DE10313608A1

DE10313608A1 - Optoelektronisches Bauelement mit mehreren oberflächenemittierenden, optisch gepumpten Halbleiterlasern mit externem Resonator

Info

Publication number: DE10313608A1
Application number: DE10313608A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr. Steegmüller; Tony Albrecht; Peter Dr. Brick
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2003-03-26
Filing date: 2003-03-26
Publication date: 2004-10-14

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein optoelektronisches Bauelement mit mehreren lateral optisch gepumpten oberflächenemittierenden Halbleiterlasern (1) mit externem Resonator, die mit mehreren Pumplasern (2), deren Strahlrichtung jeweils parallel zu der gemeinsamen Ebene ausgerichtet ist, in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind. Unter Verwendung einer gitterförmigen Anordnung, in der jede Zeile (3) und jede Spalte (4) jeweils einen Pumplaser (2) zum Pumpen der oberflächenemittierenden Halbleiterlaser (1), die in den Kreuzungspunkten der Zeilen (3) und Spalten (4) angeordnet sind, ist ein solches Bauelement insbesondere für die Ausführung logischer Funktionen geeignet.

Description

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement mit mehreren oberflächenemittierenden, optisch gepumpten Halbleiterlasern mit externem Resonator.

Oberflächenemittierende Halbleiterlaser mit externem Resonator, die auch als Scheibenlaser beziehungsweise unter der Bezeichnung VECSEL (vertical external cavity surface emitting laser) bekannt sind, stellen ein neues Konzept für Laser mit hoher Leistung bei gleichzeitig hoher Strahlqualität dar. Derartige Halbleiterlaser werden beispielsweise in der US 6,237, 293 , der WO 00/25398 und der US 5,991,318 beschrieben. Ein VECSEL enthält einen Halbleiterkörper, der als wesentliche Elemente einen Reflektor und eine Quantentrogstruktur als aktive Zone enthält. Bei dem Reflektor handelt es sich vorzugsweise um einen epitaktisch hergestellten Bragg-Spiegel, auf dem sich eine Quantentrogstruktur befindet. Außerdem enthält ein VECSEL einen externen Spiegel, der mit dem Reflektor des Halbleiterkörpers einen Resonator bildet.

Üblicherweise wird ein VECSEL optisch durch eine Lichtquelle außerhalb des Halbleiterkörpers, zum Beispiel durch einen Diodenlaser, gepumpt. Aus der DE 100 26 734 A1 ist ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser bekannt, bei dem die strahlungserzeugende Quantentrogstruktur mit einer als Pumpquelle ausgebildeten kantenemittierenden Halbleiterstruktur auf einem gemeinsamen Substrat epitaktisch aufgewachsen sind. Durch diese monolithische Integration des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers und der Pumpstrahlungsquelle auf einem gemeinsamen Substrat wird ein sehr effektives optisches Pumpen der strahlungserzeugenden Quantentrogstruktur ermöglicht und der aufwendige Justageaufwand dieser beiden Komponenten entfällt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optoelektronisches Bauelement anzugeben, das sich durch eine hohe Ausgangsleistung und Strahlungsqualität auszeichnet, und insbesondere dazu geeignet ist, logische Funktionen und Schaltfunktionen auszuführen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein optoelektronisches Bauelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein optoelektronisches Bauelement gemäß der Erfindung enthält mehrere oberflächenemittierende Halbleiterlaser mit externem Resonator, die in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, und mehrere Pumplaser, deren Strahlrichtung zum lateralen optischen Pumpen der oberflächenemittierenden Halbleiterlaser, insbesondere jeweils parallel zu der gemeinsamen Ebene ausgerichtet ist.

Bevorzugt beschreiben die Strahlrichtungen der Pumplaser eine Gitterstruktur aus Zeilen und Spalten, in deren Kreuzungspunkten die oberflächenemittierenden Halbleiterlaser angeordnet sind. Bevorzugt enthält jede Spalte einen Pumplaser zum optischen Pumpen der in der Spalte angeordneten oberflächenemittierenden Halbleiterlaser und jede Zeile einen Pumplaser zum optischen Pumpen der in der Zeile angeordneten oberflächenemittierenden Halbleiterlaser.

Ein derartiges optoelektronisches Bauelement kann beispielsweise logische Funktionen oder Schaltfunktionen ausführen. Beispielweise kann die logische Funktion AND dadurch realisiert werden, daß einer der oberflächenemittierenden Halbleiterlaser bei gleichzeitigem Betrieb der Pumplaser der Zeile und der Spalte, in denen er angeordnet ist, über die Laser schwelle gepumpt wird, aber bei Betrieb nur einer dieser Pumplaser (Zeile oder Spalte) nicht über die Laserschwelle gepumpt wird. Alternativ kann beispielsweise die logische Funktion OR in einer Anordnung realisiert werden, bei der bereits der Betrieb des der Zeile oder der Spalte zugeordnetem Pumplaser des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers ausreicht, um diesen über die Laserschwelle zu pumpen.

Vorzugsweise sind die oberflächenemittierenden Halbleiterlaser und die Pumplaser auf einem gemeinsamen Substrat monolithisch integriert. Auf diese Weise kann die Anordnung von mehreren oberflächenemittierenden Halbleiterlasern in sehr kompakter Bauform realisiert werden und so eine hohe Ausgangsleistung auf einer kleinen Grundfläche realisiert werden.

Bevorzugt enthalten die oberflächenemittierenden Halbleiterlaser keine dotierten Halbleiterschichten. Aufgrund des optischen Pumpprozesses ist es möglich, ausschließlich undotierte Halbleiterschichten zu verwenden, da eine Kontaktierung der oberflächenemittierenden Halbleiterlaser nicht erforderlich ist. Dies hat insbesondere den Vorteil, daß die bei dotierten Halbleiterschichten verstärkt auftretenden Absorptionsverluste vermieden werden.

Vorteilhaft sind die externen Spiegel der oberflächenemittierenden Halbleiterlaser in einem einteiligen Spiegelelement enthalten. Der Justageaufwand wird dadurch erheblich vereinfacht, weil nicht für jeden einzelnen Vertikalemitter der externe Spiegel justiert werden muß.

Insbesondere für Anwendungen in der optischen Datenübertragung ist es auf einfache Weise möglich, die von den oberflächenemittierenden Halbleiterlasern emittierte Strahlung in Lichtleitfasern einzukoppeln.

Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des optoelektronischen Bauelements ergeben sich aus den im folgenden in Verbindung mit den 1 bis 4 erläuterten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen
1 eine schematische Darstellung einer Aufsicht auf einen Halbleiterchip eines ersten Ausführungsbeispiels,
2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch das erste Ausführungsbeispiel,
3 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein zweites Ausführungsbeispiel und
4 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein weiteres Ausführungsbeispiel.
Im folgenden sind gleiche oder gleichwirkende Bestandteile der Ausführungsbeispiele jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die externen Spiegel sind in der Aufsicht von 1 nicht dargestellt. Die oberflächenemittierenden Halbleiterlaser 1 sind in einer Gitterstruktur aus Zeilen 3 und Spalten 4 angeordnet, die von Pumplasern 2 ausgebildet wird. Die Pumplaser 2 sind als kantenemittierende Halbleiterlaserstrukturen ausgebildet und dienen zum optischen Pumpen der in ihrer Zeile 3 beziehungsweise Spalte 4 vorhandenen Quantentrogstrukturen der oberflächenemittierenden Halbleiterlaser 1. Um ein möglichst homogenes Pumpen der Quantentrogstrukturen zu erreichen, ist die Halbleiterschichtenfolgen jedes oberflächenemittierenden Halbleiterlasers 1 bevorzugt jeweils als zylindrischer Stapel ausgebildet. Es sind jedoch auch andere Formen, beispielsweise Vielecke, möglich.
Die elektrische Kontaktierung der die Zeilen 3 und die Spalten 4 ausbildenden Pumplaser 2 erfolgt über Zeilenkontakte 5 und Spaltenkontakte 6. Eine gitterförmige Anordnung aus n·m oberflächenemittierenden Halbleiterlasern 1 enthält n Zeilenkontakte 5 und m Spaltenkontakte 6.
Bei gleichzeitigem Betrieb aller vertikal emittiernenden Halbleiterlaser wird die m × n fache Ausgangsleistung eines einzelnen oberflächenemittierenden Halbleiterlasers 1 erzielt.
Mit dieser Anordnung ist es vorteilhaft möglich, logische Verknüpfungen zu realisieren. Beispielsweise können die Intensität der emittierten Pumpstrahlung und die Laserschwelle des oberflächenemittierenden Halbleiterlaser 1 derart eingestellt werden, daß eine Emission des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers 1 nur dann auftritt, wenn sowohl der Pumplaser seiner Zeile 3 als auch der Pumplaser seiner Spalte 4 gleichzeitig emittieren. Zwischen einem Zeilenkontakt 5 und einem Spaltenkontakt 6 kann so die logische Funktion AND auf optischem Weg realisiert werden. Die logische Funktion OR kann dadurch realisiert werden, daß die Intensität der emittierten Pumpstrahlung so eingestellt ist, daß bereits die Emission des in der Zeile des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers 1 angeordneten Pumplasers 2 oder die Emission des in der Spalte angeordneten Pumplasers 2 bereits ausreicht, die Laserschwelle zu überschreiten.
Bei der Ausführungsform eines optoelektronischen Bauelements gemäß 2 sind auf ein Halbleitersubstrat 7, auf das vorzugsweise eine Bufferschicht 8 aufgebracht ist, sowohl die oberflächenemittierenden Halbleiterlaser 1 als auch die kantenemittierenden Pumplaser 2 aufgebracht. Die Herstellung eines solchen Halbleiterkörpers kann beispielsweise nach den in der WO 01/93386 für einen einzelnen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser 1 im Detail beschriebenen Verfahrensschritten erfolgen.
Beispielsweise werden auf das vorzugsweise mit einer Bufferschicht 8 versehene Substrat 7 zunächst für die oberflächenemittierenden Halbleiterlaser 1 geeignete erste Halbleiterschichtenfolgen mit Quantentrogstrukturen abgeschieden, nachfolgend diese ersten Halbleiterschichtenfolgen außerhalb der vorgesehenen Laserbereiche entfernt, und nachfolgend auf die freigelegten Bereiche kantenemittierende, zweite Halbleiterschichtenfolgen abgeschieden, die geeignet sind, Pumpstrahlung zu erzeugen und in die Quantentrogstrukturen einzustrahlen. In einem zweiten Strukturierungschritt werden die Halbleiterschichtstrukturen der Pumplaser in Zeilen und Spalten strukturiert.
Die Halbleiterschichtstruktur der oberflächenemittierenden Halbleiterlaser 1 enthält beispielsweise einen Bragg-Spiegel 10, auf dem sich Confinementschichten 11 und einer zwischen den Confinementschichten angeordnete Quantentrogstruktur 9 als aktive Zone befinden. Die Halbleiterschichtenfolge der kantenemittierenden Pumplaser 2 setzt sich zum Beispiel aus einer aktiven Zone 12, Wellenleiterschichten 13 und Mantelschichten 14 zusammen. Die aktive Zone 12 ist hierbei zwischen den Wellenleiterschichten 13 und diese wiederum zwischen den Mantelschichten 14 angeordnet. Eine Deckschicht 15 auf der obersten Mantelschicht enthält (in 2 nicht dargestellt) elektrisch leitfähige Schichten zur Kontaktierung der Pumplaser 2, die durch bekannte Strukturierungsmethoden derartig strukturiert ist, daß die elektrischen Kontakte der Zeilen 3 und der Spalten 4, die von den Halbleiterschichtstrukturen der Pumplaser 2 gebildet werden, voneinander isoliert sind und auch die Oberflächen der Halbleiterschichtstrukturen der oberflächenemittierenden Halbleiterlaser 1 von diesen Kontakten isoliert oder ausgespart sind.
Da der optische Pumpprozeß eine elektrische Kontaktierung der oberflächenemittierenden Halbleiterlaser 1 nicht erforderlich macht, sind diese bevorzugt aus undotierten Halbleiterschich ten hergestellt. Dadurch werden vorteilhafterweise die Absorptionsverluste vermindert.
Die Resonatoren der oberflächenemittierenden Halbleiterlaser 1 werden durch einen in der Halbleiterschichtstruktur enthaltenen Reflektor, bei dem es sich beispielsweise um den Braggreflektor 10 handeln kann, und externen Spiegeln gebildet. Die externen Spiegel der Anordnung von oberflächenemittierenden Halbleiterlasern 1 sind vorzugsweise in einem einteiligen Spiegelelement 16, in dem jedem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser 1 ein externer Spiegel zugeordnet ist, integriert. Durch die Verwendung eines einteiligen Spiegelelements 16 wird der Justageaufwand deutlich reduziert, da nicht alle einzelnen externen Spiegel justiert werden müssen. Das einteilige Spiegelelement 16 ist beispielsweise auf den Halbleiterchip gelötet oder geklebt. Zwischen dem einteiligen Spiegelelement 16 und dem Halbleiterchip können sich Stützelemente 17, beispielsweise aus Silizium oder Glas, befinden. Nach dem Verbinden des Spiegelelements 16 mit dem Halbleiterchip können auch einzelne oder Gruppen von oberflächenemittierenden Halbleiterlasern, beispielsweise durch Sägen herausgetrennt werden.
Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Strahlung der oberflächenemittierenden Halbleiterlaser 1 in Lichtleitfasern 19 eingekoppelt. Eine verbesserte Einkopplung der emittierten Laserstrahlung in die Lichtleitfasern 19 kann beispielsweise durch ein zwischen dem externen Spiegelelement 16 und den Lichtleitfasern 19 angeordnetes Linsenelement 18 erfolgen.
Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel sind 4 Gruppen von jeweils 8 oberflächenemittierenden Halbleiterlasern 1 in einer Reihe nebeneinander angeordnet. Die Spiegelelemente 16 sind durch Stützelemente 17 auf dem Halbleiterchip befestigt. Bauelemente mit mehreren Gruppen von oberflächenemit tierenden Halbleiterlasern 1 können beispielsweise durch Sägen aus dem Waferverbund herausgetrennt werden.
Die Erläuterung der Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele ist selbstverständlich nicht als Einschränkung der Erfindung auf diese zu sehen. Vielmehr können die in der Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale sowohl einzeln als auch in Kombination miteinander für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

Claims

Optoelektronisches Bauelement, dadurch gekennzeichnet, daß es – mehrere oberflächenemittierende Halbleiterlaser (1) mit externem Resonator, die in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, und – mehrere Pumplaser (2), deren Strahlrichtung zum lateralen optischen Pumpen der oberflächenemittierenden Halbleiterlaser, insbesondere jeweils parallel zu der gemeinsamen Ebene, ausgerichtet ist, enthält.
Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumplaser (2) eine Gitterstruktur aus Zeilen (3) und Spalten (4) bilden, in deren Kreuzungspunkten die oberflächenemittierenden Halbleiterlaser (1) angeordnet sind.
Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Spalte (4) einen Pumplaser zum optischen Pumpen der in der Spalte (4) angeordneten oberflächenemittierenden Halbleiterlaser (1) enthält und jede Zeile (3) einen Pumplaser (2) zum optischen Pumpen der in der Zeile (3) angeordneten oberflächenemittierenden Halbleiterlaser (1) enthält.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement zur Ausführung logischer Funktionen geeignet ist.
Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß einer der oberflächenemittierenden Halbleiterlaser (1) bei gleichzeitigem Betrieb der Pumplaser (2) der zugehörigen Zeile (3) und der zugehörigen Spalte (4), in denen er angeordnet ist, über die Laserschwelle gepumpt wird, aber bei Betrieb nur einer dieser Pumplaser (2) nicht über die Laserschwelle gepumpt wird.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die oberflächenemittierenden Halbleiterlaser (1) und die Pumplaser (2) auf einem Substrat (7) monolithisch integriert sind.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die oberflächenemittierenden Halbleiterlaser (1) keine dotierten Halbleiterschichten enthalten.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die externen Spiegel der oberflächenemittierenden Halbleiterlaser (1) in einem einteiligen Spiegelelement (16) enthalten sind.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die von den oberflächenemittierenden Halbleiterlasern (1) emittierte Strahlung (20) in Lichtleitfasern (19) eingekoppelt wird.