DE112012004235T5 - Hochleistungshalbleiterlaser mit phasenangepasstem optischen Element - Google Patents

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Abstract

Ein Halbleiterlaser wird bereitgestellt, mit einem mit einem aufgeweiteten Leistungsverstärker gekoppelten Einmoden-Halbleiterlaser, wobei die Anordnung ein internes oder ein externes optisches Element enthält, das die gekrümmte Wellenfront des aufgeweiteten Abschnitts der Anordnung durch eine Phasenanpassung verstärkt. Durch Verstärken der gekrümmten Wellenfront mittels Phasenanpassung ist die Anordnung weniger anfällig gegenüber thermischen und Gewinn-Index-gekoppelten Störungen, selbst bei hohen Ausgangsleistungen, was zu einer höheren Strahlqualität führt. Beispielhafte phasenanpassende optische Elemente enthalten ein in den aufgeweiteten Verstärkerabschnitt integriertes Gitter; ein intrakavitäres, extern positioniertes binäres optisches Element; und ein intrakavitäres, extern positioniertes zylindrisch gekrümmtes optisches Element.

Description

  • ERFINDUNGSGEBIET
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Halbleiterlaser und im Besonderen auf eine aufgeweitete Halbleiterlasergestaltung, mittels der eine hohe Ausgangsleistung bei gleichzeitig begrenzter Strahlverschlechterung in lateraler Richtung erzielt wird.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Halbleiterlaser können eine Vielzahl verschiedener Gestaltungen aufweisen, wobei die gewählte Gestaltung typischerweise durch die Erfordernisse der beabsichtigten Anwendung angeregt ist. Leider ist es oftmals schwierig, eine Produktgestaltung aufzufinden, die alle spezifischen Anwendungserfordernisse erfüllt, da in vielen Fällen eine Anordnungscharakteristik, wie beispielsweise Ausgangsleistung, eine andere Anordnungscharakteristik, wie beispielsweise Strahlqualität, beeinflusst. So bieten beispielsweise Rippenwellenleiter-(RW)-Laser eine nahezu beugungsbegrenzte Strahlqualität, können aber lediglich Ausgangsleistungen von ungefähr 1 Watt erreichen. Dagegen können Breitstreifenlaser hohe Ausgangsleistungen in der Größenordnung von 20 Watt erzielen, haben jedoch den Nachteil einer schlechten Strahlqualität.
  • Ein Ansatz, der kürzlich als Mittel zur Erzielung einer hohen Ausgangsleistung und akzeptablen Strahlqualität untersucht wurde, liegt in der Verwendung eines Masteroszillators mit einem Leistungsverstärker (MOPA). Bei diesem Systemtyp wird das Ausgangssignal eines Einmodenlasers (Single-Mode-Lasers) in einen Leistungsverstärker injiziert. Diese beiden Komponenten können getrennt oder auf einem einzelnen Gerät kombiniert vorgesehen sein, wobei durch letzteren Ansatz viele der mit dem ersteren Ansatz verknüpften Ausrichtungsprobleme eliminiert werden können.
  • Die 1 und 2 zeigen einen herkömmlichen aufgeweiteten Halbleiterlaser, der auf einem einzelnen Substrat integriert ist, wobei bei diesem Aufbau zwei getrennte elektrische Anschlüsse verwendet werden. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht, während 2 eine Draufsicht auf dasselbe Bauteil 100 zeigt. Der Halbleiterlaser 100 besteht aus zwei Komponenten; einem Einmoden-Rippenwellenleiter-(RW)-Laser 101, der an einem Ende mit einem aufgeweiteten Hochleistungsabschnitt 103 gekoppelt ist. Der RW 101 kann entweder eine gewinngeführte Struktur oder eine indexgeführte Struktur aufweisen. Die nicht gekoppelte Endoberfläche 105 des RW 101 ist typischerweise mit einer hochreflektierenden-(HR)-Beschichtung beschichtet. Als Alternative kann der RW 101 einen Abschnitt mit verteiltem Bragg-Reflektor (Distributed Bragg Reflector, DBR) oder verteilter Rückkopplung (Distributed Feedback, DFB) aufweisen, wobei die Oberfläche 105 in diesem Fall mit einer nicht reflektierenden-(AR)-Beschichtung beschichtet ist. Der äußere aufgeweitete Rand 107 des Abschnitts 103 ist typischerweise mit einer AR-Beschichtung beschichtet.
  • Bis heute wurden Hochleistungs-Breitstreifenlaser mit einer Öffnung von 100 μm auf ungefähr 10–15 Watt Leistung begrenzt, mit einem Strahlqualitätsfaktor M2 von 1 in transversaler Richtung und einem M2 von 15 (Strahlparameterprodukt (BPP) von ungefähr 17 mm-mrad) in lateraler Richtung. In der jüngeren Vergangenheit zeigten Trapezlaser unter Verwendung der in 1 und 2 gezeigten Ausgestaltung eine höhere Strahlqualität als nicht trapezförmige Breitstreifenlaser, wobei ein Strahlausbreitungsverhältnis M2 von 1,2 bei Ausgangsleistungen von bis zu ungefähr 5 Watt im Dauerbetrieb erzielt wurden. Bei höheren Ausgangsleistungen kann jedoch der Beginn einer Verschlechterung der Strahlqualität in lateraler Richtung beobachtet werden. Diese Verschlechterung ergibt sich aufgrund einer durch optische Rückkopplung und darauffolgende Gewinn-Index-Kopplung entstehende Phasenfrontverzerrung. Darüber hinaus kann bei diesem Lasertyp bei hohen Ausgangsleistungen eine Strahlqualitätsverschlechterung durch thermische gradienteninduzierte Brechungsindex-Schwankungen verursacht werden.
  • Dementsprechend besteht Bedarf an einem Mittel zum Verringern der Strahlqualitätsverschlechterung in Halbleiterlasern bei hohen Ausgangsleistungen unter Verwendung einer konischen Ausgestaltung. Durch den Anordnungsaufbau gemäß der vorliegenden Erfindung werden diese Ziele erreicht.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es wird ein Halbleiterlaser bereitgestellt, mit einem Einmoden-(SM)-Halbleiterlaserabschnitt, der mit einem aufgeweiteten Leistungsverstärker gekoppelt ist, wobei die Anordnung ein optisches Element enthält, das ausgestaltet ist zum Verstärken der gekrümmten Wellenfront des Ausgangsstrahls des aufgeweiteten Abschnitts durch Phasenanpassung. In einer Ausgestaltung besteht das optische Element aus einem in den aufgeweiteten Abschnitt der Anordnung integrierten gekrümmten Gitter, wobei die dem gekrümmten Gitter entsprechende Krümmung an die Phase und Krümmung der gekrümmten Wellenfront des Ausgangsstrahls des aufgeweiteten Abschnitts angepasst ist. In einer alternativen Ausführungsform umfasst das optische Element ein intrakavitäres optisches Element, das sich außerhalb des SM-Halbleiterlasers und der aufgeweiteten Abschnitte befindet und das aus einem binären optischen Element besteht, das an die gekrümmte Wellenfront des Ausgangsstrahls des aufgeweiteten Abschnitts phasenangepasst ist. In einer noch weiteren alternativen Ausführungsform besteht das optische Element aus einem intrakavitären optischen Element, das sich außerhalb des SM-Halbleiterlasers und der aufgeweiteten Abschnitte befindet und das aus einem zylindrisch gekrümmten optischen Element besteht, mit einer an die Phase und Krümmung der gekrümmten Wellenfront des Ausgangsstrahls des aufgeweiteten Abschnitts angepassten Krümmung. In diesen Ausführungsformen mit externem optischem Element zur Verstärkung der Wellenfront des Ausgangsstrahls des aufgeweiteten Abschnitts ist vorzugsweise eine Fast-Axis-Kollimator-Linse zwischen der Ausgangsoberfläche des aufgeweiteten Abschnitts und dem externen optischen Element angeordnet. In diesen Ausführungsformen mit externem optischem Element zur Verstärkung der Wellenfront des Ausgangsstrahls des aufgeweiteten Abschnitts kann die Ausgangsoberfläche des optischen Elements mit einer teilreflektierenden Breitbandbeschichtung beschichtet sein.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die rückwärtige Kristallfläche des SM-Halbleiterlaserabschnitts beschichtet sein mit einer hochreflektiven Beschichtung (z. B. zumindest 90%). Gemäß einem weiteren Aspekt kann die vorderseitige Kristallfläche des aufgeweiteten Abschnitts beschichtet sein mit einer Anti-Reflektions-(AR)-Beschichtung und/oder unter einem Winkel θ gegenüber der Normalen geneigt sein, wobei der Winkel θ größer oder gleich dem kritischen Winkel θkritisch ist, der dem zum Unterdrücken von Reflektionen von der vorderseitigen Kristallfläche in den aufgeweiteten Abschnitt erforderlichen Winkel entspricht. Gemäß einem weiteren Aspekt kann der Ausgangskoppler der Anordnung aus einem mit einer teilreflektierenden Breitbandbeschichtung beschichteten optischen Element bestehen; alternativ kann er aus einem wellenlängenselektiven Oberflächengitter bestehen; alternativ kann er aus einem wellenlängenselektiven Bragg-Volumengitter bestehen. Der SM-Halbleiterlaserabschnitt kann als verteilter Rückkopplungslaser (DFB) oder verteilter Bragg-Reflektorlaser (DBR) ausgestaltet sein. Gemäß einem weiteren Aspekt kann der SM-Halbleiterlaserabschnitt eine Breite zwischen 3 μm und 7,5 μm aufweisen, und der aufgeweitete Abschnitt kann eine Länge zwischen 2 Millimetern und 10 Millimetern aufweisen. Der aktive Bereich des aufgeweiteten Abschnitts kann aus einem Quantentopfverstärkungsmedium oder einem Quantenpunktverstärkungsmedium bestehen. Eine Ti-Schottky-Kontaktschicht kann außerhalb des Strominjektionsbereichs des aufgeweiteten Bereichs angeordnet sein, um den sich ausbreitenden Strahl zu dämpfen und seitliche Reflektionen stark zu verringern und eine Strahlqualitätsverschlechterung zu verhindern.
  • Ein weitergehendes Verständnis der Natur und Vorteile der vorliegenden Erfindung kann unter Bezugnahme auf die verbleibenden Teile der Beschreibung und der Zeichnungen erreicht werden.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt einen schematischen Aufbau eines aufgeweiteten Halbleiterlasers mit zwei getrennten elektrischen Anschlüssen gemäß dem Stand der Technik;
  • 2 zeigt eine Draufsicht auf den aufgeweiteten Halbleiterlaser gemäß 1, wobei diese Ansicht sowohl den Rippenwellenleiterabschnitt als auch den aufgeweiteten Hochleistungsabschnitt zeigt;
  • 3 zeigt einen aufgeweiteten Halbleiterlaser, wie beispielsweise der in den 1 und 2 gezeigte Laser, unter Einbeziehung eines phasenangepassten gekrümmten Gitters, das monolithisch in die Anordnung integriert ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 4 zeigt einen aufgeweiteten Halbleiterlaser, ähnlich dem in 3 gezeigten, bei dem das phasenangepasste gekrümmte Gitter lediglich einen Teil des aufgeweiteten Leistungsverstärkerabschnitts belegt;
  • 5 zeigt eine longitudinale Schnittansicht eines aufgeweiteten Halbleiterlasers, wie beispielsweise die in den 3 und 4 gezeigten Laser, wobei die vordere Kristallfläche geneigt ist, um Rückreflektionen in den planaren Wellenleiter zu unterdrücken;
  • 6 zeigt eine Draufsicht auf einen aufgeweiteten Halbleiterlaser, wie beispielsweise den in den 1 und 2 gezeigten Laser, unter Einbeziehung eines zwischen die AusgangsKristallfläche des Lasers und den Ausgangskoppler angeordneten phasenangepassten binären optischen Elements;
  • 7 zeigt eine Draufsicht auf einen aufgeweiteten Halbleiterlaser, wie beispielsweise den in den 1 und 2 gezeigten Laser, unter Einbeziehung eines zwischen der Ausgangskristallfläche des Lasers und dem optischen Koppler eingefügten phasenangepassten zylindrischen optischen Elements;
  • 8 zeigt einen schematisch dargestellten Stromteiler, der mit der Erfindung genutzt werden kann, so dass eine einzelne Stromquelle sowohl den Rippenwellenleiterabschnitt als auch den aufgeweiteten Hochleistungsabschnitt treiben kann;
  • 9 zeigt einen beispielhaften vertikalen Epitaxieschichtenaufbau eines aufgeweiteten Hochleistungs-Halbleiterlasers, der in der Erfindung genutzt werden kann;
  • 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ähnlich dem in 3 gezeigten, mit einem erweiterten Absorptionsbereich; und
  • 11 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ähnlich dem in 10 gezeigten, bei dem der Absorptionsbereich weiter ausgedehnt ist.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • Gemäß der Erfindung wird die Strahlqualität eines kegelförmigen, d. h. aufgeweiteten, Halbleiterlasers dadurch verbessert, dass eine angepasste gekrümmte Wellenfront in dem instabilen Resonator bereitgestellt wird. Der Erfinder hat festgestellt, dass die Anordnung unter Verwendung einer solchen gekrümmten Wellenfront in dem aufgeweiteten Abschnitt der Anordnung weniger anfällig für thermische und Gewinn-Index-gekoppelte Störungen ist, selbst bei hohen Ausgangsleistungen, beispielsweise über 5 Watt. Dementsprechend werden durch die vorliegende Erfindung phasenanpassende Merkmale in das System eingeführt, sodass die Wellenfrontkrümmung gegenüber den durch das räumlichzeitliche Chaos im Inneren des Resonators eingeführten Filamenten überwiegt, wodurch eine Strahlqualitätsverschlechterung verhindert werden kann.
  • 3 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung basierend auf der in den 1 und 2 gezeigten MOPA-Konfiguration, bei der ein Einmoden-RW-Laser 301 einen aufgeweiteten Gewinn- oder Index-geführten Leistungsverstärkerabschnitt 303 speist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein gekrümmtes Gitter 305 in den aufgeweiteten Abschnitt 303 der Anordnung 300 integriert. Dieses gekrümmte Gitter ist definiert als eine Modulation des Brechungsindex, die periodisch ist mit einer Periodizität von A(x, y) = mλ/2neff, wobei m die Gitterordnung angibt, λ die Bragg-Wellenlänge und ηeff den wirksamen Index des optischen Modus. Λ(x, y) definiert eine Gitterabstandsfunktion in den in 2 definierten x- und y-Ebenen. Die allgemeinste Funktion dieses Abstands ist definiert durch einen Kurvenradius des Gitters, R(x, y) = Σ l / m,n cmnxmyn. Der Ursprung dieser Funktion befindet sich an dem Punkt, an dem eine vertikale, den RW und aufgeweiteten Verstärker trennende Linie diejenige Linie kreuzt, die die Anordnung in longitudinaler Richtung (y-Richtung) in 2 symmetrisch trennt. Die Krümmung des Gitters 305 ist so ausgestaltet, dass die Phase und die Krümmung des sich durch den Leistungsverstärker 303 ausbreitenden Strahls angepasst sind, durch Auswahl der erforderlichen Anzahl von Termen in der bipolynomischen Funktion R(x, y). Der Erfinder hat festgestellt, dass das gekrümmte Gitter 303 nicht nur zur Beibehaltung einer einheitlichen, durch die Gitterkrümmung bestimmt Wellenfront beiträgt, sondern auch zum Herausdrängen von Filamenten und zur Verhinderung einer Selbstfokussierung.
  • Es sollte ersichtlich sein, dass das gekrümmte Gitter 305 nicht die gesamte Länge des aufgeweiteten Leistungsverstärkerabschnitts 303 belegen muss. Dieser Aufbau ist in 4 dargestellt, in der ein gekrümmtes Gitter 401 am eingangsseitigen Ende des aufgeweiteten Leistungsverstärkerabschnitts 303 angeordnet ist. Die aktuelle Länge des gekrümmten Gitters 401 ist von der spezifischen Wellenleiterausgestaltung des Einmoden-RW-Lasers 301 und auch von der Länge und der lateralen Wellenleiterausgestaltung des aufgeweiteten Leistungsverstärkerabschnitts 303 abhängig. Typischerweise wird die Länge L des Gitters so gewählt, dass das Produkt aus Gitterkopplungskonstante k und Gitterlänge, d. h. k × L einen Wert im Bereich von 0,01 bis 2,0 aufweist.
  • Um eine Kristallflächenrückkopplung von der Oberfläche 307 zu unterdrücken, wird die vordere Kristallfläche 307 vorzugsweise mit einer AR-Beschichtung beschichtet. Als Alternative oder in Kombination mit einer bevorzugten AR-Beschichtung kann die vordere Kristallfläche des aufgeweiteten Abschnitts in der epitaktischen Wachstumsrichtung geneigt sein. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Laserstruktur auf ein Substrat aufgewachsen, das unter einem Winkel weg von der prinzipiellen Wachstumsachse orientiert ist, sodass die gespaltenen Kristallflächen bezüglich der Wellenausbreitungsrichtung geneigt sind. Durch Neigen der vorderen Kristallfläche werden alle Restreflektionen R weg von der Kristallfläche und weg von dem Wellenleiter abgelenkt, wie in 5 dargestellt ist. In einer Anordnung 500 ist die vordere Kristallfläche 501 unter einem Winkel θ geneigt, der größer ist als θkritisch, wobei θkritisch der zum Unterdrücken einer Rückkopplung (d. h. Reflektion R) zurück in den planaren optischen Wellenleiter 503 erforderliche kritische Winkel ist. Wie bereits hervorgehoben, ist die Oberfläche 501 vorzugsweise AR-beschichtet, um Reflektionen zurück in den Wellenleiter zusätzlich zu unterdrücken.
  • In einem anderen Ausführungsbeispiel wird ein intrakavitäres externes phasenanpassendes optisches Element zur Beibehaltung einer ebenen Wellenfront und zum Erzielen einer verbesserten Strahlqualität verwendet. 6 zeigt ein auf der in den 1 und 2 gezeigten Anordnung basierendes Ausführungsbeispiel, das ein phasenanpassendes binäres optisches Element 601 enthält.
  • Wie Fachleute wissen, handelt es sich bei einem binären optischen Element um ein Element, bei dem Oberflächenreliefstrukturen in das Substrat des optischen Elements geätzt wurden, typischerweise unter Verwendung von Herstellungstechniken für integrierte Schaltungen. In der vorliegenden Anwendung ist das binäre optische Element 601 ausgestaltet zum Bereitstellen einer Phasenanpassung bezüglich der Wellenfront des Ausgangssignals der Anordnung, wodurch eine gewünschte Rückkopplung bereitgestellt wird, die zum Verstärken der gekrümmten Wellenfront des aufgeweiteten Leistungsverstärkerabschnitts erforderlich ist.
  • 7 zeigt eine Abwandlung des in 6 gezeigten Systems, wobei in diesem Ausführungsbeispiel das binäre optische Element 601 durch ein zylindrisch gekrümmtes optisches Element 701 ersetzt ist. Die Krümmung des Elements 701 ist an die Wellenfront des konischen Leistungsverstärkerabschnitts angepasst, sodass die im Inneren des aufgeweiteten Abschnitts erzeugte Wellenfront rückgekoppelt wird und die Anordnung gegenüber thermischen und Gewinn-Index-gekoppelten Störungen weniger anfällig ist.
  • Vorzugsweise und wie in den Anordnungen 600 und 700 gezeigt, ist eine Fast-Axis-Kollimator-Linse 603 zwischen der Ausgangsoberfläche 605 und dem phasenanpassenden optischen Element angeordnet. Die Oberfläche 605 ist vorzugsweise AR-beschichtet, um die Kristallflächenrückkopplung zu verringern. Alternativ und wie vorstehend beschrieben kann die Oberfläche 605 bezüglich der Wellenausbreitungsrichtung geneigt sein, oder geneigt und AR-beschichtet.
  • Der Ausgangskoppler 607 kann gebildet sein in Form einer teilreflektierenden Breitbandbeschichtung, die auf das phasenanpassende optische Element, z. B. Element 601 oder 607, aufgebracht ist, oder auf ein getrenntes optisches Element. Der Ausgangskoppler 607 kann auch aus einem wellenlängenselektiven teilreflektierenden Element, wie beispielsweise einem Oberflächengitter oder einem Volumen-Bragg-Gitter (VBG), gebildet sein. Falls ein wellenlängenselektives Element als Ausgangskoppler verwendet wird, so wird vorzugsweise die Mittenwellenlänge als Resonanz oder Blauverschiebung relativ zum Maximum des Verstärkungsspektrums im Betriebszustand gewählt, sodass eine hohe Differenzverstärkung und ein niedriger Alpha-Parameter in dem Verstärkerabschnitt erzielt werden kann. Dies kann erreicht werden durch eine Blauverschiebung des RW-Abschnitts durch verunreinigungsfreie Gitterlückenunordnung oder verunreinigungsinduzierte Gitterlückenunordnung oder durch Verwendung eines abgestimmten Reflektors mit verteilter Rückkopplung (DFB) oder eines verteilten Bragg-Reflektors (DBR).
  • In den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die rückwärtige Kristallfläche 309 des RW-Oszillators mit einer hochreflektierten Beschichtung beschichtet, typischerweise mit einem Reflektionsgrad von mindestens 90%. Als Alternative kann die rückwärtige Kristallfläche 309 dieser Strukturen mit einer AR-Beschichtung beschichtet sein, und ein DBR kann als rückwärtiger Spiegel für den Hohlraum verwendet werden.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der mit dem aufgeweiteten Abschnitt gekoppelte Einmoden-Halbleiterlaser der Anordnung auf verschiedene Weisen konfiguriert sein. Beispielsweise kann der Einmodenlaser ein als Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB) oder als verteilter Bragg-Reflektorlaser (DBR) konfigurierter RW-Oszillator sein. Die Ausgestaltung des RW-Abschnitts bestimmt in strenger Weise die Eigenschaften der gesamten Anordnung. Als solcher unterstützt der RW-Oszillator vorzugsweise nur den fundamental geführten Modus, während in dem aufgeweiteten Abschnitt erzeugte Moden höherer Ordnung unterdrückt werden. Vorzugsweise wird der RW durch Trockenätzen hergestellt, um Streuverluste zu minimieren. Die geätzte Oberfläche wird mit einem Isolator bedeckt, der eine Kontaktöffnung zu der p++-Schicht aufweist, um einen Strom in den RW zu injizieren. In Abhängigkeit der vertikalen Struktur wird die Breite des RWG zwischen 3 μm und 7,5 μm variieren. Die Länge des RW-Abschnitts wird so gewählt, dass Moden höherer Ordnung wirksam unterdrückt werden. Andere Konfigurationen für den Einmodenlaser enthalten, ohne darauf beschränkt zu sein, vergrabene RW-Laser, antiresonante reflektive optische Wellenleiterlaser (ARROW) und vereinfachte ARROW-(S-ARROW)-Laser.
  • In einem typischen Aufbau der Erfindung liegt die Länge des aufgeweiteten Leistungsverstärkers in der Größenordnung von 2 bis 10 Millimetern. Im Allgemeinen wird die Länge dieser Region so gewählt, dass eine gewünschte Ausgangsleistung erzielt wird. Längere Anordnungen bieten den Vorteil einer weiteren Ausgangsöffnung mit einer geringeren Kristallflächenleistungsdichte und auch einem geringeren thermischen Widerstand.
  • Wie bereits hervorgehoben und gemäß der Erfindung werden getrennte elektrische Anschlüsse für den RW-Abschnitt und den aufgeweiteten Abschnitt der Anordnung verwendet, sodass eine separate Steuerung der beiden Abschnitte möglich ist. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel liegt der in den RW-Abschnitt 801 injizierte Strom im Bereich von 0,1 A bis 3 A, wobei im aufgeweiteten Abschnitt 803 ein höherer Strom im Bereich von 3 A bis 50 A verwendet wird. Zur Vermeidung der Verwendung zweier getrennter Stromversorgungen kann eine einzige Stromquelle 805 und eine Stromteilerschaltung 807, wie beispielsweise in 8 gezeigt, verwendet werden. Es wird angemerkt, dass in der dargestellten Stromteilerschaltung 807 Raufgeweitet und RRW dem Serienwiderstand des aufgeweiteten Abschnitts bzw. des Rippenwellenleiterabschnitts entsprechen und RS 809 dem zum Teilen des Stroms zwischen dem aufgeweiteten Abschnitt und dem RWG-Abschnitt verwendeten Widerstand entspricht. Ein solcher Stromteiler kann erreicht werden durch Abscheiden eines zusätzlichen leitenden Materials, wie beispielsweise TiN, um den erforderlichen Widerstand in dem RW-Abschnitt zu erreichen.
  • Es ist ersichtlich, dass der in der vorliegenden Erfindung verwendete aufgeweitete Halbleiterlaser in verschiedener Weise aufgebaut sein kann, wie vorstehend beschrieben, und auf einer Vielzahl verschiedener Materialsysteme unter Verwendung verschiedener Kompositionen und Schichtdicken in Abhängigkeit der beabsichtigten Emissions-Wellenlänge basieren kann. Im Allgemeinen wird aber in allen Ausführungsbeispielen ein aufgeweiteter Halbleiterlaser verwendet, bei dem der aktive Bereich aus einem Medium mit Quantentopf- oder Quantenpunktverstärkung mit Einzel- oder Mehrfach-Quantentöpfen oder Quantenpunktschichten besteht. Ein extrem niedriger optischer Beschränkungsfaktor in der Verstärkungsmedium-Schicht ist bevorzugt, um einen Epitaxial-Aufbau mit sehr niedrigem optischen Gewinn zu erzielen.
  • 9 zeigt einen beispielhaften Aufbau, der vorzugsweise unter Verwendung von metallorganischen Dampfphasen-Epitaxial-Wachstums-Techniken hergestellt wird. Das Verstärkungsmedium in einer aktiven Schicht 901 ist eingebettet zwischen Wellenleiterschichten 903 und 905, von denen jede relativ dick ist. Aufgrund dieser Gestaltung ist die Leistungsdichte an der vorderen Kristallfläche verringert, wodurch das Erreichen höherer optischer Ausgangsleistungen ermöglicht ist. Darüber hinaus ermöglichen die verringerten vertikalen Fernfeldwinkel eine Anwendung optischer Elementen mit moderater numerischer Apertur zur Strahlformung. Der Aufbau wird abgeschlossen durch p- und n-Plattierungsschichten 907 bzw. 909 und eine hochdotierte p+ +-GaAs-Kontaktschicht 911. Vorzugsweise wird in dem aufgeweiteten Abschnitt auf beiden Seiten des Strominjektionsabschnitts, d. h. den Regionen 311, eine Ti-Schottky-Kontaktschicht gemustert, um reflektiertes Streulicht zu absorbieren und Interferenzen, Verstärkung und Erzeugung von Filamenten weiter zu unterdrücken. Es ist ersichtlich, dass sich diese Absorptionsbereiche 311 weiter erstrecken können, als in den 3, 4, 6 und 7 gezeigt. Beispielsweise zeigen die 10 und 11 Ausführungsbeispiele basierend auf der in 3 gezeigten Konfiguration, bei denen der Absorptionsbereich erweitert wurde, d. h. ein Bereich 1001 in 10 und ein Bereich 1101 in 11. Es ist ersichtlich, dass erweiterte Absorptionsbereiche auch in den in den 3, 6 und 7 gezeigten Ausführungsbeispielen verwendet werden können.
  • Es sollte ersichtlich sein, dass die beigefügten Zeichnungsfiguren lediglich zur Illustration beitragen sollen und nicht zur Beschränkung des Umfangs der Erfindung und auch nicht als maßstäblich betrachtet werden sollen.
  • Systeme und Verfahren wurden im Allgemeinen als Hilfe zum Verständnis von Einzelheiten der Erfindung beschrieben. In einigen Fällen wurden bekannte Strukturen, Materialien und/oder Betriebsweisen nicht speziell dargestellt oder im Einzelnen beschrieben, um unklare Aspekte der Erfindung zu vermeiden. In anderen Fällen wurden spezifische Einzelheiten aufgeführt, um ein gründliches Verständnis der Erfindung zu fördern. Ein Fachmann im relevanten technischen Gebiet wird erkennen, dass die Erfindung in anderen spezifischen Formen verkörpert werden kann, wie beispielsweise zur Anpassung an ein bestimmtes System oder eine bestimmte Anordnung oder eine Situation oder ein Material oder eine Komponente, ohne von ihrem Grundgedanken oder ihren wesentlichen Eigenschaften abzuweichen. Daher sollen die hier vorgegebenen Offenbarungen und Beschreibungen lediglich zur Erläuterung dienent, nicht aber zur Beschränkung des Umfangs der Erfindung.

Claims (24)

  1. Halbleiterlaser, mit: einem Einmoden-, SM, Halbleiterlaser-Abschnitt; einem aufgeweiteten Abschnitt, wobei ein SM-Ausgangssignal des SM-Halbleiterlaser-Abschnitts in den aufgeweiteten Abschnitt injiziert ist, und wobei ein Ausgangsstrahl des aufgeweiteten Abschnitts eine gekrümmte Wellenfront aufweist; und einem optischen Element ausgestaltet zum Verstärken der gekrümmten Wellenfront des Ausgangsstrahls des ausgeweiteten Abschnitts, wobei das optische Element an die gekrümmte Wellenfront phasenangepasst ist.
  2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, wobei das optische Element des Weiteren umfasst ein in den aufgeweiteten Abschnitt integriertes gekrümmtes Gitter, wobei eine dem gekrümmten Gitter entsprechende Krümmung an eine der gekrümmten Wellenfront des Ausgangsstrahls des ausgeweiteten Abschnitts entsprechende Phase und Krümmung angepasst ist.
  3. Halbleiterlaser nach Anspruch 2, wobei das gekrümmte Gitter in einen Teil des aufgeweiteten Abschnitts integriert ist.
  4. Halbleiterlaser nach Anspruch 3, wobei ein Produkt aus einer dem in den Teil des aufgeweiteten Abschnitts integrierten gekrümmten Gitter entsprechenden Länge und einer Gitterkopplungskonstante im Bereich von 0,01 bis 2,0 liegt.
  5. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, wobei das optische Element ein intrakavitäres optisches Element ist, wobei das optische Element außerhalb des SM-Halbleiterlaser-Abschnitts und des aufgeweiteten Abschnitts vorgesehen ist, und wobei das optische Element aus einem binären optischen Element besteht, und wobei das optische Element an die gekrümmte Phasenfront des Ausgangsstrahls des ausgeweiteten Abschnitts phasenangepasst ist.
  6. Halbleiterlaser nach Anspruch 5, des Weiteren umfassend eine Fast-Axis-Kollimator-Linse, die zwischen einer Ausgangsoberfläche des aufgeweiteten Abschnitts und dem binären optischen Element angeordnet ist.
  7. Halbleiterlaser nach Anspruch 5, wobei eine dem binären optischen Element entsprechende Ausgangsoberfläche mit einer teilreflektierenden Breitbandbeschichtung beschichtet ist.
  8. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, wobei das optische Element ein intrakavitäres optisches Element ist, wobei sich das optische Element außerhalb des SM-Halbleiterlaser-Abschnitts und des aufgeweiteten Abschnitts befindet, und wobei das optische Element aus einem zylindrisch gekrümmten optischen Element besteht, und wobei eine dem zylindrisch gekrümmten optischen Element entsprechende Krümmung an eine der gekrümmten Wellenfront des Ausgangsstrahls des aufgeweiteten Abschnitts entsprechende Phase und Krümmung angepasst ist.
  9. Halbleiterlaser nach Anspruch 8, des Weiteren umfassend eine zwischen einer Ausgangsoberfläche des aufgeweiteten Abschnitts und dem zylindrisch gekrümmten optischen Element angeordnete Fast-Axis-Kollimator-Linse.
  10. Halbleiterlaser nach Anspruch 8, wobei eine dem zylindrisch gekrümmten optischen Element entsprechende Ausgangsoberfläche mit einer teilreflektierenden Breitbandbeschichtung beschichtet ist.
  11. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, wobei der SM-Halbleiterlaser-Abschnitt des Weiteren umfasst eine mit einer hochreflektierenden Beschichtung mit einem Reflektionsgrad von mindestens 90% beschichtete rückwärtige Kristallfläche.
  12. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, wobei der aufgeweitete Abschnitt des Weiteren umfasst eine mit einer Anti-Reflektions-, AR, Beschichtung, beschichtete vordere Kristallfläche.
  13. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, wobei der aufgeweitete Abschnitt des Weiteren umfasst eine vordere Kristallfläche, wobei die vordere Kristallfläche unter einem Winkel θ weg von einer Normalen geneigt ist, wobei der Winkel θ größer oder gleich einem kritischen Winkel θkritisch ist, wobei der kritische Winkel θkritisch dem zur Unterdrückung von Reflektionen von der vorderen Kristallfläche in den aufgeweiteten Abschnitt erforderlichen Winkel entspricht.
  14. Halbleiterlaser nach Anspruch 13, wobei die vordere Kristallfläche mit einer Antireflektions-, AR, Beschichtung beschichtet ist.
  15. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend einen mit einer teilreflektierenden Breitbandbeschichtung beschichteten Ausgangskoppler.
  16. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend einen Ausgangskoppler, wobei der Ausgangskoppler ein wellenlängenselektives Oberflächengitter aufweist.
  17. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend einen Ausgangskoppler, wobei der Ausgangskoppler ein wellenlängenselektives Volumen-Bragg-Gitter, VBG, aufweist.
  18. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, wobei der SM-Halbleiterlaser-Abschnitt ausgestaltet ist als ein verteilter Rückkopplungs-, DFB, Laser.
  19. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, wobei der SM-Halbleiterlaser-Abschnitt ausgestaltet ist als ein verteilter Bragg-Reflektor-, DBR, Laser.
  20. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, wobei eine dem SM-Halbleiterlaser-Abschnitt entsprechende Breite zwischen 3 μm und 7,5 μm liegt, und wobei eine dem aufgeweiteten Abschnitt entsprechende Länge zwischen 2 Millimetern und 10 Millimetern liegt.
  21. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, wobei der aufgeweitete Abschnitt einen aus einem Quantentopf-Verstärkungsmedium bestehenden aktiven Bereich aufweist.
  22. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, wobei der aufgeweitete Abschnitt einen aus einem Quantenpunkt-Verstärkungsmedium bestehenden aktiven Bereich aufweist.
  23. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, wobei der aufgeweitete Abschnitt einen Strominjektionsbereich, eine erste Ti-Schottky-Kontaktschicht auf einer ersten Seite des Strominjektionsbereichs, und eine zweite Ti-Schottky-Kontaktschicht auf einer zweiten Seite des Strominjektionsbereichs aufweist.
  24. Halbleiterlaser nach Anspruch 23, wobei die erste Ti-Schottky-Kontaktschicht zusätzlich auf einer ersten Seite des SM-Halbleiterlaser-Abschnitts angeordnet ist, und die zweite Ti-Schottky-Kontaktschicht zusätzlich auf einer zweiten Seite des SM-Halbleiterlaser-Abschnitts angeordnet ist.
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