WO1998049759A1 - Diodenlaser-oszillator oder -verstärker mit wenigstens einer lichtleitenden halbleiterschicht - Google Patents

Diodenlaser-oszillator oder -verstärker mit wenigstens einer lichtleitenden halbleiterschicht Download PDF

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WO1998049759A1
WO1998049759A1 PCT/DE1998/000868 DE9800868W WO9849759A1 WO 1998049759 A1 WO1998049759 A1 WO 1998049759A1 DE 9800868 W DE9800868 W DE 9800868W WO 9849759 A1 WO9849759 A1 WO 9849759A1
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light
semiconductor layer
diode laser
laser oscillator
conducting semiconductor
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PCT/DE1998/000868
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Inventor
Michael Mikulla
Pierre Chazan
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/2004—Confining in the direction perpendicular to the layer structure

Definitions

  • Diode laser oscillator or amplifier with at least one light-conducting semiconductor layer Diode laser oscillator or amplifier with at least one light-conducting semiconductor layer
  • the invention relates to a diode laser oscillator or amplifier with at least one light-conducting semiconductor layer, the refractive index of which is greater than the refractive index of semiconductor layers which surround the light-conducting semiconductor layer and together with it form an optical waveguide structure and which has at least one optically active layer region , within which stimulated photon emission occurs and which has an optical fill factor which describes the light component of an optical wave guided in the optical waveguide structure which is present within the optically active layer region.
  • diode lasers and diode laser amplifiers are used in a large number of technical fields of application, for example in material processing for welding processes with plastics or sheets, in printing technology or in medical fields of application.
  • diode lasers and diode laser amplifiers offer considerable advantages over today's established beam sources due to their structural compactness, low manufacturing costs, their high efficiency and their expected long service life.
  • Diode laser oscillators or diode laser amplifiers with optical output powers in the watt range and at the same time good beam quality have so far only become known in a few exemplary embodiments.
  • the known oscillators or amplifiers an attempt is made to improve the beam quality by using it to achieve a trapezoidal contact geometry.
  • the principle of the unstable resonator known from the field of solid-state lasers has been transferred to semiconductor lasers.
  • the improvement in the beam quality is achieved exclusively through the type of contact geometry and by inserting so-called mode diaphragms in the narrow area of the oscillator or amplifier.
  • the fundamental problem also remains with the known components that, in the case of semiconductor lasers with high output power and good beam quality, the so-called effect of "self-focusing" of the optical radiation in the laser resonator leads to the phenomenon of beam filamentation.
  • This phenomenon results from the interaction between the optical fibers amplified in the semiconductor material
  • the amplification of the optical wave causes a location-dependent reduction in the charge carrier density, which is also known as "spatial hole burning".
  • the equilibrium state there is a location-dependent charge carrier density distribution in the component, which results in an inhomogeneous distribution of the complex refractive index.
  • Such a change in the complex refractive index leads to local focusing of the radiation, the so-called filamentation.
  • the beam profile in the laser oscillator or laser amplifier is spatially highly inhomogeneous, as a result of which the emitted radiation is no longer diffraction-limited and has a correspondingly poor focusability.
  • the phenomenon of beam filamentation depends on the one hand on the semiconductor material used, on the other hand on the resonator geometry and the local power density in the wave-guiding layer of a double heterostructure of the Diode laser. Basically, the beam quality decreases with increasing power density.
  • the invention has for its object a diode laser oscillator or amplifier with at least one light-conducting semiconductor layer whose refractive index is greater than the refractive index of semiconductor layers which surround the light-conducting semiconductor layer and together with it form an optical waveguide structure, and the at least one optically active Has layer area within which stimulated photon emission occurs and which has an optical fill factor that describes the light portion present within the optically active layer area of an optical wave guided in the optical wave structure, in such a way that, on the one hand, the phenomenon of beam filamentation is to be suppressed, so that higher Output power with an almost diffraction-limited beam quality can be obtained.
  • the diode laser oscillator or amplifier with at least one light-conducting semiconductor layer is developed in such a way that the light-conducting semiconductor layer is designed in such a way and / or the refractive index of the light-conducting semiconductor layer and the refractive index of the semiconductor layers surrounding the light-conducting semiconductor layer in such a way are chosen so that the optical fill factor is reduced. In this way the modal optical gain is reduced.
  • the reduction in the optical fill factor can be achieved by suitable choice and dimensioning of epitaxial layer structures.
  • the idea according to the invention of reducing the optical fill factor of the light-conducting semiconductor layer is based on the following consideration:
  • the reason for the phenomenon of beam filamentation lies in the change in the complex refractive index due to stimulated emission within the semiconductor material.
  • the differential complex refractive index ⁇ fi (n) can be represented as follows:
  • ⁇ n (n) 1 / 2k • ⁇ g m (n) ⁇ [i - ⁇ ]
  • g (n) is the modal gain of the semiconductor material, which consists of the product of the material gain g (n) of the optically active layer area with the fill factor T.
  • the fill factor is defined by the overlap between the mode profile in the optical waveguide and the optically active layer area.
  • n indicates the local charge carrier density in the reinforcing material, ie the material within the optically active layer area, the line broadening factor, k the wave number in the vacuum.
  • i V (-1) the imaginary part of the complex refractive index is taken into account.
  • a change in the refractive index ⁇ n (n) is linked to the charge carrier density n via the differential modal gain g m (n).
  • the material gain g (n) has a logarithmic dependence on the local charge carrier density n and is predetermined by the semiconductor material used within the optically active layer.
  • the material gain g (n) also has an almost logarithmic dependence on the pump current density.
  • an optically active semiconductor layer with a reduced fill factor F has a smaller differential modal gain ⁇ g m (n). It also follows that such a layer structure, with the same change in the charge carrier density n, has a smaller differential refractive index ⁇ n (n) and thus shows a lower sensitivity to the phenomenon of beam filamentation. Filamentation is consequently suppressed by using an optically active semiconductor layer with a smaller optical fill factor r ZU.
  • the light-conducting semiconductor layer is to be made narrower vertically with respect to the direction of the wave guide, so that the smallest possible wave component is present in the optically active layer area.
  • the refractive index difference between the light-conducting semiconductor layer and the semiconductor layers surrounding this layer must be reduced, so that the wave profile runs as flat as possible over the optically active semiconductor region.
  • Typical dimensions for the thickness of the light-conducting, optically active semiconductor layer are then less than 0.05 ⁇ m and for those to be set Refractive index differences have to be set about 0.05 between the active and the surrounding layers.
  • optical fill factor Another possibility of reducing the modal optical gain in order to achieve an improvement in the beam quality, the optical fill factor being reduced, is the use of quantum wells within the light-conducting semiconductor layer. Due to the spatial separation between the optically active, epitaxially introduced quantum wells and the light-conducting semiconductor layer, the reduction of the optical fill factor can be achieved by suitable dimensioning of the waveguide and quantum well.
  • the optical fill factor can also be changed and influenced by the variation in the lateral width of the light-conducting semiconductor layer.
  • the optical fill factor is specifically reduced
  • a further improvement in the beam quality can be achieved by using inhomogeneously pumped resonator or amplifier structures.
  • this can be achieved by using structured electrical contacts of the diodes or by proton implantation of the layer regions in which the current flow is to be completely or partially prevented.
  • the use according to the invention of epitaxial layer structures with a small modal gain ie, a small optical fill factor, is suitable.
  • the use of such layer structures not only permits a significant increase in the laser threshold and thus higher output power in amplifier operation, but in particular also leads to a significant improvement in the beam quality.
  • the beam quality can be improved by inhomogeneously pumped layer structures.
  • FIG. 2 shows a schematic layer structure of a laser structure with a symmetrically arranged quantum well structure
  • FIG. 3 shows a schematic layer structure of a laser structure with a quantum well structure and a narrowed light-conducting semiconductor layer
  • FIG. 4 shows a schematic layer structure of a laser structure with a quantum well arranged asymmetrically to the light-conducting semiconductor region
  • FIG. 1 shows a diagram for explaining the effect of the reduction in the optical fill factor F on the associated modular gain, which can be achieved with different pump current densities.
  • the abscissa of the diagram corresponds to the pump current density in units [A / cm 2 ].
  • the ordinate corresponds to the modal gain in units [1 / cm].
  • the two functional curves shown in the diagram each correspond to a quantum well structure with a thickness of 8 nm, which is provided symmetrically to a light-conducting semiconductor layer.
  • the left diagram course corresponds to a layer arrangement with an optical fill factor F of 2.6%
  • a smaller change in the optical gain with a local pump current or charge carrier density change in the amplifying semiconductor region likewise leads to a smaller change in the complex refractive index. In this way, self-focusing and the onset of beam filamentation are decisively suppressed.
  • 2 shows a schematic layer structure of a laser structure, preferably in the InAIGaAs material system.
  • the aluminum content is plotted on the upward ordinate axis and the indium content of a gallium arsenide substrate is plotted on the downward ordinate axis.
  • the light-conducting semiconductor layer region LH has a width of 1 ⁇ m, which is surrounded on both sides by semiconductor layers which have a higher aluminum content and thus have a lower refractive index.
  • a region 1 with a 0% Al content is provided symmetrically and in the center of the light-conducting semiconductor region, which serves for better charge carrier capture and which also has a quantum well structure 2 symmetrically.
  • an optical fill factor of approximately 1.3% is achieved at an emission wavelength of approximately 1020 nm.
  • the layer arrangement according to FIG. 3 has a narrowed light-conducting semiconductor layer region LH with a width of 0.5 ⁇ m. To the same extent, the width of the quantum well structure 2 has been reduced to a thickness of only 4 nm, so that an optical fill factor of approximately 1.3% also results.
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment in which the quantum well structure 2 with a thickness of 8 nm is arranged asymmetrically with respect to the 0.5 ⁇ m wide light-conducting semiconductor layer LH is.
  • a wave profile WP is entered in the area of the light-conducting layer, by means of which it becomes clear that the optically active layer with the quantum well structure 2 does not match the maximum of the wave profile. This means that fewer photons enter area 2, which means that the optical fill factor can be significantly reduced.
  • the measures according to the invention for reducing the optical fill factor on edge-emitting or surface-emitting laser diodes can also be used at the same time.
  • an improvement in the beam quality according to the invention can be seen both in index-guided and in profit-guided diode structures.
  • a particularly significant improvement can be expected in structures with predominantly profit management.
  • these include in particular trapezoidal resonator geometries and generally unstable resonators and amplifiers.
  • FIG. 5 shows a trapezoidal laser diode with “cavity spoilers” and an inhomogeneously pumped resonator region for suppressing the beam filamentation.
  • the resonator or the optically active semiconductor layer has a length of typically 2000 ⁇ m.
  • a resonator end is equipped with cavity spoilers CS and has a reflectance of 90%, whereas the geometrically widened opposite resonator side with a width of preferably 200 ⁇ m has only a reflectance of 0.1%.
  • the laser threshold in diode laser amplifiers can be increased effectively, so that significantly higher output powers with improved beam quality can be achieved compared to conventional layer structures.
  • diode lasers and diode laser amplifiers can be implemented which achieve output powers in the multi-watt range with almost diffraction-limited beam quality. This makes it possible to implement efficient and inexpensive beam sources for material processing.

Abstract

Beschrieben wird ein Diodenlaser-Oszillator oder -Verstärker mit wenigstens einer lichtleitenden Halbleiterschicht, deren Brechungsindex größer ist als der Brechungsindex von Halbleiterschichten, die die lichtleitende Halbleiterschicht umgeben und zusammen mit dieser eine optische Wellenleiterstruktur bilden, und die wenigstens einen optisch aktiven Schichtbereich aufweist, innerhalb dem stimulierte Photonenemission auftritt und der einen optischen Füllfaktor aufweist, der den innerhalb des optisch aktiven Schichtbereiches vorhandenen Lichtanteil einer in der optischen Wellenleiterstruktur geführten optischen Welle beschreibt. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die lichtleitende Halbleiterschicht derart ausgestaltet ist, und/oder der Brechungsindex der lichtleitenden Halbleiterschicht sowie der Brechungsindex der die lichtleitende Halbleiterschicht umgebenden Halbleiterschichten derart gewählt sind, daß der optische Füllfaktor reduziert ist.

Description

Diodenlaser-Oszillator oder -Verstärker mit wenigstens einer lichtleitenden Halbleiterschicht
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf einen Diodenlaser-Oszillator oder -Verstärker mit wenigstens einer lichtleitenden Halbleiterschicht, deren Brechungsindex größer ist als der Brechungsindex von Halbleiterschichten, die die lichtleitende Halbleiterschicht umgeben und zusammen mit dieser eine optische Wellenleiterstruktur bilden, und die wenigstens einen optisch aktiven Schichtbereich aufweist, innerhalb dessen stimulierte Photonenemission auftritt und der einen optischen Füllfaktor aufweist, der den innerhalb des optisch aktiven Schichtbereiches vorhandenen Lichtanteil einer in der optischen Wellenleiterstruktur geführten optischen Welle beschreibt.
Stand der Technik
Vorstehend genannte Laserdioden und Laserdiodenverstärker werden in einer Vielzahl technischer Anwendungsbereiche eingesetzt, beispielsweise in der Materialbearbeitung für Schweißvorgänge mit Kunststoffen oder Blechen, in der Drucktechnik oder auch in medizinischen Anwendungsbereichen. In allen technischen Bereichen bieten Diodenlaser bzw. Diodenlaser-Verstärker aufgrund ihrer baulichen Kompaktheit, geringen Herstellkosten, ihres hohen Wirkungsgrades sowie ihrer zu erwartenden hohen Lebensdauer erhebliche Vorteile gegenüber heutigen etablierten Strahlquellen.
Diese Vorteile lassen sich jedoch nur dann nutzen, wenn neben einer möglichst hohen Ausgangsleistung auch eine gute Strahlqualität realisiert wird. Erst nach entsprechenden Vorkehrungen zur Erzeugung einer guten Strahlqualität läßt sich durch Fokussierung der optischen Leistung die für die vorstehend erwähnten Anwendungsbereiche erforderliche Leistungsdichte erzielen.
Diodenlaser-Oszillatoren bzw. Diodenlaser-Verstärker mit optischen Ausgangsleistungen im Wattbereich und gleichzeitig guter Strahlqualität sind bisher nur in wenigen Ausführungsbeispielen bekannt geworden. Bei den bekannten Oszillatoren bzw. Verstärkern wird versucht, eine Verbesserung der Strahlqualität durch Verwendung einer trapezförmigen Kontaktgeometrie zu erreichen. In diesen Strukturen ist das aus dem Bereich der Festkörperlaser bekannte Prinzip des instabilen Resonators auf Halbleiterlaser übertragen worden. Die Verbesserung in der Strahlqualität wird hierbei ausschließlich durch die Art der Kontaktgeometrie und durch Einfügen von sogenannten Modenblenden im schmalen Bereich des Oszillators bzw. Verstärkers erzielt.
Bekannte Ausführungsbeispiele hierzu sind in den US-Druckschriften US 5 260 822, US 5 400 353, US 5 392 308, US 5 321 718 sowie in der PCT/US 93/00838 beschrieben. Zwar können mit den bekannten Bauelementen Ausgangsleistungen zwischen 1 bis 3 Watt erreicht werden, bei nahezu beugungsbegrenzter Emission, jedoch sind die zu treffenden Bauelement-spezifischen Maßnahmen für das Erreichen einer guten Strahlqualität mit hohem baulichen Aufwand verbunden.
Überdies verbleibt auch bei den bekannten Bauelementen das grundsätzliche Problem, daß bei Halbleiterlasern mit hoher Ausgangsleistung und guter Strahlqualität der sogenannte Effekt der „Selbstfokussierung" der optischen Strahlung im Laserresonator zum Phänomen der Strahlfilamentierung führt. Dieses Phänomen resultiert aus der Wechselwirkung zwischen der im Halbleitermaterial verstärkten optischen Welle und der durch den Pumpstrom vorgegebenen Ladungsträgerdichte. Die Verstärkung der optischen Welle bewirkt eine ortsabhängige Reduktion der Ladungsträgerdichte, was auch als „räumliches Lochbrennen" bekannt ist. Im Gleichgewichtszustand ergibt sich eine ortsabhängige Ladungsträgerdichteverteilung im Bauelement, was zu einer inhomogenen Verteilung des komplexen Brechungsindex zur Folge hat. Durch eine derartige Veränderung des komplexen Brechungsindex kommt es jedoch zur lokalen Fokussierung der Strahlung, der sogenannten Filamentierung. Das Strahlprofil im Laser-Oszillator oder Laser-Verstärker wird infolge dessen räumlich stark inhomogen, wodurch die emittierte Strahlung nicht mehr beugungsbegrenzt ist und eine entsprechend schlechte Fokussierbarkeit aufweist.
Das Phänomen der Strahlfilamentierung ist zum einen abhängig vom verwendeten Halbleitermaterial, zum anderen von der Resonatorgeometrie sowie der örtlichen Leistungsdichte in der wellenführenden Schicht einer Doppelheterostruktur des Diodenlasers. Grundsätzlich nimmt mit steigender Leistungsdichte die Strahlqualität dadurch ab.
Ein weiteres Problem bei Dioden-Lasern sowie -Verstärkern mit hoher Ausgangsleistung ist das Anschwingen von vielmodigen Laser-Oszillationen bei geringen Pumpstromdichten, die es gilt, im Lichte der Gewinnsteigerung nur eines einzigen Lasermodes zu unterdrücken. Gängige Maßnahmen hierzu sind die Entspiegelung der Resonatorfacetten und/oder die Verwendung sogenannter „Cavity-Spoiier" in trapezförmig ausgebildeten Resonatorstrukturen, wie sie in der vorstehend zitierten PCT/US 93/00838 beschrieben wird. Der hohe optische Gewinn des Halbleitermaterials führt jedoch dazu, daß trotz dieser Maßnahmen die Laserschwelle bereits bei moderaten Pumpstromdichten erreicht wird. Das Anschwingen des Verstärkers als Laser-Oszillator kennzeichnet daher die maximale Stromdichte für den Verstärkerbetrieb. Die Ausgangsleistung von Halbleiter-Verstärkern ist aus diesem Grunde bislang auf wenige Watt beschränkt.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Diodenlaser-Oszillator oder -Verstärker mit wenigstens einer lichtleitenden Halbleiterschicht, deren Brechungsindex größer ist als der Brechungsindex von Halbleiterschichten, die die lichtleitende Halbleiterschicht umgeben und zusammen mit dieser eine optische Wellenleiterstruktur bilden, und die wenigstens einen optisch aktiven Schichtbereich aufweist, innerhalb dessen stimulierte Photonenemission auftritt und der einen optischen Füllfaktor aufweist, der den innerhalb des optisch aktiven Schichtbereiches vorhandenen Lichtanteil einer in der optischen Wellenstruktur geführten optischen Welle beschreibt, derart weiterzubilden, daß zum einen das Phänomen der Strahlfilamentierung unterdrückt werden soll, wodurch höhere Ausgangsleistungen mit einer nahezu beugungsbe- grenzten Strahlqualität zu erhalten ist. Zum anderen soll in Halbleiter- Laserverstärkern bei möglichst geringem herstellungstechnischen Aufwand das Anschwingen von Lasermoden im Resonatorbereich unterdrückt werden. Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 beschrieben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist der Diodenlaser-Oszillator oder -Verstärker mit wenigstens einer lichtleitenden Halbleiterschicht gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weitergebildet, daß die lichtleitende Halbleiterschicht in einer Weise ausgestaltet ist und/oder der Brechungsindex der lichtleitenden Halbleiterschicht sowie der Brechungsindex der die lichtleitende Halbleiterschicht umgebenden Halbleiterschichten derart gewählt sind, daß der optische Füllfaktor reduziert ist. Auf diese Weise wird der modale optische Gewinn verringert.
Die Reduzierung des optischen Füllfaktors kann man durch geeignete Wahl und Dimensionierung epitaktischer Schichtstrukturen erreichen. Die erfindungsgemäße Idee, den optischen Füllfaktors der lichtleitenden Halbleiterschicht zu reduzieren, geht von folgender Überlegung aus:
Die Ursache für das Phänomen der Strahlfilamentierung liegt in der Änderung des komplexen Brechungsindex infolge stimulierter Emission innerhalb des Halbleitermaterials. Der differentielle komplexe Brechungsindex δfi(n) läßt sich wie folgt darstellen:
δ n(n) = 1/2k • δgm(n) ■ [ i - α ]
Darin sind g (n) der modale Gewinn des Halbleitermaterials, der aus dem Produkt des Materialgewinns g(n) des optisch aktiven Schichtbereiches mit dem Füllfaktor T besteht. Der Füllfaktor ist durch den Überlapp zwischen dem Modenprofil im optischen Wellenleiter und dem optisch aktiven Schichtbereich definiert. Ferner gibt n die lokale Ladungsträgerdichte im verstärkenden Material, d.h. dem Material innerhalb des optisch aktiven Schichtbereiches an, den Linienverbreiterungsfaktor, k die Wellenzahl im Vakuum. Mit i=V(-1) wird der Imaginärteil des komplexen Brechungsindex berücksichtigt. Eine Änderung des Brechungsindex δn(n) ist über den differentiellen modalen Gewinn gm(n) mit der Ladungsträgerdichte n verknüpft. Ferner weist der Materialgewinn g(n) eine logarithmische Abhängigkeit von der lokalen Ladungsträgerdichte n auf und ist durch das verwendete Halbleitermaterial innerhalb der optisch aktiven Schicht vorgegeben. Somit weist auch der Materialgewinnung g(n) eine nahezu logarithmische Abhängigkeit von der Pumpstromdichte auf.
Aufgrund der vorstehend genannten Zusammenhänge folgt, daß eine optisch aktive Halbleiterschicht mit verringertem Füllfaktor F einen kleineren differentiellen modalen Gewinn δgm(n) aufweist. Es folgt ferner, daß eine derartige Schichtstruktur bei gleicher Änderung der Ladungsträgerdichte n einen kleineren differentiellen Brechungsindex δn(n) aufweist und damit eine geringere Empfindlichkeit bezüglich des Phänomens der Strahlfilametierung zeigt. Die Filamentierung ist infolgedessen durch die Verwendung einer optisch aktiven Halbleiterschicht mit kleinerem optischen Füllfaktor r ZU unterdrücken.
Zur Reduzierung des optischen Füllfaktors einer optisch aktiven Halbleiterschicht innerhalb eines Diodenlaser-Oszillators oder -Verstärkers sind grundsätzlich zwei Maßnahmen alternativ oder in Kombination zu treffen.
Im Falle klassischer Diodenlaserschichtanordnungen, in denen die Lichterzeugung durch stimulierte Photoemission in der Schicht mit dem höheren Brechungsindex erfolgt, in der auch zugleich die Wellen hauptsächlich durch optische Wellenführung geführt und verstärkt wird, wie beispielsweise in klassischen AlGaAs-Diodenlaser, betragen typische Füllfaktoren ca. 30%. Bei derartigen Schichtanordnungen ist zur Reduktion des optischen Füllfaktors die lichtleitende Halbleiterschicht vertikal zur Richtung der Wellenführung schmaler auszuführen, so daß ein möglichst geringer Wellenanteil in dem optisch aktiven Schichtbereich vorhanden ist. Alternativ oder zusätzlich ist der Brechungsindexunterschied zwischen der lichtleitenden Halbleiterschicht sowie der diese Schicht umgebenden Halbleiterschichten zu reduzieren, so daß das Wellenprofil möglichst flach über dem optisch aktiven Halbleiterbereich verläuft. Typische Dimensionierungen für die Dicke der lichtleitenden, optisch aktiven Halbleiterschicht betragen dann weniger als 0,05 μm und für die einzustellenden Brechungsindex-Unterschiede sind etwa 0,05 zwischen der aktiven und den umgebenden Schichten einzustellen.
Eine weitere Möglichkeit den modalen optischen Gewinn zu reduzieren, um damit eine Verbesserung der Strahlqualität zu erreichen, wobei der optische Füllfaktor reduziert wird, ist die Verwendung von Quantum-Wells innerhalb der lichtleitenden Halbleiterschicht. Durch die räumliche Trennung zwischen den optisch aktiven, epitaktisch eingebrachten Quantum-Wells und der lichtleitenden Halbleiterschicht kann die Reduktion des optischen Füllfaktors durch geeignete Dimensionierung von Wellenleiter und Quantum Well erreicht werden.
Neben der Wahl der Anzahl der in der lichtleitenden Halbleiterschicht vorzusehenden Quantum-Wells, die typischerweise eine Strukturdicke von 3 bis 5 nm aufweisen, kann der optische Füllfaktor auch zusätzlich durch die Variation der lateralen Breite der lichtleitenden Halbleiterschicht verändert und beeinflußt werden.
Ebenso kann durch asymmetrische Anordnungen der Qantum-Wells innerhalb der lichtleitenden Halbleiterschicht, d.h. gezielte Platzierung der Quantum-Wells innerhalb der lichtleitenden Halbleiterschicht in Schichtbereiche, in denen das Modenprofil möglichst flach verläuft, der optische Füllfaktor gezielt reduziert werden
Die vorstehend beschriebenen Maßnahmen können in Abhängigkeit der verwendeten Materialsysteme, aus denen die Diodenlaser-Oszillatoren bzw. -Verstärker aufgebaut sind, in geeigneter Weise kombiniert werden.
Eine weitere Verbesserung der Strahlqualität ist durch die Verwendung von inhomogen gepumpten Resonator- bzw. -Verstärker-Strukturen zu erzielen. Beispielsweise ist dies durch die Verwendung von strukturierten elektrischen Kontakten der Dioden oder durch die Protonenimplantation der Schichtbereiche, in denen der Stromfluß ganz oder teilweise unterbunden werden soll, zu erzielen.
Insbesondere bei dem Betrieb einer Halbleiterlaserstruktur als Verstärker ist dafür zu sorgen, daß die optischen Verluste in der Resonatorgeometrie höher einzustellen sind als die optische Verstärkung, die durch den modalen Gewinn gm gegeben ist. Neben den zum Teil kostenaufwendigen und umständlichen Methoden, um die optischen Verluste zu vergrößern, die vorstehend zum Stand der Technik beschrieben sind, eignet sich die erfindungsgemäße Verwendung von epitaktischen Schichtstrukturen mit kleinem modalen Gewinn, d.h., kleinem optischen Füllfaktor. Die Verwendung derartiger Schichtstrukturen läßt nicht nur eine deutliche Erhöhung der Laserschwelle und damit höhere Ausgangsleistung im Verstärkerbetrieb zu, sondern führt insbesondere auch zu einer wesentlichen Verbesserung der Strahlqualität. Zusätzlich können durch inhomogen gepumpte Schichtstrukturen die Strahlqualität verbessert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 Diagramm zur Gegenüberstellung einer Quantum-Well- Struktur mit verschiedenen optischen Füllfaktoren modaler Gewinn- und Stromdichte,
Fig. 2 schematischer Schichtaufbau einer Laserstruktur mit einer symmetrisch angeordneten Quantum-Well- Struktur,
Fig. 3 schematischer Schichtaufbau einer Laserstruktur mit einer Quantum-Well-Struktur sowie verschmälerter lichtleitenden Halbleiterschicht,
Fig. 4 schematischer Schichtaufbau einer Laserstruktur mit asymmetrisch zum lichtleitenden Halbleiterbereich angeordneten Quantum-Well sowie
Fig. 5 trapezförmig ausgebildete Laserdiode mit „Cavity- Spoiler".
Kurze Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Aus Fig. 1 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Auswirkung der Verkleinerung des optischen Füllfaktors F auf den damit verbundenen modularen Gewinn, der bei unterschiedlichen Pumpstromdichten erreichbar ist, dargestellt. Die Abszisse des Dia- grammes entspricht der Pumpstromdichte in Einheiten [A/cm2 ]. Die Ordinate entspricht dem modalen Gewinn in Einheiten [1/cm]. Die beiden in dem Diagramm eingezeichneten Funktionsverläufe entsprechen jeweils einer Quantum-Well-Struktur mit einer Dicke von 8 nm, die symmetrisch zu einer lichtleitenden Halbleiterschicht vorgesehen ist. Durch geeignete Maßnahmen entspricht der linke Diagrammverlauf einer Schichtanordnung mit einem optischen Füllfaktor F von 2,6%, wohingegen der rechte und flacher verlaufende Diagrammverlauf einer Anordnung mit einem optischen Füllfaktor von nur T = 1 ,3% entspricht. Bei einem durch die Resonatorgeometrie vorgegebenen Arbeitspunkt von g=20/cm ergeben sich in beiden Fällen unterschiedliche Schwellstromdichten, die im Falle der Anordnung mit einem optischen Füllfaktor von 1 ,3% über der Anordnung mit einem optischen Füllfaktor von 2,6% liegt. Entscheidend jedoch ist der Unterschied im differentiellen modalen Gewinn zwischen den beiden in der Figur dargestellten Diagrammverläufe. So besitzt die Struktur mit dem optischen Füllfaktor F = 1 ,3% durch den kleineren Füllfaktor und die logarithmische Abhängigkeit der Gewinnkurve von der Stromdichte einen kleineren differentiellen modalen Gewinn, d.h. die Steigung der Funktion im Arbeitspunkt ist um etwa den Faktor 4 kleiner ist als die Steigung des Graphens für die Struktur mit dem optischen Füllfaktor F = 2,6%. Der differentielle modale Gewinn ist jedoch entscheidend für die Änderung des komplexen Brechungsindex, wie es aus der vorstehend genannten Formel hervorgeht.
Eine geringere Änderung des optischen Gewinns mit einer lokalen Pumpstrom- bzw. Ladungsträgerdichteänderung im verstärkenden Halbleiterbereich führt ebenso zu einer kleineren Änderung des komplexen Brechungsindex. Auf diese Weise wird die Selbstfokussierung und das Einsetzen der Strahlfilamentierung entscheidend unterdrückt. In Fig. 2 ist ein schematischer Schichtaufbau einer Laserstruktur, vorzugsweise im InAIGaAs-Materialsystem angegeben. An der nach oben gerichteten Ordinatenachse ist der Aluminiumgehalt, an der nach unten gerichteten Ordinatenachse ist der Indiumgehalt eines Galliumarsenid-Substrates angetragen. Der lichtleitende Halbleiterschichtbereich LH weist eine Breite von 1 μm auf, der beidseitig von Halbleiterschichten umgeben ist, die einen höheren Aluminiumgehalt aufweisen und somit einen geringeren Brechungsindex besitzen. Symmetrisch und mittig zum lichtleitenden Halbleiterbereich ist ein Bereich 1 mit 0% AI-Gehalt vorgesehen, der dem besseren Ladungsträgereinfang dient und der zudem symmetrisch eine Quantum-Well-Struktur 2 aufweist. Für einen Kernbereich der lichtleitenden Halbleiterschicht LH von 1 μm und einem 8 nm breiten Quantum-Well wird ein optischer Füllfaktor von etwa 1 ,3% bei einer Emissionswellenlänge von ca. 1020 nm erreicht.
Im Unterschied zu der Schichtanordnung gemäß Fig. 2 weist die Schichtanordnung gemäß Fig. 3 einen verschmälerten lichtleitenden Halbleiterschichtbereich LH mit einer Breite von 0,5 μm auf. Im gleichen Maße ist die Breite der Quantum-Well- Struktur 2 auf nur 4 nm Dicke verkleinert worden, so daß ein optischer Füllfaktor von ebenfalls ca. 1 ,3% resultiert.
Im Unterschied zu der vorstehend symmetrischen Anordnung der Quantum-Well- Struktur innerhalb der lichtleitenden Halbleiterschicht zeigt Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel, in dem die Quantum-Well-Struktur 2 mit einer Dicke von 8 nm asymmetrisch zur 0,5 μm breiten lichtleitenden Halbleiterschicht LH angeordnet ist. Zusätzlich zur Schichtenfolge ist ein Wellenprofil WP in den Bereich der lichtleitenden Schicht eingetragen, durch das deutlich wird, daß die optisch aktive Schicht mit der Quantum- Well-Struktur 2 nicht mit dem Maximum des Wellenprofils übereinstimmt. Somit gelangen weniger Photonen in Bereich 2, wodurch der optische Füllfaktor erheblich reduziert werden kann.
Die vorstehend genannten Ausführungsbeispiele, die mit InAIGaAs/GaAs- Materialsystemen realisiert worden sind, können jedoch auch bei entsprechendem Design von Wellenleiterstruktur sowie aktiver Zonen auf andere Materialsysteme, wie beispielsweise InAIGaAsP/lnP, InGaAsSb etc. übertragen werden.
Ebenso sind die erfindungsgemäßen Maßnahmen zur Reduzierung des optischen Füllfaktors auf kantenemittierende oder oberflächenemittierende Laserdioden zugleich anwendbar.
Grundsätzlich ist eine erfindungsgemäße Verbesserung der Strahlqualität sowohl in indexgeführten als auch in gewinngeführten Diodenstrukturen zu verzeichnen. Eine besonders deutliche Verbesserung ist in Strukturen mit überwiegender Gewinnführung zu erwarten. Dazu zählen neben Breitstreifenlasern und -Verstärkern insbesondere trapezförmige Resonatorgeometrien und ganz allgemein instabil arbeitende Resonatoren und Verstärker. Ein mögliches Ausführungsbeispiel ist in Fig. 5 dargestellt, das eine trapezförmige Laserdiode mit „Cavity Spoilern" und einem inhomogen gepumpten Resonatorbereich zur Unterdrückung der Strahlfilamentierung zeigt. Hierbei weist der Resonator bzw. die optisch aktive Halbleiterschicht eine Länge von typischerweise 2000 μm auf. Ein Resonatorende ist mit Cavity-Spoilern CS ausgestattet und weist einen Reflexionsgrad von 90% auf, wohingegen die geometrisch aufgeweitete gegenüberliegende Resonatorseite mit einer Breite von vorzugsweise 200 μm lediglich einen Reflexionsgrad von 0,1% aufweist.
Durch die Verwendung einer derartigen Schichtstruktur kann die Laserschwelle in Diodenlaser-Verstärkern wirkungsvoll erhöht werden, so daß gegenüber konventionellen Schichtstrukturen deutlich höhere Ausgangsleistungen bei verbesserter Strahlqualität erzielbar sind.
Mit den beschriebenen erfindungsgemäßen Maßnahmen zur Reduzierung des optischen Füllfaktors, beispielsweise unter Verwendung gezielt eingebrachter epitaktischer Schichtstrukturen sind Diodenlaser und Diodenlaser-Verstärker realisierbar, die Ausgangsleistungen im Multiwatt-Bereich mit nahezu beugungsbegrenzter Strahlqualität erzielen. Damit sind effiziente und kostengünstige Strahlquellen für die Materialbearbeitung realisierbar.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Diodenlaser-Oszillator oder -Verstärker mit wenigstens einer lichtleitenden Halbleiterschicht,
- deren Brechungsindex größer ist als der Brechungsindex von Halbleiterschichten, die die lichtleitende Halbleiterschicht umgeben und zusammen mit dieser eine optische Wellenleiterstruktur bilden, und
- die wenigstens einen optisch aktiven Schichtbereich aufweist, innerhalb dem stimulierte Photonenemission auftritt und der einen optischen Füllfaktor aufweist, der den innerhalb des optisch aktiven Schichtbereiches vorhandenen Lichtanteil einer in der optischen Wellenleiterstruktur geführten optischen Welle beschreibt, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtleitende Halbleiterschicht derart ausgestaltet ist, und/oder der Brechungsindex der lichtleitenden Halbleiterschicht sowie der Brechungsindex der die lichtleitende Halbleiterschicht umgebenden Halbleiterschichten derart gewählt sind, daß der optische Füllfaktor reduziert ist.
2. Diodenlaser-Oszillator oder -Verstärker nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die lichtleitende Halbleiterschicht vollständig dem optisch aktiven Schichtbereich entspricht.
3. Diodenlaser-Oszillator oder -Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtleitende Halbleiterschicht vertikal zur Richtung der Wellenführung schmaler ausgeführt ist und/oder der Brechungsindexunterschied zwischen der lichtleitenden Halbleiterschicht sowie der diese Schicht umgebenden Halbleiterschichten reduziert ist, so daß ein möglichst geringer Wellenanteil in dem optisch aktiven Schichtbereich vorhanden ist.
4. Diodenlaser-Oszillator oder -Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Füllfaktor von typischerweise 30% auf etwa die Hälfte reduziert ist.
5. Diodenlaser-Oszillator oder -Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der lichtleitenden Halbleiterschicht < 0.05 μm beträgt.
6. Diodenlaser-Oszillator oder -Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindexunterschied 0.05 zwischen der aktiven Schicht und den umgebenden Schichten beträgt .
7. Diodenlaser-Oszillator oder -Verstärker nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß in der lichtleitenden Halbleiterschicht wenigstens eine Quantum-Wellstruktur vorgesehen ist, vorzugsweise ein oder zwei Quantum-Wells, die dem optisch aktiven Schichtbereich entspricht.
8. Diodenlaser-Oszillator oder -Verstärker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Quantum-Wellstruktur eine Schichtdicke vorsieht, die um wenigstens eine, vorzugsweise 2 bis 3 Größenordnungen kleiner ist als die Dicke der lichtleitenden Halbleiterschicht.
9. Diodenlaser-Oszillator oder -Verstärker nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der Quantum-Wellstruktur 3 bis 5 nm beträgt.
10. Diodenlaser-Oszillator oder -Verstärker nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Quantum-Wellstruktur asymmetrisch innerhalb der lichtleitenden Halbleiterschicht angeordnet ist.
11. Diodenlaser-Oszillator oder -Verstärker nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Füllfaktor 1 bis 2 Prozent beträgt.
12. Diodenlaser-Oszillator oder -Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß im optisch aktiven Schichtbereich Ladungsträger inhomogen anregbar sind, durch i) Strukturierung elektrischer Kontaktbereiche des Diodenlaser-Oszillators oder
-Verstärkers, so daß der optisch aktive Schichtbereich inhomogen mit Pumpstrom versorgbar ist, und/oder ii) Protonenimplantation in Halbleiterschichtbereichen, die den optisch aktiven Schichtbereich umgeben, zur gezielten gänzlichen oder teilweisen Unterbindung eines Ladungsträgerflußes.
13. Diodenlaser-Oszillator oder -Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit des verwendeten Materialsystems die vorstehend genannten Merkmale der Ansprüche 1 bis 12 in Kombinationen an- wenbar sind.
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