EP4774801A1 - Vcsel-array mit unterdrückter kohärenter kopplung aus optischer rückkopplung - Google Patents

Abstract

Ein VCSEL-Array weist zwei oder mehr VCSEL auf, die auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind und jeweils eine, insbesondere identische, epitaktische Struktur mit einem ersten verteilten Bragg-Reflektor, DBR, einer aktiven Zone, und einem zweiten verteilten Bragg-Reflektor, DBR, aufweisen, wobei das VCSEL-Array derart eingerichtet ist, dass sich die Wellenlänge von zwei der VCSEL um mindestens 0.003 nm und höchstens 5 nm unterscheidet.

Description

Anmelder:

TRUMPF Photonic Components GmbH Lise-Meitner-Str. 13 89081 Ulm Deutschland

VCSEL-Array mit unterdrückter kohärenter Kopplung aus optischer Rückkopplung

Die Erfindung betrifft ein Array oberflächenemittierender Halbleiterlaser mit vertikaler Kavität (engl.: Vertical Cavity Surface Emitting Laser; kurz: VCSEL) sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen VCSEL-Arrays.

In einem VCSEL-Array sind mehrere VCSEL auf einem Substrat angeordnet, wobei jeder VCSEL eine unabhängige Laserguelle bzw. einen unabhängigen Emitter darstellt.

VCSEL-Arrays sind dem Grunde nach aus US 9,065,254 B2 bekannt.

VCSEL bzw. VCSEL-Arrays werden beispielsweise als Strahlungsguellen in der Sensorik oder in der Nachrichtentechnik verwendet, wobei VCSEL-Arrays insbesondere in 3D-Sen- soriksystem und bei 3D-Tiefenkameras zum Einsatz kommen. VCSEL weisen typischerweise einen Halbleitermehrschichtaufbau auf, bei dem Halbleiterschichten epitaktisch auf einem Substrat in einer Stapelanordnung gewachsen bzw. aufgewachsen werden. Das Substrat weist typischerweise ein halbleitendes Material wie Gal- liumarsenid (GaAs) oder Indiumphosphid (InP) auf. Eine erste Schichtfolge aus alternierenden, dünnen Schichten unterschiedlicher Brechungsindizes, die beispielsweise n-do- tiert sind, wird auf dem Substrat aufgewachsen, um den ersten verteilten Bragg-Spiegel (engl.: Distributed Bragg Reflector; DBR) zu bilden. Auf den ersten DBR folgend wird die aktive Zone zur Erzeugung der Laserstrahlung aufgewachsen. Hierbei kann es sich um eine Quantentopf- bzw. sogenannte „quantum well“-Struktur handeln. Eine weitere Schichtfolge aus alternierenden, dünnen Schichten unterschiedlicher Brechungsindizes, die beispielsweise p-dotiert sind, wird auf der aktiven Zone aufgewachsen, um den zweiten verteilten Bragg-Spiegel bzw. den zweiten DBR zu bilden.

Zusammen mit der zwischen den beiden Spiegeln liegenden aktiven Zone bilden der erste und zweite DBR den Laser-Resonator. Bei VCSELn wird das Laserlicht aus senkrecht zur Oberfläche der VCSEL-Schichten (d.h. in vertikaler Richtung) abgestrahlt.

Die oben beschriebene Epitaxie ist lediglich beispielhaft. VCSEL können durchaus weitere (Epitaxie-)Schichten aufweisen. Die Reihenfolge der Schichten kann je nach VCSEL- Design und gewünschten Eigenschaften variieren. Insbesondere weisen VCSEL regelmäßig auch eine Oxidapertur(schicht) oder eine Stromapertur(schicht) auf.

Bei VCSEL-Arrays, sind, wie oben erwähnt, in der Regel identische VCSEL auf ein und demselben Substrat, beispielsweise in Reihe oder als Matrix, angeordnet. Bei VCSEL- Arrays, die mit einer guten Fertigungshomogenität hergestellt werden, haben die Laser innerhalb jedes Arrays sehr ähnliche Eigenschaften, insbesondere was Laserwellenlänge und -polarisation angeht.

Die Erfinder haben erkannt, dass, wenn zwei VCSEL in einem Modul mit einem leicht reflektierenden Interface, beispielsweise einem schützenden Abdeckglas, integriert sind Interferenzeffekte im Fernfeld auftreten können. Die Erfinder haben erkannt, dass sich diese Interferenzeffekte auf spontane kohärente Kopplung der beiden Laser durch optische Rückkopplung zurückführen lassen können.

Die spontane kohärente Kopplung durch "optical feedback" bezieht sich auf das Phänomen, bei dem ein Teil des emittierten Lichts eines Lasers zurück in den Laser selbst reflektiert wird und erneut die aktive Zone erreicht. Diese rückgekoppelte Lichtmenge wird als optisches Feedback bezeichnet.

Das optische Feedback kann auf verschiedene Arten erzeugt werden, zum Beispiel durch Reflexionen an externen Oberflächen, insbesondere Abdeckgläsern oder transparenten Verkapselungen der VCSEL oder durch interne Reflexionen innerhalb des Lasers. Es führt dazu, dass das reflektierte Licht in der aktiven Zone des Lasers mit den bereits vorhandenen Lichtfeldern interagiert.

Durch das optische Feedback kommt es zur Beeinflussung und Modulation der emittierten Lichtfelder im Laser. Wenn die Phasenbeziehung zwischen dem reflektierten Licht und dem bereits vorhandenen Licht im Laser stabil ist, kann eine kohärente Kopplung entstehen. Das bedeutet, dass das reflektierte Licht mit den bereits vorhandenen Lichtwellen kohärent interferiert und verstärkt wird. Dadurch entsteht eine räumliche und zeitliche Modulation der Lichtfelder im Laser.

Die spontane kohärente Kopplung durch optisches Feedback kann verschiedene Effekte haben, darunter die Erzeugung von höheren Ordnungen von Moden oder die Modulation der Emissionswellenlänge und Intensität. Es kann insbesondere ein inhomogenes Fernfeld-Muster entstehen. Durch den spontanen, chaotischen Charakter der Interferenz ist die Position von Minima und Maxima nicht mehr vorhersagbar und kann daher auch nicht mehr kompensiert werden. Mithin können gewünschte Anwendungen nicht mehr wie gewünscht kontrolliert werden. Es kann zu Modenwettbewerb oder Rauschen und insbesondere sog. „intensity ripples“ kommen, was insbesondere im Fernfeld auffällig werden kann. Die Erfinder haben erkannt, dass die "intensity ripples" entstehen, wenn die Phasen der elektrischen Felder der zwei oder mehr VCSEL durch die kohärente Kopplung mit exakt der gleichen Frequenz schwingen und die beiden Felder im Fernfeld dann miteinander interferieren. Durch den unbekannten und schwenkenden Weglängenunterschied von Laser 1 (erster VCSEL) über die Struktur, die das optische Feedback erzeugt (z.B. Schutzglas) zum Laser 2 (zweiter VCSEL), können die Phasen gegeneinander verschoben oder gleich sein, aber die Frequenz des Feldes wird gleichgeschaltet. Durch den unbekannten und chaotischen Phasenversatz entstehen die "intensity Ripple" für verschiedene Bauelemente oder auch andere Betriebsbedingungen beim gleichen Bauelement an verschiedenen Positionen.

Um die gewünschten Betriebsmodi und Eigenschaften des VCSELs sicherzustellen, ist es daher wünschenswert das optische Feedback möglichst gering zu halten sowie die Folgen des optischen Feedbacks zu minimieren.

Eine Minimierung des optischen Feedbacks an sich wird beispielsweise über die Verwendung quasi-reflexionsfreier Abdeckgläser erreicht. Bisweilen lässt sich das Phänomen allerdings nicht gänzlich vermeiden, da z.B. Abdeckgläser nicht beliebig reflexionsfrei gestaltet werden können.

Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Array oberflächenemittierender Halbleiterlaser mit vertikaler Kavität, VCSEL, bereitzustellen, bei dem die spontane kohärente Kopplung von Licht der einzelnen VCSEL aufgrund von optischem Feedback unterdrückt wird.

Es ist eine weitere Aufgabe, ein Verfahren zum Herstellen eines solchen VCSEL-Arrays anzugeben.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein VCSEL-Array vorgeschlagen mit zwei oder mehr VCSELn, die auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat angeordnet sind. Die epitaktische Struktur der zwei oder mehr VCSEL umfasst jeweils einen ersten verteilten Bragg-Spiegel bzw. Bragg-Reflektor, DBR, eine aktive Zone und einen zweiten verteilten Bragg-Spiegel bzw. Reflektor, DBR. Hierbei kann jeweils ein erster elektrischen Kontakt an dem ersten verteilten Bragg-Spiegel und ein zweiter elektrischer Kontakt an dem zweiten verteilten Bragg-Spiegel vorgesehen sein. Der erste verteilte Bragg-Spiegel ist vorzugsweise direkt auf dem Substrat aufgewachsen. Er besteht aus mehreren (dielektrischen) Schichten, die abwechselnd einen höheren bzw. niedrigeren Brechungsindex (zueinander) aufweisen. Die maximale Reflektivität für eine Wellenlänge wird erreicht, wenn alle Schichten eine optische Dicke von genau einem Viertel der Wellenlänge des jeweiligen VCSEL aufweisen. Der erste verteilte Bragg-Spiegel ist vorzugsweise n-dotiert. Der zweite verteilte Bragg-Spiegel (der auf der aktiven Zone aufgewachsen ist bzw. sich auf der Seite der aktiven Zone befindet, die von dem Substrat abgewandt ist) weist ebenfalls mehrere (dielektrische) Schichten mit abwechselnd zueinander höherem und niedrigerem Brechungsindex auf. Auch für den zweiten verteilten Bragg-Spiegel gilt, dass maximale Reflektivität für eine Wellenlänge wird erreicht, wenn alle Schichten eine optische Dicke von genau einem Viertel der Wellenlänge des jeweiligen VCSEL aufweisen. Vorzugsweise ist der zweite verteilte Bragg-Spiegel p- dotiert.

Der erste elektrische Kontakt ist an dem ersten verteilten Bragg-Spiegel angebracht bzw. steht mit diesem in Kontakt. Der erste elektrische Kontakt wird auch n-Kontakt genannt. Der zweite elektrische Kontakt ist an dem zweiten verteilten Bragg-Spiegel angebracht bzw. steht mit diesem in Kontakt. Der zweite elektrische Kontakt wird auch p-Kontakt genannt. N- und p-Kontakt dienen der Beaufschlagung des VCSEL mit einem Betriebsstrom.

Bei mindestens zwei der zwei oder mehr VCSEL unterscheidet sich die Wellenlänge (des abgestrahlten Laserlichtes) um mindestens 0.003 nm und höchstens 5 nm.

Insofern wird die Laserwellenlänge der (zwei) VCSEL des VCSEL-Arrays zielgerichtet derart abweichend gestaltet, dass die Wahrscheinlichkeit eine kohärente Kopplung zwischen ihnen durch optisches Feedback reduziert wird bzw. nicht mehr möglich ist. Um diesen Effekt zu erreichen, müssen die zwei VCSEL entweder in ihrem Aufbau (bezüglich Aufbaustruktur und/oder Material), in ihrer Ansteuerung und/oder in ihrer Anordnung auf dem Substrat des Arrays zumindest geringfügige Unterschiede aufweisen. Die Erfinder haben erkannt, dass die zwei VCSEL jedoch vorzugsweise einen identischen Schichtaufbau aufweisen, da dies die Herstellung erleichtert. Vorzugsweise ist der Unterschied zwischen den Wellenlängen der VCSEL nicht zu groß, um die volle spektrale Breite des gesamten Arrays nicht unnötig zu vergrößern, wenn z.B. ein spektraler Filter in der Anwendung eingesetzt wird. Ziel ist es, einerseits die volle spektrale Breite so ähnlich wie bei einem perfekt symmetrischen Array zu halten, andererseits aber eine Wellenlängendifferenz zu haben, die groß genug ist, um kohärente Kopplung zu verhindern.

Ein typischer Frequenzbereich, bei welchem eine kohärente Kopplung auftreten kann, d.h. die sog. „locking ränge“, ist mit 1 GHz bis 10 GHz, was einem Wellenlängenunterschied von 0,003 nm bis 0,03 nm entspricht. Ziel ist es also, die Laserwellenlänge der einzelnen VCSEL bzw. den Wellenlängenunterschied zwischen den zwei VCSELn um mindestens 0,003 nm, insbesondere um mindestens 0,01 nm, insbesondere um mindestens 0,04 nm, insbesondere um mindestens 0.1 nm zu verändern.

Mit anderen Worten schlagen die Erfinder also vor, bewusst einen Wellenlängenunterschied herbeizuführen. Dieser Ansatz unterscheidet sich von dem üblichen Vorgehen in der Produktion, die Wellenlängenvariation über den Wafer zu minimieren. Eine derzeitige typische Streuung von 5nm über einen 4-Zoll-Wafer führt hingegen zu einem Wellenlängenunterschied von lediglich 0,005nm bei einem VCSEL Abstand bzw. Pitch von 50pm und manchmal weniger, z.B. in der Mitte des Wafers. Bei Chips mit Lasern, die oft nur 30pm bis 40pm auseinander liegen, wären also selbst die strengsten Locking-Kriterien von 1GHz erfüllt werden, wenn keine Maßnahmen ergriffen werden.

Vorteilhaft an der angegebenen Lösung ist, dass anwendungsrelevante Eigenschaften wie beispielweise die (lineare) Polarisation der VCSEL bzw. des VCSEL-Arrays unberührt bleiben. Die Gesamtspektrumsbreite des VCSEL-Arrays wird nur minimal aufgeweitet.

Vorteilhaft ist weiterhin, dass es sich um eine „on-chip“-Lösung handelt, also um eine Lösung, bei die spontane kohärente Kopplung bereits durch Maßnahmen an den VCSELn des VCSEL-Arrays auf dem Chip selbst unterdrückt wird. Zusatzkomponenten zusätzlich zu dem VCSEL-Array (bzw. dem Chip auf dem diese aufgebracht sind) sind nicht notwendig. Durch die genannten Unterschiede in den Wellenlängen der VCSEL eines VCSEL-Arrays wird erreicht, dass eine gemeinsame Phasenbeziehung des von den VCSELn des Arrays jeweils emittierten Lichtes quasi ausgeschlossen wird. Eine kohärente Kopplung ist allerding durch eine stabile Phasenbeziehung bedingt. Insofern wird bereits durch geringfügige Wellenlängenunterschied im Nanometerbereich oder gar Sub-Nanometerbereich zwischen VCSELn eines VCSEL-Arrays erreicht, dass eine kohärente Kopplung des Lichtes dieser VCSEL unterdrückt wird.

Bevorzugt ist das VCSEL-Array derart eingerichtet, dass sich die Wellenlänge der zwei VCSEL um mindestens 0.003 nm und höchstens 4 nm, insbesondere um mindestens 0.01 nm und höchstens 2 nm, insbesondere um mindestens 0.04 nm und höchsten 0,5 nm unterscheidet.

Denkbar ist auch, dass das VCSEL-Array derart eingerichtet ist, dass sich die Wellenlänge der zwei VCSEL um mindestens 0.003 nm und höchstens 0.1 nm oder um mindestens 0.003 nm und höchstens .0.5 nm unterscheidet. Ebenso denkbar ist, dass sich die Wellenlängen der zwei VCSEL um mindestens 0.01 nm und höchstens um 0.1 nm unterscheiden.

Prinzipiell bewirkt ein größerer Wellenlängenunterschied der beiden VCSEL eher die Vermeidung einer spontanen kohärenten Kopplung. Andererseits sollte der Wellenlängenunterschied nicht zu groß gewählt werden, um das Gesamtspektrum gegenüber zwei VCSELn mit gleicher Wellenlänge nicht unnötig aufzuweiten, beispielsweise um den Einsatz nachfolgender schmalbandiger Filter, z.B. zur SNR-Verbesserung, d.h. zur Verbesserung des Signal-Rausch-Abstands, zu erlauben.

Vorzugsweise sind bei dem VCSEL-Array die zwei VCSEL (mit den unterschiedlichen Wellenlängen) benachbart. Ihr Abstand beträgt vorzugsweise 20 pm bis 50 pm, besonderes bevorzugt 30 pm bis 40 pm. In einer bevorzugten Ausgestaltung des VCSEL-Arrays ist das VCSEL-Array dazu eingerichtet, dass sich die interne Temperatur der zwei VCSEL um mindestens 0.1 K bis 1 K unterscheidet.

Die unterschiedliche Temperatur der VCSEL bewirkt, dass die zwei VCSEL auch bei identischem Schichtaufbau der Halbleiterstruktur eine etwas unterschiedliche Emissionswellenlänge haben. Ein identischer Schichtaufbau ist besonders vorteilhaft, da die Herstellung vereinfacht werden kann. Je nach interner Temperatur des VCSEL kommt es zum einen zu einen zu einer Veränderung der Länge des optischen Resonators bzw. der Kavität aufgrund von Ausdehnungs- bzw. Schrumpfeffekten des verwendeten Materials, sodass die abgestrahlte Wellenlänge eines VCSEL eine Temperaturabhängigkeit aufweist. Zum anderen ändert sich die Bandstruktur der verwendeten Halbleiter in dem VCSEL, was ebenfalls eine Wellenlängenveränderung zur Folge hat.

Die Erfinder haben hierbei erkannt, dass kleine Temperaturunterschiede (im Bereich weniger Kelvin oder sogar unter 1 K) zwischen VCSELn bzw. kleine Temperaturänderungen bei einem VCSEL in einem derartigen Bereich die Polarisationscharakteristik des abgestrahlten Lichtes des bzw. der VCSEL nicht bzw. nicht signifikant verändern, so dass immer noch hohe Polarisations-Extinktions-Verhältnisse erreicht werden können. Insofern bewirkt der genannte Temperaturunterschied zwar die Unterdrückung spontaner kohärenter Kopplung, wirkt sich aber nicht (negativ) auf die Polarisation der VCSEL des VCSEL- Arrays aus. Ein Vorteil der vorgeschlagenen Lösung besteht also drain, dass ein Einsatz von polarisationsselektiven Elementen wie Polarisationsfiltern in einem nachfolgenden Strahlengang weiterhin möglich ist.

Besonders bevorzugt unterscheidet sich die interne Temperatur um 0.1 K bis 0.5 K.

Bevorzugt ergibt sich der Temperaturunterschied der zwei VCSEL aus der Anordnung der VCSEL auf dem Substrat. Bevorzugt weisen die zwei VCSEL einen gleichen Schichtaufbau auf und das VCSEL- Array ist derart eingerichtet, sich der interne Temperaturunterschied der zwei VCSEL aus einer Anordnung der zwei VCSEL des VCSEL-Arrays ergibt.

In einer Ausgestaltung sind die zwei VCSEL bezüglich ihrer Wärmesenken unterschiedliche ausgestaltet. Eine Wärmesenke kann als eine für den jeweiligen VCSEL Wärme abführende Struktur verstanden werden.

In einer Ausgestaltung des VCSEL-Arrays sind die zwei VCSEL auf dem Substrat gegenüber der Mitte des Substrats nicht symmetrisch bzw. asymmetrisch angeordnet.

Dadurch sind die Wärmeabfuhrmöglichkeiten für die beiden VCSEL typischerweise verschieden, dass sich für die zwei VCSEL verschiedene interne Temperaturen ergeben, was wiederum eine unterschiedliche Wellenlänge des abgestrahlten Lichtes der VCSEL ermöglicht.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist einer der zwei VCSEL mittig auf dem Substrat angeordnet ist und der andere der zwei VCSEL an einem Rand des Substrats angeordnet.

Dem VCSEL bleibt am Rand des Substrats somit weniger Raum zur Wärmeabfuhr, während der mittig auf dem Substrat platzierte VCSEL mehr Raum zur Wärmeabfuhr zur Verfügung hat. Mithin hat diese Anordnung der VCSEL zur Folge, dass sich die zwei besagten VCSEL bezüglich ihrer internen Temperatur unterscheiden, was wiederum die Abstrahlung unterschiedlicher Wellenlängen bewirkt.

In einer weiteren Ausgestaltung umfasset der VCSEL-Array drei VCSEL, wobei sich der Abstand zwischen einem der zwei VCSEL (die in ihrer Wellenlänge unterschiedlich sind) und einem dritten VCSEL von dem Abstand zwischen einem anderen der zwei VCSEL und dem dritten VCSEL unterscheidet.

Dies bewirkt, dass den zwei VCSELn unterschiedlich viel Raum zur Wärmeabstrahlung gegeben wird, so dass sich ein Unterschied bezüglich der internen Temperatur ergibt. Ferner kann der dritte VCSEL einen zusätzlichen Wärmeeintrag bewirken und den näher daran angeordneten VCSEL stärker aufheizen als den weiter davon entfernten. Dies wiederum hat einen Unterschied bei der abgestrahlten Wellenlänge zur Folge. Vorzugsweise unterscheiden sich die Abstände um

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des VCSEL-Arrays weisen die zwei VCSEL ferner jeweils eine Oxidaperturschicht mit einer Oxidapertur auf, wobei sich der Durchmesser der Oxidapertur der zwei VCSEL unterscheidet, insbesondere wobei sich der Durchmesser der Oxidapertur um mindestens 0.05 pm bis 0.5 pm unterscheidet. Insbesondere kann sich der Durchmesser einer Mesa des ersten VCSELs und des zweiten VCSELs der zwei VCSEL unterscheiden, insbesondere um mindestens 0.05 bis 0.5pm. Der Unterscheid in der Oxidapertur kann durch einen korrespondierenden (ebenso großen) Unterschied in dem Mesadurchmesser erreicht werden. Der unterschiedliche Mesadurchmesser kann durch eine gezielte Variation der zugehörigen Maske erreicht werden. Bei gleicher (lateraler) Oxidationstiefe ergibt sich bei unterschiedlichem Mesadurchmesser eine unterschiedliche Oxidapertur.

Dies bewirkt dann die zwei VCSEL ein unterschiedliches Temperaturverhalten aufweisen, was wiederum zu einem Unterschied bei der abgestrahlten Wellenlänge führt. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung kann darin bestehen, dass die Wellenlänge auf einfache, wohldefinierte Weise bei einem oder mehreren einzelnen VCSELn angepasst werden kann. Insbesondere ist eine kontrollierte geringfügige Anpassung der Wellenlänge möglich.

In einer weiteren Ausgestaltung des VCSEL-Arrays unterscheidet sich die Materialzusammensetzung des jeweils ersten elektrischen Kontakts der zwei VCSEL und/oder des jeweils zweiten elektrischen Kontakts der zwei VCSEL. Beispielsweise unterscheidet sich eine Materialzusammensetzung einer Schicht zur Kontaktierung, insbesondere einer (p- Kontakt) Metallisierungsschicht der zwei VCSEL. Insbesondere wird ein unterschiedlicher ohmscher Widerstand bereitgestellt.

Mit anderen Worten weist beispielsweise der erste elektrische Kontakt des einen der zwei VCSEL ein anderes Material (bzw. eine andere Materialzusammensetzung) auf als der andere der zwei VCSEL. Ebenso können die jeweiligen zweiten elektrischen Kontakte in ihren Materialien unterschiedlich sein. Beispiele für Kontaktmaterialien sind Titan (Ti), Platin (Pt), Nickel (Ni), Gold (Au), und Germanium (Ge). Somit kann beispielsweise der erste elektrische Kontakt eines der zwei VCSEL Titan aufweisen, während der erste elektrische Kontakt des anderen der zwei VCSEL Platin aufweist. Damit ergibt sich eine unterschiedliche Stromführung (insbesondere was Spannung und Stromstärke angeht) innerhalb der beiden VCSEL, sodass sich die beiden VCSEL bezüglich ihrer Wellenlänge unterscheiden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung unterscheidet sich jeweils die Größe der Fläche des ersten elektrischen Kontakts der zwei VCSEL und/oder des zweiten elektrischen Kontakts der zwei VCSEL. In einer Ausgestaltung unterscheidet sich die Größe der Fläche einer Schicht, insbesondere einer (p-Kontakt) Metallisierungsschicht, zur Kontaktierung der zwei VCSEL. Es versteht sich, dass die VCSEL auch andersherum gewachsen sein können. In diesem Fall kann sich beispielsweise eine Größe einer n-Kontakt Metallisierungsschicht unterscheiden.

Ähnlich zu einer unterschiedlichen Materialzusammensetzung bewirkt auch ein Flächenunterschied eine unterschiedliche Stromführung bzw. einen unterschiedlichen elektrischen Widerstand, damit eine unterschiedliche Verlustleistung und unterschiedliche Erwärmung und damit letztlich die Abstrahlung von Licht unterschiedlicher Wellenlängen.

Bevorzugt unterscheidet sich die Fläche der genannten elektrischen Kontakte um mindestens 5 %, weiter bevorzugt um mindestens 20 %, noch weiter bevorzugt um mindestens 50 %.

Dies bewirkt, dass eine Kontaktierung mit unterschiedlichem ohmschem Widerstand bereitgestellt werden kann, damit eine unterschiedliche Verlustleistung und unterschiedliche Erwärmung und damit letztlich die Abstrahlung von Licht unterschiedlicher Wellenlängen.

In einer anderen Ausgestaltung des VCSEL-Arrays sind die zwei VCSEL dazu ausgestaltet mit jeweils unterschiedlichen Betriebsströmen gespeist zu werden. In einer anderen Ausgestaltung weisen die zwei VCSEL des VCSEL-Arrays ferner jeweils eine Stromaperturschicht mit einer Stromapertur auf, wobei sich der Abstand zwischen dem ersten elektrischen Kontakt und der Stromaperturschicht bei den zwei VCSELn und/oder der Abstand zwischen dem zweiten elektrischen Kontakt und der Stromaperturschicht bei den zwei VCSELn unterscheidet.

Dies bewirkt eine unterschiedliche Stromführung bzw. einen unterschiedlichen elektrischen Widerstand, damit eine unterschiedliche Verlustleistung und unterschiedliche Erwärmung und damit letztlich die Abstrahlung von Licht unterschiedlicher Wellenlängen.

Vorzugsweise ist die epitaktische Struktur der zwei VCSEL identisch.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zum Herstellen eines VCSEL-Arrays gemäß Patentanspruch 15 bereitgestellt.

Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Patentanspruch 14 weist die gleichen Vorteile auf wie der erfindungsgemäße VCSEL-Array auf.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zum Betrieb eines VCSEL-Arrays mit zwei oder mehr VCSELn bereitgestellt, wobei die VCSEL auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind und jeweils eine identische epitaktische Struktur aufweisen, wobei zwei der VCSEL mit unterschiedlichen Betriebsströmen gespeist werden.

Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden mit Bezug auf diese hiernach näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines VCSEL-Arrays gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 2A, 2B und 2C beispielhafte Abbildungen von Interferenzeffekten durch kohärente Kopplung;

Fig. 3 eine schematische Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines VCSEL-Arrays gemäß der vorliegenden Offenbarung;

Fig. 4 eine schematische Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines VCSEL-Arrays gemäß der vorliegenden Offenbarung;

Fig. 5 eine schematische Schnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines VCSEL-Arrays gemäß der vorliegenden Offenbarung; und

Fig. 6 eine schematische Schnittansicht eines vierten Ausführungsbeispiels eines VCSEL-Arrays gemäß der vorliegenden Offenbarung;

Fig. 7 eine schematische Draufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines VCSEL- Arrays gemäß der vorliegenden Offenbarung;

Fig. 8 eine schematische Draufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines VCSEL- Arrays gemäß der vorliegenden Offenbarung;

Fig. 9 eine schematische Draufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines VCSEL- Arrays gemäß der vorliegenden Offenbarung; Fig. 10 eine schematische Draufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines VCSEL- Arrays gemäß der vorliegenden Offenbarung.

In den Fig. 1 und 4 bis 6 sind verschiedene Ausführungsbeispiele von VCSEL-Arrays gezeigt. Es versteht sich, dass die dargestellten VCSELs und deren Strukturmerkmale nicht maß-stabsgetreu gezeigt sind.

Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines VCSEL-Arrays 10 gemäß dem Stand der Technik. Das dargestellte VCSEL-Array 10 weist vier aneinandergereihte VCSEL 100, 200, 300 und 400 auf, die sich einen ersten elektrischen Kontakt 2 und ein Substrat 4 teilen. Die VCSEL sind bezüglich ihres Aufbaus identisch. Das VCSEL-Array umfasst 10 ist mit einem hochgradig reflexionsfreien Abdeckglas 50 bedeckt. Da das Abdeckglas 50 nicht absolut reflexionsfrei ist, kann es zu einer optischen Rückkopplung kommen, die letztlich zu einer spontanen kohärenten Kopplung des emittierten Lichtes der einzelnen VCSEL führt.

Wie in Fig. 2A bis 2C gezeigt kann sich dies im Fernfeld deutlich in Form sogenannter „intensity ripples“ bemerkbar machen, wie insbesondere den Fig. 2B und 2C zu entnehmen ist. Die streifenförmigen Intensitätsschwankungen sind in Fig. 2B und Fig. 2C deutlich zu sehen.

Fig. 3 zeigt eine schematische Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines VCSEL-Arrays 10 mit einer Detailansicht eines einzelnen VCSELs 100. Das dargestellte VCSEL-Array 10 weist vier (in einer Dimension senkrecht zu der vertikalen Richtung y) aneinandergereihte VCSEL 100, 200, 300 und 400 auf, die sich einen ersten elektrischen Kontakt 2 und ein Substrat 4 teilen. Auf dem Substrat 4 aufgewachsen ist jeweils die epitaktische Struktur der vier VCSEL 100, 200, 300 und 400. Die epitaktische Struktur des ersten VCSEL 100 ist vergrößert dargestellt. Ausweislich der vergrößerten Ansicht ist von dem Substrat 4 ausgehend ein erster verteilter Bragg-Spiegel 115, eine aktive Zone 120 und ein zweiter verteilter Bragg-Spiegel 130 (in dieser Reihenfolge) gewachsen bzw. angeordnet. Direkt oberhalb der aktiven Zone, d.h. zu dem zweiten Bragg-Spiegel hin befindet sich eine optionale Stromaperturschicht 145. Ein zweiter elektrischer Kontakt 135 steht mit dem zweiten verteilten Bragg-Spiegel 130 in Verbindung. Der erste elektrische Kontakt 2 ist auf der gegenüberliegenden Seite des Substrates 4 angebracht. Der erste und der zweite elektrische Kontakt dienen dem Beaufschlagen des VCSEL 100 mit einem Betriebsstrom.

Der (epitaktische) Schichtaufbau der anderen VCSEL 200, 300 und 400 ist identisch zu dem des VCSEL 100. Allerdings unterscheiden sich in diesem Ausführungsbeispiel die Stromaperturen der Stromaperturschicht. Beispielsweise unterscheiden sich die Größen der Stromaperturen der Stromaperturschichten 145 und 445 von den Stromaperturen der Stromaperturschichten 245 und 345. Dadurch bieten die VCSEL 100 und 400 eine andere Verteilung des Stromflusses durch den VCSEL und mithin einen unterschiedlichen ohmschen Widerstand und damit eine unterschiedliche Verlustleistung, was wiederum dazu führt, dass sich die interne Temperatur, beispielsweise der zwei VCSEL 145 und 245 un- ter-scheidet. In Bezug auf die Wellenlänge der emittierten Strahlung bewirkt dies (unter der Annahme, dass an den gezeigten VCSELn jeweils die gleiche Spannung angelegt wird), dass sich die Wellenlänge der VCSEL unterscheidet.

Anstatt den Stromaperturschichten 145, 245, 345 und 445 könnten in den jeweiligen VCSELn auch Oxidaperturschichten ausgebildet sein, welche eine geringfügig unterschiedliche Erwärmung und damit eine Änderung der Wellenlänge bewirken.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung können die Unterschiede in den Stromaperturschichten bzw. der Oxidaperturen der jeweiligen VCSEL durch einen Unterschied im Me- sadurchmesser erzeugt werden können. In diesem Fall kann von der Seite aus gleich weit bzw. gleich tief oxidert werden, um die Oxidaperturen zu bilden. Dies erleichtert den Fertigungsprozess. Bei einer Mesa mit größerem Durchmesser verbleibt bei gleicher lateraler Oxidation eine größere Apertur in der Mitter als bei einer Mesa mit kleinerem Durchmesser.

In dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel weisen die die VCSEL 200 und 300 einen etwas kleineren Mesadurchmesser auf als die VCSEL 100 und 400. Entsprechend unterscheiden sich die Größen der Stromaperturen der Stromaperturschichten 145 und 445 von den Stromaperturen der Stromaperturschichten 245 und 345. Die Strom aperturen der Stromaperturen 245 und 345 sind, entsprechend dem kleineren Mesadurchmesser, etwas kleiner als die Strom aperturen der Stromaperturschichten 145 und 445.

Fig. 4 zeigt eine schematische Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines VCSEL-Arrays 10 mit zwei VCSELn 100 und 200. Die Epitaxie der VCSEL 100 und 200 ist identisch. Die VCSEL 100 und 200 unterscheiden sich lediglich in Bezug auf ihre Position auf dem Substrat 4 in x-Richtung. Während VCSEL 100 sich im Wesentlichen in der x-Richtung mittig auf dem Substrat 4 befindet ist der VCSEL 200 am Rand des Substrates 4 aufgewachsen.

Dies bewirk, dass dem VCSEL 100 im Vergleich zu VCSEL 200 eine größere Fläche zur Wärmeabfuhr zur Verfügung steht. Der VCSEL 100 erwärmt sich somit weniger stark als der VCSEL 200, sodass sich die Wellenlänge des VCSEL 100 vom VCSEL 200 unterscheidet. Die Anordnung ist derart gewählt, dass sich die Wellenlänge von der VCSEL 100 und 200 um mindestens 0.003 nm und höchstens 5 nm unterscheidet.

Fig. 5 zeigt eine schematische Schnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines VCSEL-Arrays 10 mit drei VCSELn 100, 200 und 300. Die Epitaxie der VCSEL 100, 200 und 300 ist identisch. Die VCSEL 100 und 200 unterscheiden sich lediglich in Bezug auf ihre Position auf dem Substrat 4 in x-Richtung. Die VCSEL 100 und 200 sind in der x- Richtung wesentlich näher zueinander angeordnet als die VCSEL 200 und 300.

Dies bewirkt, dass beispielsweise der weiter entfernt angeordnete VCSEL 300 einen geringeren Wärmeeintrag erfährt bzw. durch den größeren Abstand von weiteren VCSELn als zusätzliche Wärmequellen eine bessere Wärmeabfuhr erlaubt, als der VCSEL 200 und der VCSEL 100 und sich somit weniger stark erwärmt, sodass sich die Wellenlänge unterscheidet. Die Anordnung ist derart gewählt, dass sich die Wellenlänge von der VCSEL 100 und 200 um mindestens 0.003 nm und höchstens 5 nm unterscheidet. Das VCSEL- Array kann derart eingerichtet ist, dass sich die Wellenlänge von zwei der VCSEL 100, 200, 300 um mindestens 0.003 nm, insbesondere um mindestens 0.01 nm, insbesondere um 0.03 nm, insbesondere um 0.04 nm, insbesondere um 0.1 nm unter-scheidet. Fig. 6 zeigt eine schematische Schnittansicht eines vierten Ausführungsbeispiels eines VCSEL-Arrays 10 mit zwei VCSELn 100 und 200. Die Epitaxie der VCSEL 100 und 200 ist identisch. Allerdings unterscheiden sich die VCSEL 100 und 200 bezüglich der Ausgestaltung, insbesondere bezüglich der Größe ihres jeweiligen zweiten elektrischen Kontakts 135 bzw. 235. Der zweite elektrische Kontakt 135 des ersten VCSELs 100 ist flächenmäßig wesentlich größer als der zweite elektrische Kontakt 235 des zweiten VCSELs 200.

Hierdurch bietet der Kontakt einen geringeren elektrischen Widerstand, eine geringere thermische Verlustleistung und heizt den VCSEL 100 entsprechend weniger auf, wodurch die gewünschte geringfügig abweichende Wellenlänge des ersten VCSELs 100 gegenüber dem zweiten VCSEL 200erreicht werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann ein flächenmäßig größerer Kontakt als Kühlkörper wirken und eine verbesserte Wärmeabfuhr ermöglichen, welche gezielt derart gewählt wird, um den gewünschten definierten Wellenlängenunterschied zwischen den beiden VCSELn zu bewirken.

Fig. 7 bis 10 zeigen schematische Draufsichten von weiteren Ausführungsbeispielen eines VCSEL-Arrays mit zwei VCSELn 100 und 200. In der Draufsicht sind jeweils der zweite elektrische Kontakt 135 des ersten VCSEL 100 und der zweite elektrische Kontakt 235 des zweiten VCSEL 200 schematisch dargestellt. Weiterführende Anschlussleitungen sind zur Vereinfachung nicht gezeigt. In den schematischen Draufsichten sind ferner die Mesa 150 und der aktive Bereich 160 zur Emission von Laserstrahlung, beispielsweise bereitgestellt durch eine Öffnung einer Stromapertur, des ersten VCSEL 100, sowie die Mesa 250 und der aktive Bereich 260 des zweiten VCSEL 200 dargestellt.

In dem in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel weist der zweite elektrische Kontakt 235 des zweiten VCSEL 200 eine kleinere Fläche auf als der zweite elektrische Kontakt 135 des ersten VCSEL 100. Mit anderen Worten ist das VCSEL-Array derart eingerichtet, dass sich die Größe der Fläche einer Schicht, insbesondere einer Metallisierungsschicht, zur Kontaktierung der zwei VCSEL unterscheidet. Dies ist in ähnlicher Weise bei dem in der schematischen Schnittansicht gezeigten VCSEL-Array in Fig. 6 implementiert. Ferner ist der Abstand des zweiten elektrischen Kontakts 235 des zweiten VCSEL 200 zum aktiven Bereich 260 größer als der Abstand des ersten elektrischen Kontakts 135 des ersten VCSEL 100 zum aktiven Bereich 160. Durch den größeren Abstand ergibt sich ein längerer Pfad und damit eine etwas höhere Verlustleistung. Hierdurch kann gezielt, jedoch mit prozesstechnisch einfachen Mitteln, eine etwas höhere Temperatur des zweiten VCSEL 200 erreicht werden, wobei das VCSEL-Array mit dieser Maßnahme derart eingerichtet ist, dass sich die Wellenlänge von zwei der VCSEL um mindestens 0.003 nm und höchstens 5 nm unterscheidet.

In dem in Fig. 8 gezeigten Ausführungsbeispiel weist der zweite elektrische Kontakt 235 des zweiten VCSEL 200 eine kleinere Fläche auf als der zweite elektrische Kontakt 135 des ersten VCSEL 100. Hierdurch kann der vorgeschlagene definierter Wellenunterschied zweier VCSEL des VCSEL-Arrays erreicht werden. Der Abstand des zweiten elektrischen Kontakts 235 des zweiten VCSEL 200 zum aktiven Bereich 260 und der Abstand des ersten elektrischen Kontakts 135 des ersten VCSEL 100 zum aktiven Bereich 160 können hingegen gleich sein.

In dem in Fig. 9 gezeigten Ausführungsbeispiel weisen der zweite elektrische Kontakt 235 des zweiten VCSEL 200 und der zweite elektrische Kontakt 135 des ersten VCSEL 100 eine gleiche Fläche auf. Der Abstand des zweiten elektrischen Kontakts 235 des zweiten VCSEL 200 zum aktiven Bereich 260 ist jedoch kleiner als der Abstand des ersten elektrischen Kontakts 135 des ersten VCSEL 100 zum aktiven Bereich 160. Hierdurch kann der vorgeschlagene definierter Wellenunterschied zweier VCSEL des VCSEL-Arrays erreicht werden.

In dem in Fig. 10 gezeigten Ausführungsbeispiel weist der zweite elektrische Kontakt 235 des zweiten VCSEL 200 erneut eine kleinere Fläche auf als der zweite elektrische Kontakt 135 des ersten VCSEL 100. Der zweite elektrische Kontakt 235 ist in diesem Ausführungsbeispiel einem Teil des ersten elektrischen Kontakts 135. Hierbei ist der zweite elektrische Kontakt 235 beispielsweise als Halbkreis ausgebildet und der erste elektrische Kontakt 135 als Vollkreis. Hierdurch kann der vorgeschlagene definierter Wellenunterschied zweier VCSEL des VCSEL-Arrays erreicht werden.

Claims

Ansprüche

1. VCSEL-Array mit zwei oder mehr VCSELn, die auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind und jeweils eine epitaktische Struktur mit einem Laser-Resonator mit einem ersten verteilten Bragg-Reflektor, DBR, einer aktiven Zone, und einem zweiten verteilten Bragg-Reflektor , DBR, aufweisen, wobei das VCSEL-Array derart eingerichtet ist, dass sich die Wellenlänge von zwei der VCSEL um mindestens 0.003 nm und höchstens 5 nm unterscheidet.

2. VCSEL-Array nach Anspruch 1 , wobei das VCSEL-Array derart eingerichtet ist, dass sich die Wellenlänge der zwei VCSEL um mindestens 0.003 nm, insbesondere um mindestens 0.01 nm, insbesondere um 0.03 nm, insbesondere um 0.04 nm, insbesondere um 0.1 nm unterscheidet.

3. VCSEL-Array nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das VCSEL-Array derart eingerichtet ist, dass sich die Wellenlänge der zwei VCSEL um mindestens 0.003 nm und höchstens 4 nm unterscheidet, insbesondere um mindestens 0.01 nm und höchstens 2 nm unterscheidet, insbesondere um mindestens 0.04 nm und höchstens 0.5 nm unterscheidet.

4. VCSEL-Array nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zwei VCSEL benachbart sind.

5. VCSEL-Array nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das VCSEL-Array dazu eingerichtet ist, dass sich die interne Temperatur der zwei VCSEL um mindestens 0.1 K bis 1 K unterscheidet.

6. VCSEL-Array nach Anspruch 5, wobei die zwei VCSEL einen gleichen Schichtaufbau aufweisen und das VCSEL-Array derart eingerichtet ist, sich der interne Temperaturunterschied der zwei VCSEL aus einer Anordnung der zwei VCSEL des VCSEL-Arrays ergibt.

7. VCSEL-Array nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zwei VCSEL auf dem Substrat gegenüber der Mitte des Substrats asymmetrisch angeordnet sind; insbesondere, wobei einer der zwei VCSEL mittig auf dem Substrat angeordnet ist und der andere der zwei VCSEL an einem Rand des Substrats angeordnet ist.

8. VCSEL-Array nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das VCSEL-Array drei VCSEL aufweist, wobei sich der Abstand zwischen einem der zwei VCSEL und einem dritten VCSEL von dem Abstand zwischen einem anderen der zwei VCSEL und dem dritten VCSEL unterscheidet.

9. VCSEL-Array nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zwei VCSEL ferner jeweils eine Oxidaperturschicht mit einer Oxidapertur aufweisen, wobei sich der Durchmesser der Oxidapertur der zwei VCSEL unterscheidet, insbesondere wobei sich der Durchmesser der Oxidapertur der zwei VCSEL um mindestens 0.05 pm bis 0.5 pm unterscheidet.

10. VCSEL-Array nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich eine Materialzusammensetzung einer Schicht zur Kontaktierung, insbesondere einer p-Kon- takt Metallisierungsschicht, zur Kontaktierung der zwei VCSEL unterscheidet, insbesondere wobei ein unterschiedlicher ohmscher Widerstand bereitgestellt wird.

11. VCSEL-Array nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Größe der Fläche einer Schicht, insbesondere einer Metallisierungsschicht, zur Kontaktierung der zwei VCSEL unterscheidet.

12. VCSEL-Array nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die zwei VCSEL dazu ausgestaltet sind jeweils mit unterschiedlichen Betriebsströmen gespeist zu werden

13. VCSEL-Array nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zwei VCSEL ferner jeweils eine Stromapertur aufweisen, wobei sich der Abstand zwischen einer Metallisierungsschicht zur Kontaktierung und der Stromapertur bei den zwei VCSELn unterscheidet.

14. VCSEL-Array nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die epitaktische Struktur der zwei VCSEL identisch ist.

15. Verfahren zum Herstellen eines VCSEL-Arrays, wobei das Verfahren Anordnen von zwei oder mehr VCSELn auf einem gemeinsamen Substrat umfasst, wobei die VCSEL jeweils eine epitaktische Struktur mit einem Laser-Resonator mit einem ersten verteilten Bragg-Reflektor, DBR, einer aktiven Zone und einem zweiten verteilten Bragg-Reflektor, DBR, aufweisen, wobei das VCSEL-Array derart eingerichtet ist, dass sich die Wellenlänge von zwei der VCSEL um mindestens 0.003 nm und höchstens 5 nm unterscheidet.