TWI317194B - High-frequency modulated surface-emitting semiconductor laser - Google Patents

Description

I 1317194 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明涉及一種依據申請專利範圍第1項前言之高頻調 變之表面發射式半導體雷射。 本專利申請案主張德國專利申請案10 2005 046 695.8 和10 2005 055 159.9之優先權，其已揭示的內容藉由參考 而收納於此處。 在綠色和藍色光譜區中通常使用固態雷射作爲可調變 I 的雷射。此種雷射具有一種高的輸出功率。然而，由於固 體材料中雷射活性狀態之壽命較長，使調變頻率通常限制 在小於1 00仟赫之範圍中。上述之固態雷射通常以各種較 大且昂貴之電子光學-或聲音光學外部調變器來進行振幅 調變。 將雷射使用在各種以”飛點（flying spot)”方法爲主的顯 示器（雷射掃描-顯示器）時的先決條件是：可支配三原色 紅’綠，藍，較高的輸出功率以及雷射之高頻調變。爲了 B 使顯示器達成一種高的解析度，則例如須以大於1 MHz之 頻率來對輸出功率進行調變。 具有外部共振器鏡面之表面發射式半導體雷射亦稱爲 晶圓雷射或垂直外部空腔表面發射式雷射（VECSEL)，其特 徵爲高的功率且同時有較高的輻射品質。 【先前技術】 由文件US 6,798,804 B2中已知一種表面發射式半導體 雷射’其中藉由一種施加至表面發射式半導體雷射之一 pn- i 1317194 、% 接面上的電壓來對已發出的雷射束進行高頻調變。於此， 使用一種配置在半導體雷射外部之調變單元。 【發明內容】 本發明的目的是提供一種已改良的表面發射式半導體 雷射，其以較少的耗費來對已發出之雷射束進行高頻調變。 此目的以具有申請專利範圍第1項特徵之表面發射式半 導體雷射來達成。本發明有利的其它形式描述在申請專利 範圍各附屬項中。 i 在本發明的表面發射式半導體雷射中，其包括：半導體 晶片；第一共振器鏡面和至少另一共振器鏡面，其配置在 半導體晶片外部且與第一共振器鏡面形成一種共振器長度 L之雷射共振器；以及泵送式雷射，其將具有泵功率PP之 泵輻射入射至半導體晶片中，以便以光學方式來泵送此半 導體雷射，泵功率PP以一種調變頻率fp來調變。雷射共 振器之共振器長度L可有利地依據此調變頻率fP來調整。 表面發射式半導體雷射由於泵功率之調變而可有利地 B 具有一種輸出功率，其以泵功率之調變頻率fP來調變。已 顯示的事實是：在上述之光學泵送之半導體雷射中，依據 泵輻射源之調變頻率fP來調整雷射共振器之共振器長度時 是適當的。較佳是該共振器長度越長時，該調變頻率fp越 高。特別是該雷射共振器可具有一種共振器長度L，其等 於30毫米或更短。雷射共振器之長度L較佳是20毫米或 更短，特別優良的情況是1 〇毫米或更短。 共振器長度L較佳是L [mm] S 250 / fp [MHz]。例如， 1317194 在調變頻率fP=10MHz時共振器的長度L等於25毫米或更 短時是有利的。在調變頻率fp = 2 5 MHz時，共振器的長度 不大於10毫米時是有利的。 泵雷射不必具有一固定的調變頻率而是可具有一種可 變的調變頻率。在此種情況下所謂最大之調變頻率是指泵 雷射可調變時的調變頻率。在此種情況下，共振器長度依 據此調變頻率來調整時是在最大的調變頻率時進行，其用 來對泵功率進行調變。在此種情況下，泵雷射之最大之調 變頻率特別是須滿足此一不等式L [mm] S 2 5 0 / fP [MHz]。 本發明的一實施形式中該調變頻率 fP是1 MHz或更 大，較佳是1 〇 Μ Η z或更大，特別優良的情況是5 0 Μ Η z或 更大。這樣對使用此表面發射式半導體雷射於雷射顯示器 中時特別有利。 泵雷射之泵功率較佳是藉由泵雷射操作時之電流之調 變來進行調變。 i 爲了可達成儘可能高的調變頻率fP，較佳是對泵雷射進 行調變，使得在調變操作期間不低於泵雷射之雷射門限 (threshold)値。例如，泵雷射之操作雷流可隨著此調變頻 率fP來改變’其中此操作電流在時間曲線之最小値時亦大 於泵雷射中受激發時所需之電流門限値。 此外’爲了達成較高的調變頻率，有利的方式是在該調 變操作之期間亦對該表面發射式半導體雷射進行驅動，以 超過雷射門限値。這表示：高頻調變的泵功率在時間曲線 1317194 * > • » 的最低點時亦大於表面發射式半導體雷射中激發輻射時所 « 需的功率門限値。 泵雷射特別是可爲一種外部之杲雷射，即，一種配置在 .半導體晶片外部之泵雷射。泵雷射是一種半導體-雷射二極 體時是有利的。 在本發明的另一有利的實施形式中，泵雷射是一種單石 式積體化於表面發射式半導體雷射之半導體晶中的泵雷 射。一個或多個泵雷射以及表面發射式半導體雷射以單石 # 方式積體化於一種共同的基板上，這在原理上由文件DE 1 0026 73 4中已爲人所知，其內容藉由參考而收納於此處。 在表面發射式半導體雷射之雷射共振器中，較佳是配置 一種可使半導體雷射所發出的輻射之頻率轉換用的元件。 頻率轉換特別是可指一種頻率加倍，例如，頻率變成二倍。 表面發射式半導體雷射例如可具有一種用來發出紅外線輻 射之活性區，其中此紅外線輻射在雷射共振器內部中被轉 換成可見光，特別是綠色或藍色之可見光。雷射共振器中 ^ 所包含的頻率轉換用的元件例如可以是一種光學非線性的 曰脑 日日H 〇 共振器可有利地包含一種波長濾波器以使所發出之波 長穩定。此波長濾波器例如可爲一種標準濾波器，一種雙 折射率濾波器或帶通濾波器。 表面發射式半導體雷射所具有之時間平均功率較佳是 1 〇毫瓦或更大。 本發明以下將依據第1至4圖中的實施例來說明。 1317194 » % - » 【實施方式】 各圖式中相同或作用相同之元件設有相同之參考符 號。所示的各元件未依大小之比例繪出。反之，爲了更易 . 了解之故’各別的元件可以放大的方式來顯示。 _ 第1圖之本發明的第一實施例中以橫切面所示的表面發 射式半導體雷射包含半導體晶片1，其含有輻射發出用之 活性層2。 此活性層2在半導體晶片1中配置在其它的半導體層3 • 之間，這些半導體層3用作外罩層或限制層。表面發射式 半導體雷射之半導體晶片之構造在原理上已爲此行之專家 所知悉，此處因此不再詳述。 此外，半導體晶片1中含有一種反射器4，其是表面發 射式半導體雷射所發出的雷射輻射7之第一共振器鏡面。 此第一共振器鏡面4較佳是一種佈拉格（Bragg)-反射器，其 由多個交替配置的層對（pair)所形成。 半導體晶片1之半導體層2，3，4例如生長在一種生長 ® 基板5上。爲了改良散熱性，半導體晶片1較佳是與一散 熱件6相連接，此散熱件6例如位於該生長基板5之與半 導體層2，3，4相遠離的背面上。此散熱件6較佳是由具 有高的導熱率之金屬（特別是銅）所形成。另一方式是亦可 設有一種主動冷卻之散熱件，其具有可由液體或氣體所通 過之微通道。 表面發射式半導體雷射包含至少另一共振器鏡面8，其 與第一共振器鏡面4形成一雷射共振器。第二共振器鏡面 1317194 8是一種配置在半導體晶片1之外部的外部共振器鏡面， 其例如在與半導體晶片1相面對的此側上具有一凹入的曲 面。 第1圖所示的實施例中第一共振器鏡面4和第二共振器 鏡面8形成一種線性之雷射共振器，除了第一實施例之 外，表面發射式半導體雷射亦可具有一個或多個其它的共 振器鏡面，其共同形成一種折疊之共振器（未顯示）。 激發該活性層2以發出雷射輻射7是藉由光學元件以一 > 種泵雷射來達成。泵雷射10例如是一種配置在半導體晶片 1之外部之半導體雷射，其將此泵輻射14入射至半導體晶 片1之活性層2中。 由泵雷射10所發出的栗輻射14之泵功率是以一種頻率 fp來調變，此頻率fp例如是1 MHz或更大。此調變頻率fP 較佳是大於10 MHz。此調變頻率特別是可爲50 MHz或更 大。雷射共振器之長度L依據泵功率之調變頻率來調整。 當表面發射式半導體雷射之雷射共振器具有一種較小的長 B 度L時，則特別是在高的調變頻率fP時是有利的。雷射共 振器的長度L是3 0毫米或更小時是有利的。雷射共振器的 長度L較佳是2 0毫米或更小，特別有利的是1 〇毫米或更 小0 當雷射共振器的長度L在一預定的調變頻率fp時未超過 一種適合使L [mm] S 250毫米/ fp [MHz]之値時，則特別 有利。 該活性層2較佳是形成量子井結構。此名稱量子井結構 -10- (s) 1317194 包含多種結構，其中電荷載體由於受到局限而使其能 態經歷一種量子化。此名稱量子井結構特別是未指出 化的維度，其因此可另外包含量子槽，量子線和量子 . 及這些結構的每一種組合。 _ 表面發射式半導體雷射之活性層2較佳是以磷化f 合物半導體或砷化物-化合物半導體爲主。這表示：活 2 較佳是包含 IruAlyGa^x-yP 或 InxAlyGai.x-yAs， OSxSl, OSySl且χ + y盔1。此活性層2特別是具有一 Φ 合發出紅外線輻射之量子井結構。 另一方式是亦可設有活性層以發出可見的輻射或 線輻射。例如，活性層可具有InxAlyGai.x_yN，其中0S 0Sy‘l 且 χ + y^l。 活性層2之半導體材料未必具有上述形式之以數學 示之準確的組成。反之，其可具有一種或多種摻雜物 及其它成份，這些成份不會改變此材料之物理特性。麥 爲了簡單之故，上述形式只含有晶格（A1，Ga，In，P ： ^ 或N)之主要成份，這些主要成份之一部份亦可由小量 它物質來取代。 在本發明的一有利的實施形式中，雷射共振器中包 種元件9，其適合將半導體雷射所發出之輻射之頻率 轉換。此頻率轉換元件9較佳是非線性的光學晶體。 頻率轉換元件9，則可有利地使所發出之雷射幅射7 率倍增，特別是增爲二倍。 在本發明之特別有利的實施形式中，活性層2是一 量狀 量子 點以 勿-化 性層 其中 種適 紫外 X ^ 1, 所表 質以 S而， 或As 的其 含一 進行 藉由 之頻 種發 -11- 1317194 出紅外線輻射的層，其中所發出的雷射輻射7藉由頻率轉 翁 換元件9而轉換成可見光，特別是綠色的可見光。 泵輻射14可有利地藉由光學元件11而聚焦在半導體晶 片1之活性層2中。光學元件1 1可以是一種繞射光學元件 _ 或一種折射光學元件，例如，透鏡。 泵功率PP之高頻調變較佳是藉由泵雷射10之操作電流 強度之適當的高頻調變來達成。泵雷射10因此是一種高頻 調變之電性泵送之半導體雷射。 ©第2，3圖中顯示泵雷射1 0之操作電流強度I和表面發 射式半導體雷射之輸出功率Pout之時間曲線。藉由”表面 發射式半導體雷射之半導體晶片1之活性層2是由高頻調 變的泵雷射1 〇來進行光學泵送”，則由表面發射式半導體 雷射所發出的雷射輻射7之輸出功率Pout亦可由泵雷射之 操作電流強度I之調變頻率fP來調變。 爲了達成一種儘可能高的調變頻率，則有利的情況是對 該泵雷射1 〇之操作電流進行調變，使此操作電流不低於激 ® 發此泵雷射之發射所需之門限値電流強度IS。此外，當表 面發射式半導體雷射之輸出功率不低於一功率門限値Ps 時是有利的，否則雷射輻射將不會被發出。在第2，3圖所 示的操作電流Is和輸出功率Pout的時間曲線中在虛線1 5 左方的區域即屬此種情況。 本發明中該表面發射式半導體雷射之另一較佳的實施 例之橫切面顯示在第4圖中。 本實施例的表面發射式半導體雷射不同於第1圖所示之 1317194 * , 實施例之處是：其未具備一種配置在半導體晶片1外部之 泵雷射。反之，第4圖之表面發射式半導體雷射包含一種 以單石方式積體化於半導體晶片1中的栗雷射12。粟雷射 12是一種邊緣發射式雷射，其將泵輻射14以橫方向入射 至表面發射式半導體雷射之活性層2中。表面發射式半導 體雷射之活性層2在橫方向中較佳是在二側中由泵雷射1 2 圍繞。在垂直方向中泵雷射12由另一個半導體層3所圍 繞，此半導體層3特別是作爲泵輻射14用之波導且用來將 ί 電流注入至泵雷射1 2之活性層中。 泵雷射12以單石方式積體化於表面發射式半導體雷射 之半導體晶片1中時所具有的優點是：外部之栗雷射校準 時不需任何耗費。此外，由於泵雷射1 4以橫向方式入射至 表面發射式半導體雷射之活性層2中，則可確保可對該活 性層2達成一種有效且均勻的泵送。 單石式積體化泵雷射12是一種電氣泵送之半導體雷 射，藉由電性接觸區1 3可施加一種操作電流I至此半導體 t雷射中。 表面發射式半導體雷射之輸出功率Pout之高頻調變以 類似於上述第1圖所示的半導體雷射的方式來進行。單石 式積體化的泵雷射1 2之操作電流I因此以一種調變頻率fp 來調變，其較佳是1 MHz或更大，以便以此方式亦可對此 表面發射式半導體雷射之輸出功率Pout藉由該泵雷射12 之調變頻率fp來進行高頻調變。 本發明之另一以第1至3圖來描述的有利的形式當然亦 γ ''· -13- 1317194 » , - % . 適用於第4圖之實施例中。 本發明當然不限於依據各實施例中所作的描述。反之， 本發明包含每一新的特徵和各特徵的每一種組合，特別是 - 包含各申請專利範圍-或不同實施例之各別特徵之每一種 . 組合，當相關的特徵或相關的組合本身未明顯地顯示在各 申請專利範圍中或各實施例中時亦同。 【圖式簡單說明】 第1圖 本發明之一實施例之表面發射式半導體雷射 # 的橫切面。 第2圖 本發明之一實施例中該泵雷射之操作電流強 度I和時間t之關係圖》 第3圖 本發明之一實施例中該表面發射式半導體雷 射之光學輸出功率Pout和時間t之關係圖。 第4圖 本發明之另一實施例之表面發射式半導體雷 射的橫切面。 【主要元件符號說明】 ® 1 半導體晶片 2 活性層 3 半導體層 4 共振器鏡面 5 生長基板 6 散熱件 7 雷射束 8 共振器鏡面 -14- 1317194 9 頻率轉換元件 10 泵雷射 11 光學元件 12 單石式積體化之泵雷射 13 電性接觸區 14 泵輻射 15 虛線

Claims (1)

1317194 專利案 弓修正） 片⑴； 其配置 成一種 式雷射 半導體 討（1)， 射共振 fp來調 時的操 及在調 射之雷 ，其中 0 雷射， 雷射， 雷射， 第95135 299號「高頻調變之表面發射式半導體雷射」 —~* Γ|〇〇9 年 6 . 十、申請專利範圍：对年^月以日修(更)正本 1.—種表面發射式半導體雷射，其包括：半導體晶 第一共振器鏡面（4)和至少另一共振器鏡面（8)， 在半導體晶片（1)外部且與第一共振器鏡面（4)形 共振器長度L之雷射共振器；以及至少一泵送 (10，12)，其將具有泵功率之泵輻射（14)入射至 晶片（1)中，以便以光學方式來泵送此半導體雷: 其特徵爲：泵功率以一種調變頻率fP來調變且雷 器具有一種共振器長度L，其可依據此調變頻率 整’其中對此栗功率作調變，使此泵功率於調變 作期間不低於泵雷射（10，12)之雷射門限値，以 變時的操作期間不低於此表面發射式半導體雷 射門限値。 2.如申請專利範圍第1項之表面發射式半導體雷射 此共振器長度L滿足：L [mm] < 250 / fP [MHz] 3 .如申請專利範圍第1或2項之表面發射式半導體 其中此調變頻率fp滿足fd MHz。 4. 如申請專利範圍第1或2項之表面發射式半導體 其中此調變頻率fp滿足fpklO MHz。 5. 如申請專利範圍第1或2項之表面發射式半導體 其中此調變頻率fp滿足fp>5〇 MHz。 6.如申請專利範圍第1或2項之表面發射式半導體雷射 1317194 20毫米 :雷射， 流I來 :雷射， 半導體 ί雷射， 【雷射， 對由半 射，其 f ° 射，其 :轉換元 电。 I雷射， 其中此共振器長度L是30毫米或更小，較佳是 或更小。 7.如申請專利範圍第1或2項之表面發射式半導體 其中此泵功率藉由操作此泵雷射（10，12)用的電 調變。 8 .如申請專利範圍第1或2項之表面發射式半導體 其中泵雷射（12)以單石方式積體化於表面發射式 雷射之半導體晶片（1)中。

9.如申請專利範圍第1或2項之表面發射式半導體 其中栗雷射（10)配置在半導體晶片（1)之外部。 10.如申請專利範圍第1或2項之表面發射式半導體 其中雷射共振器中配置一種頻率轉換元件（9)以 導體雷射所發出之輻射進行頻率轉換。 1 1 .如申請專利範圍第1 〇項之表面發射式半導體雷 中頻率轉換使頻率倍增，特別是使頻率增爲二倍 1 2 ·如申請專利範圍第1 0項之表面發射式半導體雷 中該半導體晶片（1)發出紅外線輻射，其由該頻率 件（9)轉換成可見光，特別是轉換成綠色的可見j 13.如申請專利範圍第1或2項之表面發射式半導儀 其中此表面發射式半導體雷射之光學輸出功率是10毫 瓦或更大。