DE102015118715A1

DE102015118715A1 - Halbleiterlaseranordnung und Projektor

Info

Publication number: DE102015118715A1
Application number: DE102015118715.9A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Stojetz; Alfred Lell; Christoph Eichler; Andreas Löffler; André Somers
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2015-11-02
Filing date: 2015-11-02
Publication date: 2017-05-04
Also published as: US10270225B2; US20180323581A1; DE112016005024A5; WO2017076903A1; DE112016005024B4

Abstract

In einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterlaseranordnung (1) elektrisch gepumpte aktive Zonen (31, 32, 33). Die aktiven Zonen (31, 32, 33) sind dazu eingerichtet, im Betrieb Laserstrahlung (R) mit voneinander verschiedenen Emissionswellenlängen (L1, L2, L3) zu erzeugen. Die Erzeugung der Laserstrahlung (R) erfolgt durch Rekombination von Ladungsträgern in einem Halbleitermaterial, auf dem die aktiven Zonen (31, 32, 33) basieren. Ferner beinhaltet die Halbleiterlaseranordnung (1) eine Wellenleiterstruktur (4). Die aktiven Zonen (31, 32, 33) sind elektrisch unabhängig voneinander betreibbar und entlang einer Strahlrichtung (x) hinsichtlich ihrer Emissionswellenlängen (L1, L2, L3) absteigend angeordnet. Die Wellenleiterstruktur (4) wird im Bereich der entlang der Strahlrichtung (x) letzten aktiven Zone (33) von der Laserstrahlung (R) aller aktiven Zonen (31, 32, 33) gemeinsam durchlaufen.

Description

Es wird eine Halbleiterlaseranordnung angegeben. Darüber hinaus wird ein Projektor angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine kompakte Halbleiterlaseranordnung anzugeben, die durchstimmbar verschiedenfarbiges Licht emittiert, wobei das emittierte Licht gute Strahlformungseigenschaften aufweist.
Diese Aufgabe wird unter anderem gelöst durch eine Halbleiterlaseranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der übrigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Halbleiterlaseranordnung zur Emission von Laserstrahlung eingerichtet. Eine Kohärenzlänge der Laserstrahlung, wie von der Halbleiterlaseranordnung emittiert, liegt zum Beispiel bei mindestens 1 µm oder 1 mm oder 10 mm. Wird von der Halbleiterlaseranordnung Strahlung in voneinander verschiedenen Spektralbereichen emittiert, so gelten die genannten Werte für die Kohärenzlänge bevorzugt für jeden einzelnen Spektralbereich und bevorzugt auch für die insgesamt emittierte Strahlung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterlaseranordnung mindestens zwei elektrisch gepumpte aktive Zonen. Elektrisch gepumpt bedeutet insbesondere, dass die aktiven Zonen dazu eingerichtet sind, bei elektrischer Bestromung je eine Laserstrahlung zu erzeugen. Die Erzeugung der Laserstrahlung erfolgt durch Rekombination von Ladungsträgern in zumindest einem Halbleitermaterial der aktiven Zonen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die aktiven Zonen ein Teil von zumindest einer Halbleiterschichtenfolge. Die Halbleiterschichtenfolge basiert bevorzugt auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial. Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich zum Beispiel um ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mN oder um ein Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mP oder auch um ein Arsenid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mAs, wobei jeweils 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1 ist. Dabei kann die Halbleiterschichtenfolge Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters der Halbleiterschichtenfolge, also Al, As, Ga, In, N oder P, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die aktiven Zonen dazu eingerichtet, im Betrieb Laserstrahlung mit voneinander verschiedenen Emissionswellenlängen zu erzeugen. Hierzu weisen die aktiven Zonen unterschiedliche Materialzusammensetzungen auf, wobei die aktiven Zonen auf demselben Materialsystem basieren können, beispielsweise je auf dem Materialsystem AlInGaN. Ebenso ist es möglich, dass die verschiedenen aktiven Zonen auf unterschiedlichen Materialsystemen basieren, beispielsweise einerseits auf dem Materialsystem AlInGaN und andererseits auf dem Materialsystem AlInGaP oder AlInGaAs.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Halbleiterlaseranordnung zumindest eine Wellenleiterstruktur, bevorzugt genau eine Wellenleiterstruktur, auf. Die Wellenleiterstruktur ist dazu eingerichtet, die im Betrieb in den aktiven Zonen erzeugte Laserstrahlung innerhalb der Halbleiterlaseranordnung zu führen. Insbesondere beruht die Wellenleiterstruktur auf dem Prinzip der Totalreflexion. In diesem Fall weist die Wellenleiterstruktur zumindest ein Kernmaterial mit einem für die entsprechende Laserstrahlung relativ hohen Brechungsindex auf. Dieses Kernmaterial ist mit zumindest einer Schicht aus einem Material mit einem niedrigeren Brechungsindex umgeben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei der Wellenleiterstruktur um eine Struktur auf Halbleiterbasis. Die Wellenleiterstruktur besteht zum Teil oder überwiegend oder vollständig aus zumindest einem Halbleitermaterial. Beispielsweise macht das zumindest eine Halbleitermaterial der Wellenleiterstruktur einen Anteil von mindestens 90 % oder 95 % oder 99 % einer geometrischen Gesamtlänge der Wellenleiterstruktur aus.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die aktiven Zonen von der Wellenleiterstruktur umfasst. Beispielsweise liegen die aktiven Zonen innerhalb eines Halbleitermaterials, aus dem die Wellenleiterstruktur gebildet ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die aktiven Zonen elektrisch unabhängig voneinander betreibbar. Mit anderen Worten kann eine Intensität der Laserstrahlung, die aus jeder der aktiven Zonen emittiert wird, unabhängig von den übrigen aktiven Zonen eingestellt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die aktiven Zonen entlang einer Strahlrichtung in der Halbleiterlaseranordnung hinsichtlich ihrer Emissionswellenlängen absteigend angeordnet. Dies bedeutet, dass eine erste aktive Zone dann die größte Emissionswellenlänge aufweist und eine letzte der aktiven Zonen, entlang der Strahlrichtung, die kleinste Emissionswellenlänge. Hierdurch ist verhinderbar, dass in einer nachgeordneten aktiven Zone eine Strahlung einer vorhergehenden aktiven Zone signifikant absorbiert wird. Mit anderen Worten weisen die aktiven Zonen entlang der Strahlrichtung eine zunehmende Bandlücke auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform verläuft die Strahlrichtung in der Halbleiterlaseranordnung entlang einer geraden Linie. Insbesondere verläuft die Strahlrichtung knickfrei hin zu einer Lichtauskoppelfläche der Halbleiterlaseranordnung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterlaseranordnung mehrere Resonatoren. Bevorzugt ist jede der aktiven Zonen in einem eigenen Resonator angebracht. Begrenzungsflächen der Resonatoren sind beispielsweise durch Facetten der zumindest einen Halbleiterschichtenfolge oder durch Spiegelschichten gebildet. Dabei ist nicht ausgeschlossen, dass sich verschiedene aktive Zonen eine bestimmte Spiegelschicht teilen können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird im bestimmungsgemäßen Betrieb der Halbleiterlaseranordnung die Wellenleiterstruktur im Bereich der entlang der Strahlrichtung letzten aktiven Zone von der Laserstrahlung aller aktiven Zonen gemeinsam durchlaufen. Mit anderen Worten wird die Wellenleiterstruktur mindestens bereichsweise dazu verwendet, die verschiedenen Laserstrahlungen, die in den unterschiedlichen aktiven Zonen erzeugt werden, gemeinsam zu führen.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterlaseranordnung mindestens zwei elektrisch gepumpte aktive Zonen. Die aktiven Zonen sind dazu eingerichtet, im Betrieb Laserstrahlung mit voneinander verschiedenen Emissionswellenlängen zu erzeugen. Die Erzeugung der Laserstrahlung erfolgt durch Rekombination von Ladungsträgern in zumindest einem Halbleitermaterial, auf dem die aktiven Zonen basieren. Ferner beinhaltet die Halbleiterlaseranordnung eine Wellenleiterstruktur, bevorzugt auf Halbleiterbasis. Die aktiven Zonen sind elektrisch unabhängig voneinander betreibbar und entlang einer Strahlrichtung in der Halbleiterlaseranordnung hinsichtlich ihrer Emissionswellenlängen absteigend angeordnet. Die Wellenleiterstruktur wird zumindest im Bereich der entlang der Strahlrichtung letzten aktiven Zone von der Laserstrahlung aller aktiven Zonen gemeinsam durchlaufen.
Hocheffiziente, hinsichtlich ihrer Emissionswellenlänge durchstimmbare Lichtquellen mit einer hohen Leuchtdichte und mit einer gerichteten Abstrahlcharakteristik stellen Schlüsselbausteine für stark wachsende Märkte dar, beispielsweise bei Projektoren für bewegte Farbbilder oder für Scheinwerfer mit hoher Reichweite in Kraftfahrzeugen. Lichtquellen, die auf Leuchtdioden, kurz LEDs, basieren, stoßen hinsichtlich ihrer Leuchtdichte dabei an Grenzen.
Demgegenüber erfordert die Überlagerung von Laserlicht verschiedener Wellenlängen in der Regel eine komplexe Optik zur Formung und Überlagerung von Einzelstrahlen. Solche komplexen Optiken sind insbesondere in tragbaren Projektoren oder in Autoscheinwerfern aufgrund des beschränkten Platzes jedoch nur begrenzt einsetzbar. Komplexe Optiken sind beispielsweise dann erforderlich, wenn mehrere Halbleiterlichtquellen lateral nebeneinander platziert werden, wobei die Lichtquellen von sich aus aneinander vorbeistrahlen. Lichtquellen mit Faseroptiken oder Lichtleitern weisen vergleichsweise große geometrische Abmessungen auf.
Eine weitere Möglichkeit, Lichtquellen hoher Leuchtdichte zu realisieren, liegt darin, einer Laserlichtquelle einen Leuchtstoff nachzuordnen. Dies ist jedoch vergleichsweise ineffizient, etwa aufgrund der Verluste bei der Wellenlängenumwandlung im Leuchtstoff selbst. Zudem ist das von dem Leuchtstoff emittierte Licht inkohärent, was eine Strahlformung im Vergleich zu Laserstrahlung erschwert oder unmöglich macht. Zudem wird eine lichtemittierende Fläche im Leuchtstoff durch Streuung vergrößert. Daraus resultiert eine geringere Leuchtdichte und eine schlechtere Étendue und somit auch eine schlechtere Strahlformung. Außerdem ist bei einer Anregung eines Leuchtstoffs durch einen Pumplaser eine insgesamt emittierte Farbe nicht oder nur sehr eingeschränkt variierbar.
Bei der hier beschriebenen Laseranordnung ist einerseits auf eine komplexe Optik verzichtbar. Ebenso kommt die hier beschriebene Laseranordnung ohne einen Leuchtstoff aus. Somit ist die hier beschriebene Halbleiterlaseranordnung geometrisch kompakt, hinsichtlich der emittierten Farbe durchstimmbar und effizient.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist jede der aktiven Zonen in einem separaten Halbleiterlaserchip untergebracht. Bei den Halbleiterlaserchips handelt es sich beispielsweise um kantenemittierende Laser. Ein Halbleiterlaserchip ist insbesondere ein separat verbaubares elektronisches Bauelement, das mechanisch selbsttragend sein kann und über eigene externe elektrische Anschlüsse verfügen kann. Insbesondere verfügen die verschiedenen Halbleiterlaserchips nicht über ein gemeinsames Aufwachssubstrat und nicht über eine gemeinsam gewachsene aktive Zone und/oder Halbleiterschichtenfolge.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Halbleiterlaserchips entlang der Strahlrichtung auf einer geraden Linie angeordnet. Damit kann eine Laserstrahlung, die in einem vorhergehenden der Halbleiterlaserchip erzeugt wird, direkt in den nachfolgenden Halbleiterlaserchip eingestrahlt werden, bevorzugt ohne dass eine Zwischenoptik vorhanden ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Halbleiterlaserchips optisch unmittelbar aufeinanderfolgend angeordnet. Dies kann bedeuten, dass sich zwischen benachbarten Halbleiterlaserchips keine strahlformende Optik befindet. Insbesondere befindet sich zwischen benachbarten Halbleiterlaserchips kein Zwischenraum oder nur eine Freilaufstrecke, beispielsweise ein mit einem homogenen Material gefüllter Zwischenraum oder ein evakuierter Bereich. Der Zwischenraum zwischen den Halbleiterlaserchips ist bevorzugt evakuiert oder mit einem inerten Gas wie Stickstoff oder Argon oder auch mit Luft oder mit Sauerstoff oder mit Kombinationen hieraus gefüllt. Alternativ können die Halbleiterlaserchips aneinander befestigt werden, beispielsweise mit einem transparenten Material wie einem Glas oder einer Keramik.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die Laserstrahlung einer vorangehenden aktiven Zone über eine Zwischenoptik in den Wellenleiter einer in Strahlrichtung nachfolgenden aktiven Zone abgebildet und/oder eingekoppelt. Beispielsweise befindet sich dann entlang der Strahlrichtung zwischen den zugehörigen Wellenleitern und/oder aktiven Zonen eine Sammellinse. Dies kann hinsichtlich aller oder auch nur hinsichtlich eines Teils der aktiven Zonen gelten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst jeder der Halbleiterlaserchips genau einen Wellenleiter. Der genau eine Wellenleiter ist bevorzugt parallel zu der aktiven Zone des entsprechenden Halbleiterlaserchips orientiert. Die Wellenleiter der einzelnen Halbleiterchips können unterschiedliche geometrische Abmessungen, insbesondere unterschiedliche Breiten oder Dicken, aufweisen. Genauso ist es möglich, dass die Wellenleiter der verschiedenen Halbleiterlaserchips aufeinander angepasst sind und im Rahmen der Herstellungstoleranzen dieselbe Breite und/oder Dicke aufweisen. Eine Breite der Wellenleiter ist beispielsweise durch einen Stegwellenleiter, englisch auch als ridge bezeichnet, definiert. Mit anderen Worten kann es sich bei den Halbleiterlaserchips um Halbleiterstreifenlaser, auch als ridge laser bezeichnet, handeln.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind alle Wellenleiter der Halbleiterlaserchips entlang einer geraden Linie angeordnet. Insbesondere sind die Wellenleiter derart ausgerichtet, dass Mittellinien oder optische Achsen der Wellenleiter auf dieser geraden Linie liegen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die einzelnen Halbleiterlaserchips oder zumindest ein Teil der Halbleiterlaserchips versetzt zueinander angeordnet, insbesondere in Richtung senkrecht zur Strahlrichtung und/oder in Richtung senkrecht zur Wachstumsrichtung der zugehörigen Halbleiterschichtenfolge. Hierdurch ist es möglich, dass zum Beispiel ein Monomodenlaser mit einem schmalen Wellenleiter auch exzentrisch in einen relativ breiten Wellenleiter eines Breitstreifenlasers hineinstrahlen kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind alle Halbleiterlaserchips oder zumindest ein Teil der Halbleiterlaserchips zueinander verkippt angeordnet. Hierdurch ist es möglich, dass die Halbleiterlaserchips insbesondere unter einem Brewster-Winkel besonders verlustfrei ineinander einkoppeln.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform bilden die Wellenleiter der einzelnen Halbleiterlaserchips zusammengenommen die Wellenleiterstruktur. In diesem Fall besteht die Wellenleiterstruktur bevorzugt aus den Wellenleitern der Halbleiterlaserchips.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist wenigstens der entlang der Strahlrichtung letzte Halbleiterlaserchip mehrere übereinandergestapelte Wellenleiter auf. Diese Wellenleiter sind bevorzugt parallel zueinander ausgerichtet. Ferner bilden die übereinandergestapelten Wellenleiter einen Teil der Wellenleiterstruktur, insbesondere zusammen mit Wellenleitern übriger Halbleiterlaserchips.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist einer der Wellenleiter des letzten Halbleiterlaserchips für die aktive Zone dieses letzten Halbleiterlaserchips vorgesehen. Das heißt, die von diesem letzten Halbleiterlaserchip erzeugte Strahlung wird in einem der Wellenleiter geführt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform strahlt der zumindest eine, dem letzten Halbleiterlaserchip entlang der Strahlrichtung vorausgehende Halbleiterlaserchip in einen anderen der Wellenleiter des letzten Halbleiterlaserchips ein, als die aktive Zone des letzten Halbleiterlaserchips selbst. Hierdurch ist es möglich, dass jede Laserstrahlung mit je einer bestimmten Emissionswellenlänge in einem bestimmten Wellenleiter, speziell im letzten Halbleiterlaserchip, geführt wird. Somit ist eine Anpassung der Wellenleiter an die jeweils geführte Strahlung möglich.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Wellenleiter des letzten Halbleiterlaserchips zusammengenommen, in Richtung parallel zur einer Wachstumsrichtung der zugehörigen Halbleiterschichtenfolge gesehen, eine Ausdehnung von höchstens 10 µm oder 4 µm oder 2 µm auf. Alternativ oder zusätzlich liegt diese Ausdehnung bei mindestens 0,1 µm oder 0,4 µm oder 1 µm oder 1,5 µm. In Richtung senkrecht zur Wachstumsrichtung und in Richtung senkrecht zur Strahlrichtung liegt die Ausdehnung der Wellenleiter beispielsweise bei mindestens 0,5 µm oder 2 µm oder 10 µm und/oder bei höchstens 500 µm oder 100 µm oder 20 µm. Mit anderen Worten kann die Ausdehnung der Wellenleiter zusammengenommen vergleichsweise klein sein. Insbesondere ist diese Ausdehnung kleiner als eine mittlere Pixelgröße in herkömmlichen Darstellungen. Beispielsweise bei einem 4k-HD-Projektor mit einer horizontalen Projektionslänge von 1 m liegt eine Auflösung pro Bildpunkt bei ungefähr 250 µm. Eine Ausdehnung der Wellenleiterstruktur ist damit besonders bevorzugt derart klein, dass dies bei einer Abbildung der aus den verschiedenen Wellenleitern emittierten Strahlung keinen Einfluss auf eine Bildqualität oder auf die Darstellung von Bildpunkten hat.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein Abstand von Strahlungsaustrittsflächen und/oder von Facetten von benachbarten Halbleiterlaserchips bei höchstens 100 µm oder 50 µm oder 25 µm. Insbesondere ist es möglich, dass sich die Facetten und/oder die Strahlungsaustrittsflächen berühren. In diesem Fall sind die verschiedenen Halbleiterlaserchips auf Stoß angeordnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind zumindest zwei der aktiven Zonen oder alle aktiven Zonen auf einem gemeinsamen Wachstumssubstrat erzeugt. In diesem Fall basieren die aktiven Zonen bevorzugt auf demselben Materialsystem. Eine Emissionswellenlänge ist durch eine Materialzusammensetzung der aktiven Zonen, etwa durch einen Gehalt von Aluminium und/oder Indium, eingestellt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein relativer Unterschied zwischen zumindest zwei der Emissionswellenlängen bei mindestens einem Faktor 1,05 oder 1,1 oder 1,15 oder 1,2. Insbesondere wird verschiedenfarbiges Licht von den einzelnen aktiven Zonen erzeugt. Bevorzugt ist der relative Unterschied zwischen den Emissionswellenlängen kein ganzzahliges Vielfaches. Hierdurch können Resonanzen zwischen den aktiven Zonen vermieden werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegen zumindest zwei oder alle aktiven Zonen in einer gemeinsamen Ebene. Die gemeinsame Ebene ist bevorzugt senkrecht zu einer Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge, die zumindest eine oder alle der aktiven Zonen enthält, orientiert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform, bei der zumindest zwei oder alle aktiven Zonen in einer einzigen Halbleiterschichtenfolge integriert sind, erstreckt sich die Wellenleiterstruktur mit einer gleichbleibenden Ausdehnung und entlang einer geraden Linie über die zumindest zwei oder über alle aktiven Zonen hinweg. Dabei ist in Richtung senkrecht zu den aktiven Zonen bevorzugt nur genau ein Wellenleiter vorhanden. Bei der Wellenleiterstruktur kann es sich um eine zusammenhängende, ununterbrochene Struktur handeln. Alternativ ist es möglich, dass die Wellenleiterstruktur zwischen benachbarten aktiven Zonen nur durch eine wellenlängenselektiv reflektierende Struktur unterbrochen ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind zumindest zwei oder alle aktiven Zonen innerhalb einer Halbleiterschichtenfolge angeordnet, wobei die aktiven Zonen entlang einer Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge übereinandergestapelt angeordnet sind. In diesem Fall weist die Wellenleiterstruktur bevorzugt nur genau einen Wellenleiter auf. Der Wellenleiter und die Wellenleiterstruktur sind parallel zur Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge orientiert. In diesem Fall handelt es sich bei der Halbleiterlaseranordnung bevorzugt um einen oberflächenemittierenden Laser, auch als Vertical Cavity Surface Emitting Laser oder kurz VCSEL bezeichnet. Die einzelnen aktiven Zonen sind bevorzugt monolithisch übereinander gewachsen und beispielsweise durch Tunneldioden oder durch unabhängig voneinander ansteuerbare elektrische Kontaktschichten miteinander verbunden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich zwischen benachbarten aktiven Zonen ein wellenlängenselektiver Spiegel und/oder ein wellenlängenselektives optisches Gitter. Durch solche Spiegel und/oder Gitter kann eine Reflektivität von Resonatoren für die jeweiligen aktiven Zonen eingestellt werden. Der Spiegel und/oder das Gitter können an eine oder an zwei der aktiven Zonen unmittelbar angrenzen oder auch gänzlich beabstandet und separiert von den aktiven Zonen angebracht sein. Bevorzugt sind der Spiegel und/oder das Gitter direkt an zumindest einen Teil der Wellenleiterstruktur angebracht oder auch in die zugehörige Halbleiterschichtenfolge teilweise oder vollständig eingebracht, etwa durch Ätzen von Gräben und eventuelles Verfüllen mit dielektrischem und/oder halbleitendem Material.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform besteht die Wellenleiterstruktur aus einem oder aus mehreren Halbleitermaterialien. Bevorzugt bleiben bei dieser Betrachtung optional vorhandene wellenlängenselektive Spiegel und/oder optische Gitter unberücksichtigt. Sind solche Spiegel und/oder Gitter vorhanden, so ist es möglich, dass auch diese zumindest ein Halbleitermaterial umfassen oder aus wenigstens einem Halbleitermaterial bestehen. Unter Halbleitermaterialien werden insbesondere Silizium und Germanium sowie Verbindungshalbleiter wie III-V-Halbleitermaterialien oder II-VI-Halbleitermaterialien verstanden. Außerdem können solche Gitter aus einem dielektrischen Material, insbesondere einem Oxid oder Nitrid wie Aluminiumoxid, Tantaloxid, Siliziumoxid, Hafniumoxid, Titanoxid, Nioboxid, Zirkonoxid, Rhodiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid oder Aluminiumoxinitird, hergestellt sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Halbleiterlaseranordnung frei von Leuchtstoffen und/oder frei von optisch gepumpten Laserstrukturen. Mit anderen Worten wird dann in der Halbleiterlaseranordnung ausschließlich durch die Rekombination von elektronisch angeregten Ladungsträgern Strahlung erzeugt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterlaseranordnung eine oder mehrere aktive Zonen zur Erzeugung von blauem Licht. Blaues Licht bezeichnet insbesondere eine Strahlung mit einer dominanten Wellenlänge von mindestens 420 nm oder 440 nm und/oder von höchstens 480 nm oder 470 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterlaseranordnung eine oder mehrere aktive Zonen, die zur Erzeugung von grünem Licht eingerichtet sind. Grünes Licht meint insbesondere Strahlung mit einer dominanten Wellenlänge von mindestens 505 nm oder 515 nm und/oder von höchstens 540 nm oder 530 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterlaseranordnung eine oder mehrere aktive Zonen zur Erzeugung von rotem Licht. Rotes Licht bedeutet, dass eine dominante Wellenlänge der zugehörigen Strahlung beispielsweise bei mindestens 600 nm oder 610 nm und/oder bei höchstens 680 nm oder 650 nm liegt.
Sofern von ultravioletter Strahlung die Rede ist, wird insbesondere auf den Wellenlängenbereich von mindestens 300 nm oder 340 nm und/oder bis höchstens 400 nm oder 380 nm abgestellt. Nahinfrarote Strahlung bezeichnet insbesondere Wellenlängen von mindestens 700 nm oder 800 nm bis höchstens 1600 nm oder 1450 nm.
Darüber hinaus wird ein Projektor angegeben. Der Projektor umfasst mindestens eine Halbleiterlaseranordnung, wie in Verbindung mit einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen angegeben. Merkmale der Halbleiterlaseranordnung sind daher auch für den Projektor offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Projektor zur Projektion von veränderlichen Bildern, insbesondere Farbbildern, vorgesehen. Beispielsweise handelt es sich bei dem Projektor um einen so genannten Pico-Projektor, der als tragbares Handgerät verwendbar ist. Insbesondere können mit dem Projektor Videos oder Bildsequenzen dargestellt werden. Ebenso ist es möglich, dass solche RGB-Lasermodule zum Ausleuchten herkömmlicher Flüssigkristalldisplays, wie etwa in konventionellen Beamern verwendet, zum Einsatz kommen. Hierdurch lässt sich eine höhere Effizienz realisieren, da die Farben der Laser genau auf die Flüssigkristallpixel abgestimmt werden können.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst der Projektor zumindest eine, insbesondere genau eine Halbleiterlaseranordnung und zumindest eine Abbildungsoptik. Die Abbildungsoptik kann eine Linse oder ein Linsensystem zu einer Divergenzanpassung der von der Halbleiterlaseranordnung emittierten Strahlung aufweisen. Ebenso ist es möglich, dass die Abbildungsoptik ein Richtung gebendes Element wie einen verstellbaren Spiegel oder Mikrospiegel zum Abrastern von Bildpunkten eines zu erzeugenden Bildes beinhaltet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Projektor zur Emission von Laserstrahlung mit einem mittleren Lichtstrom von mindestens 10 lm oder 20 lm oder 30 lm eingerichtet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform nimmt die Halbleiterlaseranordnung in dem Projektor nur ein kleines Volumen ein. Beispielsweise lässt sich die Halbleiterlaseranordnung in einem Volumen von maximal 12 mm × 5 mm × 5 mm oder maximal 10 mm × 3 mm × 3 mm oder maximal 3 mm × 2 mm × 2 mm einpassen. Bevorzugt liegt dieses Volumen nur bei maximal 2 mm × 1,2 mm × 1,2 mm.
Außer in Projektoren können hier beschriebene Halbleiterlaseranordnungen auch in Scheinwerfern, etwa für Kraftfahrzeuge, eingesetzt werden. Dabei ist es möglich, dass der Scheinwerfer weißes Licht mit einem einstellbaren Weißton emittiert. Ebenso kann im Kfz-Außenbereich durch eine hier beschriebene Halbleiterlaseranordnung farbiges Licht etwa für Blinker, Bremslicht oder Deko-Beleuchtung erzeugt werden. Außerdem ist im Kfz-Innenbereich mit einer solchen Halbleiterlaseranordnung farbiges oder weißes Licht erzeugbar. Entsprechendes gilt für Schienenfahrzeuge, Flugzeuge oder Schiffe.
Weiterhin ist es möglich, dass hier beschriebene Halbleiterlaseranordnungen in einem Werkzeug zur Materialbearbeitung verwendet werden. In diesem Fall emittiert zum Beispiel eine aktive Zone ultraviolette Strahlung oder blaues Licht und eine weitere aktive Zone nahinfrarotes oder infrarotes Licht. Hierdurch ist beispielsweise ein Werkzeug zum Schweißen etwa von Kupfer oder Gold realisierbar.
Ferner können hier beschriebene Halbleiterlaseranordnungen in einem Infrarotlaser mit einem grünen Laser als Ziellaser eingesetzt werden. Auch zur Signalübertragung können hier beschriebene Halbleiterlaseranordnungen beispielsweise beim Wellenlängenmultiplexing eingesetzt werden. Ebenso ist die Anwendung von Halbleiterlaseranordnungen in LIDAR-Anwendungen möglich, etwa um eine erhöhte Reichweite durch angepasste Wellenlängen, beispielsweise bei Nebel, zu erreichen.
Schließlich können hier beschriebene Halbleiterlaseranordnungen zur Desinfektion und/oder zur Spektroskopie eingesetzt werden, beispielsweise indem verschiedene Emissionswellenlängen im ultravioletten Spektralbereich und/oder im infraroten Spektralbereich miteinander kombiniert werden.
Nachfolgend werden hier beschriebene Laseranordnungen und hier beschriebene Projektoren unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:
1 bis 8 schematische Schnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Projektoren mit hier beschriebenen Halbleiterlaseranordnungen,
9 und 10 schematische Draufsichten von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Projektoren mit hier beschriebenen Halbleiterlaseranordnungen, und
11 eine schematische Darstellung von spektralen Eigenschaften von Spiegeln für hier beschriebene Halbleiterlaseranordnungen.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Projektors 10 gezeigt. Der Projektor 10 umfasst eine Halbleiterlaseranordnung 1 sowie eine Abbildungsoptik 6. Die Abbildungsoptik 6 beinhaltet eine Kollimationsoptik in Form einer Sammellinse.
Die Halbleiterlaseranordnung 1 weist einen Träger 7 auf. Auf den Träger 7 sind drei Halbleiterlaserchips 2 angebracht. Die Halbleiterlaserchips 2 umfassen je eine aktive Zone 31, 32, 33 sowie einen Wellenleiter 41, 42, 43. Insgesamt wird von der Halbleiterlaseranordnung 1 eine Laserstrahlung R emittiert.
In der aktiven Zone 31 wird eine Strahlung mit einer Emissionswellenlänge L1 erzeugt. Bei der Strahlung mit der Emissionswellenlänge L1 handelt es sich beispielsweise um rotes Licht. Diese Strahlung mit der Wellenlänge L1 wird innerhalb des Halbleiterlaserchips 2 mit der aktiven Zone 31 in dem Wellenleiter 41 geführt. Die aktive Zone 31 befindet sich, wie auch die anderen aktiven Zonen 32, 33, in einem nicht separat gezeichneten Resonator. Entsprechend wird in der aktiven Zone 32 Strahlung mit der Emissionswellenlänge L2, beispielsweise grünes Licht, und in der aktiven Zone 33 eine Strahlung mit der Emissionswellenlänge L3, beispielsweise blaues Licht, erzeugt.
Die in der aktiven Zone 31 emittierte Strahlung verlässt den zugehörigen Halbleiterlaserchip 2 in Richtung hin zu dem benachbarten Halbleiterlaserchip 2 und tritt in den Wellenleiter 42 des Halbleiterchips 2 mit der aktiven Zone 32 ein. In dem Wellenleiter 32 werden also die Strahlungen mit den Emissionswellenlängen L1 und L2 geführt. Diese Strahlungen L1, L2 treten nachfolgend in den Halbleiterlaserchip 2 mit der aktiven Zone 33 ein. Somit werden in dem Wellenleiter 43 die Strahlungen mit den Emissionswellenlängen L1, L2, L3 gemeinsam geführt und gemeinsam aus der Halbleiterlaseranordnung 1 ausgekoppelt.
Somit tritt die Strahlung R bestimmungsgemäß an nur einem einzigen Bereich aus der Halbleiterlaseranordnung 1 heraus. Hierdurch ist durch eine vergleichsweise einfache Abbildungsoptik 6, beispielsweise durch eine einzelne Sammellinse, eine Kollimation und Strahlformung möglich. Optional beinhaltet die Abbildungsoptik 6, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen möglich, eine Blende, um Streulicht am Verlassen des Projektors 10 zu hindern.
Mit anderen Worten sind die Halbleiterlaserchips 2 entlang einer Strahlrichtung x innerhalb der Halbleiterlaseranordnung 1 optisch direkt hintereinander angeordnet und koppeln die erzeugte Strahlung jeweils direkt in den nachfolgenden Halbleiterlaserchip 2 ein. Damit werden alle erzeugten Strahlungsanteile gleichzeitig aus demselben Wellenleiter 43 nach außen hin emittiert.
Ein Abstand zwischen den benachbarten Halbleiterlaserchips 2 ist bevorzugt sehr klein, beispielsweise weniger als 10 µm. Anders als dargestellt, stoßen die Halbleiterlaserchips 2 bevorzugt aneinander, sodass kein oder kein signifikanter Abstand zwischen den benachbarten Halbleiterlaserchips 2 vorhanden ist. Ferner sind die einzelnen Halbleiterlaserchips 2 und damit die aktiven Zonen 31, 32, 33 elektrisch unabhängig voneinander ansteuerbar.
Weitere Komponenten des Projektors 10 wie Stromversorgungsleitungen, eine Ansteuerelektronik oder ein Gehäuse sind zur Vereinfachung der Darstellung jeweils nicht gezeichnet.
Beim Ausführungsbeispiel der 2 ist die Halbleiterlaseranordnung 1 des Projektors 10 nur aus einem einzigen Halbleiterlaserchip 2 gebildet. Der Halbleiterlaserchip 2 umfasst ein Aufwachssubstrat 30, das auch als Träger 7 fungiert. Ausgehend von dem Wachstumssubstrat 30 sind Halbleiterschichtenfolgen für die aktiven Zonen 31, 32, 33 entlang einer Wachstumsrichtung G insbesondere epitaktisch erzeugt. Wie auch in 1 verlaufen gemäß 2 die Wellenleiter 41, 42, 43, die gemeinsam die Wellenleiterstruktur 4 bilden, in einer geraden Linie und in einem konstanten Abstand zu dem Wachstumssubstrat 30.
Zwischen benachbarten aktiven Zonen 31, 32, 33 befindet sich je ein wellenlängenselektiver Spiegel 51, 52. Durch den Spiegel 51 wird die Strahlung mit der Wellenlänge L1 hindurchgelassen, durch den Spiegel 52 werden die Strahlungen mit den Wellenlängen L1, L2 hindurchgelassen. Die Spiegel 51, 52 sind beispielsweise als dielektrische Spiegel mit einer Schichtenfolge mit Schichten abwechselnd hoher und niedriger Brechungsindizes gebildet. Ebenso ist es möglich, dass die Spiegel 51, 52 als Bragg-Gitter gestaltet sind.
Die Abbildungsoptik 6 umfasst gemäß 2, wie dies auch in allen anderen Ausführungsbeispielen möglich ist, neben der Kollimatoroptik 6a eine richtungsgebende Komponente 6b. Bei der Komponente 6b handelt es sich beispielsweise um einen beweglichen Mikrospiegel, mit dem einzelne Bildpunkte eines zu erzeugenden Bildes projizierbar sind.
In 3 ist ein Ausschnitt aus einem Halbleiterlaserchip 2 gezeigt, bei dem die aktiven Zonen 31, 32 zusammenhängend gewachsen sind. Die zugehörige Halbleiterschichtenfolge beinhaltet eine Maskenschicht 39, etwa aus Siliziumdioxid. Die Maskenschicht 39 weist Öffnungen unterschiedlicher Größen auf, aus denen heraus pyramidenförmige Strukturen mit demgemäß unterschiedlichen Größen wachsen.
Die Halbleiterschichtenfolge basiert bevorzugt auf dem Materialsystem AlInGaN. Durch die verschiedenen Größen der Pyramiden ergeben sich auch unterschiedliche Wachstumsbedingungen an den Pyramiden. Hierdurch entstehen an den Pyramiden Quantentopfstrukturen 38 mit unterschiedlichen Dicken. Somit lassen sich unterschiedliche Emissionswellenlängen in den aktiven Zonen 31, 32 erzielen. Ein solcher Halbleiterlaserchip 2 kann beispielsweise im Ausführungsbeispiel gemäß 2 verwendet werden, wobei bevorzugt die Spiegel 51, 52 noch nachträglich eingebracht werden.
In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt. Die Halbleiterlaseranordnung 1 ist aus einem einzigen Halbleiterlaserchip 2 gebildet. Die aktiven Zonen 31, 32, 33 sind monolithisch in einer Halbleiterschichtenfolge integriert und folgen entlang der Wachstumsrichtung G aufeinander. Die Wachstumsrichtung G ist gleichzeitig die Strahlrichtung x. Benachbarte aktive Zonen 31, 32, 33 sind beispielsweise durch Tunneldioden miteinander verbunden. Die Spiegel 51, 52 befinden sich zwischen benachbarten aktiven Zonen 31, 32, 33. Die Wellenleiterstruktur 4 erstreckt sich zusammenhängend über alle aktiven Zonen 31, 32, 33 und verläuft parallel zur Wachstumsrichtung G.
Besonders bevorzugt sind die aktiven Zonen 31, 32, 33 einzeln elektrisch ansteuerbar. Dies ist etwa dadurch erreichbar, dass die zugehörige Halbleiterschichtenfolge zum Teil etwa durch Ätzen entfernt ist, nicht gezeichnet, sodass separate elektrische Kontakte an die zugehörigen aktiven Zonen 31, 32, 33 angebracht werden können.
Beim Ausführungsbeispiel der 5 sind mehrere Halbleiterlaserchips 2 vorhanden, die direkt aneinanderstoßen und zwischenraumfrei auf dem Träger 7 angebracht sind. Zumindest die Halbleiterlaserchips 2 mit den aktiven Zonen 32, 33 weisen mehrere Wellenleiter 41, 42, 43 auf, die entlang der Wachstumsrichtung G übereinandergestapelt angeordnet sind. Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen liegt eine Dicke der einzelnen Wellenleiter 41, 42, 43 entlang der Wachstumsrichtung G bevorzugt bei höchstens einem Doppelten der jeweiligen Vakuum-Emissionswellenlänge L1, L2, L3. Damit beträgt eine Ausdehnung der Wellenleiterstruktur 4 entlang der Wachstumsrichtung G insgesamt beispielsweise höchstens 20 µm.
Für jede Strahlung mit den Emissionswellenlängen L1, L2, L3 ist damit eine eigene Ebene parallel zum Träger 7 vorgesehen, in der die jeweilige Strahlung geführt wird. Somit können die einzelnen Wellenleiter 41, 42, 43 auf die jeweiligen Emissionswellenlängen L1, L2, L3 optimiert sein. Aufgrund der sehr geringen Ausdehnung der Wellenleiterstruktur 4 entlang der Wachstumsrichtung G kann damit die insgesamt emittierte Laserstrahlung R in einem projizierten Bildpunkt als homogen durchmischtes Licht erscheinen.
Abweichend von der Darstellung in 5 ist es auch möglich, dass die Laserchips 2 mit den aktiven Zonen 31, 32 je über alle Wellenleiter 41, 42, 43 verfügen. Funktionell als Wellenleiter benutzt werden jedoch bevorzugt nur die in 5 eingezeichneten Wellenleiter 41, 42, 43.
Sind die Emissionswellenlängen L1, L2, L3 nur vergleichsweise wenig unterschiedlich, so ist es möglich, dass mehrere aktive Zonen übereinander in der Wellenleiterstruktur 4 gewachsen werden. Lateral können dann einzelne aktive Zonen deaktiviert oder abgeschaltet werden, beispielsweise über Ionenimplantation oder durch gezielte Materialschädigung mit Lasereinstrahlung entsprechend Stealth Dicing. Alternativ können die einzelnen Wellenleiter 41, 42, 43, in denen keine Strahlung erzeugt wird, auch frei von einer aktiven Zone gewachsen werden, wie in 5 auch gezeigt.
In 5 sind die übereinandergestapelten Wellenleiter 41, 42, 43 in drei verschiedenen Halbleiterlaserchips 2 realisiert. Genauso kann eine solche Stapelung der Wellenleiter 41, 42, 43 in nur einem einzigen Halbleiterlaserchip 2 realisiert werden, analog zum Ausführungsbeispiel der 2.
Beim Ausführungsbeispiel der 6 befinden sich zwischen den einzelnen aktiven Zonen 31, 32, 33 die Spiegel 51, 52. Die Spiegel 51, 52 stehen beispielsweise nur in Kontakt mit einer der aktiven Zonen 32, 33 und/oder mit einem der Wellenleiter 42, 43.
Eine Reflektivität r in Prozent der Spiegel 51, 52 ist hinsichtlich einer Wellenlänge λ in nm bevorzugt gestaltet, wie in 11 illustriert. Damit sind die zwei Spiegel 51, 52 für die Emissionswellenlänge L1, die im roten Spektralbereich liegt, durchlässig. Der Spiegel 52 ist zusätzlich durchlässig für die im grünen Spektralbereich liegende Emissionswellenlänge L2. Somit reflektiert der Spiegel 52 lediglich die im blauen Spektralbereich liegende Emissionswellenlänge L3.
Beim Ausführungsbeispiel der 7 sind die Wellenleiter 41, 42 in beiden Halbleiterlaserchips 2 vorhanden. Jedoch wird nur der näher an dem Träger 7 befindliche Wellenleiter 42 in dem Halbleiterlaserchip 2 mit der aktiven Zone 32 funktionell verwendet. Ist an einer der Abbildungsoptik 6 abgewandten Seite der Halbleiterlaserchips 2 eine Kontrollfotodiode vorhanden, so kann der nicht mit einer aktiven Zone versehene Wellenleiter 42 auch dazu dienen, gezielt Strahlung mit der Wellenlänge L2 zu dieser Kontrollfotodiode zu führen. Entsprechendes kann beim Ausführungsbeispiel der 5 gelten.
Die Emissionswellenlänge L1 liegt beispielsweise im infraroten oder nahinfraroten Spektralbereich. Bei dem Halbleiterlaserchip 2 mit der aktiven Zone 31 kann es sich um eine Hochleistungslaserdiode handeln, die zur Materialbearbeitung, etwa zum Schmelzen oder Schweißen, eingesetzt wird. Der Halbleiterlaserchip 2 mit der aktiven Zone 32 ist beispielsweise zur Erzeugung von ultravioletter oder blauer Strahlung mit der Emissionswellenlänge L2 eingerichtet, um eine effiziente Materialbearbeitung etwa von Gold oder Kupfer zu gewährleisten. Auch die Bearbeitung von Aluminium ist mit solchen Halbleiterlaseranordnungen 1 möglich. Alternativ kann auch eine Kombination von grünem Laserlicht mit blauem und/oder ultraviolettem Laserlicht herangezogen werden, insbesondere zur Materialbearbeitung.
Zu einer Anpassung eines Abstands der Wellenleiter 41, 42 von dem Träger 7 ist es, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen, möglich, dass ein Zwischenträger 8 vorhanden ist. Ein solcher Zwischenträger 8 kann auch als zusätzliche Kühlkomponente fungieren.
Beim Ausführungsbeispiel der 8 befindet sich zwischen benachbarten aktiven Zonen 31, 32, 33 je eine Zwischenoptik 91, 92. Über die Zwischenoptiken 91, 92 wird die Laserstrahlung einer in Strahlrichtung x vorhergehenden aktiven Zone 31, 32 in den nachfolgenden Wellenleiter 42, 43 eingekoppelt und/oder abgebildet. Die Optiken 6, 91, 92 sind bevorzugt fest mit dem Träger 7 verbunden, wie dies auch in allen anderen Ausführungsbeispielen der Fall sein kann.
Gemäß der Draufsicht der 9 weist die Halbleiterlaseranordnung 1 einen schmalen Wellenleiter 31 auf, beispielsweise für einen Monomodenbetrieb. Die Strahlung aus diesem schmalen Wellenleiter 41 wird in einen Breitstreifenlaser mit dem relativ breiten Wellenleiter 42 eingekoppelt. Der breite Wellenleiter 42 ist bevorzugt für einen Multimodenbetrieb gestaltet. Dabei kann der schmale Wellenleiter 41 ausmittig zu dem breiten Wellenleiter 42 angeordnet sein, also in Richtung senkrecht zur Strahlrichtung x gegenüber einer Mittelachse des breiten Wellenleiters 42 versetzt sein.
In 10 ist gezeigt, dass die Wellenleiter 41, 42 nicht parallel zueinander angeordnet sind, sondern in einem Winkel. Somit kann die Laserstrahlung aus der aktiven Zone 31 unter einem Brewster-Winkel effizient in den Wellenleiter 42 eingekoppelt werden.
Die hier beschriebene 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.
Bezugszeichenliste

1: Halbleiterlaseranordnung
2: Halbleiterlaserchip
30: Wachstumssubstrat
38: Quantentopfstruktur
39: Maskenschicht
31, 32, 33: aktive Zone
4: Wellenleiterstruktur
41, 42, 43: Wellenleiter
51, 52: wellenlängenselektiver Spiegel
6: Abbildungsoptik
7: Träger
8: Zwischenträger
91, 92: Zwischenoptik
10: Projektor
G: Wachstumsrichtung
L1, L2, L3: Emissionswellenlänge
λ: Wellenlänge in nm
r: Reflektivität in %
R: Laserstrahlung
x: Strahlrichtung

Claims

Halbleiterlaseranordnung (1) mit – mindestens zwei elektrisch gepumpten aktiven Zonen (31, 32, 33), die dazu eingerichtet sind, im Betrieb je eine Laserstrahlung (R) voneinander verschiedener Emissionswellenlängen (L1, L2, L3) durch Rekombination von Ladungsträgern in zumindest einem Halbleitermaterial zu erzeugen, und – einer Wellenleiterstruktur (4) auf Halbleiterbasis, wobei – die aktiven Zonen (31, 32, 33) elektrisch unabhängig voneinander betreibbar sind, – die aktiven Zonen (31, 32, 33) entlang einer Strahlrichtung (x) in der Halbleiterlaseranordnung (1) hinsichtlich ihrer Emissionswellenlängen (L1, L2, L3) absteigend angeordnet sind, und – die Wellenleiterstruktur (4) im Bereich der entlang der Strahlrichtung (x) letzten aktiven Zone (32, 33) von der Laserstrahlung (R) aller aktiver Zonen (31, 32, 33) gemeinsam durchlaufen wird.
Halbleiterlaseranordnung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei der jede der aktiven Zonen (31, 32, 33) in einem separaten kantenemittierenden Halbleiterlaserchip (2) untergebracht ist, wobei die Halbleiterlaserchips (2) entlang der Strahlrichtung (x) entlang einer geraden Linie optisch unmittelbar aufeinanderfolgend angeordnet sind.
Halbleiterlaseranordnung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei der jeder der Halbleiterlaserchips (2) genau einen Wellenleiter (41, 42, 43) aufweist und diese Wellenleiter (41, 42, 43) je parallel zu den aktiven Zonen (31, 32, 33) orientiert sind, wobei alle diese Wellenleiter (41, 42, 43) entlang einer geraden Linie verlaufen und zusammengenommen die Wellenleiterstruktur (4) bilden.
Halbleiterlaseranordnung (1) nach Anspruch 2, bei der zumindest der entlang der Strahlrichtung (x) letzte Halbleiterlaserchip (2) mehrere übereinandergestapelte, zueinander parallel ausgerichtete Wellenleiter (41, 42, 43) umfasst und diese Wellenleiter (41, 42, 43) ein Teil der Wellenleiterstruktur (4) sind, wobei einer dieser Wellenleiter (43) für die aktive Zone (33) dieses letzten Halbleiterlaserchips (2) vorgesehen ist, wobei der mindestens eine dem letzten Halbleiterlaserchip (2) entlang der Strahlrichtung (x) vorausgehende Halbleiterlaserchip (2) in einen anderen der Wellenleiter (41, 42, 43) einstrahlt als die aktive Zone (33) des letzten Halbleiterlaserchips (2), und wobei die Wellenleiter (41, 42, 43) des letzten Halbleiterlaserchips (2) zusammengenommen in Richtung senkrecht zur Strahlrichtung (x) und im Querschnitt gesehen eine Ausdehnung von höchstens 4 µm aufweisen.
Halbleiterlaseranordnung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei der ein Abstand von Strahlungsaustrittsflächen und/oder von Facetten benachbarter Halbleiterlaserchips (2) höchstens 50 < p µm beträgt, wobei ein Raum zwischen den benachbarten Halbleiterlaserchips (2) frei ist von einem Wellenleiter für die Laserstrahlung (R).
Halbleiterlaseranordnung (1) nach Anspruch 1, bei der alle aktiven Zonen (31, 32, 33) auf einem gemeinsamen Wachstumssubstrat (30) erzeugt sind, wobei ein relativer Unterschied zwischen zumindest zwei der Emissionswellenlängen (L1, L2, L3) bei mindestens einem Faktor 1,05 liegt.
Halbleiterlaseranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der alle aktiven Zonen (31, 32, 33) in einer gemeinsamen Ebene liegen und diese Ebene senkrecht zu einer Wachstumsrichtung (G) einer Halbleiterschichtenfolge (3) mit den aktiven Zonen (31, 32, 33) orientiert ist.
Halbleiterlaseranordnung (1) nach Anspruch 6 und nach dem vorhergehenden Anspruch, bei der die Wellenleiterstruktur (4) sich mit einer gleichbleibenden Ausdehnung und entlang einer geraden Linie über alle aktive Zonen (31, 32, 33) hinweg erstreckt und in Richtung senkrecht zu den aktiven Zonen (31, 32, 33) nur genau einen Wellenleiter (41, 42, 43) beinhaltet.
Halbleiterlaseranordnung (1) nach Anspruch 6, bei der alle aktiven Zonen (31, 32, 33), entlang einer Wachstumsrichtung (G) einer Halbleiterschichtenfolge (3) mit den aktiven Zonen (31, 32, 33), übereinandergestapelt angeordnet sind.
Halbleiterlaseranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der sich zwischen benachbarten aktive Zonen (31, 32, 33) ein wellenlängenselektiver Spiegel (51, 52) und/oder ein wellenlängenselektives optisches Gitter befindet.
Halbleiterlaseranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Wellenleiterstruktur (4), mit Ausnahme von optional vorhandenen wellenlängenselektiven Spiegeln (51, 52) und/oder optischen Gittern, aus einem oder mehreren Halbleitermaterialien besteht.
Halbleiterlaseranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die frei ist von Leuchtstoffen und die frei ist von optisch gepumpten Laserstrukturen.
Halbleiterlaseranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine aktive Zone (33) zur Erzeugung von blauem Licht, eine aktive Zone (32) zur Erzeugung von grünem Licht und eine aktive Zone (31) zur Erzeugung von rotem Licht umfasst.
Halbleiterlaseranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, die eine aktive Zone (33) zur Erzeugung von blauem Licht oder ultravioletter Strahlung und eine aktive Zone (31) zur Erzeugung von nahinfraroter Strahlung umfasst.
Projektor (10) zur Projektion von veränderlichen Farbbildern mit einer Halbleiterlaseranordnung (1) nach den vorherigen Anspruch und mit mindestens einer Abbildungsoptik (6), der zur Emission von Laserstrahlung mit einem mittleren Lichtstrom von mindestens 10 lm eingerichtet ist, wobei die Halbleiterlaseranordnung (1) in dem Projektor (10) ein Volumen von maximal 10 mm × 3 mm × 3 mm einnimmt.