DE19809167A1 - Optoelectronic semiconducting component for generating and amplifying coherent radiation for laser material processing and other applications of high energy laser radiation - Google Patents
Optoelectronic semiconducting component for generating and amplifying coherent radiation for laser material processing and other applications of high energy laser radiationInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein opto-elektronisches Halbleiter-Bauelement für die Erzeugung und Verstärkung kohärenter Strahlung, wie sie für die Lasermaterialbearbeitung und andere Anwendungen hochenergetischer Laserstrahlung mit einem Gütefaktor M2 nahe 1 benötigt wird, bestehend aus planaren Wellenleiter-Stapeln aktiver und passiver Schichten, die teilweise diffraktiv wirkende Strukturen ihrer Grenzflächen aufweisen.The invention relates to an optoelectronic semiconductor component for generating and amplifying coherent radiation, as is required for laser material processing and other applications of high-energy laser radiation with a quality factor M 2 close to 1, consisting of planar waveguide stacks of active and passive layers have partially diffractive structures of their interfaces.
Für die verschiedensten Anwendungen der Halbleiterlaserstrahlung ist eine hohe Ausgangsleistung möglichst in Verbindung mit Einmodenemission erforderlich. Da die Strahlungsbelastung im Laserinneren und besonders an den Facetten nicht beliebig erhöht werden kann, muß in planaren Halbleiterlaserstrukturen auf eine Verbreiterung der Facettenfläche ausgewichen werden. Eine Verbreiterung des die Strahlung führenden Wellenleiters führt oberhalb von 5 bis 10 µm Wellenleiterbreite zum Multimodenbetrieb, bei dem der Güteparameter M2 der emittierten Strahlung stark über den für den Einmodenbetrieb charakteristischen Wert M2 = 1 anwächst. Bei der notwendigen Verbreiterung des die Laserstrahlung führenden Wellenleiters muß durch zusätzliche Selektionsmaßnahmen erreicht werden, daß die höheren Moden unterdrückt werden und nur noch die Grundmode verstärkt wird.For the most diverse applications of semiconductor laser radiation, a high output power is required in conjunction with single-mode emission if possible. Since the radiation exposure inside the laser and especially at the facets cannot be increased arbitrarily, a widening of the facet surface must be avoided in planar semiconductor laser structures. A broadening of the waveguide guiding the radiation leads to multimode operation above 5 to 10 μm waveguide width, in which the quality parameter M 2 of the emitted radiation increases strongly above the value M 2 = 1 which is characteristic of single-mode operation. If the waveguide carrying the laser radiation is widened, additional selection measures must be taken to suppress the higher modes and only amplify the basic mode.
Eine Methode zur Modenselektion besteht darin, eine Gitterstruktur mittels zur Lichtausbreitungsrichtung senkrechter Bragg-Gitter auf den Wellenleiter aufzubringen. Diese distributed-feedback-Laser (DFB-Laser) sind in K.J. Ebeling, "Integrierte Optoelektronik", Springer Verlag, Berlin, 1992, S. 359 ff, beschrieben. One method for mode selection is to use a grid structure Bragg grating perpendicular to the direction of light propagation on the waveguide to apply. These distributed feedback lasers (DFB lasers) are described in K.J. Ebeling, "Integrated Optoelectronics", Springer Verlag, Berlin, 1992, pp. 359 ff, described.
Eine ähnliche Methode zur Modenselektion besteht darin, einen Bragg- Reflektor außerhalb des aktiven Teils des Wellenleiters zu verwenden. Diese distributed-Bragg-reflector-Laser (DBR-Laser) sind ebenfalls in K.J. Ebeling, "Integrierte Optoelektronik", Springer Verlag, Berlin, 1992, S. 358, beschrieben.A similar method for mode selection is to use a Bragg Use reflector outside the active part of the waveguide. This distributed Bragg reflector lasers (DBR lasers) are also described in K.J. Ebeling, "Integrated Optoelectronics", Springer Verlag, Berlin, 1992, p. 358, described.
Eine weitere Möglichkeit der Modenselektion wird in der US-PS 5,337,328 (H01S 3/19) beschrieben. Dabei ist der planare Wellenleiter mit einer Gitterstruktur in Form eines Bragg-Gitters versehen, dessen gerade und äquidistant angeordnete Furchen zur Lichtausbreitungsrichtung geneigt sind. Die Lichtausbreitung erfolgt bevorzugt senkrecht zu den beiden Facetten. Ein derartiger Laser wird als angled DFB-Laser bezeichnet.Another possibility of mode selection is described in US Pat. No. 5,337,328 (H01S 3/19). The planar waveguide is one Lattice structure in the form of a Bragg lattice, the straight and Equidistant furrows are inclined to the direction of light propagation. The light propagation is preferably perpendicular to the two facets. A such a laser is called angled DFB laser.
Bei den DFB-Lasern und DBR-Lasern erfolgt die Reflexion der Strahlung an den Gittern entgegengesetzt zur Einfallsrichtung. Das führt dazu, daß die erforderlichen Gitterkonstanten infolge der hohen Brechungsindices der Halbleitermaterialien sehr klein sein müssen, beispielsweise im Bereich um 100 nm für IR-Laser und um 50 nm für Laser im blauen Spektralbereich. Gitter mit derartig kleinen Gitterkonstanten sind mit dem technologisch effektivsten Mittel der Belichtung nur sehr schwierig herzustellen. Diesen Nachteil beseitigt der angled DFB-Laser, bei dem die zur Modensektion erforderliche Bragg-Reflexion unter einem Winkel deutlich < 180° erfolgt. Dann können die Furchenabstände größer sein und die Gitter können effektiv auf holographischem Wege hergestellt werden. Der angled DFB-laser weist bezüglich der Laserfacetten eine Asymmetrie auf, da das Bragg-Gitter zu den Facetten geneigt angeordnet ist. Das führt zu Schwierigkeiten bei der Symmetrie des abgestrahlten Lichtes und zur Anregung höherer unsymmetrischen Moden.With the DFB lasers and DBR lasers, the radiation is reflected the grids opposite to the direction of incidence. As a result, the required lattice constants due to the high refractive indices of the Semiconductor materials must be very small, for example in the area around 100 nm for IR lasers and around 50 nm for lasers in the blue spectral range. Lattices with such small lattice constants are technological with that most effective means of exposure very difficult to manufacture. This one The disadvantage is the angled DFB laser, which eliminates the mode section required Bragg reflection takes place at an angle clearly <180 °. Then the furrow spacing can be larger and the grids can be effective be produced holographically. The angled DFB laser shows asymmetry with regard to the laser facets, since the Bragg grating Facets is inclined. This leads to difficulties with the Symmetry of the emitted light and for excitation higher unbalanced modes.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Halbleiter-Laser mit Bragg-Gitter-Modenselektion bei symmetrischer Anordnung große Gitterkonstanten zu ermöglichen.The invention has for its object in a semiconductor laser Bragg grating mode selection with symmetrical arrangement large To allow lattice constants.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die in mindestens einer Grenzfläche diffraktiv wirkenden Strukturen aus symmetrischen Überlagerungen sich kreuzender Gitterstrukturen gebildet werden. Die Überlagerung der Gitterstrukturen kann sowohl in einer Ebene als auch in mehreren Ebenen übereinander erfolgen. Bei einer Überlagerung in einer Ebene ergibt sich ein Kreuzgitter, das als Überlagerung von einzelnen Strichgittern anzusehen ist. Durch die erfindungsgemäße Überlagerung von Gitterstrukturen wird die gewünschte Modenselektion bei großen Gitterkonstanten erreicht.The object is achieved in that the at least an interface of diffractive structures made of symmetrical Overlaps of intersecting lattice structures are formed. The The lattice structures can be overlaid both in one plane and in several levels one above the other. With an overlay in one Level results in a cross-lattice that acts as an overlay of individual Dash grids can be seen. Due to the overlay of Lattice structures become the desired mode selection for large ones Grid constants reached.
Für bestimmte Einsatzzwecke kann es vorteilhaft sein, die Gitterparameter Gitterkonstante, Gittertiefe und Furchenkrümmung sowohl innerhalb der überlagerten Einzelgitter als auch von Einzelgitter zu Einzelgitter sowohl einzeln als auch in Kombination zu variieren. Die Variation der Gitterkonstanten ergibt z. B. eine Bevorzugung bestimmter Wellenlängen, kann also eine Verstärkung der angestrebten Modenselektion bewirken. Durch eine Variierung der Furchentiefe über den Querschnitt eines Einzelgitters kann eine apodisierende Wirkung (Verbesserung der Auflösung) des Gitters genutzt werden, wenn zum Beispiel die Bragg-Reflexion in der Mitte des Gitters gegenüber den Randbereichen verstärkt werden soll. Die Überlagerung von unterschiedlich gekrümmten abbildenden Furchensystemen ist zu bevorzugen, wenn eine Änderung der Leistungskonzentration in einem Teil des opto-elektronischen Halbleiter- Bauelementes, bevorzugt an den Facetten beabsichtigt ist. So kann zur Minderung der Facettenbelastung die Leistungsdichte vermindert werden. Die mit einer Erhöhung der Leistungsdichte an den Facetten verbundene Divergenzerhöhung der austretenden Laserstrahlung kann für die zweckmäßige Einkopplung in nachfolgende passive Wellenleiter benutzt werden.For certain purposes, it can be advantageous to use the grid parameters Lattice constant, lattice depth and furrow curvature both within the superimposed single grid as well as from single grid to single grid both vary individually as well as in combination. The variation of Lattice constants result in e.g. B. preference for certain wavelengths, can therefore increase the desired fashion selection. By varying the depth of the furrow across the cross-section of a Single grid can have an apodizing effect (improvement in resolution) of the grating can be used if, for example, the Bragg reflection in the Center of the grid should be reinforced against the edge areas. The Superimposition of differently curved images Furrow systems are preferred when changing the Power concentration in part of the opto-electronic semiconductor Component, preferably intended on the facets. So can Reducing the facet load will reduce the power density. The associated with an increase in the power density on the facets Divergence increase of the emerging laser radiation can for the expedient coupling into subsequent passive waveguides used become.
Die Krümmung der Furchen in einem Einzelgitter ist aus geometrischen Gründen mit einer Abweichung von einem konstanten Gitterabstand verbunden. Die Einzelgitter können mit jeweils unterschiedlichen Furchentiefen überlagert werden, wenn durch die schwächeren Gitter schwache Wellen zu Monitorzwecken aus dem Halbleiter-Bauelement ausgekoppelt werden sollen.The curvature of the furrows in a single grid is geometrical Reasons with a deviation from a constant grid spacing connected. The individual grids can each have different Furrow depths are superimposed when through the weaker grid weak waves for monitoring purposes from the semiconductor device should be decoupled.
Der Einsatz von äquidistant geteilten Gittern bei der Überlagerung ermöglicht eine Vereinfachung der Herstellungstechnologie. The use of equidistantly divided grids for the overlay enables a simplification of manufacturing technology.
Durch Anlegen einer Spannung kann in einer passiven Schicht des Halbleiter-Bauelementes in einem in der Ebene räumlich begrenzten Gebiet der Brechungsindex geändert werden. Dies führt zu einer Wellenlängenverschiebung der emittierten Strahlung.By applying a voltage in a passive layer of the Semiconductor component in an area spatially limited in the plane the refractive index to be changed. This leads to a Wavelength shift of the emitted radiation.
Die Ausbildung der Bereiche, die die Maxima der einander überlagerten Gitter umgeben, als Quanten-Töpfe ergibt niedrige Schwellströme der Laser. Damit ist in vorteilhafter Weise die Modenstabilität eines Kreuzgitterlasers mit dem niedrigen Schwellstrom eines Quantentopf-Lasers verbunden.The formation of the areas that overlaid the maxima of each other Grid surround, as quantum wells results in low threshold currents of the laser. The mode stability of a cross-lattice laser is thus advantageous connected to the low threshold current of a quantum well laser.
Eine weitere vorteilhafte Variante der Erfindung besteht darin, die Furchen von n jeweils äquidistant geteilten und gegeneinander gedrehten Gittern so anzuordnen, daß jeweils zwischen zwei Gittern der Drehwinkel (180/n)° beträgt. Dabei sind dann sämtliche am Laserprozeß beteiligten Wellen an jedem Punkt der strukturierten Grenzfläche miteinander verkoppelt.Another advantageous variant of the invention is the furrows of n each divided equally and rotated against each other so to arrange that the angle of rotation (180 / n) ° between two grids is. All waves involved in the laser process are then on coupled to each point of the structured interface.
Weitere Varianten der erfindungsgemäßen Lösung arbeiten mit einem verkürzten Laserresonator. Dabei sind zum einen in einer Entfernung von einem Viertel der Gesamtbaulänge zwei Facetten symmetrisch zur Resonatorachse angeordnet, deren Normalenrichtungen mit der Resonatorachse jeweils den doppelten Neigungswinkel aufweisen, den die Furchen der das Kreuzgitter erzeugenden Einzelgitter mit der Resonatorachse bilden. Zum anderen ist die zweite Facette parallel zur ersten Facette in der halben Entfernung der Gesamtbaulänge angeordnet. Dieser verkürzte Laser emittiert gleichzeitig zwei kohärente Strahlen.Further variants of the solution according to the invention work with one shortened laser resonator. On the one hand, they are at a distance of a quarter of the total length two facets symmetrical Arranged resonator axis, the normal directions of which Resonator axis each have twice the angle of inclination that the Furrows of the single lattice producing the cross lattice with the Form resonator axis. On the other hand, the second facet is parallel to first facet arranged half the distance of the total length. This shortened laser emits two coherent beams at the same time.
Die erfindungsgemäßen Halbleiterlaser können als einzelne Bauelemente auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet werden, wobei sie entweder unabhängig voneinander betrieben werden oder durch eine Kopplung als phasengekoppeltes Laserarray arbeiten.The semiconductor lasers according to the invention can have individual components a common substrate, being either can be operated independently or by coupling as phase-locked laser array work.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der zugehörigen Zeichnung näher erläutert.The invention will now be described with reference to the accompanying drawings explained.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 Eine prinzipielle Darstellung der erfindungsgemäßen Lösung, Fig. 1 shows a schematic representation of the solution according to the invention,
Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Kreuzgitterlaser, Fig. 2 is a cross-grating laser according to the invention,
Fig. 3 einen abstimmbaren Kreuzgitterlaser, Fig. 3 is a cross-grating tunable laser,
Fig. 4 einen erfindungsgemäßen Halbleiterlaser mit einer Überlagerung von 3 äquidistant geteilten Gittern, Fig. 4 shows a semiconductor laser according to the invention with an overlay of 3 equidistantly divided grids,
Fig. 5 einen Quantentopflaser, Fig. 5 is a quantum well laser,
Fig. 6 Kreuzgitterlaser mit verkürzten Resonatoren, Fig. 6 cross grating laser with shortened resonators
Fig. 7 ein Array erfindungsgemäßer Kreuzgitterlaser, Fig. 7 shows an array according to the invention cross-grating laser,
Fig. 8 eine spezielle Ausführung eines erfindungsgemäßen Kreuzgitterlasers, Fig. 8 shows a particular embodiment of a cross grating laser according to the invention,
Fig. 9 eine Draufsicht auf das Kreuzgitter von Fig. 8. FIG. 9 is a top view of the cross grating of FIG. 8.
In Fig. 1 ist eine prinzipielle Darstellung der erfindungsgemäßen Lösung gezeigt. Dabei bedeuten 1 einen Schichtenstapel zur Stromzuführung und Wellenleitung, 2 eine durch Gitterüberlagerung erzeugte Grenzflächenstruktur, 3 einen passiven oder aktiven Schichtenstapel, 4 einen Wellenleiterschichtenstapel mit der Möglichkeit zur Stromzuführung, 5 eine durch Gitterüberlagerungen erzeugte Grenzflächenstruktur, 6 einen passiven oder aktiven Schichtenstapel und 7 einen Stromzuführungs- und Wellenleiterstapel. Durch Anlegen von Spannung entlang der vertikalen Richtung über Elektroden mit spezieller Formgebung können spezielle Flächen- und Tiefenbereiche dieses opto-elektronischen Bauelementes einmal zu aktiver stimulierter Emission und andere davon zu Brechungsindexänderungen veranlaßt werden.In Fig. 1 shows a schematic representation of the solution according to the invention is shown. 1 means a layer stack for power supply and waveguiding, 2 an interface structure generated by grid superimposition, 3 a passive or active layer stack, 4 a waveguide layer stack with the possibility of power supply, 5 an interface structure generated by grid superimposition, 6 a passive or active layer stack and 7 a power supply - and waveguide stack. By applying voltage along the vertical direction via electrodes with a special shape, special surface and depth areas of this optoelectronic component can be induced to actively stimulate emission and others to changes in refractive index.
Der Einsatz des opto-elektronischen Halbleiter-Bauelementes kann als Laser oder als Verstärker erfolgen. Für den Verstärkerbetrieb sind die Facetten zu entspiegeln, während bei Anwendung als Laseroszillator die Facettenreflektivitäten deutlich < Null sein müssen. Eine mögliche Reflektivität ist hierbei die durch Vereinzelung der Chips entstehende Reflektivität von ca. 30%.The optoelectronic semiconductor component can be used as a laser or as an amplifier. The facets are closed for amplifier operation anti-reflective, while when used as a laser oscillator Facet reflectivities must be clearly <zero. A possible Reflectivity is the result of the chips being separated Reflectivity of approx. 30%.
In Fig. 2 ist ein Laser unter Verwendung eines Kreuzgitters als diffraktive Grenzflächenstruktur gezeigt. Es bedeuten 8 und 9 die Laserfacetten, 10 einen Stromzuführungs- und Wellenleiterschichtenstapel, 11 eine Kreuzgitter- Strukturierung, bei der die beiden Untergitter symmetrisch zur Facettennormalen angeordnet sind, 12 eine aktive Schicht und 13 einen Stromzuführungs- und Montierungsstapel. Das in die Kreuzgitterstruktur einbeschriebene Sechseck veranschaulicht im geometrisch-optischen Strahlenbild die Ausbreitungsrichtung der sich im Laser hauptsächlich ausbreitenden Welle A senkrecht zu den Facetten 8 und 9 und der daraus durch Reflexion entstandenen Wellen B und C an den einfachen Untergittern des Kreuzgitters. Wesentlich ist dabei, daß die Braggreflexionen am Kreuzgitter die Modenselektion in lateral er Richtung bewirken. Dies entspricht den Vorteilen der Modenselektion und der Symmetrie der Anordnung.In FIG. 2, a laser using a cross-grating diffractive than interface structure is shown. 8 and 9 denote the laser facets, 10 a power supply and waveguide layer stack, 11 a cross-lattice structuring in which the two sub-gratings are arranged symmetrically to the facet normal, 12 an active layer and 13 a power supply and mounting stack. The hexagon inscribed in the cross-lattice structure illustrates in the geometrical-optical radiation image the direction of propagation of the wave A, which mainly propagates in the laser, perpendicular to the facets 8 and 9 and the waves B and C resulting therefrom on the simple sub-lattices of the cross-lattice. It is essential that the Bragg reflections on the cross grating cause the mode selection in the lateral direction. This corresponds to the advantages of mode selection and the symmetry of the arrangement.
In Fig. 3 ist ein abstimmbarer Kreuzgitterlaser dargestellt. 14 bedeutet symmetrisch zur Laserachse Z aufgebrachte räumlich begrenzte Elektroden, 15 eine aktive Schicht zur Erzeugung eines Elektronen-Lochpaar-Plasmas, 16 eine Schicht zur Stromzufuhr, 17 eine kreuzgitterförmig strukturierte Grenzfläche, 18 eine aktive Schicht zur Lichtverstärkung und 19 einen Stapel zur Stromzuführung, Wellenleitung und zur Lichtverstärkung. Die Schichtenfolge 16, 17, 18 und 19 entspricht der Anordnung des Kreuzgitterlasers nach Fig. 2, wenn keine Spannung an der Elektrode 14 anliegt. Eine an die Elektrode 14 angelegte Spannung bewirkt über lokale Plasmabildung eine Änderung des effektiven Brechungsindex der als Wellenleiter wirkenden Schichtkombination 15 bis 19. Dies führt zu einer Wellenlängenverschiebung der emittierten Strahlung. Durch Gestaltung der Elektrode 14 als eine nicht die gesamte Fläche überdeckende Form kann die Bragg-Bedingung für Teilgebiete geändert werden. Damit ist eine Modulation der Charakteristik der die Facetten verlassenden Strahlung möglich.In Fig. 3 a tunable cross grating laser is shown. 14 means spatially limited electrodes applied symmetrically to the laser axis Z, 15 an active layer for generating an electron-hole pair plasma, 16 a layer for power supply, 17 a cross-lattice structured interface, 18 an active layer for light amplification and 19 a stack for power supply, waveguiding and for light amplification. The layer sequence 16 , 17 , 18 and 19 corresponds to the arrangement of the cross-grating laser according to FIG. 2 when there is no voltage at the electrode 14 . A voltage applied to the electrode 14 causes a change in the effective refractive index of the layer combination 15 to 19 acting as a waveguide via local plasma formation. This leads to a shift in the wavelength of the emitted radiation. By designing the electrode 14 as a shape that does not cover the entire surface, the Bragg condition can be changed for partial areas. This allows the characteristic of the radiation leaving the facets to be modulated.
Die soeben beschriebene Ausführung der erfindungsgemäßen Lösung ist besonders dann vorteilhaft, wenn hohe Leistungen, Einmodenbetrieb und Durchstimmbarkeit der Laser-Lichtquelle erforderlich sind. Diese drei Eigenschaften sind z. B. bestimmend für die Leistungsgrenzen eines optischen Radars über größere Entfernungen.The embodiment of the solution according to the invention just described is particularly advantageous when high performance, single mode operation and Tunability of the laser light source are required. These three Properties are e.g. B. determining the performance limits of a optical radars over longer distances.
Eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Lösung verwendet eine Anordnung von n gegeneinander gedrehten Gittersystemen, wobei zwischen benachbarten Gittersystemen ein Winkel von jeweils (180/n)° vorliegt. Dann sind sämtliche am Laserprozeß beteiligten Wellen an jedem Punkt der strukturierten Grenzfläche miteinander verkoppelt, während bei Teilung eines anderen Winkels als 180° durch Gitter mit gleichem Winkelabstand die Facetten-Rückreflexion für die Kopplung zwischen hin- und rücklaufenden Wellen erforderlich ist.Another variant of the solution according to the invention uses one Arrangement of n lattice systems rotated against each other, whereby between adjacent grating systems there is an angle of (180 / n) °. Then are all waves involved in the laser process at each point of the structured interface coupled with each other, while when dividing a other than 180 ° through the grid with the same angular distance Back facet reflection for the coupling between back and forth Waves is required.
Ein Beispiel ist für n = 3 in Fig. 4 gezeigt. Dabei ist die strukturierte Grenzfläche eines Dreifachgitter-Lasers dargestellt. Es bedeuten 20 und 21 die Laserfacetten. Die drei Gitter 22, 23 und 24 weisen die gleiche Teilungsfrequenz auf und sind gegeneinander um jeweils einen Winkel von 60° verdreht. Der Ring 25 aus den sechs Pfeilen D, E, F, G, H und I beschreibt sechs Wellenzahlvektoren von sechs zugehörigen Wellen, die zu jeweils drei einander entgegenlaufenden Wellenpaaren DG, EH und FI zusammengefaßt werden können. Die Welle D wird am Gitter 22 durch Bragg-Reflexion in die Welle E umgelenkt, die Welle E wird durch Braggreflexion am Gitter 23 in die Welle F umgelenkt, die Welle F wird durch Bragg-Reflexion am Gitter 24 in die Welle G umgelenkt u.s.w. Die beiden Wellen F und I sind die den Laser durch die Facetten verlassende Strahlung. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß an jedem Punkt der strukturierten Grenzfläche alle sechs Wellen D, E, F, G, H und I miteinander verkoppelt sind. Damit ist die Anpassung der Länge des Lasers an die durch den strukturierten Wellenleiter festgelegte Koppelkonstante in weniger hohem Maße erforderlich.An example is shown for n = 3 in FIG. 4. The structured interface of a triple-grating laser is shown. 20 and 21 mean the laser facets. The three gratings 22 , 23 and 24 have the same division frequency and are rotated relative to each other by an angle of 60 °. The ring 25 from the six arrows D, E, F, G, H and I describes six wave number vectors of six associated waves, which can be combined into three mutually opposing pairs of waves DG, EH and FI. The wave D is deflected at the grating 22 by Bragg reflection in the wave E, the wave E is deflected by Bragg reflection at the grating 23 in the wave F, the wave F is deflected by Bragg reflection at the grating 24 in the wave G and so on Both waves F and I are the radiation leaving the laser through the facets. The advantage of this embodiment is that all six waves D, E, F, G, H and I are coupled to each other at every point of the structured interface. The adjustment of the length of the laser to the coupling constant defined by the structured waveguide is thus required to a lesser extent.
Fig. 5 zeigt einen Quantentopf-Kreuzgitterlaser. Dabei ist nur das Schema der sich unter einem Winkel 2 Θ schneidenden beiden Gittersysteme 26 und 27 gezeigt, in deren Kreuzgitterpositionen einzelne Kreuzgitter-Rhomben angeordnet sind, die aus der Barriere 28 und dem Quantentopf 29 bestehen, und die ihrerseits auf dem Substrat 30 aufliegen. Quantentöpfe und Substrat gehören zum wellenleitenden Medium mit demselben Brechungsindex, das von einem Medium mit niedrigeren Brechungsindex überdeckt wird. Vorteilhaft sind kleine Schnittwinkel der Furchen zwischen 10° bis 20°. Der Einbau von Quantentöpfen führt zu niedrigen Schwellströmen der Laser. Damit ist als besonderer Vorteil die Verknüpfung der Modenstabilität eines Kreuzgitterlasers mit dem niedrigen Schwellenstrom des Quantentopf-Lasers anzusehen. Fig. 5 shows a quantum well cross grating laser. Only the schematic of the two grating systems 26 and 27 intersecting at an angle 2 Θ is shown, in the cross-grating positions of which individual cross-grating rhombuses are arranged, which consist of the barrier 28 and the quantum well 29 , and which in turn rest on the substrate 30 . Quantum wells and substrates belong to the wave-guiding medium with the same refractive index, which is covered by a medium with a lower refractive index. Small cutting angles of the furrows between 10 ° and 20 ° are advantageous. The installation of quantum wells leads to low threshold currents for the lasers. The combination of the mode stability of a cross-lattice laser with the low threshold current of the quantum well laser can thus be regarded as a particular advantage.
In Fig. 6 werden zwei Varianten eines Kreuzgitterlasers mit verkürztem Resonator gezeigt. Die beiden Facetten 31 und 32 begrenzen den Kreuzgitterlaser, der in Fig. 2 gezeigt wurde. Die beiden Furchensysteme des Kreuzgitters sind ebenfalls im unteren Viertel als 33 und 34 eingezeichnet. Sie sind jeweils um den Winkel Θ zur Resonatorachse 35 geneigt. Die durch Reflexion an den beiden Untergittern des Kreuzgitters entstehenden Zusatzwellen breiten sich in die Richtungen 36 und 37 aus. Diese Ausbreitungsrichtungen der Zusatzwellen bilden mit der Resonatorachse den Winkel 2 Θ. Der verkürzte Resonator wird abgeschlossen durch die beiden Facetten 38 und 39, die symmetrisch zur Resonatorachse 35 angeordnet sind und auf denen die Ausbreitungsrichtungen der Zusatzwellen 36 und 37 senkrecht stehen. Der Abstand der beiden Facetten 38 und 39 von der Facette 31 ist ein Viertel des Facettenabstandes des vollständigen Lasers nach Fig. 2 von 31 zu 32. Wenn eine einzige Facette 40 im halben Abstand von 31 zu 32 angeordnet wird, so entsteht am Ausgang der Facette 40 eine Mode mit zwei nebeneinanderliegenden Maxima. Dieser verkürzte Laser weist den Vorteil einer simultanen Emission zweier kohärenter Strahlen in Vorwärtsrichtung auf. Das kann zur kompakten Erzeugung von kohärenten Strahlen ohne Strahlenteilung genutzt werden. Anwendungsmöglichkeiten hierfür sind bei miniaturisierten interferometrischen Meßsystemen gegeben. Beispielsweise kann der verkürzte Laser mit der Endfacette 40 als Beleuchtungsquelle für ein Mach-Zehnder-Interferometer benutzt werden.In Fig. 6, two variants of a cross grating laser are shown with a shortened resonator. The two facets 31 and 32 delimit the cross-lattice laser shown in FIG. 2. The two furrow systems of the cross grille are also shown in the lower quarter as 33 and 34 . They are inclined by the angle ator to the resonator axis 35 . The additional waves generated by reflection on the two sub-gratings of the cross grating spread in directions 36 and 37 . These directions of propagation of the additional waves form the angle 2 Θ with the resonator axis. The shortened resonator is closed off by the two facets 38 and 39 , which are arranged symmetrically to the resonator axis 35 and on which the directions of propagation of the additional waves 36 and 37 are perpendicular. The distance between the two facets 38 and 39 from the facet 31 is a quarter of the facet distance of the complete laser according to FIG. 2 from 31 to 32 . If a single facet 40 is arranged half the distance from 31 to 32 , a fashion with two adjacent maxima arises at the exit of the facet 40 . This shortened laser has the advantage of simultaneous emission of two coherent beams in the forward direction. This can be used for the compact generation of coherent beams without beam splitting. Possible applications for this are miniaturized interferometric measuring systems. For example, the shortened laser with the end facet 40 can be used as an illumination source for a Mach-Zehnder interferometer.
In Fig. 7 ist ein Array von Kreuzgitterlasern 41 dargestellt, die über die seitlichen Ausläufer 42 der Zusatzwellen gekoppelt sind. Dabei sind die Bereiche 43 aus der gemeinsamen stromzuführenden Elektrode 44 nicht metallisiert. Der Vorteil solcher gekoppelter Arrays besteht in der Erhöhung der Leistung bei Aufrecherhaltung der Kohärenz. Einen Barren mit nicht gekoppelten Lasern erhält man, wenn die nichtmetallisierten Bereiche senkrecht zu den Facetten nicht unterbrochen sind, so daß voneinander unabhängig strahlende Laserdioden betrieben werden können.In Fig. 7, an array of cross grating lasers 41 is shown coupled on the lateral branches 42 of the waste shafts. The regions 43 from the common current-supplying electrode 44 are not metallized. The advantage of such coupled arrays is that they increase performance while maintaining coherence. A bar with uncoupled lasers is obtained if the non-metallized areas are not interrupted perpendicular to the facets, so that laser diodes that are independent of one another can be operated.
Als realisierte Ausführung wird nachstehend die Verwendung eines Kreuzgitters in einem Laser gemäß Fig. 8 für die Wellenlänge 1 µm beschrieben. Auf die Elektrode 45, eine 0,1 µm Metallschicht, folgt als Deckschicht 46 p-Ga0,8Al0,2As mit dem Brechungsindex 3,38 und der Dicke 1,5 µm.As an implemented embodiment, the use of a cross grating in a laser according to FIG. 8 for the wavelength 1 μm is described below. The electrode 45 , a 0.1 μm metal layer, is followed by a covering layer 46 p-Ga 0.8 Al 0.2 As with the refractive index 3.38 and the thickness 1.5 μm.
Die Grenzschicht 47 zwischen Schicht 46 und 48 ist als Kreuzgitter ausgebildet, dessen Form in Fig. 9 gezeigt ist, die eine Draufsicht auf die Anordnung von Fig. 8 darstellt. Die Struktur des Kreuzgitters 47 besteht aus zwei symmetrisch zur z-Achse angeordneten Oberflächen-Reliefgittern 55 und 56 deren Orientierungsvektoren parallel zu den Furchen in der eingezeichneten Weise mit der Laserachse Z jeweils den Winkel Θ = 10° bilden. Die Gitterkonstante Λ beträgt 0,96 µm und die Tiefe jedes einzelnen Gitters beträgt für sich 0,016 µm. Bei holographischer Herstellung kann die Gitterstruktur 47 dadurch gewonnen werden, daß sequenziell jedes der beiden Gitter mit der gegebenen Gitterkonstanten und der durch Fig. 9 gegebenen Orientierung auf einen entsprechenden Resist aufbelichtet wird, woraus nach bekannten Verfahren die Struktur 47 in das Material 48 übertragen werden kann. Die Schicht 48 besteht aus positiv leitendem GaAs von 0,25 µm Dicke und mit dem Brechungsindex 3,51. Die Schicht 49 ist ein InGaAs-Quantenfilm von 0,01 µm Dicke. Die Schicht 50 besteht aus negativ leitendem GaAs mit 0,25 µm Dicke und dem Brechungsindex 3,51. Die Schicht 51 hat die Dicke 1,5 µm und besteht aus n- Ga0,8Al0,2As mit dem Brechnungsindex 3,38. Die Schicht 52 besteht aus GaAs mit der Dicke 100 µm und der Stromzuführung. Der Laser 53 erstreckt sich längs der Z- Achse, die Länge beträgt 1000 µm und die Breite 54 in x-Richtung 400 µm. Dieses optoelektronische Bauelement ist für die Emissionswellenlänge um 1 µm dimensioniert. Der effektive Ausbreitungs-Index für die Grundmode in vertikaler Richtung ist 3,47, die Koppelkonstante ergibt sich zu 22 cm-1. The boundary layer 47 between layers 46 and 48 is designed as a cross grating, the shape of which is shown in FIG. 9, which represents a top view of the arrangement of FIG. 8. The structure of the cross grating 47 consists of two surface relief grids 55 and 56 arranged symmetrically to the z-axis, the orientation vectors of which form the angle Θ = 10 ° with the laser axis Z parallel to the grooves in the manner shown. The lattice constant Λ is 0.96 µm and the depth of each individual lattice is 0.016 µm. In the case of holographic production, the lattice structure 47 can be obtained by sequentially exposing each of the two lattices with the given lattice constant and the orientation given by FIG. 9 to a corresponding resist, from which the structure 47 can be transferred into the material 48 by known methods . The layer 48 consists of positive conducting GaAs with a thickness of 0.25 μm and a refractive index of 3.51. Layer 49 is an InGaAs quantum film 0.01 µm thick. The layer 50 consists of negative conducting GaAs with a thickness of 0.25 μm and a refractive index of 3.51. The layer 51 has a thickness of 1.5 μm and consists of n-Ga 0.8 Al 0.2 As with the refractive index 3.38. The layer 52 consists of GaAs with a thickness of 100 μm and the current supply. The laser 53 extends along the Z axis, the length is 1000 μm and the width 54 in the x direction is 400 μm. This optoelectronic component is dimensioned for the emission wavelength by 1 µm. The effective propagation index for the basic mode in the vertical direction is 3.47, the coupling constant is 22 cm -1 .
11
Schichtenstapel
Layer stack
22nd
Grenzflächenstruktur
Interface structure
33rd
Schichtenstapel
Layer stack
44th
Wellenleiterschichtenstapel
Waveguide layer stack
55
Grenzflächenstruktur
Interface structure
66
Schichtenstapel
Layer stack
77
Stromzuführungsstapel
Power supply stack
88th
Laserfacette
Laser facet
99
Laserfacette
Laser facet
1010th
Stromzuführungsstapel
Power supply stack
1111
Kreuzgitterstruktur
Cross-lattice structure
1212th
aktive Schicht
active layer
1313
Stromzuführungsstapel
Power supply stack
1414
Elektroden
Electrodes
1515
aktive Schicht
active layer
1616
Stromzufuhr-Schicht
Power supply layer
1717th
strukturierte Grenzfläche
structured interface
1818th
aktive Schicht
active layer
1919th
Stromzuführungsstapel
Power supply stack
2020th
Laserfacette
Laser facet
2121
Laserfacette
Laser facet
2222
Gitter
Grid
2323
Gitter
Grid
2424th
Gitter
Grid
2525th
Ring
ring
2626
Gittersystem
Grid system
2727
Gittersystem
Grid system
2828
Barriere
barrier
2929
Quantentopf
Quantum well
3030th
Substrat
Substrate
3131
Facette
facet
3232
Facette
facet
3333
Gitterfurchen
Furrows
3434
Gitterfurchen
Furrows
3535
Resonatorachse
Resonator axis
3636
Ausbreitungsrichtung
Direction of propagation
3737
Ausbreitungsrichtung
Direction of propagation
3838
Facette
facet
3939
Facette
facet
4040
Facette
facet
4141
Kreuzgitterlaser
Cross grating laser
4242
Ausläufer
Foothills
4343
Elektrodenbereich
Electrode area
4444
Elektrode
electrode
4545
Elektrode
electrode
4646
Schicht
layer
4747
Grenzschichtstruktur
Boundary layer structure
4848
Schicht
layer
4949
Schicht
layer
5050
Schicht
layer
5151
Schicht
layer
5252
Schicht
layer
5353
Laser
laser
5454
Laserbreite
Laser width
5555
Reliefgitter
Relief grid
5656
Reliefgitter
A Welle
B Welle
C Welle
D Welle
E Welle
F Welle
G Welle
H Welle
I Welle
Z Laserachse
Θ Winkel
Λ Gitterkonstante
Relief grid
A wave
B wave
C wave
D wave
E wave
F wave
G wave
H wave
I wave
Z laser axis
Θ angle
Λ lattice constant
Claims (12)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19809167A DE19809167A1 (en) | 1998-02-26 | 1998-02-26 | Optoelectronic semiconducting component for generating and amplifying coherent radiation for laser material processing and other applications of high energy laser radiation |
| DE19827824A DE19827824A1 (en) | 1998-02-26 | 1998-06-17 | Optoelectronic semiconductor component for generation and amplification of coherent light |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| DE19809167A DE19809167A1 (en) | 1998-02-26 | 1998-02-26 | Optoelectronic semiconducting component for generating and amplifying coherent radiation for laser material processing and other applications of high energy laser radiation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE19809167A1 true DE19809167A1 (en) | 1999-09-09 |
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ID=7859641
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| DE19809167A Ceased DE19809167A1 (en) | 1998-02-26 | 1998-02-26 | Optoelectronic semiconducting component for generating and amplifying coherent radiation for laser material processing and other applications of high energy laser radiation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE19809167A1 (en) |
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