DE112022003127T5

DE112022003127T5 - Optoelektronisches halbleiterbauelement und brille

Info

Publication number: DE112022003127T5
Application number: DE112022003127.1T
Authority: DE
Inventors: Alan Lenef; Abdullah Gok; Jörg Erich Sorg
Original assignee: Ams Osram International GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2021-09-23
Filing date: 2022-09-07
Publication date: 2024-04-11
Also published as: WO2023046473A1; CN117940813A; US20230092838A1

Abstract

In mindestens einer Ausführungsform umfasst die optoelektronische Halbleiterbauelement (1):einen Träger (2),einen ersten Halbleiterlaser (31), der dazu eingerichtet ist,eine erste Laserstrahlung (L1) zu emittieren und auf dem Träger (2) aufgebracht ist, undeinen Multimoden-Wellenleiter (4), der dazu eingerichtet ist,die erste Laserstrahlung (L1) zu leiteen und ebenfalls auf dem Träger (2) aufgebracht wird,wobei der Multimoden-Wellenleiter (4) mindestens eine Gabelung (40) und eine Vielzahl von Verzweigungen (41, 42) umfasst, die durch die mindestens eine Gabelung (40) verbunden sind.

Description

Ein optoelektronisches Halbleiterbauelement wird angegeben. Ferner wird eine brille mit einem solchen optoelektronischen Halbleiterbauelement angegeben.
Das Dokument S. Romero-Garcia et al. „Photonic integrated circuits for multi-color laser engines", Proc. SPIE 10108, Silicon Photonics XII, 101080Z, March 2, 2017, doi: 10.1117/12.2250758, bezieht sich auf photonische Schaltungen.
Ein zu lösendes Problem ist die Bereitstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements, das verbesserte Emissionseigenschaften aufweist.
Dieses Ziel wird unter anderem durch ein optoelektronisches Halbleiterbauelement und durch eine Brille gemäß den unabhängigen Patentansprüchen erreicht. Exemplarische Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Halbleiterbauelement einen Träger. Der Träger umfasst zum Beispiel ein wärmeleitfähiges Material wie eine Keramik, insbesondere AlN. Es ist möglich, dass der Träger Leiterbahnen und/oder eine Schaltung umfasst.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Halbleiterbauelement einen oder eine Vielzahl von Halbleiterlasern. Der mindestens eine Halbleiterlaser ist zur Emission von Laserstrahlung eingerichtet. Außerdem wird der mindestens eine Halbleiterlaser auf den Träger aufgebracht, zum Beispiel durch Löten. Der mindestens eine Halbleiterlaser ist zum Beispiel eine Laserdiode, kurz LD. Bei einer Vielzahl von Halbleiterlasern können alle Halbleiterlaser vom gleichen Typ sein, oder es gibt verschiedene Typen von Halbleiterlasern, zum Beispiel zur Erzeugung von rotem, grünem und blauem Licht, kurz RGB.
Im Folgenden kann auf einen ersten Halbleiterlaser und einen zweiten Halbleiterlaser Bezug genommen werden. Dabei beziehen sich die Begriffe „erster“ und „zweiter“ auf eine Aufzählung, und alle für den „Halbleiterlaser“ offenbarten Merkmale gelten folglich in gleicher Weise für den „ersten Halbleiterlaser“ wie für den „zweiten Halbleiterlaser“.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Halbleiterbauelement einen oder mehrere Multimoden-Wellenleiter. Der mindestens eine Multimoden-Wellenleiter ist zur Führung der Laserstrahlung eingerichtet. Auch der Multimoden-Wellenleiter wird auf den Träger aufgebracht, beispielsweise durch Löten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Multimoden-Wellenleiter eine oder mehrere Gabelungen und eine Vielzahl von Verzweigungen. Die Verzweigungen sind durch die mindestens eine Gabelung miteinander verbunden.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst die optoelektronische Halbleiterbauelement einen Träger, einen ersten Halbleiterlaser, der dazu eingerichtet ist, eine erste Laserstrahlung zu emittieren und auf den Träger aufgebracht ist, und einen Multimoden-Wellenleiter, der dazu eingerichtet ist, die erste Laserstrahlung zu führen und ebenfalls auf den Träger aufgebracht ist. Der Multimoden-Wellenleiter umfasst mindestens eine Gabelung und eine Vielzahl von Verzweigungen, die über die mindestens eine Gabelung verbunden sind.
In der optoelektronischen Halbleiterbauelement ist der Multimoden-Wellenleiter zum Beispiel mit einem optionalen Modenmischer versehen und bietet eine ausrichtungstolerante LD-Stoßkopplung für RGB-Bildgebungs- und Projektionsanwendungen, insbesondere für AR/VR-Anwendungen. AR steht für Augmented Reality (erweiterte Realität) und VR für Virtual Reality (virtuelle Realität).
Auf diese Weise kann eine ausrichtungstolerante RGB-Laserkombination und -quelle mit planarer Lichtschaltkreis bereitgestellt werden.
In mobilen, augennahen Head-up-Displays, zum Beispiel für Augmented Reality und/oder Virtual Reality, und anderen Projektionsanwendungen mit geringem Stromverbrauch müssen die Ausgänge roter, grüner und blauer Laserdioden oft in einem einzigen Sendeport mit kleiner Emissionsfläche kombiniert werden, so dass komplexe elektronische Ausgleichsalgorithmen und/oder strahlverschiebende Optiken vermieden werden können. Auf diese Weise können Bilder für jede Farbe über denselben optischen Pfad erzeugt werden. Bei Augmented-Reality-Anwendungen kann man beispielsweise das gewünschte RGB-Licht von einem einzigen Emissionspunkt in einen Lichtmodulator wie einen Flüssigkristall auf Silizium (Liquid Crystal on Silicon, kurz LCoS) oder ein bewegliches digitales Spiegelsystem (Moving Digital Mirror Device, kurz DMD) leiten. Mehrere Emissionspunkte für jede Farbe bedeuten, dass es verschiedene optische Pfade in und aus den Lichtmodulatoren gibt, was die endgültige Bilderzeugung im Wellenleiter-Kombinator, der das Bild ins Auge des Betrachters projiziert, erschwert.
Um das Problem zu lösen, dass ein oder mehrere, aber sehr eng beabstandete Emissionspunkte für die RGB-Ausgabe vorhanden sind, können integrierte Wellenleiter in Betracht gezogen werden, insbesondere für Augmented-Reality/Virtual-Reality-Anwendungen. Um terminologische Probleme zu vermeiden, wird der optische Wellenleiter-Schaltkreis, der mehrere Laserausgänge kombiniert, als „planarer Lichtschaltkreis“ oder PLC bezeichnet. Damit soll von der „Wellenleiter-Kombinator“-Struktur in AR/VR-Brillen unterschieden werden, die die Bildinformationen über die Oberfläche der Brille verteilen und die Eyebox verbessern.
Leider gehen die meisten aktuellen PLC-Ansätze davon aus, dass der Emissionspunkt einmodenförmig sein muss, um komplexere Fernfeldmuster von multimodalen Wellenleitern zu vermeiden. Das bedeutet, dass die LD-Ausrichtung in einem Singlemode-Wellenleiter sehr schwierig ist und die Positionierung der LD-Emissionspunkte weit unter einer Wellenlänge, das heißt weit unter 1 pm, erforderlich ist. Eine Fehlausrichtung führt zu erheblichen Effizienzverlusten. Die hohe Empfindlichkeit gegenüber der Ausrichtung kann auch zu niedrigen Produktionserträgen führen.
Ein zweites Problem bei Singlmode-Wellenleitern ist, dass die Kombination mehrerer Wellenleiter zu einem einzigen Wellenleiter zu erheblichen Effizienzverlusten führen kann. Daher werden bei vielen PLC-Konzepten die RGB-Wellenleiter nicht zu einem einzigen Wellenleiter kombiniert, sondern die Ausgänge der einzelnen R-, G- und B-Wellenleiter auf der Emissionsseite einfach zusammengeführt. Der Wunsch nach einem wirklich einzigen Emissionspunkt wird jedoch nicht erfüllt.
Ein drittes Problem, insbesondere wenn LDs an die Wellenleiter-Eingänge der PLC eingekoppelt sind, besteht darin, dass die Wellenleiter-Facetten Laserstrahlung in die LD zurückleiten können. Diese Rückkopplung kann zu LD-Instabilitäten führen oder LDs dazu zwingen, in einem einzigen oder einigen wenigen Moden zu arbeiten. Der Verlust des starken Multimoden-Betriebs, der für kantenemittierende Laser höherer Leistung, kurz EEL („edge-emitting lasers“), und oberflächenemittierende Laser mit vertikalr Kavität, kurz VCSEL („vertical cavity surface emitting lasers“), charakteristisch ist, erhöht die Kohärenzlänge des Lasers beträchtlich, was zum Beispiel zu vermehrten kohärenten Artefakten und Laserspeckle in dem auf die Netzhaut projizierten Bild führt.
Der Single-Mode-Ausgang hat auch eine vollständige räumliche Kohärenz, was einen vollen Kontrast solcher Kohärenzeffekte im Bild ermöglicht. Speckle- und kohärente Artefakte können sowohl bei direkt abbildenden LCoS- und DMD-Raumlichtmodulatoren als auch bei Laser-Beam-Scanning-Systemen, kurz LBS, mit ein- oder zweidimensionalen Wellenleiterkombinatoren auftreten. Bei Netzhaut-Scan-Systemen mit holografischen Spiegeln in Brillen können ebenfalls kohärente Artefakte auftreten, allerdings in geringerem Maße als bei LBS mit Wellenleiter-Kombinatoren.
Mit dem hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauelement und seinen verschiedenen Ausführungsformen werden eines oder mehrere dieser Probleme mit den gegenwärtig für die Laserstrahlzusammenführung verwendeten PLC-Strukturen gelöst. In einer Ausführungsform können die seitlichen LD-Ausrichtungstoleranzen auf wenige µm reduziert werden, während gleichzeitig ein hoher Wirkungsgrad erreicht und ein echter einzelner Emissionspunkt für die Ausgangsstrahlung bereitgestellt wird. In einer anderen Ausführungsform kann die Eingangskopplungssktruktur die Rückkopplung in den LD reduzieren. Aufgrund des Multimoden-Wellenleiter-Ansatzes der hier beschriebenen PLC-Strukturen haben alle diese Ausführungsformen ein gewisses Potenzial zur Verringerung der räumlichen Kohärenz und können besonders für die Verringerung von Speckle- und Interferenzartefakten in abtastenden mikroelektromechanischen, MEM, AR/VR-Spiegelsystemen relevant sein.
Schließlich kann das hier beschriebene optoelektronische Halbleiterbauelement eine standardmäßige lithografische Halbleiterverarbeitung nutzen, die eine einfache Herstellung und Einbeziehung von Ausrichtungsreferenzen oder physikalischen Merkmalen ermöglicht.
Mit dem hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauelement können mehrere Vorteile erzielt werden:

a) Das optoelektronische Halbleiterbauelement kann einen PLC auf Waferebene verwenden, der mit LD-Dies auf einer einzigen Plattform integriert ist.
b) Das optoelektronische Halbleiterbauelement kann mit einfachen fotolithografischen Herstellungsverfahren produziert werden, die zu kostengünstigen Bauelementen führen.
c) Die Größe der PLC kann kleiner sein als die derzeit auf dem Markt erhältlichen PLC-Konzepte.
d) Mit Hilfe des optoelektronischen Halbleiterbauelements kann die Ausrichtungstoleranz der LD gegenüber den PLC-Eingängen gelockert werden; so hat beispielsweise eine laterale LD-Ausrichtung von ± 2 µm gegenüber der Mitte der Eingangs-Wellenleiterstruktur nur vernachlässigbare Auswirkungen auf die Kopplungseffizienz.
e) Das optoelektronische Halbleiterbauelement nutzt einen Modenmischer, um die Abhängigkeit von der LD-Ausrichtung auf die endgültige Emissionsoberflächenmodenstruktur zu beseitigen, so dass Ausrichtungsabweichungen, die während der Herstellung auftreten, nur minimalen Einfluss auf die Fernfeldspezifikationen des Bauelements haben; außerdem ermöglicht dies eine vollständige Füllung von Ausgangswellenleitermoden, um räumliche Kohärenzeffekte zu verringern.

Alternativ kann die Verwendung des Multimoden-Leiters ohne Modenmischungsstrukturen in einigen Fällen zu einer Lockerung der LD-Ausrichtungstoleranzen führen. Dies ist der Fall, wenn das optische System im AR/VR-System kleine Unterschiede in den Positionen der PLC-Emissionspunkte ausgleichen kann, zum Beispiel durch kleine zeitliche Anpassungen für R-, G- und B-Laser in einem Abtastspiegelsystem. Der Grund dafür ist, dass der Ausgang eines nicht streuenden PLC nur ein verschobenes und verzerrtes Bild des LD-Eingangsfeldes sein kann. Wenn die Relaisoptik so vergrößert wird, dass die Abmessungen der Wellenleiter-Ausgangsfacetten bei oder unter der Augenauflösung bleiben, werden solche durch die Wellenleiterausbreitung verursachten Verzerrungen nicht wahrgenommen. Die geringere Vergrößerung der AR/VR-Relaisoptik kann auch im Fall des Modenmischers von Vorteil sein, der komplexere Fernfeldmuster verursachen kann, aber die speckleartigen, wieder abgebildeten Ausgangsfacettenfelder des Wellenleiters werden vom Auge nicht aufgelöst.
Die hier beschriebene optoelektronische Halbleiterbauelement basiert unter anderem auf einem oder mehreren der folgenden Konzepte zur Lockerung der LD-Ausrichtungstoleranzen für das Einkoppeln von Laserstrahlung in einen PLC-Laserstrahlkombinierer, so dass eine praktische Vorrichtung entsteht:

1. Das optoelektronische Halbleiterbauelement verwendet einen Multimoden-Wellenleiter, um die Toleranzbeschränkungen für die LD-Ausrichtung erheblich zu verringern. Dies kann die Produktionsausbeute erheblich steigern.
2. Aufgrund der Multimoden-Ausgestaltung sind gerichtete evaneszente Koppler schwieriger zu entwerfen; die optoelektronische Halbleiterbauelement verwendet eine direkte Kombination, die im vorliegenden Fall einen hohen Wirkungsgrad erzielen kann.
3. Durch die Einführung einer optionalen strukturierten Streustruktur innerhalb des Wellenleiters kann das Eingangsfeld des LD an verschiedenen Positionen und Ausrichtungen stochastisch gleichmäßig in alle Wellenleitermoden gestreut werden, wodurch ein gleichmäßigeres, aber möglicherweise speckle-ähnliches Nahfeld erzeugt wird. Dies kann in einigen Fällen von Vorteil sein, da es eine statistisch gleichmäßige Verteilung des Fernfeldes ergibt.
4. Die Wellenleiter können unter Verwendung von Materialien mit hohem Brechungsindex für den Kern hergestellt werden, um einen großen Brechungsindexkontrast zwischen Substrat und Mantelmaterial zu erzielen. Dies erhöht den Einschluss und die Anzahl der zulässigen Moden für eine bestimmte Querschnittsfläche. Die größere Modenzahl trägt außerdem dazu bei, Ausrichtungsprobleme zu lösen und die Beschränkungen für die Strukturierung der Eingangskopplung zu lockern. Dies trägt weiter zur Verringerung der räumlichen Kohärenz bei. Der hohe Brechungsindexkontrast wird durch Ätzen von abgeschiedenen Materialien mit hohem Brechungsindex wie Si₃N₄ auf geschmolzenem Siliziumdioxid oder verwandten Materialien erreicht, gefolgt von Standardlithographie und Trockenätzverfahren.

Darüber hinaus weisen einige der Ausführungsformen zusätzliche technische Merkmale auf, die zur Lösung der oben genannten Probleme beitragen können:

i) Die Eingangs- und Ausgangsflächen der PLC-Wellenleiter können mit Antireflexionsbeschichtungen versehen werden. Dadurch wird der Wirkungsgrad weiter erhöht und die Laserrückkopplung minimiert; alternativ können geneigte Eingangsfacetten auch die Laserrückkopplung verringern und den Wirkungsgrad erhöhen, wenn Brewster-Winkel-Effekte für EELs genutzt werden.
ii) Mehrere Eingangsfacetten-Kopplungsdesigns verringern die Probleme mit der Ausrichtungstoleranz, einschließlich Verjüngungen oder möglicherweise inversen Verjüngungsstrukturen, linsenartigen Strukturen und großen rechteckigen Leitern, wenn kein quadratischer Emissionsquerschnitt erforderlich ist.
iii) Die Vergrößerung der Länge im Ausgangswellenleiter trägt dazu bei, die Wellenleitermoden zu dephasieren; beispielsweise bei Multimoden-Lasern mit einer großen Bandbreite. Dadurch wird die räumliche Querkohärenz am Ausgang des Wellenleiters verringert, was zur Reduzierung von Speckle und kohärenten Artefakten beiträgt.
iv) Der PLC ist invertiert und auf dasselbe Substrat gebondet wie die LDs, die ebenfalls invertiert sind, das heißt mit der Stegwellenleiter-Seite nach unten. Dies ermöglicht die passive Ausrichtung der LD-Emissionspunkte auf die Mitte der Wellenleitereingänge auf dem PLC.
v) Wellenleiter können aus einer Reihe von Materialien hergestellt werden, darunter Si₃N₄, GaN, HfO₂, LiNbO₃, Ta₂O₅, Al₂O₃, AlN und andere ätzbare Materialien mit hohem Brechungsindex.

Das optoelektronische Halbleiterbauelement wird zwar in erster Linie in AR/VR-Brillen eingesetzt, kann aber auch für andere Anwendungen verwendet werden, die die Kombination mehrerer EEL oder VCSEL zu einem einzigen Ausgang erfordern. In vielen Fällen handelt es sich bei dem in Frage kommenden AR/VR-System um ein abtastendes mikroelektromechanisches (MEM) Spiegelsystem.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die optoelektronische Halbleiterbauelement außerdem einen oder mehrere zweite Halbleiterlaser. Mindestens ein zweiter Halbleiterlaser ist dann dazu eingerichtet, mindestens eine zweite Laserstrahlung zu emittieren. Zusammen mit dem ersten Halbleiterlaser und mit zwei verschiedenen zweiten Halbleiterlasern kann die optoelektronische Halbleiterbauelement ein RGB-Bauelement sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Multimoden-Wellenleiter mindestens zwei erste Verzweigungen, die dazu eingerichtet sind, die erste Laserstrahlung und/oder mindestens eine zweite Laserstrahlung zu empfangen. Beispielsweise gibt es für jeden der Halbleiterlaser eine erste Verzweigung. Es kann also eine Eins-zu-Eins-Zuordnung zwischen den ersten Verzweigungen und den Halbleiterlasern bestehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist mindestens eine Gabelung so konfiguriert, dass die erste Laserstrahlung mit der mindestens einen zweiten Laserstrahlung vereinigt wird, um eine vereinigte Laserstrahlung zu erhalten. Mit anderen Worten, die vereinigte Laserstrahlung umfasst die gesamte erste und zweite Laserstrahlung. Das heißt, die erste und die zweite Laserstrahlung können mit Hilfe der mindestens einen Gabelung kombiniert oder zusammengeführt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Multimoden-Wellenleiter genau eine zweiten Verzweigung auf einer dem ersten Halbleiterlaser und/oder dem mindestens einen zweiten Halbleiterlaser abgewandten Seite der mindestens einen Gabelung. Der zweite Verzweigung dazu eingerichtet, die vereinigte Laserstrahlung zu emittieren.
So kann die mindestens eine erste Verzweigung als Eingangszweig und die mindestens eine zweite Verzweigung als Ausgangszweig bezeichnet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst mindestens ein Halbleiterlaser ein Lasersubstrat und eine Halbleiterschichtenfolge sowie eine erste Metallisierung. Dies kann für jeden einzelnen der ersten und/oder zweiten Halbleiterlaser gelten. Die Halbleiterschichtenfolge basiert zum Beispiel auf AlInGaN oder auf AlInGaP.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befinden sich die Halbleiterschichtenfolge und die erste Metallisierung auf der gleichen Seite des Lasersubstrats. Zum Beispiel ragt die erste Metallisierung über die zugeordnete Halbleiterschichtenfolge hinaus.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der erste Halbleiterlaser und/oder der mindestens eine zweite Halbleiterlaser ein kantenemittierender Laser. Alternativ können für die Halbleiterlaser auch VCSEL oder eine Kombination aus EEL und VCSEL verwendet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Multimoden-Wellenleiter einen Substratkörper und eine Führungsstruktur, die aus dem Substratkörper herausragt. Die Führungsstruktur ist dazu eingerichtet, die erste Laserstrahlung und/oder die mindestens eine zweite Laserstrahlung mittels Totalreflektion zu führen. Die Führungsstruktur kann aus einem Material bestehen, das auf den Substratkörper aufgebracht wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Multimoden-Wellenleiter außerdem eine zweite Metallisierung. Die zweite Metallisierung ist zum Beispiel zum Löten ausgelegt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befinden sich die Führungsstruktur und die zweite Metallisierung auf der gleichen Seite des Substratkörpers. Insbesondere ist der Substratkörper so an dem Träger befestigt, dass die Führungsstruktur und die zweite Metallisierung dem Träger zugewandt sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich ein Emissionsbereich des ersten und/oder zweiten Halbleiterlasers in der Nähe des Trägers auf Höhe der Führungsstruktur. Mit anderen Worten: Die Halbleiterschichtenfolge ist dem Träger zugewandt. Umfasst der betreffende Halbleiterlaser ein Aufwachssubstrat für die Halbleiterschichtenfolge, befindet sich das Aufwachssubstrat auf einer dem Träger abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist in Draufsicht auf die Führungsstruktur die zweite Metallisierung relativ zur Führungsstruktur seitlich versetzt angeordnet. Das Gleiche kann für die erste Metallisierung relativ zu einem Stegwellenleiter der betreffenden Halbleiterschicht gelten, wenn diese einen solchen Stegwellenleiter aufweist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ragt die zweite Metallisierung über die Führungsstruktur hinaus und ist dazu eingerichtet, einen Abstand der Führungsstruktur zum Träger anzupassen. Alternativ oder zusätzlich ragt die erste Metallisierung über die Halbleiterschichtenfolge hinaus und ist dazu eingerichtet, einen Abstand der Halbleiterschichtenfolge vom Träger anzupassen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Multimoden-Wellenleiter so dazu eingerichtet, rote, grüne und blaue Laserstrahlung zu vereinigen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform hat ein Ausgangsbereich des Multimoden-Wellenleiters eine Fläche von höchstens 30 µm × 30 µm oder von höchstens 20 µm × 20 µm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Multimoden-Wellenleiter außerdem einen Streubereich, der dazu eingerichtet ist, die erste Laserstrahlung zu streuen. Der Streubereich befindet sich beispielsweise auf einer vom ersten Halbleiterlaser abgewandten Seite der mindestens einen Gabelung. Optional kann der Streubereich eine Vielzahl von zufällig verteilten Streuzentren umfassen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist, in Draufsicht auf den Multimoden-Wellenleiter gesehen, die mindestens eine Gabelung S-förmig, so dass die mindestens eine Gabelung eine rechtsdrehende und eine linksdrehende Biegung enthält oder aus diesen besteht. Es ist möglich, dass alle Gabelungen gleich gestaltet sind; alternativ kann es Gabelungen mit unterschiedlichen Formen geben. Es ist möglich, dass die mindestens eine Gabelung punktsymmetrisch ausgebildet ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Halbleiterbauelement eine Vielzahl von Gabelungen. Die Gabelungen können an verschiedenen Stellen in die Verzweigungen übergehen, oder alle Gabelungen vereinigen sich an der gleichen Stelle im Multimoden-Wellenleiter.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Multimoden-Wellenleiter ferner eine dem ersten und/oder dem Halbleiterlaser zugewandte Eingangskopplungsstruktur. Beispielsweise umfasst die Eingangskopplungsstruktur mindestens einen Abschnitt, in dem sich die betreffende Verzweigung in einer Richtung weg vom ersten Halbleiterlaser verengt. Alternativ oder zusätzlich umfasst die Eingangskopplungsstruktur mindestens einen weiteren Abschnitt, in dem sich die betreffende Verzweigung in einer vom ersten Halbleiterlaser wegführenden Richtung verbreitert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Eingangskopplungsstruktur eine Eingangsfläche, die dem ersten Halbleiterlaser zugewandt ist, wobei die Eingangsfläche relativ zu einer Längsachse der zugehörigen Verzweigung verkippt ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Anzahl der dem ersten Halbleiterlaser zugewandten Verzweigungen kleiner oder gleich der Anzahl der Verzweigungen, die sich auf der vom ersten Halbleiterlaser abgewandten Seite der mindestens einen Gabelung befinden.
Zusätzlich wird eine Brille angegeben. Die Brille umfasst vorzugsweise mindestens ein optoelektronisches Halbleiterbauelement, wie es im Zusammenhang mit mindestens einer der oben genannten Ausführungsformen angegeben ist. Merkmale des optoelektronischen Halbleiterbauelements sind daher auch für die Brille offenbart und umgekehrt.
In mindestens einer Ausführungsform ist die Brille für Augmented-Reality- oder Virtual-Reality-Anwendungen eingerichtet. Insbesondere umfasst die Brille eine oder mehrere der optoelektronischen Halbleiterbauelemente. Außerdem umfasst die Brille mindestens ein Sichtfeld, das von der mindestens einen optoelektronischen Halbleiterbauelement beleuchtet wird.
Ein hier beschriebenes optoelektronische Halbleiterbauelement und eine hier beschriebene Brille werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Elemente, die in den einzelnen Figuren gleich sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Die Beziehungen zwischen den Elementen sind jedoch nicht maßstabsgetreu dargestellt, sondern einzelne Elemente können zum besseren Verständnis übertrieben groß gezeigt werden.
In den Figuren:

1 und 4 sind schematische Draufsichten auf eine Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauelements,
2 ist eine schematische perspektivische Ansicht des Multimoden-Wellenleiters des optoelektronischen Halbleiterbauelement der 1 und 4,
3 ist eine schematische Schnittansicht der optoelektronischen Halbleiterbauelemente der 1 und 4,
5 und 6 sind schematische Darstellungen von Ausrichtungstoleranzen des optoelektronischen Halbleiterbauelements der 1 bis 4,
7 ist eine schematische Draufsicht auf eine Führungsstruktur für Ausführungsbeispiele der hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauelemente,
8 ist eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauelements,
9 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsbeispiel einer Brille mit einem hierin beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauelement,
10 bis 14 sind schematische Draufsichten von Führungsstrukturen für Ausführungsbeispiele von hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauelemente,
15 bis 18 sind schematische Draufsichten auf Ausführungsbeispiel von hierin beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauelemente, und
19 bis 21 zeigen Simulationsdaten für Gabelungen in Führungsstrukturen für Ausführungsbeispiel von hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauelemente.

Die 1 bis 4 illustrieren ein Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterbauelements 1. Das Halbleiterbauelement 1 umfasst einen ersten Halbleiterlaser 31, der beispielsweise dazu eingerichtet ist, rote erste Laserstrahlung L1 zu emittieren. Ferner umfasst das Halbleiterbauelement 1 zwei zweite Halbleiterlaser 32, die beispielsweise dazu eingerichtet sind, sie grüne beziehungsweise blaue zweite Laserstrahlung L2 zu emittieren. Darüber hinaus umfasst die Halbleiterbauelement 1 einen Multimoden-Wellenleiter 4, der eine Führungsstruktur 43 aufweist. Mittels der Führungsstruktur 43 werden die erste und zweite Laserstrahlung L1, L2 zu einer Laserstrahlung L vereinigt. Zu diesem Zweck umfasst die Führungsstruktur 43 drei erste Verzweigungen 41, die den Halbleiterlasern 31, 32 zugewandt sind. Mittels einer Gabelung 40 werden die drei ersten Verzweigungen 41 zu einer zweiten Verzweigung 42 vereinigt, der die vereinigte Laserstrahlung L ausgibt. Der Multimoden-Wellenleiter 4 kann auch als PLC, „Planar Light Circuit“, bezeichnet werden.
Beispielsweise wird die Führungsstruktur 43 des Multimoden-Wellenleiters 4 auf einen Substratkörper 44 mit niedrigem Brechungsindex aufgebracht, typischerweise Glas oder Quarzglas. Alternativ kann das Substrat zum Beispiel Silizium mit einer mindestens 1 µm dicken Schicht aus SiO₂ sein. Vorzugsweise sollte die SiO₂-Schicht eine Dicke von mindestens 2 µm haben, um einen hohen Einschluss zu gewährleisten und Verluste durch evaneszente Kopplung in das Siliziumsubstrat zu vermeiden, das auch für sichtbare Wellenlängen absorbierend ist. Die Führungsstruktur 43 umfasst die drei eingangsseite Verzweigungen 41, durch die die Laserstrahlen L1, L2 über eine Eingangsfläche 49 für jeden R-, G- und B-Halbleiterlaser 31, 32 eingekoppelt werden. Die drei Führungsstrukturen 41 machen eine S-Kurve, wo sie zu einem einzigen Bereich verschmelzen, der als Kombinationsbereich oder Gabelung 40 bezeichnet wird. Die ausgangsseite Verzweigung 42 überträgt das Licht aus dem Kombinationsbereich zu einer Ausgangsfacette.
Zur Minimierung von Verlusten, insbesondere im Kombinationsbereich, und zur Erzielung einer großen Winkelkopplungstoleranz ist ein hoher Brechungsindexkontrast zwischen der Führungsstruktur 43 und dem Substratkörper 44 wünschenswert. Die Führungsstruktur 43 kann beispielsweise aus Si3N4 hergestellt sein, da dies leicht auf Wafer-Ebene verarbeitet werden kann und einen Brechungsindex von etwa 2,06 aufweist, verglichen mit Quarzglas, dessen Brechungsindex bei einer Wellenlänge von 520 nm etwa 1,46 beträgt.
Wie in den 1 und 3 dargestellt, sind die Halbleiterlaser 31, 32 an den Multimode-Wellenleiter 4 angekoppelt, haben aber im Allgemeinen einen gewissen Abstand zwischen dem Substratkörper 44 und den Eingangsflächen 49 und sind nicht perfekt mit den Mittelachsen jeder ersten Verzweigung 41 ausgerichtet. Beispielsweise werden die R, G und B emittierenden Halbleiterlaser 31, 32 in die ersten Verzweigungen 41 eingekoppelt, wo sie sich im direkten Kombinationsbereich 40 vereinigen.
Ein Nachteil des Hochindexkontrasts ist, dass der Ausgangsemissionswinkel groß ist und die Kollimation schwieriger sein kann. Man kann auch ein WellenleiterMaterial mit niedrigerem Brechungsindex verwenden, zum Beispiel Al₂O₃ oder ein Glas mit hohem Brechungsindex, das auf ein Glassubstrat mit niedrigem Brechungsindex aufgebracht wird, um den Ausgangswinkel zu verringern, allerdings um den Preis eines geringeren Einschlusses und einer geringeren Anzahl von Moden.
Beispielsweise ist der Multimoden-Wellenleiter 4 mit mindestens einer zweiten Metallisierung 52 versehen. Insbesondere kann eine zweite Metallisierung 52 entlang jeder Seite der Führungsstruktur 43 und/oder entlang der Ränder des Substratkörpers 44, in Draufsicht gesehen, vorhanden sein, vergleiche 2.
Optional folgt ein Streubereich 46, auch Modenmischbereich genannt, der zum Beispiel eine Vielzahl von Streuzentren 47 umfasst, die lithografisch hergestellt werden können. Eine zusätzliche Ausbreitungslänge LB in der ausgangsseitigen Verzweigung 42 ist wünschenswert, um eine Dephase der Moden zu unterstützen, in die das Eingangslicht gestreut wird. Die zusätzliche Ausbreitungslänge LB folgt dem Streubereich 46.
Zum Beispiel beträgt die zusätzliche Ausbreitungslänge LB mindestens 0,5 mm und/oder höchstens 10 mm.
Es ist auch möglich, einen Streubereich an den Eingangsfacetten oder der Ausgangsfacette vorzusehen. Wenn jedoch die Eingangsfacette einen Streubereich aufweist, kann dies zwar zu einer gewissen Modenmischung beitragen, aber auch zu zusätzlichen Verlusten führen. Auf der Ausgangsseite kann dies das Ausgangsmuster zerstreuen, führt aber nicht wirklich zu einer Durchmischung der Wellenleiter-Moden.
Das heißt, der Multimoden-Wellenleiter 4 aus 1 kann, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen möglich, den optionalen Streubereich 46 aufweisen. Der Zweck des Streubereichs 46 besteht insbesondere darin, die durch die einfallenden LD-Felder angeregten Moden in einen breiteren Bereich von gebundenen Wellenleitermoden zu streuen. Der Streubereich 46 kann zum Beispiel drei Vorteile haben: Erstens kann er ein gleichmäßigeres Nahfeld erzeugen, das im Mittel weniger von der LD-Ausrichtung abhängt; zweitens kann er die Divergenz des Fernfelds mit einer geringeren Richtungsabhängigkeit von der LD-Ausrichtung erweitern; und drittens kann er für zusätzliche räumliche Inkohärenz sorgen, um einige durch verschiedene Interferenzeffekte in den nachgeschalteten optischen Bauelementen verursachte Artefakte und Flecken zu reduzieren.
Um einen brauchbaren Streubereich 46 ohne nennenswerte Auswirkungen auf die Effizienz des Wellenleiters herzustellen, hat der Streubereich 46 vorzugsweise eine starke Vorwärtsstreuung, aber eine schwache Rückwärtsstreuung, um die Verluste zu minimieren. Die Modenmischung kann durch verschiedene Verfahren erreicht werden, die mit Lithographie-Verfahren, wie zum Beispiel Photolithographie, kompatibel sind. In einem Beispiel können Löcher im Unter-Mikrometer-Bereich als Streuzentren 47 in das Material der Führungsstruktur 43 geätzt werden. Löcher mit Durchmessern zwischen 0,3 µm und 0,5 µm haben beispielsweise eine starke vorwärts gerichtete Streuung. Beispielsweise können vier solcher Löcher zufällig entlang der Ausbreitungsrichtung ausgerichtet werden und bewirken eine Mehrfachstreuung in Vorwärtsrichtung, die die Anregung einer bestimmten Überlagerung von Moden von einer bestimmten Eingangs-LD-Position in alle verfügbaren AusgangsWellenleiter-Moden angemessen streut. Andere Ansätze umfassen zufällige oder gestörte Wandmerkmale. Es kann auch eine streuende Oberfläche auf den LD-Eingangsflächen 49 gebildet werden.
Die Ausgangsfacette der zweiten Verzweigung 42 ist die Quelle für das emittierte Licht L, das zum Beispiel von einem optischen System verwendet wird, das dem Halbleiterbauelement 1 nachgeordnet ist, nicht dargestellt. Typischerweise, insbesondere im Querschnitt gesehen, sollte die einzelne ausgangsseite Verzweigung 42 die gleichen Abmessungen wie die eingangsseitigen Verzweigungen 41 haben, um sicherzustellen, dass alle modalen Anregungen an den eingangsseitigen Verzweigungen 41 in der ausgangsseite Verzweigung 42 angeregt werden können. Wird die ausgangsseite Verzweigung 42 mit einer geringeren Breite W als die eingangseitigen Verzweigungen 41 ausgeführt, kann dies bei bestimmten Kombinationen von Eingangs-Halbleiterlaserausrichtungen zu einer Reflexion der Energie und damit zu zusätzlichen Verlusten führen. Dadurch wird eine Quelle mit höherer etendue aufgrund aller möglichen Ausgestaltungen der Halbleiterlaserausrichtung in ein optisches System mit geringerer etendue eingekoppelt.
In 3 ist das RGB-Halbleiterbauelement 1 im Querschnitt dargestellt. Hier sind die RGB-Stegwellenleiter-Laser 31, 32, die Kantenemitter sind, jeweils auf ein Lasersubstrat 35 gebondet, bei dem es sich um einen Sub-Mount handeln könnte, die auch als „Chip on Sub-Mount Assembly“ oder kurz COSA bezeichnet wird. Eine Höhe der Sub-Mounts 35 und der Eingangsflächen 49 sind aufeinander abgestimmt, können aber im Vergleich zu einer Singlemode-Wellenleiter-SPS höhere Abweichungen haben.
Eine horizontale Ausrichtungstoleranz wird beispielsweise durch die Herstellung einer rechteckigen Multimoden-Wellenleiter-Eingangsfläche 49 erreicht, wie in 4 dargestellt. Eine beispielhafte Breite W beträgt 10 µm bis 20 µm. Der Emissionsbereich muss jedoch nicht rechteckig sein, sondern kann auch mit anderen Formen gestaltet werden. Eine Höhe H der Führungsstruktur 43, vergleiche 2, ist begrenzt, zum Beispiel in erster Linie durch die Möglichkeit, hochwertige Beschichtungen aus Wellenleitermaterial herzustellen. Beispielsweise können Si3N4-Beschichtungen mit einer Dicke von mehr als 1 µm hergestellt werden und mindestens 3 µm betragen. Die breite Führungsstruktur 43 ermöglicht seitliche Ausrichtungstoleranzen der einfallenden LD-Emissionspunkte 30 in der Größenordnung von ± 3 µm für W = 10 µm, zum Beispiel für eine typische Stegwellenleiter-LD 31, 32. Zu beachten ist, dass der breite Wellenleiter auch einen gewissen Abstand zwischen der LD-Facette 30 und der Eingangsfläche 49 des Wellenleiters zulässt. Dieser Abstand wird in 4 mit S_L bezeichnet.
Der Emissionsbereich 30 der Halbleiterlaser 31, 32 ist zum Beispiel etwa 2 µm × 1 µm groß. Wie bei typischen Stegwellenleiter-Lasern werden die Eingangsstrahlen L1, L2 in der Wellenleiterebene, also horizontal, polarisiert. Ein gerader, rechteckiger Si3N4 -Wellenleiter wird an der Unterseite durch ein Silica-Substrat und an den anderen drei Oberflächen durch Luft begrenzt, vergleiche 2. Der Wellenleiter-Querschnitt der Verzweitungen 41, 42 beträgt zum Beispiel W × H = 20 µm × 3 µm. S_L beträgt zum Beispiel 1,0 µm ± 0,5 µm. Bei einem solchen Trennungsabstand S_L ergibt sich zum Beispiel ein nominaler Kopplungswirkungsgrad von 78 % bei S_L = 0,5 µm. In diesem Fall kann eine entsprechende Wellenlänge 550 nm betragen.
Die LD-Kopplungseffizienz C wird durch das Verhältnis der Leistung innerhalb des Wellenleiters 4 zur einfallenden LD-Leistung ermittelt, vergleiche 5 und 6, die die Variation des Kopplungswirkungsgrads C in Abhängigkeit von einem Azimutwinkel ϕ und einem Elevationswinkel ψ zeigen. Die Ergebnisse zeigen eine sehr große Winkelakkommodation von 30° in der azimutalen Ebene und 20° in der Elevation von der Wellenleiterebene.
In 7 ist eine weiteres Ausführungsbeispiel der Führungsstruktur 43 dargestellt, wobei der Schwerpunkt auf der Gabelung 40 liegt, die auch als Kombinationsbereich bezeichnet wird. Der Kombinationsbereich 40 hat in der Draufsicht vorzugsweise die Form eines S, damit die Krümmung vom LD-Eingang bis zur Ausgangszweig 42 gleichmäßig verläuft. Ein Biegewinkel θ_B der Gabelung 40 kann ein kritischer Parameter sein, um die Kombinationsverluste zu ermitteln. Für den Wellenleiterausgesteltung in gilt beispielsweise θ_B < 21,4°, was zu akzeptablen Kombinationsverlusten von weniger als 12 % führt. Wäre beispielsweise θ_B = 23,3°, dann wären die Kombinationsverluste mit 95 % viel größer. Vergleicht man die Größe eines elektrischen Feldes für θ_B = 21,4° und θ_B =23,6°, so kann der größere Biegewinkel θ_B zu einer internen Reflexion in andere Verzweigungen innerhalb der Gabelung 40 führen.
Beispielsweise gelten die in 7 angegebenen Zahlenwerte einzeln oder alle zusammen mit einer Toleranz von höchstens 50 % oder höchstens 25 % oder höchstens 10 %. Die Zahlenwerte, die auch für zwei erste Verzweigungen 41 und eine zweite Verzweigung 42 dargestellt sind, können analog für eine Führungsstruktur 43 mit einer anderen Anzahl von ersten und/oder zweiten Verzweigungen 41, 42 gelten. Die Biegelänge I_B beträgt zum Beispiel mindestens 20 µm oder mindestens 0,2 mm oder mindestens 0,5 mm und/oder höchstens 2 mm oder höchstens 1 mm.
In praktischen PLCs, bei denen die lateralen Abmessungen der LDs und/oder COSAs eine untere Grenze für den Abstand der Eingangszweige oder Gabelungen haben, würden typische Eingangsgabelungslängen in der Größenordnung von mindestens 200 µm und typischerweise mindestens 500 µm liegen. Wäre der Gabelungsabstand zum Beispiel auf 400 µm begrenzt, würden die Gabelungsslängen in der Größenordnung von 1 mm liegen, um die erforderlichen Biegewinkel einzuhalten.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist der Emissionsbereich des Wellenleiters quadratisch und nicht rechteckig. Dann gilt W = H. Typische Breiten sind W = 3 µm. In diesem Fall ist die Kopplungseffizienz über eine laterale Variation von ± 1,0 µm nahezu konstant, was die Positionen der Halbleiterlaser 31, 32 betrifft. Die Resultate der S-Kurve für den Kombinatorbereich 40 liegen nahe am rechteckigen Fall, wobei θ_B < 18° bevorzugt ist.
Andernfalls kann das Gleiche wie für die 1 bis 6 auch für 7 gelten und umgekehrt.
Gemäß 8 werden die LDs 31, 32 und die SPS 4 in einer Flip-Chip-Ausgestaltung verwendet, um eine passive vertikale Ausrichtung der LD-Emissionspunkte 30 und der Wellenleiter-Eingangsflächen 49 zu gewährleisten. Neben dem Wellenleiter wird das Wellenleitermaterial auch zur Herstellung von Pads verwendet, die nur zur mechanischen Kontaktierung dienen und keine optische Wechselwirkung mit der Führungsstruktur 43 haben. Die Pads befinden sich in der Regel entlang der äußeren Bereiche des Substratkörpers 44 und können mit demselben Lithographie-Verfahren wie die Führungsstruktur 43 hergestellt werden, siehe auch 2. Die Pads werden dann mit mindestens einer zweiten Metallisierungs-Schicht 52 beschichtet, um sie zu löten oder auf andere Weise zu befestigen. Da die Führungsstruktur 43 durch Aufbringen des Dielektrikums hergestellt wird, kann ihre Dicke mit einer Genauigkeit von ± 10 nm oder noch besser kontrolliert werden. Die Dicke der Metallisierung des Pads lässt sich ebenfalls mit ähnlichen Toleranzen genau steuern.
Um eine passive, hochpräzise vertikale Ausrichtung des mindestens einen Emissionspunkts 30 und der vertikalen Mitte der Wellenleiter-Eingangsfläche 49 zu erreichen, werden sowohl die Halbleiterlaser 31, 32 als auch der Multimoden-Wellenleiter 4 wie in 8 gezeigt gedreht. Wie bei der Führungsstruktur 43 kann der vertikale Abstand zwischen der ersten Metallisierung 34 und dem Emissionspunkt 30 aus ähnlichen Gründen auf deutlich unter 1 µm genau bestimmt werden.
Durch Anpassung der Metallisierungsdicke und/oder der Bonddicke der PLC-Pads 52 kann man daher den Emissionspunkt 30 und die vertikale Mitte der Wellenleiter-Eingangsfläche 49 beim Verbinden genau aufeinander abstimmen. Lediglich die Ebenheit des Wärmeträgers 2, der zum Beispiel aus AlN besteht, und die Beständigkeit der Lot-Vorform beziehungsweise der Verbindungsmaterialstärken sollten sichergestellt werden.
Andernfalls kann das Gleiche wie für die 1 bis 7 auch für 8 gelten und umgekehrt.
In 9 ist eine Brille 10 für AR/VR-Anwendungen dargestellt. Die Brille 10 umfasst zum Beispiel zwei Sichtfelder 12, die jeweils mit einem der optoelektronischen Halbleiterbauelemente 1 beleuchtet werden. Die optoelektronischen Halbleiterbauelemente 1 sind zum Beispiel in Bügelarmen 11 der Brille 10 untergebracht.
In Bezug auf Kohärenzprobleme bei Laser-Scanning-AR/VR-Systemen 10 können insbesondere Kohärenzartefakte und Speckle-Effekte die Bildqualität beeinträchtigen. Kohärenzartefakte wie die Newton-Ringbildung können durch interoptische Reflexionen verursacht werden. Beispielsweise kann eine Relaisoptik, die ein sekundäres Bild von einem Diffusor oder einer Mikrolinsen-Array-Ebene zu einem Wellenleiter-Kombinator der Brille überträgt, solche Artefakte verursachen. Berechnungen auf der Grundlage von paraxialen Fourier-Optik deuten darauf hin, dass die im Emissionsbereich des Multimoden-Wellenleiters 4 gebildeten räumlichen Feldprofile keinen wesentlichen Einfluss auf diese Artefakte haben dürften. Hier haben nur die Laserbandbreite und sogar die spektrale Form einen signifikanten Einfluss.
Für Speckle können drei Mechanismen von Bedeutung sein. Der erste ist der Wellenleiter-Kombinator der Brille (nicht abgebildet). Wenn die Pupillen des Beobachters groß genug sind, um mehr als einen Sprung von diesem Wellenleiter-Kombinator einzufangen, dann ergibt sich praktisch einen Doppelspalt, der feine Interferenzstreifen auf der Netzhaut erzeugt. Diese werden beim Scannen nicht verwischt, da sie von festen Interferenzpunkten stammen. Ein zweiter Beitrag kann von Fehlern bei der Herstellung der Gitter in 1D- oder 2D-Wellenleiterkombinatoren herrühren. Die Ungenauigkeiten führen zu Streuungen, die ein Speckle-Muster ergeben würden. Ein dritter möglicher Mechanismus ist ein zwischengeschaltetes Mikrolinsen-Array, MLA, oder ein Diffusor, der das Sichtfeld erweitert, um die Apertur des Wellenleiterkombinators zu füllen.
Der hier beschriebene Multimoden-Wellenleiter 4 könnte dazu beitragen, einige dieser Probleme zu mildern, indem er die Nahfeldverteilung räumlich inkohärent macht.
Andernfalls kann das Gleiche wie für die 1 bis 8 auch für 9 gelten und umgekehrt.
In den 10 bis 14 sind einige mögliche Varianten der Führungsstruktur 43 dargestellt. Gemäß 10 sind die Eingangszweige 41 spiegelsymmetrisch zu einer Längsachse des Ausgangszweigs 42 angeordnet. Zum Beispiel gibt es eine gerade Anzahl von Eingangszweigen 41. Gemäß 10 gibt es vier Eingangszweige 41. Außerdem ist in 10 eine einzige Gabelung 40 zu sehen.
In 11 ist dargestellt, dass es eine große Anzahl von Eingangszweigen 41 gibt, die symmetrisch angeordnet sein können, und dass es eine Vielzahl von Gabelungen 40 gibt. Beispielsweise sind pro Gabelung 40 zwei oder drei der Eingangszweige 41 zusammengeführt. Ein Abstand zwischen benachbarten Gabelungen 40 beträgt zum Beispiel mindestens 30 µm und/oder höchstens 2,0 mm.
In 12 ist zu sehen, dass nur ein Eingangszweig 41 für einen Halbleiterlaser 31, 32 eingerichtet ist, und dass es mindestens zwei Ausgangszweige 42 gibt. Das heißt, es kann eine Art Strahlteiler realisiert werden.
Gemäß 13 gibt es nur einen Eingangszweig 41, der für einen Halbleiterlaser 31, 32 eingerichtet ist, und auch hier gibt es mindestens zwei Ausgangszweige 42. Außerdem gibt es optional eine zusätzliche Verzweigung 45. Die zusätzliche Verzweigung 45 kann zum Beispiel für einen Fotodetektor ausgelegt sein. Eine solche Führungsstruktur 43 kann in einem Interferometeraufbau verwendet werden.
In 14 ist dargestellt, dass es nicht notwendig ist, dass der Ausgangszweig 42 und/oder die Eingangszweige 41 gerade sind. Das heißt, der Ausgangszweig 42 kann zum Beispiel eine Krümmung aufweisen. Ferner ist es möglich, dass die Eingangszweige 41 nicht parallel zueinander ausgerichtet sind. So können die Eingangszweige 41 Laserstrahlung aus unterschiedlichen Richtungen empfangen.
Jede der Führungsstrukturen 43 der 10 bis 14 kann in allen Ausführungsbeispielen der optoelektronischen Halbleiterbauelement 1 sinngemäß verwendet werden.
Andernfalls kann das Gleiche wie für die 1 bis 9 auch für 10 bis 14 gelten und umgekehrt.
In den 15 bis 17 ist dargestellt, dass die Eingangszweige 41 Eingangskopplungsstrukturen 48 aufweisen können, die verschiedene Ausgestaltungen haben können. Solche Eingangskoppelstrukturen 48 können auch in allen anderen beispielhaften Ausführungsformen vorhanden sein. Beispielsweise werden solche Eingangskopplungsstrukturen 48 durch Ätzen eines Materials der Führungsstrukturen 43 hergestellt und können somit im gleichen Verfahrensschritt wie die Führungsstrukturen 43 erzeugt werden.
Wie in 15 dargestellt, verjüngt sich die Eingangskopplungsstruktur 48 in Richtung weg vom Halbleiterlaser 31, 32. Beispielsweise ist die Einkoppelstruktur 48 in der Draufsicht trapezförmig ausgebildet, wobei ein Winkel der Trapezseiten zur Längsachse des zugeordneten Eingangszweigs 41 insbesondere mindestens 5° und/oder höchstens 35° beträgt.
In 16 ist die Eingangs-Kopplungsstruktur 48 eine Linse. Ein Krümmungsradius der Linse beträgt zum Beispiel mindestens 5 µm und/oder höchstens 30 pm, und der Eingangszweig 41 hat zum Beispiel einen Querschnitt von mindestens 2 µm × 2 µm und/oder von höchstens 6 µm × 6 µm. Mit einer solchen linsenförmigen Einkoppelstruktur 48 kann beispielsweise eine laterale Positionstoleranz des Halbleiterlasers 31, 32 von ± 6,0 µm und eine azimutale Toleranz von ± 5° erreicht werden.
Gemäß 17 weist die Eingangsfläche 49 einen azimutalen Verkippungswinkel θ_W ungleich Null auf. Dies kann zum Beispiel auf zwei Arten erreicht werden: durch direktes Ätzen des Substratkörpers 44 und der Führungsstruktur 43 oder durch Läppen oder Ätzen nur des Substratkörpers 44, wodurch ein Rand des Substrats an die lithografisch definierte außermittige Eingangsfläche 49 des Wellenleiters gebracht wird. Das Verfahren der außeraxialen Kopplung kann die Laserrückkopplung reduzieren oder eliminieren und die Kopplungseffizienz aufgrund des Brewster-Winkel-Effekts von EELs verbessern, die normalerweise in der Ebene des Substratkörpers 44 polarisiert sind. Typische Winkel θ_W sind zum Beispiel mindestens 5° und/oder höchstens 10°.
Ein zweites Verfahren zur Erzielung ähnlicher Leistungsvorteile ist das Aufbringen von Antireflexionsbeschichtungen auf der Eingangsfläche 49 jedes Eingangszweigs 41. Da jede R-, G- und B-Laserfarbe unterschiedliche Anforderungen an die Antireflexionsbeschichtung stellt, ist es schwierig, eine einzige Antireflexionsbeschichtung, wie zum Beispiel eine Viertelwellen-SiO2-Schicht, auf jede Wellenleiter-Eingangsfläche 49 aufzubringen, da sie alle unterschiedliche Dicken erfordern würden. Daher wird eine einzelne mehrlagige Beschichtung mit Antireflexionsfenstern bei jeder der gewünschten Wellenlängen bevorzugt.
In 18 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei der eine eindimensionale Koppellinse wie in 16 verwendet wird, wobei das brechende Element jedoch durch ein Meta-Element ersetzt wird. Dadurch kann der Hauptnachteil der brechenden gekrümmten Eingangsfläche 49 gemildert werden, der darin besteht, dass der Abstand zum Laseremissionsbereich 30 mit zunehmender Entfernung von der optischen Achse 61 zunimmt. Aufgrund der starken Divergenz des Lasers 31 verringert sich dadurch die Kopplungseffizienz. Wie die brechende Linse fokussiert auch die Meta-Linse nur innerhalb des Multimoden-Wellenleiters 4.
Gemäß 18 ist vor der Wellenleiter-Eingangsfläche 49 ein Sub-Wellenlängen-Gitter aus Meta-Atomen 6 angeordnet. Jede Gruppe von Meta-Atomen 6 bildet eine Meta-Linse mit einer bestimmten Fokussierungskraft. Die Meta-Linse ist so ausgelegt, dass die Phasenverzögerung durch die breiteren Meta-Atome 6 größer ist als durch die kleineren. Jeder seitliche Bereich, der als Fresnel-Zone bezeichnet werden kann, entspricht einer Phasenverschiebung von 2π. Diese Größe der Zone bestimmt die effektive Brennweite. Durch die Kombination von mindestens einer oder mehreren Linsen entlang der optischen Achse 61, wobei in 18 drei Linsen dargestellt sind, kann das Eingangsfeld in die Wellenleiterfläche 49 fokussiert werden, wobei die kombinierte Brennweite der zusammengesetzten Linsen so ist, dass die effektive Brennebene gerade innerhalb der Wellenleiter-Eingangsfläche 49 liegt.
Andernfalls kann das Gleiche wie für die 15 bis 17 auch für 18 gelten und umgekehrt.
In den 19 bis 21 wird die S-Form oder S-Kurve der mindestens einen Gabelung definiert und näher erläutert.
Insbesondere kann die S-Kurve durch Bezier-Kurven parametrisiert werden, wobei die (x, y)-Position des Zentrums des Wellenleiters durch die folgende parametrische Formel gegeben ist, die auch als Gleichung (1) bezeichnet wird: $B (t) = (x, y) = \sum_{i = 1}^{4} (\begin{matrix} 4 \\ i \end{matrix}) {(1 - t)}^{n - 1} t^{i} P_{i} .$
In Gleichung (1) sind die Kurven eine Funktion von vier Kontrollpunkten P_i = (x_i, y_i). Der Parameter t wird von 0 bis 1 variiert, um die vollständige Kurve zu bilden. Der $Koeffizient (\begin{matrix} n \\ i \end{matrix})$
ist der Binomialkoeffizient der Ordnung n.
Die Tabelle in 19 zeigt die S-Kurven-Parameter und die entsprechenden Kopplungseffizienzen durch den Kombinationsbereich für eine Reihe von Simulationen. Die Tabelle zeigt die Abmessungen D des Wellenleiters, die Kontrollpunkte P der Bezier-Kurve, die maximale Steigung θ_max der S-Kurve und den minimalen Krümmungsradius ρ_min. Der Biegewinkel θ_B ist der Winkel der Tangente der S-Kurve an der Stelle, an der sich die Verzweigungen treffen. Dieser hängt von der Dicke des Wellenleiters ab. Der Kombinationswirkungsgrad T_c schließlich ist das Verhältnis zwischen der Ausgangsleistung im Ausgangszweig und der Eingangsleistung, die direkt im Eingangszweig auftritt.
Die Ergebnisse zeigen, dass die geometrischen Parameter einen sehr starken Einfluss auf den Kombinationswirkungsgrad haben, wobei nur die längste S-Kurve eine hohe Leistung aufweist. Im Allgemeinen wird der minimale Krümmungsradius in der Biegung berücksichtigt, der zu einem Verlust des Einschlusses und zu Strahlungsverlusten führen kann. Wie aus den 20 und 21 hervorgeht, weisen die Moden höchster Ordnung, die den geringsten Einschluss haben, hohe Strahlungsverluste auf. Bei niedrigem Indexkontrast, wie in 20 dargestellt, hat die eingeschlossene Mode höchster Ordnung erhebliche Strahlungsverluste mit ρ_min≈ 100 µm bei Weglängen in der Größenordnung von 1 mm. Bei den Wellenleitern mit höherem Indexkontrast, die in 21 dargestellt sind, gibt es viel mehr Moden, und die eingeschlossene Mode höchster Ordnung hat ρ_min≈ 50 µm für Weglängen in der Größenordnung von 1 mm. Zu beachten ist, dass die spezifischen Werte von der Wellenlänge und der Mode abhängen. Es ist jedoch zu erkennen, dass die große Anzahl von Moden für die Führung mit hohem Indexkontrast bedeutet, dass nur ein kleiner Teil der Eingangsfeldleistung die Moden höchster Ordnung überlagert, was zu einem wesentlich geringeren Strahlungsverlust führt. Der Vergleich der Resultate für den Kombinationswirkungsgrad in der Tabelle mit zeigt, dass ρ_minzwar mit T_c korreliert, aber der Unterschied in ρ_minzwischen den 80-µm- und 120-µm-Simulationen sehr gering ist und den sehr großen Unterschied in T_c nicht zu erklären scheint. Tatsächlich stimmen die Ergebnisse quantitativ in der Größenordnung mit den einfachen Berechnungen in den 20 und 21 überein. Es wird auch vermutet, dass der Gesamtkrümmungswinkel und die maximale Steigung eine Rolle spielen, da diese Faktoren mit dem Winkel zusammenhängen, unter dem die Strahlung in den Kombinationsbereich „gefeuert“ wird; ein zu großer Winkel führt zu einer Auskopplung von Moden, die sonst im Eingangszweig eingeschlossen sind.
Daher wird in einer ersten Ausführungsform, bei der die maximale Wellenlänge nicht mehr als 620 nm für einen 3 µm breiten Si₃N₄-Wellenleiter auf Quarzglas beträgt, der Wellenleiter durch Überlappung von mindestens zwei Verzweigungen spezifiziert, von denen mindestens einer die parametrische Form einer S-Kurve gemäß Gleichung (1) hat, mit einem Biegewinkel θ_B < 21,5° und einer maximalen Steigung θ_max < 30°. Dies sollte auch ρ_min> 58 µm beschränken. Natürlich lassen sich ähnliche Beschränkungen auch für andere Wellenlängen und Wellenleiter-Breiten finden.
20 zeigt Diagramme der Moden und Strahlungsverluste für einen 3 µm × 3 µm großen Wellenleiter mit geringem Brechungsindexkontrast, das heißt die Brechungsindizes von Substrat, Mantel und Kern sind n_s = 1,5, n_c = 1,5, n_w = 1,6. Das rechte Diagramm zeigt den effektiven Brechungsindex in Abhängigkeit von der horizontalen Modenzahl p, wobei die vertikale Modenzahl q = 1 ist; das linke Diagramm zeigt die Strahlungsverlust-Koeffizienten in Abhängigkeit vom Krümmungsradius für ausgewählte Moden bei λ₀ = 620 nm.
21 zeigt Abbildungen von Moden und Strahlungsverluste für einen 3 µm × 3 µm großen Wellenleiter mit hohem Brechungsindexkontrast, das heißt die Brechungsindizes von Substrat, Mantel und Kern sind n_s = 1,5, n_c = 1,5, n_w = 2,0. Das rechte Diagramm zeigt den effektiven Brechungsindex in Abhängigkeit von der horizontalen Modenzahl p, wobei die vertikale Modenzahl q = 1 ist; das linke Diagramm zeigt die Strahlungsverlust-Koeffizienten in Abhängigkeit vom Krümmungsradius für ausgewählte Moden bei λ₀ = 620 nm.
Die in den 19 bis 21 angegebenen Daten können für alle beispielhaften Ausführungsformen gelten.
Die in den Abbildungen dargestellten Bauelemente folgen, soweit nicht anders angegeben, beispielhaft in der angegebenen Reihenfolge direkt aufeinander. Bauelemente, die in den Figuren nicht kontaktiert sind, sind beispielhaft voneinander beabstandet. Wenn Linien parallel zueinander gezeichnet sind, können die entsprechenden Flächen parallel zueinander ausgerichtet sein. Ebenso sind die Positionen der gezeichneten Bauelemente zueinander in den Abbildungen korrekt wiedergegeben, sofern nichts anderes angegeben ist.
Die hier beschriebene optoelektronische Halbleiterbauelement wird durch die Beschreibung anhand der beispielhaften Ausführungsformen nicht eingeschränkt. Vielmehr umfasst die optoelektronische Halbleiterbauelement jedes neue Merkmal und auch jede Merkmalskombination, was insbesondere jede Merkmalskombination in den Patentansprüchen einschließt, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht ausdrücklich in den Patentansprüchen oder beispielhaften Ausführungsformen angegeben ist.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 17/482,740 , deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
Liste der Referenzschilder

1: optoelektronisches Halbleiterbauelement
2: Träger
21: erste Anschusschicht
22: zweite Anschusschicht
30: Emissionsbereich
31: erster Halbleiterlaser
32: zweiter Halbleiterlaser
33: Halbleiterschichtenfolge
34: erste Metallisierung
35: Lasersubstrat
4: Multimoden-Wellenleiter (PLC)
40: Gabelung (Kombinationsgebiet)
41: erste Verzweigung gegenüber dem Halbleiterlaser (Eingangszweit)
42: zweite Verzweigung entfernt vom Halbleiterlaser (Ausgangszweig)
43: Führungsstruktur
44: Substratkörper
45: zusätzliche Verzweigung
46: Streubereich
47: Streuenzentrum
48: Eingangskopplungsstruktur
49: Eingangsfläche
52: zweite Metallisierung
6: Meta-Atom
61: optische Achse
10: Brille
11: Bügelarm
12: Sichtfeld
C: Kupplungseffizienz
D: Dimension der S-Kurve
TC: Kombinationswirkungsgrad
H: Höhe der Führungsstruktur
IB: Biegelänge
L: vereinigte Laserstrahlung
L1: erste Laserstrahlung
L2: zweite Laserstrahlung
LB: zusätzliche Ausbreitungslänge in der zweiten Verzweigung
LO: GesamtlängFe der Führungsstruktur
SL: Trennungsabstand
R: Krümmungsradius
θmax: maximale Steigung
ρmin: minimaler Krümmungsradius
W: Breite der zweiten Verzweigung
α: Strahlungsverlust-Koeffizient
ϕ: Azimutwinkel
ψ: Elevationswswinkel
θB: Biegewinkek
θW: Verkippungswinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 17482740 [0108]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

S. Romero-Garcia et al. „Photonic integrated circuits for multi-color laser engines“, Proc. SPIE 10108, Silicon Photonics XII, 101080Z, March 2, 2017, doi: 10.1117/12.2250758 [0002]

Claims

Ein optoelektronisches Halbleiterbauelement mit einem Träger, einem ersten Halbleiterlaser, der dazu eingerichtet ist, eine erste Laserstrahlung zu emittieren und auf den Träger aufgebracht ist, und einem Multimoden-Wellenleiter, der dazu eingerichtet ist, die erste Laserstrahlung zu führen und ebenfalls auf den Träger aufgebracht ist, wobei der Multimoden-Wellenleiter mindestens eine Gabelung und eine Vielzahl von Verzweigungen umfasst, die durch die mindestens eine Gabelung verbunden sind.
Das optoelektronische Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, ferner aufweisend mindstens einen zweiten Halbleiterlaser, der dazu eingerichtet ist, mindestens eine zweite Laserstrahlung zu emittieren, wobei der Multimoden-Wellenleiter mindestens zwei erste Verzweigungen umfasst, die dazu eingerichtet sind, die erste Laserstrahlung und die mindestens eine zweite Laserstrahlung zu empfangen, wobei die mindestens eine Gabelung dazu eingerichtet ist, die erste Laserstrahlung mit der mindestens einen zweiten Laserstrahlung zu vereinen, um eine vereinigte Laserstrahlung zu erhalten.
Das otoelektronische Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, wobei der Multimoden-Wellenleiter genau eine zweite Verzweigung auf einer von dem ersten Halbleiterlaser und dem mindestens einen zweiten Halbleiterlaser abgewandten Seite der mindestens einen Gabelung umfasst, wobei die zweite Verzweigung dazu eingerichtet ist, die vereinigte Laserstrahlung zu emittieren.
Das optoelektronische Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Halbleiterlaser ein Lasersubstrat und eine Halbleiterschichtenfolge sowie eine erste Metallisierung umfasst, wobei die Halbleiterschichtenfolge und die erste Metallisierung auf der gleichen Seite des Lasersubstrats angeordnet sind, und wobei der erste Halbleiterlaser ein kantenemittierender Laser ist.
Das optoelektronische Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Multimoden-Wellenleiter einen Substratkörper und eine Führungsstruktur umfasst, die aus dem Substratkörper herausragt, wobei die Führungsstruktur dazu eingerichtet ist, erste Laserstrahlung mittels Totalreflektion zu führen, wobei der Multimoden-Wellenleiter ferner eine zweite Metallisierung umfasst, wobei die Führungsstruktur und die zweite Metallisierung auf der gleichen Seite des Substratkörpers angeordnet sind.
Das optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, wobei der Substratkörper so am Träger befestigt ist, dass die Führungsstruktur und die zweite Metallisierung dem Träger zugewandt sind, wobei sich ein Emissionsbereich des ersten Halbleiterlasers in der Nähe des Trägers auf Höhe der Führungsstruktur befindet.
Das optoelektronische Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, wobei, in Draufsicht auf die Führungsstruktur gesehen, die zweite Metallisierung relativ zu der Führungsstruktur seitlich versetzt angeordnet ist, wobei die zweite Metallisierung über die Führungsstruktur hinausragt und dazu eingerichtet ist, einen Abstand der Führungsstruktur von dem Träger anzupassen.
Das optoelektronische Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Multimoden-Wellenleiter dazu eingerichtet ist, rote, grüne und blaue Laserstrahlung zu vereinigen, und wobei ein Ausgangsbereich des Multimoden-Wellenleiters eine Fläche von höchstens 30 µm × 30 µm aufweist.
Das optoelektronische Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Multimodnen-Wellenleiter ferner einen Streubereich umfasst, der dazu eingerichtet ist, die erste Laserstrahlung zu streuen.
Das optoelektronische Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, wobei sich der Streubereich auf einer vom ersten Halbleiterlaser abgewandten Seite der mindestens einen Gabelung befindet.
Das optoelektronische Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, wobei der Streubereich eine Vielzahl von zufällig verteilten Streuzentren umfasst.
Das optoelektronische Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei, in Draufsicht auf den Multimoden-Wellenleiter gesehen, die mindestens eine Gabelung S-förmig ist, so dass die mindestens eine Gabelung aus einer rechtsdrehenden Biegung und einer linksdrehenden Biegung besteht.
Das optoelektronische Halbleiterbauelement nach Anspruch 12, wobei ein Biegewinkel der mindestens einen Gabelung höchstens 21,4° beträgt.
Das optoelektronische Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Vielzahl von Gabelungen, die an verschiedenen Stellen in die Verzweigungen übergehen.
Das optoelektronische Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Multimoden-Wellenleiter ferner eine dem ersten Halbleiterlaser zugewandte Eingangskoppelstruktur umfasst, wobei die Eingangskoppelstruktur mindestens einen Abschnitt umfasst, in dem sich die betreffende Verzweigung in einer vom ersten Halbleiterlaser wegführenden Richtung verengt.
Das optoelektronische Halbleiterbauelement nach Anspruch 15, wobei die Eingangskopplungsstruktur eine Eingangsfläche umfasst, die dem ersten Halbleiterlaser zugewandt ist, wobei die Eingangsfläche relativ zu einer Längsachse der zugehörigen Verzweigung verkippt ist.
Das optoelektronische Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Anzahl von Verzweigungen, die dem ersten Halbleiterlaser zugewandt sind, kleiner oder gleich einer Anzahl von Verzweigungen ist, die sich auf einer von dem ersten Halbleiterlaser abgewandten Seite der mindestens einer Gabelung befinden, wobei der Multimoden-Wellenleiter als Teil eines Interferometers ausgestaltet ist.
Brille, die für Augmented-Reality- oder Virtual-Reality-Anwendungen eingerichtet ist, mit mindestens einem optoelektronischen Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche und mindestens ein durch die mindestens eine optoelektronische Halbleiterbauelement beleuchtetes Sichtfeld.