sind, ist auch die Periode der stehenden Welle temperaturabhängig, wodurch eine Temperaturabhängigkeit der Emissionswellenlänge resultieren kann. Da die Periode der stehenden Welle von der Differenz der effektiven Brechungsindizes der Lasermoden abhängig ist und für die Wellenleiterschichten Materialien mit verschiedenen thermooptischen Koeffizienten eingesetzt werden können, ist es möglich, den Betrag und das Vorzeichen der Temperaturabhängigkeit der Emissionswellenlänge gezielt einzustellen.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Emissionswellenlänge des Halbleiterlasers im wesentlichen temperaturunabhängig. Insbesondere kann die Emissionswellenlänge λ des Halbleiterlasers eine Temperaturabhängigkeit Δλ/ΔT von weniger als ±0,05 nm/K aufweisen.
Eine dafür geeignete Kombination der Materialien der ersten Wellenleiterschicht und der zweiten Wellenleiterschicht kann insbesondere durch Simulationsrechnungen bestimmt werden. Beispielsweise wird eine Simulationsrechnung durchgeführt, in der die Periode der stehenden Welle in Abhängigkeit von der Emissionswellenlänge für verschiedene Materialparameter der ersten und/oder zweiten Wellenleiterschicht berechnet wird. Beispielsweise können die erste Wellenleiterschicht und/oder die zweite Wellenleiterschicht Al_xGa_1-xAs aufweisen, wobei zum Beispiel der Aluminiumgehalt x der zweiten Wellenleiterschicht in der Simulationsrechnung variiert wird. Es hat sich zum Beispiel herausgestellt, dass sich durch eine Veränderung des Aluminiumgehalts x der zweiten Wellenleiterschicht eine definierte Zunahme der Emissionswellenlänge mit der Temperatur, eine im wesentliche temperaturunabhängige Emissionswellenlänge oder eine definierte Abnahme der Emissionswellenlänge mit zunehmender Temperatur einstellen lässt.
Die Emissionswellenlänge des Halbleiterlasers nimmt bei einer Ausgestaltung mit zunehmender Temperatur ab. Bei einer alternativen Ausgestaltung des Halbleiterlasers nimmt die Emissionswellenlänge mit zunehmender Temperatur zu.
Die periodische Kontaktstruktur weist vorzugsweise Kontaktflächen und dazwischen angeordnete Öffnungen auf. Die Breite der Kontaktflächen und der dazwischen angeordneten Öffnungen beträgt in der Strahlrichtung des Halbleiterlasers bevorzugt jeweils eine halbe Periodenlänge. Die Oberfläche des Halbleiterlasers ist also innerhalb einer Periode zur Hälfte von der Kontaktfläche bedeckt und zur anderen Hälfte nicht von der Kontaktfläche bedeckt.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung grenzt mindestens eine Seitenfacette des Halbleiterlasers an eine Randkontaktfläche an, deren Breite halb so groß ist wie die Breite der übrigen Kontaktflächen der periodischen Kontaktstruktur. Die Breite der Randkontaktfläche beträgt also vorzugsweise ein Viertel der Wellenlänge der stehenden Welle.
Bei dieser Ausgestaltung weist die Laserstrahlung an der Seitenfacette ein Intensitätsmaximum in der ersten Wellenleiterschicht auf, in die die aktive Schicht eingebettet ist. Die Seitenfacette ist beispielsweise die Strahlungsauskoppelfläche des Halbleiterlasers. Bei dieser Ausgestaltung wird die emittierte Strahlung an der Seitenfacette also im Bereich der ersten Wellenleiterschicht emittiert.
Bei einer weiteren Ausgestaltung grenzt zumindest eine Seitenfacette des Halbleiterlasers an eine Randöffnung an, deren Breite halb so groß ist wie die Breite der Öffnungen der periodischen Kontaktstruktur. Die Breite der Randöffnung beträgt also vorzugsweise ein Viertel der Wellenlänge der stehenden Welle. Bei dieser Ausgestaltung weist die Laserstrahlung an der Seitenfacette ein Intensitätsmaximum in der zweiten Wellenleiterschicht auf. Die Seitenfacette ist beispielsweise die Strahlungsauskoppelfläche des Halbleiterlasers. Die Laserstrahlung wird bei dieser Ausgestaltung im Bereich der zweiten Wellenleiterschicht aus dem Halbleiterlaser ausgekoppelt.
Es ist weiterhin auch möglich, dass die Kontaktstruktur mindestens einen nicht periodischen Bereich aufweist. Insbesondere kann der mindestens eine nicht periodische Bereich an eine Seitenfacette des Halbleiterlasers angrenzen. Die Seitenfacette des Halbleiterlasers, die an den nicht periodischen Bereich angrenzt, liegt vorzugsweise der Strahlungsauskoppelfläche gegenüber. Die als Strahlungsauskoppelfläche vorgesehene Seitenfacette des Halbleiterlasers grenzt in diesem Fall vorzugsweise an einen periodischen Bereich der Kontaktstruktur an, so dass wie zuvor beschrieben durch die Ausbildung der Kontaktstruktur definiert werden kann, ob die Laserstrahlung im Bereich der ersten Wellenleiterschicht oder der zweiten Wellenleiterschicht an der Seitenfacette aus dem Halbleiterlaser ausgekoppelt wird.
Bei einer weiteren Ausgestaltung weist die Kontaktstruktur einen ersten und einen zweiten periodischen Bereich auf, die in der Strahlrichtung zueinander versetzt angeordnet sind, wobei der erste periodische Bereich und der zweite periodische Bereich elektrisch voneinander isoliert und separat kontaktierbar sind. Der erste periodische Bereich und der zweite periodische Bereich weisen beispielsweise die gleiche Periode auf. Vorzugsweise sind der erste periodische Bereich und der zweite periodische Bereich derart angeordnet, dass die erste periodische Kontaktstruktur an die Seitenfacetten des Halbleiterlasers angrenzende Kontaktflächen aufweist, deren Breite halb so groß ist wie die übrigen periodisch angeordneten Kontaktflächen. Die zweite periodische Kontaktstruktur weist vorzugsweise an die Seitenfacetten des Halbleiterlasers angrenzende Öffnungen auf, deren Breite halb so groß ist wie die Breite der übrigen Öffnungen. Bei dieser Ausgestaltung des Halbleiterlasers wird die Laserstrahlung an der Seitenfacette im Bereich der ersten Wellenleiterschicht ausgekoppelt, wenn nur der erste periodische Kontaktstrukturbereich elektrisch kontaktiert wird. Die Laserstrahlung wird an der Seitenfacette im Bereich der zweiten Wellenleiterschicht ausgekoppelt, wenn nur der zweite periodische Kontaktstrukturbereich elektrisch angeschlossen wird. Durch wahlweises Kontaktieren des ersten oder des zweiten periodischen Kontaktstrukturbereichs kann daher definiert werden, an welcher Stelle der Seitenfacette die Laserstrahlung aus dem Halbleiterlaser ausgekoppelt wird.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Kontaktstruktur mehrere periodische Teilbereiche auf, die verschiedene Perioden zur Erzeugung mehrerer verschiedener Emissionswellenlängen aufweisen.
Die mehreren periodischen Teilbereiche sind beispielsweise in einer senkrecht zur Strahlrichtung verlaufenden Richtung voneinander beabstandet. In diesem Fall ist der Halbleiterlaser insbesondere ein Laserbarren, der mehrere zueinander versetzte Emissionsbereiche aufweist, wobei jeder der Emissionsbereiche durch eine periodische Kontaktstruktur kontaktiert wird, die verschiedene Perioden aufweisen können.
Alternativ ist es auch möglich, dass die mehreren periodischen Teilbereiche in einer senkrecht zur Strahlrichtung verlaufenden Richtung aneinander angrenzen. In diesem Fall überlappen die emittierten Strahlprofile der mehreren Emissionsbereiche miteinander, so dass ein Laserstrahl mit einer spektralen Bandbreite emittiert wird, die größer ist als im Fall einer einzelnen periodischen Kontaktstruktur.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung überlappen sich die mehreren periodischen Teilbereiche in der Strahlrichtung zumindest teilweise. Bei dieser Ausgestaltung weist die Kontaktstruktur beispielsweise Bereiche auf, die der ersten periodischen Kontaktstruktur zugeordnet sind, und weitere Bereiche, die der zweiten periodischen Kontaktstruktur zugeordnet sind. Weiterhin gibt es Bereiche, die beiden periodischen Kontaktstrukturen gleichzeitig zugeordnet sind.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den 1 bis 13 näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen kantenemittierenden Halbleiterlaser gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2 eine schematische Darstellung der Intensitätsverteilung der stehenden Welle in einem Ausführungsbeispiel des kantenemittierenden Halbleiterlasers,
3 eine graphische Darstellung der Periode der stehenden Welle in Abhängigkeit von der Emissionswellenlänge bei einem Ausführungsbeispiel des Halbleiterlasers,
4 eine graphische Darstellung der Periode der stehenden Welle in Abhängigkeit von der Emissionswellenlänge für zwei verschiedene Betriebstemperaturen bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Halbleiterlasers,
5 eine graphische Darstellung der Periode der stehenden Welle in Abhängigkeit von der Emissionswellenlänge für zwei verschiedene Betriebstemperaturen bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Halbleiterlasers,
6 eine graphische Darstellung der Periode der stehenden Welle in Abhängigkeit der Emissionswellenlänge für zwei verschiedene Betriebstemperaturen bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Halbleiterlasers, und
7 bis 13 jeweils schematisch dargestellte Aufsichten auf die Kontaktstruktur bei verschiedenen Ausführungsbeispielen des Halbleiterlasers.
Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
Das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel eines kantenemittierenden Halbleiterlasers weist eine erste Wellenleiterschicht 1 und eine zweite Wellenleiterschicht 2 auf. In die erste Wellenleiterschicht 1 ist eine aktive Schicht 3 eingebettet. Die erste Wellenleiterschicht weist eine erste Teilschicht 1a und eine zweite Teilschicht 1b auf, zwischen denen die aktive Schicht 3 angeordnet ist. In die zweite Wellenleiterschicht 2 ist keine aktive Schicht eingebettet. Somit ist die erste Wellenleiterschicht 1 eine aktive Wellenleiterschicht und die zweite Wellenleiterschicht 2 eine passive Wellenleiterschicht.
Die erste Wellenleiterschicht 1 ist zwischen einer ersten Mantelschicht 4 und einer zweiten Mantelschicht 5 angeordnet.
Die zweite Wellenleiterschicht 2 ist zwischen der zweiten Wellenleiterschicht 5 und einer dritten Mantelschicht 6 angeordnet. Die erste Wellenleiterschicht 1 und die zweite Wellenleiterschicht 2 sind also durch die zweite Mantelschicht 5 voneinander getrennt.
Die Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterlasers kann beispielsweise auf ein Substrat 7 aufgewachsen sein. Zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterlasers ist eine periodische Kontaktstruktur 8 an einer Oberfläche des Halbleiterlasers aufgebracht. Durch die periodische Kontaktstruktur 8 wird ein Strom in die Halbleiterschichtenfolge eingeprägt, der zu einem beispielsweise an der Rückseite des Substrats 7 angeordneten Rückseitenkontakt 10 fließt. Die periodische Kontaktstruktur 8 wird durch Kontaktflächen 8a und dazwischen angeordnete Öffnungen 8b gebildet. Die Kontaktflächen 8a und die Öffnungen 8b sind periodisch mit einer Periodenlänge D angeordnet. Die Breite der Kontaktflächen 8a und der Öffnungen 8b beträgt in der Strahlrichtung 11 des Halbleiterlasers vorzugsweise jeweils die Hälfte der Periodenlänge D.
An die Seitenfacetten 9a, 9b des Halbleiterlasers grenzen Randkontaktflächen 8c an, deren Breite in der Strahlrichtung 11 bevorzugt ein Viertel der Periodenlänge D beträgt. Die Randkontaktflächen 8c sind also vorzugsweise halb so breit wie die übrigen Kontaktflächen 8a. Auf diese Weise wird erreicht, dass die an einer der Seitenfacetten 9a, 9b reflektierte Laserstrahlung die gleiche Phase aufweist wie die einfallende Laserstrahlung.
Die erste Wellenleiterschicht 1 und die zweite Wellenleiterschicht 2 bilden zusammen eine Doppel-Wellenleiterstruktur. In der Doppelwellenleiterstruktur können sich zwei verschiedene Lasermoden gleichzeitig ausbreiten. Für diese Lasermoden ergeben sich aufgrund der unterschiedlichen räumlichen Intensitätsverteilung verschiedene effektive Brechungsindizes. Die zwei Lasermoden breiten sich daher mit geringfügig unterschiedlichen Geschwindigkeiten in den Wellenleiterschichten 1, 2 aus. Die überlagerten elektromagnetischen Felder der Lasermoden bilden in dem Laserresonator, der durch die Seitenfacetten 9a, 9b gebildet wird, eine stehende Welle aus. Durch konstruktive und destruktive Interferenz wechselt das Intensitätsmaximum zwischen der ersten und der zweiten Wellenleiterschicht räumlich hin und her.
Die räumliche Intensitätsverteilung der stehenden Welle 12 in dem Laserresonator ist schematisch in 2 dargestellt. Die stehende Welle 12 weist in periodischen Abständen Intensitätsmaxima in der ersten Wellenleiterschicht 1 auf. Dort, wo die stehende Welle in der ersten Wellenleiterschicht 1 ein Intensitätsmaximum aufweist, weist sie in der zweiten Wellenleiterschicht 2 ein korrespondierendes Intensitätsminimum auf. Die erste Wellenleiterschicht 1 weist an Positionen, die von den Intensitätsmaxima um eine halbe Periodenlänge versetzt sind, Intensitätsminima auf, wobei an diesen Stellen in der zweiten Wellenleiterschicht 2 korrespondierende Intensitätsmaxima vorliegen. Für die Periodenlänge Γ der stehenden Welle gilt Γ = λ/(n₁ – n₂), wobei λ die Wellenlänge der Laserstrahlung ist, und n₁ und n₂ die effektiven Brechungsindizes der in den Wellenleiterschichten 1, 2 ausbreitungsfähigen Lasermoden sind.
Die effektiven Brechungsindizes n₁ und n₂ sind durch die Materialien der Wellenleiterschichten 1, 2 sowie der umgebenden Mantelschichten 4, 5, 6 bestimmt. Bei dem Halbleiterlaser ist die Periode D der periodischen Kontaktstruktur an die Periode Γ der stehenden Welle angepasst. Durch die Kontaktflächen 8a der periodischen Kontaktstruktur wird ein Strom in periodisch angeordnete Bereiche der aktiven Schicht eingeprägt und somit an diesen Stellen eine optische Verstärkung erzeugt. In den Bereichen der zwischen den Kontaktflächen 8a angeordneten Öffnungen 8b wird das Material der aktiven Schicht nicht elektrisch gepumpt und wirkt dort absorbierend. Die periodische Kontaktstruktur 8 erzeugt also ein periodisches Verstärkungs- und Absorptionsprofil, das die Periodenlänge D aufweist. Das periodische Verstärkungs- und Absorptionsprofil bewirkt, dass genau das Modenprofil unterstützt wird, dessen resultierende stehende Welle die gleiche Periodenlänge Γ wie die Periodenlänge D der periodischen Kontaktstruktur aufweist. Da die Periodenlänge Γ der stehenden Welle von der Wellenlänge λ der Laserstrahlung abhängt, kann durch die Periodenlänge D der periodischen Kontaktstruktur die Wellenlänge λ der Laserstrahlung eingestellt werden.
Die Abhängigkeit der Periodenlänge Γ der stehenden Welle von der Laserwellenlänge λ ist in 3 dargestellt. Für eine vorgegebene Periode Γ der stehenden Welle, die gleich der Periodenlänge D der periodischen Kontaktstruktur ist, ergibt sich eine feste Emissionswellenlänge λ des Halbleiterlasers. Die Emissionswellenlänge λ des Halbleiterlasers ist daher durch die Periode D der periodischen Kontaktstruktur eingestellt. Insbesondere wird auf diese Weise vorteilhaft erreicht, dass eine temperaturbedingte Änderung der elektronischen Bandlücke des Halbleitermaterials nicht unmittelbar zu einer Änderung der Emissionswellenlänge λ führt.
Die Emissionswellenlänge λ des Halbleiterlasers ist aber im allgemeinen nicht vollkommen temperaturunabhängig, da die effektiven Brechungsindizes der Lasermoden und somit die Periodenlänge Γ der stehenden Welle in dem Laserresonator von der Temperatur abhängig sind. In 4 ist die Abhängigkeit der Periodenlänge Γ der stehenden Welle von der Emissionswellenlänge λ bei Temperaturen von T = 300 K und T = 350 K dargestellt.
Der Simulation liegt ein wie in 1 aufgebautes Schichtsystem mit folgenden Schichten zugrunde: Eine erste Mantelschicht 4 aus Al_0.23Ga_0.77As, eine erste Wellenleiterschicht 1 mit einer 45 nm dicken ersten Teilschicht 1a aus Al_0.06Ga_0.94As, einem 10 nm dicken GaAs-Quantentrog als aktive Schicht und einer 45 nm dicken Teilschicht 1b aus Al_0.06Ga_0.94As, einer 500 nm dicken zweiten Mantelschicht 5 aus Al_0.23Ga_0.77As, einer 90 nm dicken zweiten Wellenleiterschicht 2 aus Al_0.1Ga_0.9As und einer dritten Mantelschicht 6 aus Al_0.23Ga_0.77As. Die Simulation zeigt, dass sich für eine vorgegebene Periodenlänge D, die gleich der Periodenlänge Γ der stehenden Welle ist, bei der Temperatur T = 350 K eine größere Emissionswellenlänge λ ergibt als bei der Temperatur T = 300 K. Beispielsweise ergibt sich bei T 300 K für eine Periodenlänge D = 33,5 μm eine Emissionswellenlänge λ_300K = 954,2 nm. Die Emissionswellenlänge nimmt mit zunehmender Temperatur um etwa 0,02 nm/K zu, so dass die Emissionswellenlänge λ_350K bei T 350 K etwa 1 nm größer ist als bei T = 300 K.
Die Temperaturabhängigkeit der Emissionswellenlänge kann durch eine Änderung der Schichtdicken und/oder der Brechungsindizes der Wellenleiterschichten 1, 2 und/oder der Mantelschichten 4, 5, 6 vorteilhaft gezielt beeinflusst werden. 5 zeigt die Simulation der Periodenlänge D in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ, wobei im Unterschied zu dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel die zweite Wellenleiterschicht 2 Al_0.14Ga_0.84As aufweist. Die zweite Wellenleiterschicht 2 weist also einen größeren Aluminiumanteil als die zweite Wellenleiterschicht 2 aus Al_0.10Ga_0.90As bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel auf. Bei der in 5 dargestellten Simulation liegen die Kurven für T = 300 K und T = 350 K direkt aufeinander, so dass die Emissionswellenlänge λ im wesentlichen temperaturunabhängig ist. Beispielsweise ergibt sich für eine vorgegebene Periodenlänge D = 31,65 μm die gleiche Emissionswellenlänge bei der Temperatur T = 300 K wie bei T = 350 K. Auf diese Weise kann vorteilhaft ein besonders temperaturstabiler Laser realisiert werden. Insbesondere kann |Δλ/ΔT| < 0,05 nm/K gelten.
In 6 ist die Periodenlänge D in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ für ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem der Aluminiumanteil in der zweiten Wellenleiterschicht 2 noch weiter erhöht wurde. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die zweite Wellenleiterschicht 2 Al_0.18Ga_0.82As auf. In diesem Fall nimmt die Emissionswellenlänge λ für eine vorgegebene Periodenlänge D mit zunehmender Temperatur ab. Die Änderung der Emissionswellenlänge λ mit der Temperatur beträgt etwa –0,04 nm/K. Bei dem hier beschriebenen Halbleiterlaser kann daher sogar eine negative Temperaturdrift der Emissionswellenlänge λ erzielt werden.
Die Ausgestaltung der Kontaktstruktur an der Oberfläche des Halbleiterlasers bietet vielfältige Möglichkeiten, die räumliche und/oder spektrale Abstrahlcharakteristik des Halbleiterlasers zu beeinflussen, wie anhand der folgenden weiteren Ausführungsbeispiele erläutert wird.
Die in 7A in einer Aufsicht dargestellte Kontaktstruktur weist eine Vielzahl von periodisch angeordneten Kontaktflächen 8a mit dazwischen angeordneten Öffnungen 8b auf, wobei an die Seitenfacetten 9a, 9b des Halbleiterlasers jeweils Randkontaktflächen 8c angrenzen, deren Breite nur halb so groß ist wie die Breite der übrigen Kontaktflächen 8a. Bei dieser Ausgestaltung des Halbleiterlasers weist die stehende Welle an den Seitenfacetten 9a, 9b jeweils ein Intensitätsmaximum in der ersten wellenleiterschicht auf. Die Laserstrahlung wird daher an einer als Strahlungsauskoppelfläche dienenden Seitenfacette 9b im Bereich der ersten Wellenleiterschicht aus dem Halbleiterlaser ausgekoppelt.
Bei dem in 7B dargestellten Ausführungsbeispiel grenzt an die Seitenfacetten 9a, 9b des Halbleiterlasers jeweils eine Randöffnung 8d an, die halb so breit ist wie die übrigen Öffnungen 8b der periodischen Kontaktstruktur. Bei dieser Ausgestaltung des Halbleiterlasers weist die stehende Welle an den Seitenfacetten 9a, 9b jeweils ein Intensitätsminimum in der ersten Wellenleiterschicht und ein Intensitätsmaximum in der zweiten Wellenleiterschicht auf. Die Laserstrahlung wird daher an einer als Strahlungsauskoppelfläche vorgesehenen Laserfacette 9b im Bereich der zweiten Wellenleiterschicht aus dem Halbleiterlaser ausgekoppelt.
Beim Herstellen der Seitenfacetten 9a, 9b des Halbleiterlasers kann es möglicherweise schwierig sein, die gewünschte Breite der Randkontaktfläche 8c oder der Randöffnung 8d exakt einzuhalten.
Zur Verminderung des Herstellungsaufwands kann es daher vorteilhaft sein, die Kontaktstruktur nur teilweise periodisch auszuführen. In 8A ist eine Aufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer Kontaktstruktur dargestellt, die periodisch angeordnete Kontaktflächen 8a nur in einem Teilbereich aufweist. Zusätzlich weist die Kontaktstruktur einen nicht periodischen Bereich 8e auf. Der periodische Bereich schließt sich an eine Seitenfacette 9b des Halbleiterlasers an, die als Strahlungsauskoppelfläche vorgesehen ist. An die Strahlungsauskoppelfläche 9b grenzt eine Randkontaktfläche 8c an, deren Breite vorzugsweise ein Viertel der Periode der stehenden Welle beträgt. In diesem Fall wird daher die Strahlung aus dem Halbleiterlaser aus der ersten Wellenleiterschicht ausgekoppelt. Der nicht periodische Bereich 8e der Kontaktstruktur grenzt an die der Strahlungsauskoppelfläche gegenüber liegende Seitenfacette 9a des Halbleiterlasers an.
In 8B ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Kontaktstruktur in einer Aufsicht dargestellt, bei dem die Kontaktstruktur nur in einem zentralen Bereich periodisch ausgebildet ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel grenzt an beide Seitenfacetten 9a, 9b des Halbleiterlasers jeweils ein nicht periodischer Bereich 8e der Kontaktstruktur an.
Dadurch, dass die Emissionswellenlänge bei dem Halbleiterlaser insbesondere durch die Periodenlänge der Kontaktstruktur definiert wird, ist es möglich, einen Halbleiterlaser mit mehreren Emissionswellenlängen dadurch zu realisieren, dass mehrere Kontaktstrukturen mit verschiedenen Periodenlängen nebeneinander angeordnet werden. Beispielsweise ist in 9 ein Ausführungsbeispiel eines Halbleiterlasers dargestellt, bei dem es sich um einen Laserbarren mit drei verschiedenen Emissionswellenlängen handelt. Der Laserbarren weist drei parallel zueinander verlaufende Kontaktstrukturbereiche 81, 82, 83 mit verschiedenen Periodenlängen auf, die in einer senkrecht zu den Strahlrichtungen verlaufenden Richtung zueinander versetzt angeordnet sind. Aufgrund der verschiedenen Periodenlängen der Kontaktstrukturbereiche 81, 82, 83 emittiert der Laserbarren mehrere Laserstrahlen 11a, 11b, 11c mit voneinander verschiedenen Wellenlängen λ₁, λ₂ und λ₃.
In 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Kontaktstruktur dargestellt, die mehrere parallel zueinander verlaufende periodische Bereiche aufweist. Im Gegensatz zu dem in 9 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die drei Kontaktstrukturbereiche 81, 82, 83 aber nicht voneinander beabstandet, sondern grenzen in einer senkrecht zur Strahlrichtung 11 verlaufenden Richtung aneinander an. Dies hat zur Folge, dass die von den mehreren Kontaktstrukturbereichen erzeugten Strahlprofile miteinander überlappen, so dass ein einziger Laserstrahl 11 mit einer vergrößerten spektralen Bandbreite emittiert wird.
In 11 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Kontaktstruktur in einer Aufsicht und in einer Seitenansicht dargestellt, bei der die Kontaktstruktur einen ersten periodischen Bereich 84 und einen zweiten periodischen Bereich 85 aufweist, die in der Strahlrichtung zueinander versetzt angeordnet sind, wobei der erste periodische Bereich 84 und der zweite periodische Bereich 85 elektrisch voneinander isoliert und separat kontaktierbar sind. Der erste periodische Kontaktstrukturbereich 84 und der zweite periodische Kontaktstrukturbereich 85 weisen jeweils die gleiche Periodenlänge auf und sind in der Strahlrichtung um eine halbe Periodenlänge zueinander versetzt angeordnet. Der erste periodische Kontaktstrukturbereich 84 weist an die Seitenfacetten 9a, 9b des Halbleiterlasers angrenzende Randkontaktflächen 8c auf, während der zweite periodische Kontaktstrukturbereich 85 an die Seitenfacetten 9a, 9b angrenzende Randöffnungen 8d aufweist.
Der erste periodische Bereich 84 kann über eine Anschlussfläche 13a und der zweite periodische Bereich 85 über eine Anschlussfläche 13b kontaktiert werden. Die Anschlussflächen 13a, 13b sind beispielsweise mittels einer elektrisch isolierenden Schicht von der Oberfläche des Halbleiterlasers isoliert, so dass der Stromfluss in den Halbleiterlaser nur durch die Kontaktstrukturbereiche 84, 85 erfolgt. Bei Kontaktierung des ersten Kontaktstrukturbereichs 84 wird ein Laserstrahl 11a an der Seitenfacette 9b des Halbleiterlasers im Bereich der ersten Wellenleiterschicht 1 ausgekoppelt. Dagegen wird bei der Kontaktierung des zweiten Kontaktstrukturbereichs 85 ein Laserstrahl 11b im Bereich der zweiten Wellenleiterschicht 2 an der Seitenfacette 9b des Halbleiterlasers ausgekoppelt. Durch eine wahlweise Kontaktierung der Anschlussfläche 13a oder der Anschlussfläche 13b kann daher die Position des emittierten Laserstrahls 11a, 11b in vertikaler Richtung eingestellt werden. Wenn die beiden Kontaktstrukturbereiche 84, 85 gleichzeitig über die Anschlussflächen 13a, 13b kontaktiert werden, weist der Halbleiterlaser insgesamt keine periodische Kontaktstruktur auf und fungiert als herkömmlicher Breitstreifenlaser.
Es ist weiterhin auch möglich, eine Kontaktstruktur zu realisieren, die mehrere periodische Teilbereiche aufweist, die verschiedene Perioden zur Erzeugung mehrerer verschiedener Emissionswellenlängen aufweisen, wobei sich die Teilbereiche in der Strahlrichtung zumindest teilweise überlappen. In 12A ist eine Kontaktstruktur dargestellt, die zwei nebeneinander angeordnete periodische Kontaktstrukturbereiche 86, 87 aufweist. Der Kontaktstrukturbereich 86 wird durch Kontaktflächen 8f gebildet, die eine erste Periodenlänge aufweisen. Der Kontaktstrukturbereich 87 wird durch Kontaktflächen 8g gebildet, die eine von der ersten Periodenlänge verschiedene zweite Periodenlänge aufweisen.
In 12B ist dargestellt, wie die Kontaktstrukturbereiche 86, 87 so in der Strahlrichtung angeordnet werden können, dass sie sich in der Strahlrichtung überlappen, wobei wahlweise der erste oder der zweite Kontaktstrukturbereich elektrisch angeschlossen werden können. Die in 12B dargestellte Kontaktstruktur weist Kontaktflächen 8f auf, die zur Kontaktierung der ersten Kontaktstrukturbereichs angeschlossen werden. Weiterhin weist die Kontaktstruktur Teilbereiche 8g auf, die zur Kontaktierung der zweiten Kontaktstruktur angeschlossen werden. Zusätzlich weist die Kontaktstruktur Bereiche Kontaktflächen 8fg auf, die sowohl zur Kontaktierung des Halbleiterlasers mit dem ersten Kontaktstrukturbereich als auch zur Kontaktierung des Halbleiterlasers mit dem zweiten Kontaktstrukturbereich jeweils angeschlossen werden. Um den Halbleiterlaser mit einer Wellenlänge zu betreiben, die durch die periodische Struktur 86 der 12A definiert wird, werden bei dem in 12B dargestellten Halbleiterlaser also die Kontaktflächen 8f und 8fg angeschlossen. Um einen Halbleiterlaser zu realisieren, der eine der periodischen Kontaktstruktur 87 der 12A entsprechende Kontaktstruktur aufweist, werden die Kontaktflächen 8g und 8fg elektrisch angeschlossen.
In 13 ist ein weiteres Beispiel dargestellt, wie eine Kontaktstruktur realisiert werden kann, die zwei sich in der Strahlrichtung überlappende Kontaktstrukturbereiche 88, 89 mit verschiedenen Periodenlängen aufweist, wobei die beiden Kontaktstrukturbereiche 88, 89 separat kontaktierbar sind. Die Kontaktflächen für den ersten Teilbereich mit der ersten Periode und den zweiten Teilbereich mit der zweiten Periode werden jeweils durch Gitterstrukturen gebildet, wobei die Perioden der Gitter wesentlich kleiner als die Perioden der Kontaktstrukturbereiche 88, 89 sind. Die beiden Gitterstrukturen greifen in einem Überlappbereich 90 ineinander und sind separat kontaktierbar. Der erste gitterförmige Kontaktstrukturbereich 88 weist eine Anschlussfläche 13c und der zweite gitterförmige Kontaktstrukturbereich 89 eine zweite Anschlussfläche 13d auf.
Die Kontaktstrukturbereiche 88, 89 sind vorzugsweise nur in dem Überlappbereich 90 elektrisch leitend mit der Oberfläche des Halbleiterlasers verbunden. Die außerhalb des Überlappbereichs 90 angeordneten Teile der Kontaktstrukturbereiche 88, 89 und die Anschlussflächen 13c, 13d sind beispielsweise mittels einer elektrisch isolierenden Schicht von der Oberfläche des Halbleiterlasers isoliert, so dass der Stromfluss in den Halbleiterlaser nur in dem Überlappbereich 90 erfolgt.
Bei einer elektrischen Kontaktierung der Anschlussfläche 13c wird der Halbleiterlaser mit dem gitterförmigen Kontaktstrukturbereich 88 betrieben, der die erste Periodenlänge aufweist. Bei einer elektrischen Kontaktierung der zweiten Anschlussfläche 13d wird der Halbleiterlaser mit dem zweiten gitterförmigen Kontaktstrukturbereich 89 betrieben, der die zweite Periodenlänge aufweist. Der Halbleiterlaser kann daher vorteilhaft mit zwei verschiedenen Wellenlängen betrieben werden, die durch Auswahl einer der Anschlusskontakte 13c, 13d selektiert werden können.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Kantenemittierender Halbleiterlaser mit – einer ersten Wellenleiterschicht (1), in die eine Laserstrahlung (11) erzeugende aktive Schicht (3) eingebettet ist, und – einer zweiten Wellenleiterschicht (2), in die keine aktive Schicht eingebettet ist, wobei – die erste Wellenleiterschicht (1) zwischen einer ersten Mantelschicht (4) und einer zweiten Mantelschicht (5) angeordnet ist, und die zweite Wellenleiterschicht (2) zwischen der zweiten Mantelschicht (5) und einer dritten Mantelschicht (6) angeordnet ist, – die in der aktiven Schicht (3) erzeugte Laserstrahlung (11) in einem Laserresonator, der durch Seitenfacetten (9a, 9b) des Halbleiterlasers gebildet wird, eine stehende Welle (12) ausbildet, die in einer Strahlrichtung des Halbleiterlasers in periodischen Abständen jeweils Intensitätsmaxima in der ersten Wellenleiterschicht (1) und korrespondierende Intensitätsminima in der zweiten Wellenleiterschicht (2) sowie Intensitätsminima in der ersten Wellenleiterschicht (1) und korrespondierende Intensitätsmaxima in der zweiten Wellenleiterschicht (2) aufweist, – eine zumindest bereichsweise periodische Kontaktstruktur (8) an einer Oberfläche des kantenemittierenden Halbleiterlasers angeordnet ist, und – eine Periodenlänge der Kontaktstruktur (8) gleich einer Periodenlänge der stehenden Welle (12) ist, so dass der Halbleiterlaser eine Emissionswellenlänge λ aufweist, die durch die Periodenlänge der Kontaktstruktur (8) eingestellt ist.
Kantenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 1, wobei die Emissionswellenlänge λ des Halbeiterlasers eine Temperaturabhängigkeit Δλ/ΔT aufweist, für die gilt: |Δλ/ΔT| < 0,05 nm/K.
Kantenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Emissionswellenlänge λ des Halbleiterlasers mit zunehmender Temperatur abnimmt.
Kantenemittierender Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Emissionswellenlänge λ des Halbleiterlasers mit zunehmender Temperatur zunimmt.
Kantenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die periodische Kontaktstruktur (8) Kontaktflächen (8a) und dazwischen angeordnete Öffnungen (8b) aufweist.
Kantenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 5, wobei die Breite der Kontaktflächen (8a) und der dazwischen angeordneten Öffnungen (8b) in der Strahlrichtung des Halbleiterlasers jeweils eine halbe Periodenlänge beträgt.
Kantenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 5 oder 6, wobei zumindest eine Seitenfacette (9a, 9b) des Halbleiterlasers an eine Randkontaktfläche (8c) angrenzt, deren Breite halb so groß ist wie eine Breite der Kontaktflächen (8a) der periodischen Kontaktstruktur (8).
Kantenemittierender Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei zumindest eine Seitenfacette (9a, 9b) des Halbleiterlasers an eine Randöffnung (8d) angrenzt, deren Breite halb so groß ist wie eine Breite der Öffnungen (8b) der periodischen Kontaktstruktur (8).
Kantenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kontaktstruktur (8) mindestens einen nicht periodischen Bereich (8e) aufweist.
Kantenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 9, wobei der mindestens eine nicht periodische Bereich (8e) an eine Seitenfacette (9a) des Halbleiterlasers angrenzt, die einer als Strahlungsauskoppelfläche dienenden Seitenfacette (9b) gegenüberliegt.
Kantenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kontaktstruktur (8) einen ersten (84) und einen zweiten periodischen Bereich (85) aufweist, die in der Strahlrichtung zueinander versetzt angeordnet sind, wobei der erste periodische Bereich (84) und der zweite periodische Bereich (85) elektrisch voneinander isoliert und separat kontaktierbar sind.
Kantenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kontaktstruktur (8) mehrere periodische Teilbereiche (81, 82, 83) aufweist, die verschiedene Perioden zur Erzeugung mehrerer verschiedener Emissionswellenlängen aufweisen.
Kantenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 12, wobei die Teilbereiche (81, 82, 83) in einer senkrecht zur Strahlrichtung verlaufenden Richtung voneinander beabstandet sind.
Kantenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 12, wobei die Teilbereiche (81, 82, 83) in einer senkrecht zur Strahlrichtung verlaufenden Richtung aneinander angrenzen.
Kantenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 12, wobei sich die Teilbereiche (8f, 8g, 8fg) in der Strahlrichtung zumindest teilweise überlappen.