DE19824661A1 - Laserdiodenarray - Google Patents

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.

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.

Bezugszeichenliste

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

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.