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Die Erfindung betrifft einen Breitstreifenlaser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, einen Breitstreifenlaser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Breitstreifenlasers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
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Aus dem Stand der Technik sind Breitstreifenlaser in Form von Breitstreifenlaserdioden bekannt, die insbesondere für Hochleistungsanwendungen eingesetzt werden. Das von derartigen Breitstreifenlaserdioden (BA-Laserdioden) emittierte Licht besitzt aufgrund von Modeninterferenzen einen großen lateralen Fernfeldwinkel. Daher erfordert eine effiziente Einkopplung der von einem Breitstreifenlaser erzeugten Strahlung in eine Glasfaser meist die Verwendung von aufwändigen und speziell angepassten Linsenanordnungen. Insbesondere bei Hochleistungsanwendungen, bei denen die Strahlung mehrerer Einzeldioden oder Barren überlagert werden, spielt die Größe des lateralen Fernfeldwinkels eine große Rolle.
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Ein Breitstreifenlaser ist z.B. in dem Artikel „Experimental and theoretical analysis of the dominant lateral waveguiding mechanism in 975 nm high power broad area diode lasers“, P. Crump, S. Böldicke, C M Schultz, H. Ekhteraei, H. Wenzel and G. Erbert, Semicond. Sci. Technol. 27(2012), S. 045001, beschrieben.
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Breitstreifenlaser sind auch aus der
EP 1 012 933 B1 , der
US 2005/0 254 538 A1 und der
US 2006/0 007 976 A1 bekannt. Darüber hinaus ist der
DE 10 2006 046 297 A1 ein Halbleiterlaser mit einer Absorberzone zur Dämpfung höherer Moden zu entnehmen.
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Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem besteht darin, einen Breitstreifenlaser mit einer günstigeren Abstrahlcharakteristik sowie ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Breitstreifenlasers zu schaffen.
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Dieses Problem wird durch die Breitstreifenlaser mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 9 sowie durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Danach wird ein Breitstreifenlaser bereitgestellt, mit
- – einem Wellenleiter, der einen laseraktiven Bereich aufweist,
- – wobei der Wellenleiter so beschaffen ist, dass er eine lateral (und insbesondere auch vertikal) begrenzte Führung einer Lichtwelle in einem streifenförmigen Bereich bewirkt,
- – und wobei der Wellenleiter so ausgestaltet ist, dass er die Ausbreitung einer Mehrzahl lateraler optischer Moden in dem streifenförmigen Bereich zulässt,
- – zwei sich auf unterschiedlichen Seitendes streifenförmigen Bereichs und zumindest näherungsweise parallel zu dem streifenförmigen Bereich erstreckende Schlitze, die so beschaffen sind, dass sich der Überlapp zumindest von sich in dem streifenförmigen Bereich ausbreitenden höheren lateralen optischen Moden mit einem an den streifenförmigen Bereich angrenzenden Materialbereich erhöht,
- – wobei der laseraktive Bereich Teil eines schichtförmigen Kernmaterialbereichs ist, an den oberhalb eine Mantelschicht angrenzt, die eine vertikale Führung einer sich in dem Kernmaterialbereich ausbreitenden Lichtwelle bewirkt,
- – und wobei sich die Schlitze jeweils in den Kernmaterialbereich hinein erstrecken.
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Die Schlitze seitlich des lichtführenden streifenförmigen Bereichs des Wellenleiters haben zur Folge, dass die seitliche Führung der sich in dem Wellenleiter ausbreitenden Lichtwelle abgeschwächt wird. Die reduzierte seitliche Führung bewirkt den erwähnten größeren Überlapp der Moden höherer Ordnung mit dem seitlich an den lichtführenden streifenförmigen Bereich des Wellenleiters angrenzenden (insbesondere passiven) Bereich des Breitstreifenlasers, was zu höheren Verlusten und demzufolge zu einer höheren Laserschwelle für diese Moden führt. Somit wirken die seitlichen Schlitze einer Ausbreitung von lateralen Moden höherer Ordnung entgegen oder unterdrücken sie, so dass sich die Zahl der im Wellenleiter geführten lateralen Moden verkleinert und entsprechend der laterale Fernfeldwinkel verringert. Insbesondere wirken die seitlichen Schlitze zudem einer Aufspreizung eines durch den streifenförmigen Bereich geleiteten Pumpstroms entgegen. Somit ermöglicht der erfindungsgemäße Breitstreifenlaser eine Verringerung des lateralen Fernfeldwinkels, wobei gleichzeitig einer Aufweitung des Pumpstrompfades und damit etwaigen Effizienzeinbußen entgegengewirkt wird.
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Es wird darauf hingewiesen, dass sich die Begriffe „vertikal“ und „lateral“ wie üblich auf eine Richtung senkrecht bzw. parallel zu einem Substrat des Breitstreifenlasers beziehen. „Laterale“ Moden sind Moden, die mehrere in einer Richtung parallel zum Substrat und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichtes im Wellenleiter nebeneinander liegende Intensitätsmaxima aufweisen.
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Dass sich die Schlitze „seitlich“ des lichtführenden streifenförmigen Bereichs des Wellenleiters erstrecken, bedeutet, dass die Schlitze – in einer Richtung senkrecht zur Längsrichtung des Wellenleiters betrachtet – neben dem streifenförmigen Bereich des Wellenleiters verlaufen, zum Beispiel an den streifenförmigen Bereich angrenzen. Die Schlitze verlaufen parallel zu dem streifenförmigen Bereich und erstrecken sich z.B. jeweils etwa zumindest näherungsweise über die gesamte Länge des Wellenleiters. Denkbar ist jedoch auch, dass sich die Schlitze nur über einen Teil der Länge des Wellenleiters erstrecken.
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Die Schlitze weisen beispielsweise jeweils eine Breite (parallel zu einem Substrat des Lasers und senkrecht zu dem Wellenleiter gemessen) von maximal 3 µm auf. Die Auswirkungen der Schlitze auf die laterale Führung der Lichtwelle hängt insbesondere von der Breite der Schlitze ab, so dass die Schlitzbreite abhängig von der gewünschten Abschwächung der lateralen Führung (d.h. der gewünschten Reduzierung der Anzahl der ausbreitungsfähigen lateralen Moden) gewählt werden kann. Somit ist über die Schlitzbreite auch der laterale Fernfeldwinkel einstellbar und kann z.B. an spezielle Anwendungen angepasst werden.
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Die Schlitze erstrecken sich jeweils seitlich entlang des streifenförmigen Bereichs, so dass sich ein erster Schlitz auf einer ersten Seite und ein zweiter Schlitz auf einer zweiten Seite des streifenförmigen Bereichs befindet, wobei die zweite Seite der ersten Seite senkrecht zur Längsrichtung des Wellenleiters gegenüberliegt.
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Denkbar ist, dass der Wellenleiter einen streifenförmigen elektrischen Kontakt umfasst, der so gestaltet ist, dass sich Ladungsträger nur in einem Bereich unterhalb des Kontaktes ausbreiten können. Entsprechend dient der elektrische Kontakt zum Erzeugen des lichtführenden streifenförmigen Bereichs, da nur in diesem Bereich Licht generiert und/oder verstärkt wird und auf diese Weise die laterale Führung des Lichtes realisiert wird (Prinzip des „Gain Guiding“ – „Gewinnleitung“ oder „Quasi Index Guiding“ – „Quasi-Indexführung“).
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Möglich ist natürlich auch, dass der Wellenleiter zur Realisierung der lateralen Führung der Lichtwelle als Streifenwellenleiter ausgebildet ist. Ein Streifenwellenleiter weist zur Realisierung des lichtführenden streifenförmigen Bereiches einen streifenförmigen Materialbereich (der insbesondere mehrere Materialschichten umfasst) auf, der einen höheren effektiven Brechungsindex besitzt als seitlich an diesen Materialbereich angrenzende Bereiche des Breitstreifenlasers (Prinzip des „Indexguiding“ – „Indexführung“). Die unterschiedlichen effektiven Brechungsindizes können beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass der Wellenleiter eine Rippe aufweist, wobei das Licht in einem Bereich unterhalb der Rippe oder in der Rippe geführt wird („Ridge Waveguide“ – „Rippenwellenleiter“). Beispielsweise grenzen die mehreren Schlitze an die Rippe an.
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Der laseraktive Bereich ist Teil eines schichtförmigen Kernmaterialbereichs des Breitstreifenlasers, an den oberhalb eine Mantelschicht angrenzt, die eine vertikale Führung des sich in dem Kernmaterial ausbreitenden Lichtes bewirken.
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Beispielsweise erstrecken sich die Schlitze in der Mantelschicht, wobei sie insbesondere durch die komplette Mantelschicht hindurch verlaufen und sich bis in den Kernmaterialbereich hinein erstrecken.
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Möglich ist auch, dass sich die Mantelschicht nur im Bereich des lichtführenden streifenförmigen Bereichs des Wellenleiters erstreckt, wobei sich seitlich angrenzend an die Mantelschicht ein anderes Material oder gar kein Halbleitermaterial (sondern Luft) befindet. Möglich ist hierbei insbesondere, dass die Mantelschicht im Bereich des lichtführenden Streifens des Wellenleiters eine größere Dicke aufweist als außerhalb des lichtführenden Streifens.
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Eine derartige Struktur wird insbesondere dadurch erzeugt, dass zumindest der Kernmaterialbereich vorstrukturiert, d.h. mit einer Vertiefung versehen wird, wobei in der Vertiefung die Mantelschicht erzeugt, insbesondere aufgewachsen wird. Dieses Verfahren wird weiter unten näher erläutert.
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Gemäß einem anderen Aspekt betrifft die Erfindung einen Breitstreifenlaser gemäß Anspruch 9, wonach zumindest auf einer Seite des streifenförmigen Bereichs eine n-dotierte Materialschicht angeordnet ist, wobei die n-dotierte Materialschicht auf dem Kernmaterialbereich und unterhalb des Schlitzes angeordnet ist. Die n-dotierte Materialschicht wirkt einer Aufweitung des von dem p-Kontakt zu dem n-Kontakt des Breitstreifenlasers verlaufenden Strompfades entgegen. Insbesondere ist die n-dotierte Materialschicht auf einer p-dotierten Kernmantelschicht angeordnet, so dass sich zwischen der n-dotierte Materialschicht und der Kernmantelschicht ein pn-Übergang ausbildet (pn-blocking – pn-Blockade).
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines wie oben beschriebenen Breitstreifenlasers, wobei ein Wellenleiter mit einem laseraktiven Bereich derart erzeugt wird, dass der Wellenleiter eine lateral begrenzte Führung einer Lichtwelle in einem streifenförmigen Bereich bewirkt, wobei er die Ausbreitung einer Mehrzahl lateraler optischer Moden in dem streifenförmigen Bereich zulässt, wobei das Verfahren das Erzeugen von zwei sich auf unterschiedlichen Seiten des streifenförmigen Bereichs (insbesondere entlang des streifenförmigen Bereich) und zumindest näherungsweise parallel zu dem streifenförmigen Bereich erstreckenden Schlitzen umfasst. Die Schlitze werden so ausgebildet, dass sich der Überlapp zumindest von sich in dem streifenförmigen Bereich ausbreitenden höheren lateralen optischen Moden mit einem an den streifenförmigen Bereich angrenzenden Materialbereich erhöht.
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Das Erzeugen des Wellenleiters beinhaltet ein Erzeugen eines schichtförmigen Kernmaterialbereichs sowie einer oberhalbeiner an den Kernmaterialbereich angrenzenden Mantelschicht. Die Mantelschicht sorgen, wie oben bereits erläutert, für eine vertikale Führung des sich in dem Wellenleiter ausbreitenden Lichtes.
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Gemäß einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Schlitze dadurch hergestellt, dass nach Erzeugen des Kernmaterialbereichs und der Mantelschicht zumindest Material der oberen Mantelschicht abgetragen wird. Dieser Materialabtrag erfolgt beispielsweise durch Ätzen (Trockenätzen oder Nassätzen) des Mantelschichtmaterials. Es wird nicht nur Material der oberen Mantelschicht, sondern auch des Kernmaterialbereichs abgetragen, damit sich die Schlitze bis in den Kernmaterialbereich hinein erstrecken.
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Gemäß einer alternativen Herstellungsmethode erfolgt das Erzeugen des Schlitzes nicht durch den schlitzförmigen Abtrag von Material der Mantelschicht, sondern durch Erzeugen einer Vertiefung in dem Kernmaterialbereich und Aufwachsen der oberen Mantelschicht in einem Teilbereich dieser Vertiefung. Dadurch, dass nur in einem Teilbereich der Vertiefung die Mantelschicht aufgewachsen wird, verbleibt seitlich der aufgewachsenen Mantelschicht ein Abstand zu dem Kernmaterialbereich, der den jeweils zu erzeugenden Schlitz darstellt.
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Denkbar ist dabei, dass die Vertiefung in dem Kernmaterialbereich nach dem Herstellen des Kernmaterialbereichs generiert wird (d.h. vor einem Erzeugen der oberen Mantelschicht). Möglich ist jedoch auch, dass der Kernmaterialbereich und die obere Mantelschicht hergestellt werden und die Vertiefung so ausgeführt wird, dass sie sich durch die Mantelschicht bis in den Kernmaterialbereich hinein erstreckt. In einem Teilbereich dieser Vertiefung wird dann durch Aufwachsen wieder eine Mantelschicht (Streifenmantelschicht) erzeugt, die jedoch seitlich einen Abstand zu der ursprünglichen Mantelschicht und dem Kernmaterialbereich aufweist, durch den die seitlichen Gräben gebildet sind. Durch das Aufwachsen der Streifenmantelschicht in der Vertiefung weist diese eine größere Dicke (gemessen senkrecht zu einem Substrat des Breitstreifenlasers) auf als die ursprüngliche Mantelschicht.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Schnittansicht eines Breitstreifenlasers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 eine Schnittansicht eines Breitstreifenlasers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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3 eine Schnittansicht eines Breitstreifenlasers gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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4 einen Vergleich der modalen Laserschwellen eines konventionellen Breitstreifenlasers mit dem erfindungsgemäßen Breitstreifenlaser;
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5 einen Vergleich des lateralen Fernfelds eines konventionellen Breitstreifenlasers mit dem erfindungsgemäßen Laser;
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6A einen Strompfad durch einen konventionellen Breitstreifenlaser;
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6B einen Strompfad durch einen erfindungsgemäßen Breitstreifenlaser;
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7 eine Schnittansicht eines Breitstreifenlasers gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
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8 eine Schnittansicht eines Breitstreifenlasers gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Der in 1 dargestellte erfindungsgemäße Breitstreifenlaser 1 umfasst eine Mehrzahl auf einem Substrat (50) angeordneter Halbleiterschichten. Zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterschichten dienen ein erster Kontakt in Form eines n-Kontaktes 2 sowie ein zweiter Kontakt in Form eines p-Kontaktes 3. Der n-Kontakt 2 befindet sich in Kontakt mit n-dotierten Halbleiterschichten, während der p-Kontakt in Kontakt mit p-dotierten Halbleiterschichten steht.
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Die Halbleiterschichten des Breitstreifenlasers 1 umfassen insbesondere einen aus mehreren Materialschichten aufgebauten Kernmaterialbereich 4, an den oberhalb eine obere Mantelschicht 5 und unterhalb eine untere (durch das Substrat gebildete) Mantelschicht 50 angrenzt. Durch die unterschiedlichen Brechungsindizes des Kernmaterialbereichs 4 und der Mantelschichten 5, 50 wird eine vertikale Führung („Confinement“ – Beschränkung) einer Lichtwelle im Kernmaterialbereich 4 bewirkt. Der Kernmaterialbereich 4 umfasst zudem einen laseraktiven Bereich in Form von laseraktiven Schichten 41, die zum Beispiel als „Multi-Quantum-Well“-Schicht (Mulitquantenfilm-Schicht) ausgebildet ist.
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Der p-Kontakt 3 ist elektrisch nur über einem mittleren, streifenförmigen Bereich 31 mit der oberen Mantelschicht 5 verbunden. Seitlich neben dem streifenförmigen Bereich 31 ist der Kontakt 3 mittels einer Isolierschicht 6 von der Mantelschicht 5 elektrisch isoliert.
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Bei Anlegen einer Spannung an die Kontakte 2, 3 werden somit nur in einem streifenförmigen Bereich 30 unterhalb des mittleren Bereiches 31 des p-Kontaktes 3 Ladungsträger geführt. Außerhalb des streifenförmigen Bereiches 30 (d.h. im ungepumpten passiven Bereich) tritt eine starke optische Absorption auf, insbesondere durch den ungepumpten aktiven Bereich 41, so dass sich eine Lichtwelle im Wesentlichen in dem Kernmaterialbereich 4 und dort nur in dem streifenförmigen Bereich 30 unterhalb des mittleren Bereiches 31 des p-Kontaktes 3 ausbreiten kann. Somit realisieren der Kernmaterialbereich 4, die Mantelschichten 5, 50 und der mittlere Bereich 31 des p-Kontaktes 3 einen Wellenleiter (nach Art eines Streifenwellenleiters), der eine Begrenzung der Ausbreitung einer Lichtwelle sowohl in vertikaler Richtung als auch in lateraler Richtung, d.h. eine vertikal und lateral begrenzte Führung der Lichtwelle in dem streifenförmigen Bereich 30, bewirkt. 1 zeigt den Breitstreifenlaser in einem Schnitt senkrecht zur Längsrichtung des Wellenleiters.
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Die Breite des mittleren Kontaktstreifens 31 ist dabei so bemessen, dass eine Mehrzahl von lateralen Moden in dem streifenförmigen Bereich 30 des Wellenleiters ausbreitungsfähig ist, d.h. der Wellenleiter ist nach Art eines Multimoden-Breitstreifenwellenleiter ausgebildet. Beispielsweise beträgt die Breite des mittleren Kontaktstreifens 31 und damit des streifenförmigen Bereichs 30 mindestens 50 µm oder mindestens 100 µm.
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Seitlich angrenzend an den mittleren Streifenbereich 31 des p-Kontaktes 3, d.h. auch seitlich neben dem streifenförmigen Bereich 30, sind Schlitze 7 vorgesehen, die sich durch die obere Mantelschicht 5 bis hin zu dem Kernmaterialbereich 4 erstrecken. Im vorliegenden Beispiel weisen die Schlitze 7 jeweils einen zumindest näherungsweise rechteckigen Querschnitt auf. Denkbar ist natürlich auch, dass Schlitze mit anderem Querschnitt vorgesehen werden; zum Beispiel Schlitze mit einem trapezförmigen Querschnitt. Die Schlitze 7 werden, wie oben bereits erwähnt, nach dem Herstellen der Schichten 4 und 5 durch ein Ätzverfahren erzeugt. Genauer wird nach dem Herstellen der Schichten 4 und 5 mindestens eine Kontaktmetallisierungsschicht aufgebracht und die Schlitze 7 geätzt. Danach wird die Isolierschicht 6, darüber eine Untermetallisierung und zum Fertigstellen des p-Kontaktes 3 (insbesondere galvanisch) eine äußere Metallschicht erzeugt, wobei sich die äußere Metallschicht oberhalb des streifenförmigen Bereiches 30 und auch in die Schlitze 7 hinein erstreckt. Der mittlere Streifenbereich 31 des p-Kontaktes 3 weist somit mindestens eine Kontaktmetallisierungsschicht sowie die äußere Metallschicht auf. In den Schlitzen 7 ist die äußere Metallschicht durch die Isolierschicht 6 von der darunter liegenden Kontaktmetallisierungsschicht getrennt.
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Die Schlitze 7 bewirken eine Reduzierung der seitlichen Führung einer sich in dem streifenförmigen Bereich 30 des Wellenleiters ausbreitenden Lichtwelle. Durch die schwächere seitliche Führung ergibt sich ein größerer Überlapp von im streifenförmigen Bereich 30 geführten Moden mit den Bereichen des Breitstreifenlasers 1, die seitlich an den streifenförmigen Bereich 30 angrenzen (unterhalb der Isolierschicht 6), so dass insbesondere Moden höherer Ordnung stärker absorbiert werden und somit eine stark erhöhte modale Laserschwelle aufweisen und daher nicht oder später anschwingen (wie der 4 zu entnehmen ist).
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Denkbar ist, dass der erfindungsgemäße Breitstreifenlaser 1 auf Indiumphosphid (InP)-Basis hergestellt wird. Beispielsweise weist die obere Mantelschicht 5 mindestens eine (insbesondere p-dotierte) InP-Schicht auf. Die Kernmaterialschicht 4 umfasst z.B. eine (z.B. ebenfalls zum Teil p-dotierte) InGaAsP-Schicht. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die InP-Technologie beschränkt, sondern es können natürlich auch andere Materialien verwendet werden, z.B. auf Basis von Galliumarsenid.
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Die 2 betrifft eine andere Realisierung der Erfindung. Hiernach erfolgt kein Erzeugen einer oberen Mantelschicht 5 auf dem gesamten Kernmaterialbereich 4. Vielmehr wird zunächst nur der Kernmaterialbereich 4 hergestellt und in diesem eine Vertiefung 42 eingebracht (z.B. per Ätzverfahren). In einem mittleren Teilbereich 421 der Vertiefung 42 wird anschließend eine Mantelschicht in Form der Streifenmantelschicht 5‘ epitaktisch aufgewachsen. Die Breite der aufgewachsenen Streifenmantelschicht 5‘ ist dabei etwas kleiner als die Breite der Vertiefung 42, so dass die Mantelschicht 5‘ jeweils einen (insbesondere identischen) seitlichen Abstand zu einem Seitenrand der Vertiefung 42 aufweist. Die Streifenmantelschicht 5‘ bildet zusammen mit der räumlich begrenzten Stromführung durch den mittleren Bereich 31 des p-Kontaktes 3 den lichtführenden streifenförmigen Bereich 30 aus.
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Durch den seitlichen Abstand der Streifenmantelschicht 5‘ werden analog zur 1 seitliche Schlitze 7 ausgeformt, wobei sich die Schlitze 7 im Fall der 2 in dem Kernmaterialbereich 4 erstrecken. Die Schlitze 7 erstrecken sich somit nur in dem Kernmaterialbereich 4, wobei sie jeweils einerseits durch eine Seitenwand des Kernmaterialbereichs 4 und andererseits durch eine äußere Seitenwand der Streifenmantelschicht 5‘ begrenzt sind. Die Schlitze 7 sorgen wie im Ausführungsbeispiel der 1 für eine Schwächung der seitlichen Führung der im Wellenleiter (in dem streifenförmigen Bereich 30) geführten Moden. Insbesondere tritt ein Überlapp der in dem Wellenleiter geführten Moden mit über die Schlitze 7 an die Streifenmantelschicht 5‘ angrenzenden seitlichen Bereichen (Verdickungen) 43 des Kernmaterialbereichs 4 auf, wodurch eine Reduzierung der Führung der im Wellenleiter geführten Moden höherer Ordnung bewirkt wird. Nach dem Aufwachsen der Mantelschicht 5‘ und der Aufbringung der Kontaktmetallisierung wird die Isolierschicht 6 erzeugt, im Bereich der Mantelschicht 5‘ geöffnet und der p-Kontakt 3 hergestellt. Durch die Öffnung der Isolierschicht 6 entsteht analog zu 1 der streifenförmige mittlere Bereich 31, der in elektrischen Kontakt zu der darunter befindlichen aufgewachsenen Mantelschicht 5‘ steht.
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3 betrifft ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, dem eine Kombination der in Zusammenhang mit den 1 und 2 erläuterten Herstellungsverfahren zugrunde liegt. Zunächst wird analog zu 1 ein Kernmaterialbereich 4 und darauf eine obere Mantelschicht 5 erzeugt. Im Vergleich zu 1 weist der hier erzeugte Kernmaterialbereich 4 eine größere Dicke auf. Nach dem Erzeugen des Kernmaterialbereichs 4 wird eine Vertiefung 42 erzeugt und die obere Mantelschicht 5 (ganzflächig, d.h. über die Vertiefung 43 hinausgehend) erzeugt. Anschließend wird wie in Bezug auf 1 bereits erläutert mindestens eine Kontaktmetallisierungsschicht aufgebracht, die Schlitze 7 geätzt und die Isolierschicht 6 erzeugt und die Untermetallisierung aufgebracht. Danach erfolgt das Fertigstellen des p-Kontaktes 3 durch (insbesondere galvanisches) Erzeugen der äußeren Kontaktschicht.
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Die Breite der aufgewachsenen Streifenmantelschicht 5‘ ist wiederum etwas geringer als die Breite der Vertiefung 42, so dass analog zu 2 sich seitlich der Streifenmantelschicht 5‘ und somit neben dem durch die Streifenmantelschicht 5‘ erzeugten lichtführenden streifenförmigen Bereich 30 erstreckende Schlitze 7 entstehen und ein Überlapp der im Wellenleiter geführten Moden mit über die Schlitze 7 an die Streifenmantelschicht 5‘ angrenzenden seitlichen Bereichen (Verdickungen) 43‘ des Kernmaterialbereichs 4 und der oberen Mantelschicht 5 auftritt, der zu einer Schwächung der Führung der Moden führt.
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Ebenfalls analog zu 2 wird nach dem Herstellen der Streifenmantelschicht 5‘ die Isolierschicht 6 erzeugt und in einem mittleren Bereich geöffnet, so dass die vorher aufgebrachte Kontaktmetallisierung mit Kontakt 3 über einen streifenförmigen Bereich 31 in Kontakt mit der aufgewachsenen Mantelschicht 5‘ steht.
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4 zeigt die berechneten modalen Laserschwellen für unterschiedliche laterale Moden eines konventionellen Breitstreifenlaser(Rauten), der eine Breite des lichtführenden Bereichs (Laserstreifen) von 100 µm und eine Länge von 2,5 mm aufweist. Im Vergleich dazu sind die modalen Laserschwellen eines erfindungsgemäßen Lasers (Quadrate) dargestellt, der einen lichtführenden Bereich mit Dimensionen, die dem Laserstreifen des konventionellen Lasers entsprechen, aufweist, jedoch die oben beschriebenen seitlichen Schlitze aufweist.
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Beim konventionellen Laser resultiert aus dem breiten Laserstreifen ein asymmetrisches Fernfeld, welches zwar in vertikaler Richtung einmodig sein kann. In lateraler Richtung werden jedoch eine Vielzahl von Moden in dem Laserstreifen geführt, was zu einer stark reduzierten Strahlqualität führt, den Öffnungswinkel vergrößert und deshalb die Koppeleffizienz deutlich reduzieren kann. Aus diesem Grund muss beim Design von Hochleistungslaserdioden insbesondere das laterale Fernfeld optimiert werden.
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Um den lateralen Fernfeldwinkel zu reduzieren, muss die Anzahl der im Wellenleiter geführten lateralen Moden reduziert werden, ohne die Streifenbreite zu reduzieren, da sonst auch die maximale Ausgangsleistung im CW-Betrieb (Dauerstrichbetrieb) aufgrund des erhöhten Serienwiderstands abnimmt.
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In 4 ist zu erkennen, dass die modale Laserschwelle beim erfindungsgemäßen Laser deutlich schneller ansteigt, so dass sich entsprechend die Anzahl der ausbreitungsfähigen lateralen Moden deutlich reduziert. Entsprechend verringert sich der laterale Fernfeldwinkel des vom Laser abgestellten Lichtes, wie in 5 dargestellt.
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5 zeigt eine Messung des lateralen Fernfeldes eines konventionellen Breitstreifenlasers (durchgezogene Linie) im Vergleich mit der Messung des lateralen Fernfeldes eines erfindungsgemäßen Breitstreifenlasers (gestrichelte Linie).
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Anhand der 6A, 6B wird ein weiterer Effekt des erfindungsgemäßen Breitstreifenlasers erläutert. 6A zeigt einen Schnitt durch einen konventionellen Breitstreifenlaser 10, der entsprechend keine seitlichen Schlitze aufweist. Die Führung der Lichtquelle in einem streifenförmigen Bereich wird durch eine Rippe 101 erzeugt, wobei die Höhe der Rippe 101 reduziert wurde, um auf diese Weise eine Schwächung der seitlichen Führung der sich unterhalb der Rippe 101 ausbreitenden Lichtwellen zu bewirken. Dies kann jedoch dazu führen, dass sich ein vom p-Kontakt 3 zu dem n-Kontakt 2 im Bereich der Rippe 101 verlaufender elektrischer Strom A zum n-Kontakt 2 hin aufspreizt; d.h. ein größerer Anteil des Stromes A in die seitlichen Bereiche des Breitstreifenlasers 10 neben der Rippe 101 hinein verläuft, was die Effizienz des Lasers verschlechtert (insbesondere den Schwellstrom erhöht).
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Im Vergleich zu der konventionellen Struktur zeigt 6B einen erfindungsgemäßen Laser analog zu 1, wobei auch hier der vom p-Kontakt 3 zu dem n-Kontakt 2 verlaufende elektrische Strom A‘ dargestellt ist. Einer Aufspreizung des Strompfades wird durch die seitlichen Schlitze 7 entgegengewirkt, so dass der Strom A’ anders als in 6A im Wesentlichen senkrecht zu den Kontakten 2, 3 verläuft und somit möglichst wenig in die Bereiche des Lasers seitlich neben dem lichtführenden Bereich 30 hinein.
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Einer Aufweitung des Strompfades kann insbesondere auch dadurch entgegengewirkt werden, dass gemäß den 7 und 8 unterhalb der Schlitze 7 und seitlich der Mantelschicht 5 jeweils eine Strompfadblende in Form seitlicher, elektrisch blockierender Materialbereiche (Verdickungen) 8 vorgesehen wird. Die Materialbereiche 8 sind jeweils auf der Kernmaterialschicht 4 angeordnet und weisen insbesondere ein n-dotierten Material (z.B. n-dotiertes InP) auf. Zwischen den Materialbereichen 8 und der darunter befindlichen Kernmaterialschicht 4 bildet sich ein pn-Übergang aus, der einer Aufweitung des Strompfades vom p-Kontakt 3 bis zum n-Kontakt 2 entgegenwirkt. Gleichzeitig sorgen die seitliche Bereiche 8 zusammen mit seitlichen Abschnitten 51 der Mantelschicht 5 für eine Reduzierung der im Wellenleiter geführten Moden.
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Die Materialbereiche 8 werden z.B. aus einer auf der Kernmaterialschicht 4 (z.B. epitaktisch) erzeugten n-dotierten Materialschicht gebildet. In dieser n-dotierten Materialschicht wird eine Aussparung erzeugt, so dass die seitlichen Materialbereiche 8 entstehen. Anschließend wird die Mantelschicht 5 abgeschieden (z.B. durch nachträgliches Aufwachsen), wobei sich diese in die Aussparung hinein und auch oberhalb der Materialbereiche erstreckt. Die Breite der Aussparung in der n-dotierten Materialschicht ist kleiner als der Abstand der Schlitze 7 voneinander, so dass die Mantelschicht 5 auf Höhe der Materialbereiche 8 schmaler ist als oberhalb der Materialbereiche 8.
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Die Dicke der Materialbereiche 8 wird in Abhängigkeit von der Tiefe der Schlitze 7 gewählt. Beispielsweise werden bei einer großen Tiefe der Schlitze 7 entsprechend dünnere Materialbereiche 8 erzeugt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Breitstreifenlaser
- 2
- n-Kontakt
- 3
- p-Kontakt
- 4
- Kernmaterialschicht
- 5, 5‘
- obere Mantelschicht
- 6
- Isolierschicht
- 7
- Schlitz
- 8
- blockierender Materialbereich
- 10
- konventioneller Laser
- 30
- streifenförmiger Bereich
- 31
- mittlerer Bereich p-Kontakt
- 41
- laseraktive Schicht
- 42
- Vertiefung
- 43, 43‘
- seitlicher Bereich
- 50
- untere Mantelschicht
- 51
- seitlicher Abschnitt Mantelschicht
- 101
- Rippe
- 421
- mittlerer Teilbereich
- A, A‘
- Strom
