DE19824661A1 - Laserdiodenarray - Google Patents
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- H01S5/00—Semiconductor lasers
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Abstract
Zur Erzielung großer optischer Ausgangsleistungen werden parallel zueinanderliegende laseraktive Streifen (2) auf einem Halbleitersubstrat als Laserdiodenarray (1) angeordnet. Bisher gibt es jedoch noch keine befriedigende Lösung einer optischen Kopplung der laseraktiven Streifen (2) in der Weise, daß eine kohärente, einmodige Abstrahlung mit einer für die weitere Strahlführung günstigen Abstrahlcharakteristik entsteht. Das neue Laserdiodenarray (1) soll diesen Mangel beseitigen und eine einmodige Abstrahlcharakteristik auch bei hohen Ausgangsleistungen gewährleisten. DOLLAR A Der Mittenabstand d benachbarter laseraktiver Streifen (2) ist etwas geringer als die Wellenlänge des austretenden Laserlichtes in Luft. Zwischen den laseraktiven Streifen (2) befindet sich ein optisch absorbierendes Material (3). Die laseraktiven Streifen (2) treffen mit ihrer Längsrichtung um einen Winkel alpha abweichend von der Senkrechten (4) auf die Endflächen des Halbleitersubstrats, wobei der Tangens dieses Winkels alpha gleich der halben Wellenlänge des Laserlichtes im Material, dividiert durch den Mittenabstand d ist. DOLLAR A Das Laserdiodenarray (1) eignet sich als kohärente Strahlungsquelle großer Leistung, die beispielsweise zur Materialbearbeitung, zum Pumpen von Stab- oder Faserlasern sowie für die optische Meßtechnik eingesetzt werden kann.
Description
Die Erfindung betrifft ein Laserdiodenarray auf einem Halbleitersubstrat mit
parallel zueinander liegenden laseraktiven Streifen, die optisch miteinander
gekoppelt sind.
Es ist bekannt, streifenförmige Laserdioden nebeneinander in der Form von
Arrays anzuordnen, um auf diese Weise Anordnungen mit großer optischer
Ausgangsleistung zu realisieren. Dazu sind zwei alternative Varianten bekannt:
Breitstreifenlaserarrays und optisch gekoppelte Arrays einmodiger laseraktiver
Streifen.
Breitstreifenlaserarrays (Applied Physics Letters 71 (1997), 2430) bestehen aus
untereinander optisch nicht gekoppelten, nebeneinander angeordneten
laseraktiven Streifen mit Breiten, die einige 10 µm betragen und damit um ein
Vielfaches breiter als die Laserwellenlänge sind. Infolge der relativ zur
Laserwellenlänge großen Breite emittieren diese laseraktiven Streifen das Licht
nicht einmodig, sondern im Multimode. Dadurch ergibt sich eine ungünstige
Abstrahlcharakteristik, die bei der weiteren Strahlführung zu erheblichen
Lichtverlusten führt. Deshalb werden diese Breitstreifenlaserarrays im Weiteren
nicht mehr betrachtet.
Optisch gekoppelte Arrays einmodiger, indexgeführter laseraktiver Streifen
können prinzipiell sowohl eine hohe optische Ausgangsleistung als auch eine
kohärente Abstrahlung gewährleisten (N.W Carlson: Monolithic Diode-Laser
Arrays, Springer-Verlag Berlin 1994, Seite 19 ff). Folgende grundsätzlichen
Kopplungsarten sind bekannt: Kopplung über Leckwellen, Kopplung über
evaneszente Wellen, Kopplung über Y-Verbindungen sowie Kopplung über
Beugung (D. Botez und D.R. Scifres: Diode Laser Arrays, Cambridge University
Press, Cambridge 1994, Seite 2 ff). Es zeigt sich jedoch in der Praxis, daß
insbesondere bei größeren Ausgangsleistungen eine Vielzahl von Supermoden
des Arrays anschwingen, wodurch sich ebenfalls eine ungünstige
Abstrahlcharakteristik und dadurch verursachte Lichtverluste bei der weiteren
Strahlführung ergeben. Um diesem Mangel abzuhelfen, wurden eine ganze
Reihe von Maßnahmen vorgeschlagen:
So wird in der PS DE 36 09 478 vorgeschlagen, die einzelnen laseraktiven Streifen durch Kreuzungen miteinander zu verkoppeln. Zwangsläufig ergibt sich jedoch in diesem Falle infolge des relativ großen Abstandes der an der Stirnfläche endenden laseraktiven Streifen durch Beugung an einer gitterähnlichen Struktur eine komplizierte Abstrahlcharakteristik mit mehreren, in verschiedene Richtungen strahlenden Beugungsmaxima, die die weitere Nutzung des Lichtes sehr erschweren und Lichtverluste mit sich bringen.
So wird in der PS DE 36 09 478 vorgeschlagen, die einzelnen laseraktiven Streifen durch Kreuzungen miteinander zu verkoppeln. Zwangsläufig ergibt sich jedoch in diesem Falle infolge des relativ großen Abstandes der an der Stirnfläche endenden laseraktiven Streifen durch Beugung an einer gitterähnlichen Struktur eine komplizierte Abstrahlcharakteristik mit mehreren, in verschiedene Richtungen strahlenden Beugungsmaxima, die die weitere Nutzung des Lichtes sehr erschweren und Lichtverluste mit sich bringen.
In den PS EP 0301818, EP 0301846 und DE 34 11 314 werden Gruppierungen
von Laserdioden zu kleineren Arrays vorgeschlagen, um die Neigung des Arrays
zur gleichzeitigen Abstrahlung mehrerer Supermoden zu vermindern. Wie das in
der PS 3411314 aber bereits ausgeführt ist, gelingt dies nur teilweise und löst
deshalb das Problem nicht grundlegend.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, das Laserdiodenarray in der höchsten,
antisymmetrischen Mode stabil schwingen zu lassen und eine Phasenschiebung
um π an der Lichtausstrittsfläche des Arrays an jedem zweiten laseraktiven
Streifen anzubringen (Applied Physics Letters 50 (1987) 1541). Dies kann mit
einer dickenvariablen Facettenbeschichtung erreicht werden. Der technologische
Aufwand dazu ist jedoch so erheblich, daß sich diese technische Lösung bisher
nicht durchsetzen konnte.
Weitere Varianten sind in D. Botez und D.R. Scifres: Diode Laser Arrays,
Cambridge University Press, Cambridge 1994, Seite 22 ff zusammenfassend
dargestellt, wobei auch sogenannte Antiguide-Arrays vorgeschlagen und bereits
erprobt wurden (Applied Physics Letters 72 (1998) 138). Alle diese
Anordnungen haben jedoch bisher keine befriedigenden Resultate gezeigt oder
erfordern einen ökonomisch nicht vertretbaren technologischen
Herstellungsaufwand.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Laserdiodenarray anzugeben, das
auch bei hohen Ausgangsleistungen einmodig emittiert, eine für die weitere
Strahlführung günstige Abstrahlcharakteristik besitzt und mit vertretbarem
technologischen Aufwand herzustellen ist.
Bei der Lösung des Problems wurde von dem experimentell beobachteten
Sachverhalt ausgegangen, daß ein gekoppeltes Laserdiodenarray aus
hochbrechenden laseraktiven Streifen nur bei geringen Ausgangsleistungen im
Grundmode gleichphasig emittiert, jedoch bei höheren Ausgangsleistungen
allgemein dazu neigt, in der höchsten Supermode zu schwingen, bei der
benachbarte laseraktive Streifen gegenphasig schwingen. Es wurde deshalb eine
einfache Lösung gesucht, die Abstrahlcharakteristik dieser antisymmetrischen
Mode so zu modifizieren, daß nur eine Strahlungskeule in Vorwärtsrichtung
auftritt.
Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke besteht darin, durch geeignete
Mittel dafür zu sorgen, daß das Laserdiodenarray einerseits nur im
antisymmetrischen Mode schwingt und daß andererseits die Auskopplung des
Lichtes aus dem Laserdiodenarray zu einer Strahlungskeule in Vorwärtsrichtung
führt. Damit das Laserdiodenarray nur im antisymmetrischen Mode schwingt,
wird erfindungsgemäß zwischen den nebeneinanderliegenden laseraktiven
Streifen ein das Laserlicht absorbierendes Material, beispielsweise ein
Metallstreifen oder ein hochdotierter Halbleiterstreifen angeordnet. Dadurch
wird das alleinige Schwingen der antisymmetrischen Mode begünstigt, da nur
diese an den absorbierenden Stellen zwischen den höherbrechenden,
laseraktiven Streifen Schwingungsknoten besitzt. Alle anderen Moden,
insbesondere auch die Grundmode, besitzen zwischen den laseraktiven Streifen
endliche Feldstärken und werden daher weggedämpft. Auf diese Weise wird
zunächst erreicht, daß das Laserdiodenarray in jedem Falle, das heißt auch bei
einer Aussteuerung weit über die Schwellstromstärke hinaus, in der
antisymmetrischen Mode schwingt. Normalerweise ist diese Mode für ein
Laserdiodenarray jedoch sehr unerwünscht, da sie zu einer
Abstrahlcharakteristik führt, die in der Vorwärtsrichtung keine Intensität,
dagegen jedoch symmetrisch zur Vorwärtsrichtung mindestens zwei
Abstrahlungskeulen besitzt. Um dieses Problem zu beseitigen, werden
erfindungsgemäß die parallel zueinander liegenden laseraktiven Streifen auf dem
Halbleitersubstrat so angeordnet, daß sie nicht parallel zum Lot auf die
Stirnfläche des Halbleitersubstrates treffen, sondern mit diesem einen Winkel α
bilden. Dieser Winkel α ist so gewählt, daß die Beziehung tan α = λ/(2nd)
erfüllt ist. Dabei bedeuten: λ die Emissionswellenlänge der Laserstrahlung in
Luft, n der effektive Brechungsindex in den laseraktiven Streifen und d der
laterale Abstand benachbarter laseraktiver Streifen, von Mitte zu Mitte
gemessen. Durch die angegebene Maßnahme wird erreicht, daß - obwohl die
benachbarten laseraktiven Streifen gegenphasig schwingen - das Licht
benachbarter laseraktiver Streifen aufgrund der unterschiedlichen optischen
Weglängen bis zur Endfläche des Halbleitersubstrats gleichphasig aus dieser
Fläche austritt. Dadurch entsteht eine Abstrahlung in Vorwärtsrichtung infolge
konstruktiver Interferenz. Zweckmäßig wird der Mittenabstand d der laseraktiven
Streifen so gewählt, daß er etwas geringer als die Wellenlänge λ des Laserlichtes
in Luft ist. In diesem Falle ergibt sich eine Abstrahlcharakteristik des
Laserdiodenarrays mit nur einer einzigen Strahlkeule.
Im Ergebnis der Erfindung steht damit ein Laserdiodenarray zur Verfügung, das
in einer stabilisierten Mode schwingt, eine für die weitere Strahlführung
geeignete Abstrahlcharakteristik besitzt und keinen besonders hohen
Herstellungsaufwand erfordert.
Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nachfolgend anhand der
beiden Figuren gegebenen Beschreibung zu Ausführungsbeispielen hervor.
Fig. 1 zeigt eine Aufsicht auf das erfindungsgemäße Laserdiodenarray (1), das
auf einem Halbleitersubstrat angeordnet ist.
Fig. 2 zeigt eine Aufsicht auf ein Laserdiodenarray (1) mit parallel zueinander
angeordneten, gekrümmten laseraktiven Streifen (2).
In Fig. 1 sind parallel zueinander angeordnete laseraktiver Streifen 2 eines
Laserdiodenarrays 1 dargestellt. Zwischen den laseraktiven Streifen 2 sind
Streifen 3 aus lichtabsorbierendem Material angeordnet. Die Längsrichtung der
parallel verlaufenden laseraktiven Streifen 2 bildet mit dem Lot auf die
Endfläche des Halbleitersubstrats 4 den Winkel α, der erfindungsgemäß mit dem
Mittenabstand d der laseraktiven Streifen 2, dem effektiven Brechungsindex n
der laseraktiven Streifen 2 und der Lichtwellenlänge λ in Luft die Beziehung
tanα = λ/(2nd) erfüllt. Auf diese Weise wird erreicht, daß der optische
Wegunterschied des Laserlichtes bis zur Endfläche des Halbleitersubstrats 4 in
benachbarten laseraktiven Streifen 2 gleich einer halben Wellenlänge ist,
wodurch das Licht aus allen laseraktiven Streifen 2 gleichphasig austritt und in
Vorwärtsrichtung gebeugt wird.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung. Die laseraktiven Streifen
2 treffen unter einem Winkel α gegen die Senkrechte 6 auf die Endfläche 4 des
Halbleitersubstrats, die die Lichtaustrittsfläche des Laserdiodenarrays bildet. Die
parallel zueinander verlaufenden laseraktiven Streifen 2 sind leicht gekrümmt,
so daß sie auf die rückseitige Endfläche des Halbleitersubstrats 5, die die
Rückfläche des Laserdiodenarrays bildet, senkrecht auftreffen. Der
Mittenabstand d der laseraktiven Streifen 2 ist so gewählt, daß er etwas geringer
als die Wellenlänge λ des Laserlichtes in Luft ist. In diesem Falle wird das Licht
an der rückseitigen Endfläche des Halbleitersubstrats 5 total reflektiert, da in
Vorwärtsrichtung wegen der antisymmetrischen Mode eine destruktive
Interferenz entsteht und höhere Beugungsordnungen wegen des geringen
Mittenabstandes d der laseraktiven Streifen 2 nicht auftreten. Infolge der
vollständigen Reflexion des Lichtes an der rückseitigen Endfläche des
Halbleitersubstrats 5 des Laserdiodenarrays 1 werden optische Verluste
vermieden und außerdem erübrigt sich eine zusätzliche Verspiegelung. Dagegen
entsteht an der gegenüberliegenden Endfläche des Halbleitersubstrats 4, die die
Lichtaustrittsfläche bildet, eine Abstrahlung in Vorwärtsrichtung mit einer
einzigen Strahlkeule entsprechend den Erläuterungen zu Fig. 1.
1
Laserdiodenarray
2
laseraktiver Streifen
3
Streifen aus lichtabsorbierendem Material
4
Endfläche des Halbleitersubstrats (Lichtaustrittsfläche)
5
Endfläche des Halbleitersubstrats (Rückfläche)
6
Senkrechte auf die Endfläche des Halbleitersubstrats
d Mittenabstand der laseraktiven Streifen
α Winkel zwischen laseraktivem Streifen und der Senkrechten auf die Endfläche des Halbleitersubstrats
d Mittenabstand der laseraktiven Streifen
α Winkel zwischen laseraktivem Streifen und der Senkrechten auf die Endfläche des Halbleitersubstrats
Claims (3)
1. Laserdiodenarray (1) als Kantenemitter auf einem Halbleitersubstrat mit
parallel verlaufenden, durch evaneszente Felder optisch gekoppelten,
laseraktiven Streifen (2),
dadurch gekennzeichnet,
daß der Mittenabstand d benachbarter laseraktiver Streifen (2) nicht mehr
als wenige Mikrometer beträgt, daß sich zwischen den laseraktiven Streifen
(2) Streifen (3) aus lichtabsorbierendem Material befinden und daß die
laseraktiven Streifen (2) um einen Winkel α abweichend von der
Senkrechten (6) auf die Endflächen des Halbleitersubstrats treffen, wobei
der Tangens dieses Winkels α gleich der halben Wellenlänge des
Laserlichtes im Material, dividiert durch den Mittenabstand d ist.
2. Laserdiodenarray (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Mittenabstand d benachbarter laseraktiver Streifen (2) etwas
geringer als die Wellenlänge des austretenden Laserlichtes in Luft oder im
Vakuum ist.
3. Laserdiodenarray (1) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die parallel verlaufenden laseraktiven Streifen (2) leicht gekrümmt sind,
so daß sie auf die eine Endfläche (4) des Halbleitersubstrats
(Lichtaustrittsfläche) unter dem Winkel α abweichend von der Senkrechten
(6) auf die Lichtaustrittsfläche treffen und auf die andere Endfläche (5) des
Halbleitersubstrats (Rückfläche) senkrecht auftreffen.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1998124661 DE19824661A1 (de) | 1998-06-03 | 1998-06-03 | Laserdiodenarray |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1998124661 DE19824661A1 (de) | 1998-06-03 | 1998-06-03 | Laserdiodenarray |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19824661A1 true DE19824661A1 (de) | 1999-12-09 |
Family
ID=7869688
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1998124661 Withdrawn DE19824661A1 (de) | 1998-06-03 | 1998-06-03 | Laserdiodenarray |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19824661A1 (de) |
-
1998
- 1998-06-03 DE DE1998124661 patent/DE19824661A1/de not_active Withdrawn
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Legal Events
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---|---|---|---|
8122 | Nonbinding interest in granting licenses declared | ||
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |