DE69204135T2

DE69204135T2 - Breiter Diodenstreifenlaser mit Linse.

Info

Publication number: DE69204135T2
Application number: DE69204135T
Authority: DE
Inventors: Ii Theodore Sizer
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1991-10-11
Filing date: 1992-10-01
Publication date: 1996-04-25
Anticipated expiration: 2012-10-02
Also published as: CA2079504C; EP0536945A1; JPH05206578A; JP2542777B2; US5206878A; CA2079504A1; EP0536945B1; DE69204135D1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft Diodenlaser und speziell die Konstruktion von Diodenlasern mit breitem Streifen, die auch als Wide-Strip-Diodenlaser bezeichnet werden.
Ein Diodenlaser wird in üblicher Weise mit einem GaAs-Substrat erzeugt, welches einen elektrischen Leiter trägt und zwei parallele Flächen hat, die zur Substratoberfläche senkrecht sind. Eine epitaxial aufgewachsene Schicht von zwischen 1 und 5 Quantenmulden wird an der Substratoberfläche aufgewachsen und ein Streifen, der sich zwischen den beiden parallelen Flächen erstreckt, wird im allgemeinen durch Ätzen der Quantenmuldenschichten erzeugt. Eine zweite epitaxiale Schicht, die ebenfalls einen zweiten elektrischen Leiter trägt, wird aufgewachsen (typischerweise ebenfalls GaAs), um die Quantenmuldenstreifen zu bedecken. Die zwei parallelen Flächen sind hochpoliert, wobei eine teilweise reflektierend ist und die andere entweder teilweise oder hochgradig reflektierend ist.
Wenn ein elektrischer Strom durch die Leiter geführt wird, beginnt die Anordnung zu lasern und Licht wird von der Kante der Struktur emittiert. Im speziellen wird Licht von der teilweise reflektierenden Fläche der Anordnung in dem Bereich emittiert, welcher dem Querschnitt des Quantenmuldenstreifens entspricht. Die Lichtintensität ist eine Funktion des Strompegels, jedoch kann das Licht nicht intensiver werden durch lediglich Erhöhen des Strompegels, da das Licht, wenn es zu intensiv wird, das epitaxiale Material und/oder das Substrat zerstört. Die gesamte Lichtleistung, welche der Diodenlaser emittiert, kann jedoch durch Verbreitern des Quantenmuldenstreifens erhöht werden.
Das von einem Diodenlaser mit der vorstehenden Anordnung emittierte Licht hat keinen kreisförmigen Querschnitt. Statt dessen entspricht es eher der Form des Querschnitts des Quantenmuldenstreifens. Demzufolge haben Diodenlaser, die eine hohe optische Ausgangsleistung durch einen breiteren Streifen erreichen, einen Lichtstrahl, der von der Kreisform weit entfernt ist. Darüber hinaus divergiert das Licht von einer derartigen Anordnung in der Ebene senkrecht zur Ebene des Streifens sehr schnell, divergiert jedoch langsam in der Ebene des Streifens. Somit beginnt das Licht am Ausgang in etwa mit einem rechteckförmigen Querschnitt, wobei die lange Kante der langen Kante des Streifens entspricht und bei seiner Entfernung von dem Diodenlaser nimmt es eventuell einen ungefähr rechteckigen Querschnitt an mit einer langen Kante, die senkrecht zur langen Kante des Streifens ist.
Bei der Konferenz "CLEO '91" in Baltimore, Maryland, vom 12. bis 17. Mai 1991 berichtete Snyder über einen Versuch, die vorstehend beschriebene starke Divergenz des Strahls in der senkrechten Ebene zur Diodenlaseranordnung zu beschränken. "Cylindrical Microlenses for Collimating Laser Diodes", Snyder et al., Conference Proceeedings, Seiten 28- 31. Die von ihnen vorgeschlagene Anordnung umfaßt ein optisches Fasersegment, das an der Kante der Diodenanordnung parallel zum Streifen befestigt ist, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Der Diodenlaser 5 umfaßt einen Quantenmuldenstreifen 10, der ein Substrat überspannt von einer reflektierenden Kristallfläche 20 zu einer hochreflektierenden Kristallfläche 30. In Fig. 1 ist lediglich der Querschnitt des Streifens 10 an der Fläche 20 dargestellt. Eine zylindrische Linse 40, die aus einer optischen Faser hergestellt ist, ist an das Substrat geklebt und der lichtemittierende Ausgangsbereich des Streifens 10 (d.h. an der Fläche 20) und die Linse kollimieren das divergierende Licht in der vertikalen Ebene, die der y- Achsenrichtung in Fig. 1 entspricht. Diese kollimieren das Licht senkrecht zum divergierenden Licht, welches der z- Achsenrichtung in Fig. 1 entspricht, nicht.
Bei Anwendungen, bei welchen hohe Intensitäten und geringe Punktgrößen erwünscht sind, treten drei Probleme bei diesem Vorgehen auf. Zunächst senkt der zum Befestigen der Linse am Substrat verwendete Kleber die Lichtintensität, bei welcher physikalische Schäden sich an den Diodenlasern zu zeigen beginnen. Dies tritt hauptsächlich deswegen auf, weil der Kleber Lichtenergie absorbiert, die in Hitze gewandelt wird. Zweitens senkt die Linse die Divergenzgeschwindigkeit bzw. Divergenzrate des sich schnell expandierenden Strahls, jedoch wird kein kreisförmiger Strahl erzeugt, der auf eine kleine Punktgröße fokussierbar ist. Drittens gestattet der breitere Streifen den Mehrmodenbetrieb des Lasers und dies führt zu einer Änderung der Lichtintensität entlang des Streifens. Die letzteren zwei Probleme erhöhen die Minimumpunktgröße, die mit dem Diodenlaser erreichbar ist und zusammen bewirken die drei Probleme die Absenkung der fokussierten Maximumintensität.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein erfindungsgemäßer Diodenlaser mit externer Kavität ist in Anspruch 1 definiert.
Die Nachteile des Standes der Technik werden überwunden durch Modifikation der teilweise reflektierenden Fläche der Laserdiodenanordnung, so daß diese hoch durchlässig sind, durch Bereitstellung einer teilweise reflektierenden Fläche bei einem höheren Abstand (wobei die Kavität verlängert wird und die Wahrscheinlichkeit des Betriebs mit höheren räumlichen Moden gesenkt wird) und durch Bereitstellen einer speziell konstruierten Linse.
Spezieller wird ein verbesserter Diodenlaser erhalten durch Vergrößern der herkömmlichen Diodenlaseranordnung mittels einer zylindrischen Linse, welche die Divergenz des Strahls in der räumlichen Richtung, in welcher dieser stark divergiert, beschränkt. Um die Divergenz des Strahls korrekt zu beschränken und hierbei diesen kreisförmig zu machen, wird die zylindrische Linse an einem Punkt im Raum angeordnet, an welchem die Größe des Laserstrahls in den zwei orthogonalen Raumrichtungen im wesentlichen gleich ist. Mit geeigneter Auswahl der Fokuslänge der Linse wird der nahezu kreisförmige Querschnitt des Lichts erhalten, wenn dieses sich vom Diodenlaser weg ausbreitet.
Der Diodenlaser wird ferner dadurch verbessert, daß die Fläche der Diodenanordnung, die der Linse am nächsten liegt, hochtransmittierend ausgebildet wird und eine teilweise reflektierende Fläche an der anderen Seite der Linse angeordnet wird. Dieses verlängert die resonante Kavität.
In einer Ausführungsform ist beispielsweise die Linse durch Ätzen einer refraktiven konvexen Linse an einem Glas- (oder II-V-Halbleiter) Substrat und Anordnen des Linsensubstrates auf eine Weise, daß die Rückfläche des Substrates die teilweise reflektierende Fläche bildet, die zum Aufrechterhalten des Lasers benötigt wird, hergestellt. Das korrekte Anordnen der Linse in Bezug auf die lasernde Anordnung wird durch Einbringen geeigneter Ausnehmungen erreicht.

Figurenbeschreibung

Fig. 1 erläutert eine herkömmliche Konstruktion einer Laserdiode und einer zylindrische Post- oder Nach- Emissions-Linse zum Kollimieren der Lichtausgangsleistung,
Fig. 2 zeigt eine grafische Darstellung der Strahldivergenzrate als Funktion der Strahlgröße,
Fig. 3 zeigt eine Laserdiodenanordnung gemäß den Prinzipien der Erfindung,
Fig. 4 zeigt eine Einrichtung zum exakten Positionieren einer zylindrischen Linsen-/Spiegel-Anordnung relativ zu der lasernden Anordnung,
Fig. 5 zeigt eine Vorgehensweise zum Integrieren von sowohl der Linse als auch der Positionierungseinrichtung,
Fig. 6 zeigt eine weitere Anordnung zum exakten Positionieren der zylindrischen Linsen-/Spiegelstruktur relativ zur lasernden Anordnung und
Fig. 7 zeigt eine Vorgehensweise zum Einbeziehen einer kollimierenden/fokussierenden Linse.

Detaillierte Beschreibung

Es ist wohlbekannt, daß eine Lichtquelle mit einer kleinen Öffnung stärker divergiert als eine Lichtquelle mit einer größeren Öffnung. Siehe beispielsweise "Solid State Laser Engineering", W. Koechner, Springer-Verlag, 1976, Abschnitt 5.1.2, Seiten 176-178. Dies ist grafisch in Fig. 2 dargestellt, bei welcher die Kurve 11 die Divergenz des Lichtstrahls von einer engen Lichtquelle und die Kurve 12 die Divergenz des Lichtstrahls von einer breiteren Quelle darstellt. Wie vorstehend angedeutet, besteht die Haupttechnik zum Erhöhen der Leistungsfähigkeit einer Laserdiode darin, einen breiteren Streifen zu erzeugen. Dies jedoch erhöht lediglich die Divergenz zwischen der Größe der Lichtquelle bei ihrer Sicht in den zwei orthogonalen Richtungen, welche der Breite des Streifens und seiner Höhe entsprechen (jeweils z-Achsen- und y-Achsenrichtung). Unabhängig von der Breite des Streifens existiert jedoch immer ein Abstand dc, wo der Umfang des stark divergierenden Strahls gleich dem Umfang des langsam divergierenden Strahls ist. Ein beim Abstand dc erhaltenes Bild ist im wesentlichen kreisförmig.
Der kreisförmige Querschnitt des Strahls kann bei diesem Abstand dc weiter erhalten werden, falls die Divergenz des Strahls in den beiden Richtungen angeglichen werden kann. Dies wird gemäß dieser Erfindung erreicht durch Anordnen einer länglichen Linse am Ort dc. Die plazierte Linse vermindert die Rate oder Geschwindigkeit der Strahldivergenz in der Ebene, in welcher diese stark divergiert, d.h. in der y-Achsenrichtung, um die Divergenzrate in der z-Achsenrichtung anzupassen. Eine Anordnung, welche diesen erwünschten Effekt erreicht, ist in Fig. 3 dargestellt, bei welcher eine Linse bei einem Abstand dc von der Fläche der Diodenlaseranordnung, welche Licht emittiert, beabstandet angeordnet ist. Die Linse ist eine säulenförmige Linse, die Licht lediglich in der y-Richtung teilweise kollimiert. Spezieller ist die Linse aus Fig. 3 säulenförmig mit einem säulenförmigen Querschnitt, der senkrecht zu einer Achse der Säule (dies bedeutet ebenfalls parallel zur z-Achse in Fig. 3) verläuft und dieser Querschnitt ist so geformt, daß die Divergenz des Strahls in der y-Achse beschränkt wird. Bei der Linse von Fig. 3 hat dieser Querschnitt eine gekrümmte Oberfläche (wie durch Bezugszeichen 55 dargelegt), welches der Linse eine konvexe säulenförmige Oberfläche verleiht.
Die Divergenz von Gaußschen Strahlen kann theoretisch durch die Verwendung von Gaußschen Strahlausbreitungsgleichungen (siehe vorstehend zitierte Quelle) theoretisch beschrieben werden. Unter Verwendung der Gaußschen Ausbreitungsgleichungen kann die Brennweite einer säulenförmigen Linse bestimmt werden, welche die Strahldivergenz sowohl in der x- als auch der y-Richtung angleicht. Sobald die Strahlgröße und die Strahldivergenz in beiden Richtungen angeglichen sind, verbleibt der Ausgangsstrahl bei allen nachfolgenden Abständen gleich. Bei "Brennweite oder Fokuslänge" wird der Abstand von einer Punktfläche zu einer Ebene in der säulenförmigen Linse (in der y-z-Ebene), die als Hauptebene bezeichnet wird, bezeichnet, welche das Licht der Punktquelle zu einer Kollimation entlang der y-Achse veranlaßt. In Fig. 3 zeigt die Begrenzung dc an, daß die Hauptebene ungefähr die Ebene ist, welche den konvexen Abschnitt der Linse vom rechteckförmigen Abschnitt der Linse trennt.
Fig. 3 erläutert eine Anordnung, die der Diodenlaseranordnung von Fig. 1 ähnelt, die jedoch die hier beschriebenen Prinzipien verkörpert. Diese umfaßt eine Schicht 10 mit breitem Quantenmuldenstreifen 10, eine Fläche 25 und eine Fläche 35. Die Fläche 35 (der Sicht entzogen) ist senkrecht zur Ebene des Streifens 10 und ist vorzugsweise hochreflektierend. Eine säulenförmige Linsenanordnung 55 ist bei einem Abstand dc von der Fläche 25 entfernt angeordnet, wobei die Lange Achse der Linse parallel zur Fläche 25 und zu der Ebene des Streifens 10 ist. Anders als bei der Linse in der Zeichnung gemäß Fig. 1 ist die gekrümmte Oberfläche der Anordnung 55, welche die Linse bildet, der Oberfläche 25 zugewandt. Die Linsenanordnung 55 umfaßt ebenfalls eine Oberfläche 60, die parallel zur Fläche 35 verläuft. Gemäß einem weiteren Aspekt der verbesserten Laserdiode ist die Oberfläche 60 teilreflektierend, während sowohl die Oberfläche 25 als auch die gekrümmte Oberfläche der Linse hochgradig transmittierend sind.
Der Grund für die Herstellung der hochgradig transmittierenden Fläche 25 beruht auf der Tatsache, daß die breite Streifenanordnung den Betrieb hoher räumlicher Moden der Laserdioden gestattet. Das zwischen den parallelen Flächen der Diodenanordnung hin- und herlaufende Licht kann bei Winkeln, die nicht in der normalen Richtung verlaufen, reflektiert werden und verursacht, daß das Lichtintensitätsprofil entlang der z-Achsenrichtung nicht gleichförmig ist. Das nicht gleichförmige Intensitätsprofil wird durch Längen der Laserkavität verbessert, welches in der Ausführungsform nach Fig. 3 dadurch erreicht wird, daß die Oberfläche 60 anstelle der Fläche 25 hochtransmittierend ist. Die Fläche 25 und die gekrümmte Oberfläche der Linse werden hochtransmittierend durch Aufbringen einer Anti- Reflexbeschichtung auf eine übliche Weise auf diese Oberflächen. Um die gesamte Anordnung zum Lasern zu bringen, muß die Oberfläche 60 selbstverständlich parallel zur Fläche 35 angeordnet sein.
Für die Ausführungsform nach Fig. 3 kann die Linsenanordnung 55 durch Ätzen eines II-V-Halbleiter- oder Glassubstrates erzeugt werden, um eine Linse auszubilden, die beispielsweise in der Anmeldung von G. Derkits, EP-A- 0458514 mit dem Titel "Partially or Fully Recessed Microlens Fabrication" beschrieben ist und in den Geltungsbereich des Artikels 54 (3) EPC fällt. Die Linse 55 kann defraktiv, eine Fresnel-Linse oder eine refraktive Linse wie in Fig. 3 dargestellt sein. Die letztere ist beim Durchführen der erwünschten Funktion am wirkungsvollsten.
Aus vorstehendem ist zu ersehen, daß die Anordnung der Struktur 55 in Bezug auf den Streifen 10 und die Fläche 35 im Hinblick auf zwei Punkte präzise sein muß. Die Oberfläche 60 muß parallel zur Fläche 35 sein und die Linse muß bei einem Abstand dc von der Facette 25 sein. Es bestehen vielzahlige Wege, um diese Anordnung zu bewirken. In Fig. 4 sind die Laserdiodenanordnung und die Linsenanordnung an eine Wärmesenke 70 gekoppelt (beispielsweise angeklebt), in welcher eine präzise hergestellte Rippe 71 als Führung für das Kleben der beiden Anordnungen in präziser Ausrichtung dient. Eine alternative Vorgehensweise ist in Fig. 5 dargestellt, bei welcher die Linsenanordnung 55 bei einer Tiefe dc des Halbleiter- oder Glas-Substrates geätzt ist, um zwei "Arme" 56 präziser Länge (dc) zu bilden. Die "Arme" gestatten das Kleben der Linsenanordnung an die Diodenanordnung, wie beispielsweise mit Expoxidkleber. Derartiges Kleben unterliegt nicht den Nachteilen der direkten Klebetechnik der Anordnung von Fig. 1, da die Fläche des Streifens 10 an der Fläche 25 nicht mit Klebstoff verschmutzt wird.
Eine weitere Vorgehensweise ist in Fig. 6 dargestellt, welche (in einem etwas verkleinerten Maßstab) ein Abstandsstück 65 darstellt. Das Abstandsstück kann aus einem II-V-Halbleitermaterial bestehen, das mit einer Öffnung 66, die in dieses geätzt wurde, versehen ist, um das Luftpaket bereitzustellen, das für das optische Funktionieren der Linse wichtig ist. Wiederum kann das Abstandsstück 65 an die Diodenanordnung und die Linsenanordnung geklebt sein.
Der von der teilweise reflektierenden Oberfläche 60 der Anordnung von Fig. 3 fortschreitende Strahl ist im wesentlichen kreisförmig, ist jedoch immer noch divergent. Dieser Strahl kann mit einer zusätzlichen Linse, die hinter der Oberfläche 60 angeordnet ist, zusätzlich kollimiert oder sogar fokussiert werden. Alternativ kann eine "Post- bzw. Nach-Zirkularisierungs-"Linse direkt an der Anordnung 55 durch Aufbringen einer teilweise reflektierenden Beschichtung an der Oberfläche 60 erzeugt werden, wobei eine zusätzliche III-V-Materialschicht über der teilweise reflektierenden Beschichtung aufgebracht wird und Ätzen einer fokussierenden Linse 75 in dieser, wie es in Fig. 7 dargestellt ist.

Claims

1. Diodenlaser mit externer Kavität mit einem breiten Quantenmuldenstreifen (10) zwischen einer ersten Fläche (35), die wenigstens teilweise reflektierend ist und einer zweiten Fläche (25), die parallel zur ersten Fläche ist, wobei der Streifen an der zweiten Fläche mit einem Querschnitt erscheint, der eine lange Abmessung entlang einer ersten Achse und eine kurze Abmessung entlang einer zweiten Achse, die senkrecht zur ersten Achse verläuft, aufweist und mit einer säulenförmigen zylindrischen Linse (55) mit einer langen Abmessung entlang einer Längsachse und einem Querschnitt senkrecht zur Längsachse, welche die Divergenz von Licht entlang der zweiten Achse in der Nähe der zweiten Fläche mit der Längsachse parallel zur ersten Achse, festlegt, wobei

die zweite Fläche hochtransmittierend ist,

die Mitte der zylindrischen Linse in Längsrichtung parallel zur ersten Achse liegt und ungefähr bei einem Abstand dc von der zweiten Fläche liegt, wobei dc der Abstand von der zweiten Fläche ist, bei dem die Abmessung eines Lichtstrahls, der von dem optisch emittierenden Bereich ausgeht im wesentlichen gleich ist in der Richtung der ersten Achse und der Richtung der zweiten Achse und

eine dritte Fläche (60) der zylindrischen Linse folgend vorhanden ist, welche parallel zur ersten Fläche verläuft und wenigstens teilweise reflektierend ist.

2. Diodenlaser nach Anspruch 1, bei welchem ein von dem Querschnitt des Streifens an der zweiten Fläche ausgehender Lichtstrahl divergiert, wenn dieser auf die Linse zu fortschreitet und die Fokuslänge der Linse so gewählt ist, daß die Divergenz des Lichtstrahls in der Richtung der langen Kante und in einer Richtung senkrecht zur langen Kante ausgeglichen ist.

3. Diodenlaser nach Anspruch 1, ferner umfassend eine teilweise refelcktierende Schicht, die der dritten Fläche zugeordnet ist und eine der dritten Fläche folgende Fokuslinse (75).

4. Diodenlaser nach Anspruch 1 umfassend eine Antireflex-Beschichtung über der säulenförmigen Linse.

5. Laser nach Anspruch 1, bei welchem die säulenförmige Linse eine lichtbrechende Linse ist.

6. Laser nach Anspruch 1, bei welchem die zylindrische Linse eine lichtbeugende Linse ist.

7. Laser nach Anspruch 1, bei welchem ein physikalischer Abstandshalter (65) zwischen der hochtransmittierenden Fläche und der Laseranordnung angeordnet ist.

8. Laser nach Anspruch 1, bei welchem die zylindrische Linse an einer Oberfläche eines transmittierenden Substrates hergestellt ist und die dritte Fläche an einer weiteren Oberfläche des transmittierenden Substrates hergestellt ist,

9. Laser nach Anspruch 8, bei welchem das transmittierende Substrat einen auf den Abstand abgestimmten Vorsprung (56) umfaßt.

10. Laser nach Anspruch 8, ferner umfassend ein Grundelement (70) mit Positionierungseinrichtung (71) zur Befestigung der Diodenanordnung und der transmittierenden Substratanordnung in Ausrichtung zueinander.