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Die Erfindung betrifft eine Laservorrichtung mit einem vertikalemittierenden Halbleiterlaserbauteil zum Emittieren von Laserlicht.
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Es wird vorgeschlagen, eine Laservorrichtung mit einem vertikalemittierenden Halbleiterlaserbauteil zum Emittieren von Laserlicht mit einem Grundkörper vorzusehen, der einen ersten Spiegelabschnitt, einen zweiten Spiegelabschnitt und eine zwischen den beiden Spiegelabschnitten angeordnete aktive Schicht zur Erzeugung des Laserlichts aufweist, wobei der Grundkörper auf seiner Oberfläche einen für das Emittieren des Laserlichts vorgesehenen Emissionsbereich aufweist, an dem ein optisches Metaelement angeordnet ist, das zur Formung des Laserlichts vorgesehen ist, wobei das Metaelement dazu eingerichtet ist, das Laserlicht bei wenigstens einer Lasermode zu emittieren.
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Ein Metamaterial ist eine künstlich hergestellte Struktur, deren Durchlässigkeit für elektrische und magnetische Felder (Permittivität und Permeabilität) von der in der Natur üblichen abweicht. Das wird erreicht durch speziell angefertigte, meist periodische, mikroskopisch feine Strukturen (Zellen, Einzelelemente) aus elektrischen oder magnetisch wirksamen Materialien in ihrem Inneren. Schickt man nun Licht durch eine solche aus Metamaterial bestehende Metaoberfläche, so werden die einzelnen Lichtwellen an diesen Elementen unterschiedlich stark verzögert. Daher kann durch die Wahl der Struktur des Metaelements eine optisch effektive Schichtdicke entworfen werden. Hinter der Metaoberfläche überlagern sich die Lichtwellen dann zu neuen Wellenfronten mit anderen Ausbreitungsrichtungen. Speziell bei Metalinsen sind diese Elemente so konzipiert und verteilt, dass das Licht dahinter in einem Brennpunkt zusammenläuft - wie bei einer herkömmlichen Linse. Generell lassen sich Metaoberflächen aber auch so gestalten, dass sie die Funktionalitäten von anderen optischen Komponenten nachahmen, wie beispielsweise von Strahlteilern, Polarisatoren oder Beugungsgittern. Dies bildet die Grundlage für das Metaelement.
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Das Laserlicht bildet in einer Kavität, die durch die Spiegelabschnitte gebildet ist, wenigstens eine Lasermode aus. Das Halbleiterlaserbauteil kann ein sogenannter VCSEL (vertical-cavity surface-emitting lasers) sein. Das Metaelement kann unterschiedlich dimensionierte Metastrukturen aufweisen, die Abmessungen im Subwellenlängenbereich bezüglich des Laserlichts aufweisen.
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Durch das Metaelement kann die Reflexion des aus dem Grundkörper des Halbleiterlaserbauteils auszukoppelnden Laserlichts an der Oberfläche eingestellt werden. Hierbei kann die Reflexion derart eingestellt werden, dass bestimmte Lasermoden bei einer geringeren, in die Laservorrichtung eingespeisten Energie stabilisiert werden. Entsprechend weist das ausgekoppelte Laserlicht das Intensitätsprofil der stabilisierten Lasermode auf.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführung und Weiterbildung der Erfindung möglich.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Metaelement als Metaschicht auf dem Emissionsbereich ausgebildet, deren Schichtdicke entlang der Oberfläche variiert. Hierdurch kann die effektive Reflektivität des Metaelements lokal entlang der Oberfläche variiert werden, sodass erste Orte auf der Oberfläche gebildet werden, an denen das Metaelement das Laserlicht stärker zurück in die Kavität reflektiert als an zweiten Orten. Die Orte können auch durch zwei unterschiedliche Winkel spezifiziert sein.
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Vorteilhafterweise wird die Schichtdicke entsprechend wenigstens einer sich im Halbleiterlaserbauteil ausbildenden Lasermode des Laserlichts variiert. Dabei kann die Schichtdicke in Abhängigkeit einer Dichte der Metastrukturen variiert werden, sodass an Orten hoher Dichte der Metastrukturen beispielsweise die Schichtdicke geringer ist als an Orten geringerer Dichte der Metastrukturen. Hierdurch kann eine Reflexion des Laserlichts, die durch die Dichte der Metastrukturen beeinflusst wird, durch die Schichtdicke eingestellt werden. Die Schichtdicke kann als effektive Schichtdicke verstanden werden, die durch eine Variation der Dichte der Metastrukturen erreicht wird. Die physische Schichtdicke (z.B. Türmchenhöhe) kann vorzugsweise konstant sein.
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Variiert man die Dichte/Größe der Türmchen, ergibt sich dadurch ein entsprechend variierender Brechungsindex und eine entsprechende variierende optische Weglänge.
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Alternativ oder ergänzend kann die Dichte der Metastrukturen in unterschiedliche Richtungen entlang der Oberfläche unterschiedlich sein. So kann in eine erste Richtung eine erste Dichte und in einer zweiten Richtung eine zweite Dichte bezogen auf die Fläche vorliegen.
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Eine besondere Weiterbildung beinhaltet, dass das Metamaterial als Metastrukturen Metafortsätze aufweist, die sich von einem Basisabschnitt in die gleiche Richtung in etwa parallel erstrecken. Die Metafortsätze können türmchenartig ausgebildet sein. Die Höhe der einzelnen Metafortsätze kann variieren. Der Basisabschnitt ist eine durchgehende Lage, die mit den Metafortsätzen einstückig ausgebildet ist. Unter Metafortsätzen können auch Furchen, Rippen, unregelmäßige Strukturen, die sich durch eine Variation der Höhe bezüglich einer Oberflächennormale der Oberfläche des Grundkörpers auszeichnen, Kuppen, Vertiefungen wie Dellen, Stege, Pyramiden und/oder sonstige Strukturen, die zu einer Verzögerung der Wellenfronten des Laserlichts führen, das durch das Metaelement propagiert.
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Vorzugsweise variiert die Dichte der Metafortsätze entlang der Oberfläche. Dabei kann die lokale Dichte der Metafortsätze entsprechend einer beabsichtigten Formung des Laserlichts eingerichtet werden.
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Ergänzend oder alternativ kann die Dichte der Metafortsätze entsprechend wenigstens einer sich im Halbleiterlaserbauteil ausbildenden Lasermode des Laserlichts variieren. Hierbei kann die lokale Dichte der Metafortsätze entsprechend der Formung und der Lasermode eingerichtet werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung können die Metafortsätze durch Oxidation und/oder durch Ätzen des Materials des Metaelements ausgebildet werden. Dabei kann das Metamaterial zwischen den Metafortsätzen und dem Basisabschnitt durch Ätzen gänzlich entfernt werden und insbesondere mit einem Ersatzmaterial gefüllt werden, dass einen im Vergleich mit dem Metamaterial unterschiedlichen Brechungsindex aufweist. Bei einer Oxidation des Metamaterials zwischen den Metafortsätzen und dem Basisabschnitt kann der Brechungsindex des Metamaterials verändert werden. Beispielsweise kann das zwischenliegende Metamaterial zu Siliziumdioxid umgewandelt werden.
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Insbesondere kann die Schichtdicke und/oder die Dichte der Metafortsätze so variiert werden, dass eine hohe Reflektivität an den zwischen dem Grundkörper und dem Metaelement an Stellen entlang der Oberfläche vorliegt, an denen eine hohe Lichtintensität der Lasermode vorliegt.
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Besonders vorteilhaft ist, eine erste Metaschicht und eine zweite Metaschicht aufeinanderzustapeln. Dabei kann eine erste Metaschicht auf der Oberfläche des Grundkörpers angeordnet sein und als Reflexionsschicht dienen und die zweite Metaschicht kann zur Formung des Laserlichts dienen. Hierdurch wird eine Funktionstrennung der Reflexionseinstellung und der Formung des Laserlichts erreicht.
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Weiter vorteilhaft ist es, verschiedenen Lagen aufeinander zu stapeln, wobei manche der Lagen Metastrukturen aufweisen können, während andere keine Metastrukturen aufweisen. Es können durchgängige Lagen aus für das Laserlicht durchlässigem Material bestehen. Es kann eine Lage aus Siliziumdioxid zwischen der ersten Metaschicht und der zweiten Metaschicht angeordnet werden. Die Lage aus Siliziumdioxid ist vorzugsweise nicht strukturiert. Die erste Metaschicht kann eine Schichtdicke weniger als einem Viertel der Wellenlänge des Laserlichts aufweisen. Die zweite Metaschicht kann eine Schichtdicke von in etwa einem Viertel der Wellenlänge des Laserlichts aufweisen.
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Vorzugsweis ist das Metaelement aus siliziumhaltigem Material beschaffen. Ferner kann das Metaelement vor oder nach seiner Strukturierung auf dem Halbleiterlaserbauteil angebracht werden. Unstrukturierte Schichten werden vorzugsweise auf dem Laserwafer abgeschieden, z.B. durch PECVD. Eine Strukturierung erfolgt dann auf dem Halbleiter durch Lithographie. Alternativ kann die optische Metastruktur separat in anderen Materialien hergestellt werden (Glas, Dielektrika, Silizium). Dieser Wafer kann dann durch ein Bondingverfahren mit dem Laser-Wafer verbunden werden.
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Eine Weiterbildung kann beinhalten, dass das Metaelement polarisationsabhängig das Laserlicht formt. Dabei kann das Metaelement für unterschiedliche Polarisationsrichtungen unterschiedliche Formungen des Laserlichts bewirken. Insbesondere kann diese erreicht werden, wenn man die Metafortsätze mit einem elliptischen Querschnitt ausbildet, der parallel zur Oberfläche ausgerichtet ist. Alternativ oder ergänzend kann der Querschnitt auf asymmetrisch sein.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung näher erläutert. Richtungsangaben in der folgenden Erläuterung sind gemäß der Leserichtung der Zeichnung zu verstehen.
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Es zeigt:
- 1 ein VCSEL mit einem Metaelement auf dem Emissionsbereich.
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In 1 ist eine Laservorrichtung 10 gezeigt, die ein vertikalemittierendes Halbleiterlaserbauteil 12 aufweiset, das zum Emittieren von Laserlicht 14 vorgesehen ist. Das Halbleiterlaserbauteil 12 ist ein sogenannter VCSEL (vertical-cavity surface-emitting lasers).
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Das Halbleiterbauteil 12 weist einen Grundkörper 16 auf, der einen ersten Spiegelabschnitt, einen zweiten Spiegelabschnitt und eine zwischen den beiden Spiegelabschnitten angeordnete aktive Schicht 18 zur Erzeugung des Laserlichts 14 auf. Das Laserlicht 14 bildet in einer Kavität, die zwischen den Spiegelabschnitten positioniert ist, wenigstens eine Lasermode aus.
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Der Grundkörper 16 ist auf einem Substrat 17 angeordnet. Auf einer gegenüberliegenden Seite des Grundkörpers 16 sind elektrische Kontakte 19 angeordnet, die zum Einspeisen von elektrischer Energie vorgesehen sind. Das Halbleiterlaserbauteil 12 ist stapelartig aufgebaut.
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Auf seiner Oberfläche 20 des Grundkörpers 16 ist ein Emissionsbereich 22 ausgebildet, aus dem das Laserlicht 14 emittiert wird. Auf dem Emissionsbereich 22 ist ein optisches Metaelement 24 angeordnet, das zur Formung des Laserlichts 14 vorgesehen ist. Dabei wirkt das Metaelement 24 wie eine refraktive Linse, eine diffraktere Beugungsstruktur, ein Diffusor, ein Beamsplitter, ein Strahlablenker und/oder ein Hologramm.
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Das Metaelement 24 weist unterschiedlich dimensionierte Metastrukturen auf, die Abmessungen im Subwellenlängenbereich bezüglich des Laserlichts 14 aufweisen. Hierbei können die Metastrukturen durch türmchenartige bzw. stäbchenartige optisch aktive Metafortsätze 26 gebildet werden, die von einem Basisabschnitt in senkrecht abstehen. Die Metafortsätze 26 bilden insbesondere eine bürstenartige Struktur. Es können auch alternative sonstige Metastrukturen verwendet werden, die zu einer Verzögerung des Laserlicht führen. Die Höhe der einzelnen Metafortsätze 26 kann bezüglich des Basisabschnitts variieren. Der Basisabschnitt ist eine durchgehende Lage, die mit den Metafortsätzen 26 einstückig ausgebildet ist. Der Basisabschnitt kann auf die Oberfläche 20 angeordnet werden.
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Durch das Metaelement 24 wird die Reflexion 28 des aus dem Grundkörper 16 des Halbleiterlaserbauteils 12 auszukoppelnden Laserlichts an der Oberfläche 20 eingestellt. Hierbei kann die Reflexion 28 derart eingestellt werden, dass bestimmte Lasermoden bei einer geringeren, in die Laservorrichtung 10 eingespeisten Energie stabilisiert werden. Entsprechend weist das ausgekoppelte Laserlicht 14 das Intensitätsprofil der stabilisierten Lasermode auf. Durch das lasermodenabhängige Ausbilden des Metaelements 24 kann eine Lasermodenselektion erfolgen, bei der nur bestimmte Lasermoden stabilisiert werden.
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Das Metaelement 24 ist als Metaschicht auf dem Emissionsbereich 22 ausgebildet, deren Schichtdicke entlang der Oberfläche 20 variiert wird. Dabei ist die optisch effektive Schichtdicke ausschlaggebend für die optischen Eigenschaften und die Formung des Laserlichts. Die effektive Schichtdicke kann von der physischen Schichtdicke unterschiedlich sein, da die effektive Schichtdicke von den Metastrukturen beeinflusst wird. Hierdurch kann die effektive Reflektivität des Metaelements 24 lokal entlang der Oberfläche 20 variiert werden. Dabei kann die Variation der Schichtdicke an die Lasermoden des Laserlichts 14 so angepasst werden, dass die Reflektivität an Bereichen der Oberfläche höher ist, an denen die Lasermode eine maximale Lichtintensität aufweist. Dabei kann die effektive Schichtdicke unterschiedlich zu einem Viertel der Wellenlänge sein, sodass keine destruktiv wirkende Phasenverschiebung auftritt.
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Wenn man die Dichte oder den Querschnitt der Metaforsätze lokal ändert, ändert sich der effektive Berechnungsindex an dieser Stelle. Die physische Schichtdicke kann gleich bleiben. Daher kann die anti-reflektive Eigenschaft für eine Wellenlänge nur an den Orten mit einem bestimmten Füllfaktor gegeben sein und an den anderen mit abweichendem Füllfaktor wird sie mehr und mehr außer Phase sein.
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Die Dichte der Metafortsätze 26 entlang der Oberfläche 20 variiert lokal entsprechend der beabsichtigten Formung des Laserlichts 14. Ferner kann die Schichtdicke in Abhängigkeit einer auf die Fläche bezogenen Dichte der Metafortsätze 26 variiert werden, sodass an Orten, an denen eine hohe Dichte der Metafortsätze 26 die Schichtdicke geringer ist als an Orten geringerer Dichte der Metafortsätze 26. Die Dichte der Metafortsätze 26 kann entsprechend wenigstens einer sich im Halbleiterlaserbauteil 12 ausbildenden Lasermode des Laserlichts 14 variieren. Die Metafortsätze 26 durch Oxidation und/oder durch Ätzen des Materials des Metaelements 24 ausgebildet werden.
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Die Metafortsätze 26 können einen runden, vorzugsweise kreisförmigen Querschnitt aufweisen, der parallel zur Oberfläche 20 ausgerichtet ist.
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Das Metaelement 24 kann durch eine Beschichtung des Emissionsbereichs 22 eines Top- oder Bottomemitters mit einer zumindest teilweise transparenten Schicht erreicht werden, die vorzugsweise Silizium aufweist. Dabei kann die Schichtdicke so gewählt werden, dass ein Gangunterschied von einem Viertel der Wellenlänge erreicht wird, wenn das Laserlicht durch die Schicht hindurchtritt. Die Schicht kann lateral selektiv verändert werden, z.B. durch Ätzung entfernt oder auch lokal chemisch verändert werden (z.B. durch lokale Oxidation). Durch eine UV-Lithografie-Maske können die Strukturen für die Metafortsätze 26 ausgebildet werden. Anschließend kann eine Ätzung und/oder Oxidation des Materials zwischen den Metafortsätzen 26 erfolgen. Schließlich kann das Metaelement 24 mit einer transparenten Deckschicht 30 beschichtet werden.
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Alternativ kann die Oberfläche mit einem PECVD oder einem Atomic-Layer-Deposition-Coating beschichtet werden. Anschließend kann Siliziumnitrid mit einer Dicke von einem Viertel der Wellenlänge beschichtet werden. Durch eine UV-Lithografie-Maske können die Strukturen für die Metafortsätze 26 ausgebildet werden in Verbindung mit einer selektiven Ätzung des Siliziumdioxids und des Siliziumnitrids.
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Weiter alternativ könnten Metafortsätze 26 direkt in dem Material des Grundkörpers 16, also z.B. in Galliumarsenid, eingeätzt werden. Anschließens könnte eine Schicht aus Siliziumnitrid, Siliziumdioxid, ein Atomic-Layer-Deposition-Coating, ein Polymer oder eine sonstige Verkapselung aufgebracht werden.
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Bei einer in 1 nicht abgebildeten Ausführungsform kann eine erste Metaschicht auf einer zweiten Metaschicht angeordnet werden. Dabei kann eine erste Metaschicht auf der Oberfläche 20 des Grundkörpers 16 angeordnet werden und als Reflexionsschicht dienen. Die zweite Metaschicht kann in Verbindung mit der ersten Metaschicht zur Formung des Laserlichts dienen. Damit die beiden Metaschichten voneinander getrennt sind, kann eine Lage aus einem anderen Material, z.B. Siliziumdioxid zwischen der ersten Metaschicht und der zweiten Metaschicht angeordnet werden. Die Lage aus z.B. Siliziumdioxid ist vorzugsweise nicht strukturiert. Strukturierungsverfahren (Ätzung, Oxidation), welche auf die Metaschichten angewandt werden, greifen die Zwischenlage nicht wesentlich an. Die erste Metaschicht kann eine Schichtdicke weniger als einem Viertel der Wellenlänge des Laserlichts 14 aufweisen. Die zweite Metaschicht kann eine Schichtdicke von in etwa einem Viertel der Wellenlänge des Laserlichts 14 aufweisen.
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Eine Weiterbildung kann beinhalten, dass das Metaelement 24 polarisationsabhängig das Laserlicht 14 formt. Dabei kann das Metaelement 24 für unterschiedliche Polarisationsrichtungen unterschiedliche Formungen des Laserlichts 14 bewirken. Hierzu können die Metafortsätze 26 mit einem elliptischen Querschnitt ausbildet werden, der parallel zur Oberfläche 20 ausgerichtet ist.