WO2009094967A2 - Oberflächenemittierender halbleiterlaser - Google Patents

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dbr mirror
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    • H01S5/4031—Edge-emitting structures

Definitions

  • the invention relates to a surface-emitting semiconductor laser according to the preamble of patent claim 1.
  • External cavity surface emitting semiconductor lasers also known as disk lasers or Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers (VECSEL) are characterized by high output power and high beam quality.
  • VECSEL Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers
  • Such surface-emitting semiconductor lasers offer in particular the possibility of integrating a means for frequency conversion of the emitted radiation into the laser resonator. In this way, it is possible, in particular, to produce visible light, in particular in the green spectral range, by means of a frequency doubling with a semiconductor material which emits radiation in the infrared spectral range.
  • the frequency conversion is usually done by a nonlinear optical crystal.
  • the semiconductor laser should have a narrow-band emission spectrum and high optical power within the laser cavity.
  • it is desirable for the semiconductor laser to emit radiation of a single longitudinal mode. In order to achieve a single-mode operation, often two transmission filters in the form of etalons are used in the external resonator.
  • a first transmission filter is usually used, which has such a large free spectral range that the spectral overlap with the gain curve of the active material can only oscillate the modes of a transmission maximum in the laser mode. The jumping of the laser modes between different transmission maxima of the filter is thus avoided.
  • a transmission filter in the form of an etalon with a large free spectral range usually has such a large half-width of a transmission maximum that several longitudinal modes of the laser resonator can oscillate within this transmission maximum.
  • a second transmission filter is used to select a single longitudinal mode from the longitudinal modes of the laser resonator falling within the transmission maximum of the first filter.
  • the invention has for its object to provide a surface emitting semiconductor laser, in which a frequency selection of the longitudinal modes is performed in a comparatively simple manner, so that in particular can be dispensed with a second transmission filter in the form of an etalon.
  • a surface emitting semiconductor laser includes a semiconductor die having a substrate, a DBR mirror deposited on the substrate, and an epitaxial layer stack deposited on the DBR mirror comprising a radiation-emitting active layer. Furthermore, to form an external resonator, the surface-emitting semiconductor laser contains an external resonator mirror arranged outside the semiconductor chip.
  • the DBR mirror and the substrate are partially transparent for the radiation emitted by the active layer, and a rear side of the substrate remote from the active layer is reflective for the emitted radiation.
  • the DBR mirror and the substrate are partially transparent to the radiation emitted by the active layer, a portion of the radiation emitted in the active layer can penetrate into the substrate, traverse the substrate and penetrate the back surface of the substrate facing away from the active layer Substrate are reflected back towards the DBR mirror and the active layer back.
  • the DBR mirror can have a transmission of significantly less than 1%.
  • the transmission of the DBR mirror is more than 0.1%.
  • the substrate enclosed between the DBR mirror and the reflective back side of the substrate forms In this way, a cavity whose resonance wavelength depends on the thickness of the substrate.
  • the radiation component transmitted by the partially transmissive DBR mirror in the direction of the back side of the substrate is reflected back and forth several times in the cavity, so that comparatively high absorption losses occur in the substrate.
  • the cavity formed by the partially transparent DBR mirror, the substrate and the reflective back of the substrate can be used as a wavelength-selective filter, since the longitudinal laser modes, whose wavelength corresponds to the resonant wavelengths of the cavity, can not vibrate because the optical losses due to absorption in the cavity are too big.
  • the cavity formed by the DBR mirror, the substrate and the reflective back side of the substrate can thus replace an etalon arranged in the laser resonator, so that the manufacturing and adjustment effort for the surface-emitting semiconductor laser is advantageously reduced.
  • the cavity formed by the DBR mirror and the reflective back side of the substrate is antiresonant at the wavelength ⁇ of the radiation emitted by the active layer.
  • n * d (m + 1/2) * ⁇ / 2.
  • n is the refractive index of the substrate
  • d is the thickness of the substrate
  • m is an integer
  • ⁇ is the wavelength
  • the rear side of the substrate facing away from the active layer is advantageously provided with a reflection-enhancing layer.
  • the reflection-enhancing layer may in particular be a layer of a metal or a metal alloy.
  • the reflection enhancing layer may be a layer of gold germanium (AuGe).
  • the reflection of the interface between the substrate and the reflection-enhancing layer for the radiation emitted by the active layer is more than 30%.
  • the reflection of a portion of the radiation emitted by the active layer on the rear side of the substrate has the advantage that the number of periods of the DBR mirror can be reduced compared to a conventional semiconductor laser.
  • the reduction in the number of layer pairs of the DBR mirror has the advantage that the overall thickness of the DBR mirror is reduced, thereby improving the heat dissipation of the heat generated in the active layer.
  • the reduced due to the smaller number of pairs of layers reflectivity of the DBR mirror is characterized by the Reflection of the radiation at the back of the substrate advantageously at least partially compensated, so that an advantageous for laser operation high total reflection is achieved.
  • the total reflection of the combination of the DBR mirror and the cavity formed with the reflective back surface of the substrate is 99.9% or more.
  • a high reflection of the combination of the DBR mirror and the reflective back side of the substrate can be achieved, in particular, even if the transmission of the DBR mirror is more than 0.1%.
  • a reflection-enhancing layer is advantageously applied to the back side of the substrate whose reflection is more than 30%.
  • the wavelength selection achieved by means of the cavity has the advantage that, in the case of the surface-emitting semiconductor laser, a single etalon advantageously suffices as an additional transmission filter in the external resonator.
  • the single etalon in the external resonator can advantageously be an uncoated etalon that can be produced cost-effectively and that preferably consists of a single homogeneous material.
  • the etalon may be an uncoated glass plate.
  • the surface-emitting semiconductor laser can be mounted, for example, on a heat sink.
  • the heat sink may in particular be mounted on the back of the substrate.
  • a comparatively small number of periods of the DBR Mirror in this case reduces the thermal resistance between the active layer and the heat sink.
  • the substrate of the surface emitting semiconductor laser is a GaAs substrate.
  • a GaAs substrate is permeable to an emission wavelength in the infrared spectral range, for example a wavelength of about 1060 nm, that is, it has only a comparatively low absorption.
  • the emission wavelength of the surface emitting semiconductor laser it is also possible to use other substrates which are at least partially permeable to the emission wavelength, for example substrates of InP, sapphire or SiC.
  • the surface emitting semiconductor laser is preferably an optically pumped semiconductor laser.
  • the surface-emitting semiconductor laser can have a pump radiation source arranged outside the epitaxial layer sequence.
  • the pump radiation source may be a diode laser which radiates pump radiation having a pump wavelength which is smaller than the emission wavelength of the radiation emitted by the active layer into the active layer and thus excites the active layer to emit laser radiation.
  • the active layer may in particular be a single or multiple quantum well structure.
  • quantum well structure encompasses any structure in which charge carriers undergo quantization of their energy states by confinement.
  • Name Quantum well structure No information about the dimensionality of the quantization. It thus includes quantum wells, quantum wires and quantum dots and any combination of these structures.
  • the active layer is preferably based on a III-V compound semiconductor, in particular on an arsenide compound semiconductor.
  • the active epitaxial layer sequence or at least one layer thereof comprises an arsenide compound semiconductor material, preferably Al n Ga m In n m As, where O ⁇ n ⁇ l, O ⁇ m ⁇ l and n + m ⁇ 1.
  • this material does not necessarily have to have a mathematically exact composition according to the above formula, but rather it may have one or more dopants and additional constituents which exhibit the characteristic physical properties of the Al n Ga m initiation. n -.
  • m as material does not substantially alter the above formula includes only the major components of the crystal lattice (Al, Ga, in, as), even if these can be replaced in part by small amounts of other substances.
  • the surface-emitting semiconductor laser has a pump radiation source monolithically integrated into the epitaxial layer sequence.
  • the monolithic integration of a pump radiation source into the epitaxial layer sequence of a surface-emitting semiconductor laser is known per se from document WO 01/93386 A1 and is therefore not explained in detail here.
  • the surface-emitting semiconductor laser preferably contains a frequency conversion element for frequency conversion of the radiation emitted by the active layer.
  • the frequency conversion can be in particular a frequency multiplication, for example a frequency doubling.
  • the surface-emitting semiconductor laser may comprise an active layer provided for the emission of infrared radiation, the infrared radiation being generated by means of the infrared radiation
  • Frequency conversion element in visible light preferably in green or blue visible light
  • the frequency conversion element may in particular be an optically nonlinear crystal. It is advantageous for the frequency conversion that wavelength selection takes place by means of the cavity formed by the DBR mirror and the reflective back side of the substrate, since frequency conversion by a non-linear optical element is particularly effective with a low spectral bandwidth of the radiation, in particular in single-mode operation is.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a cross section through a first exemplary embodiment of a surface-emitting semiconductor laser according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a cross section through a further exemplary embodiment of a surface emitting semiconductor laser according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic diagram of the longitudinal laser modes in the laser resonator without consideration of a spectral filtering
  • Figure 4 is a schematic diagram of the
  • FIG. 5 shows schematic diagrams of the reflection of a DBR mirror without consideration of the substrate reflections and with consideration of the substrate reflections
  • FIG. 6 shows schematic diagrams of the
  • FIG. 7 shows a schematic diagram of a measured emission spectrum of a
  • FIG. 8 shows a schematic diagram of a measured emission spectrum of a further embodiment of a surface emitting semiconductor laser according to the invention
  • FIG. 9 shows schematic diagrams of FIG
  • the surface emitting semiconductor laser shown in FIG. 1 contains a semiconductor chip 1 which comprises a substrate 2.
  • the substrate 2 is preferably a GaAs substrate, which is partially transparent for wavelengths in the infrared spectral range.
  • a DBR mirror 3 is applied, which contains a plurality of layer pairs of two semiconductor layers, which differ in their material composition and thus in their refractive index from each other.
  • the alternating layers of the DBR mirror 3 are preferably epitaxially grown on the substrate 2.
  • the DBR mirror 3 is followed in the growth direction of the semiconductor chip 1 by an epitaxial layer sequence 4.
  • the epitaxial layer sequence 4 has an active layer 5 suitable for the emission of radiation 6, in particular radiation from the ultraviolet, visible or infrared spectral range.
  • the active layer 5 may comprise a plurality of semiconductor layers, in particular it may contain a quantum well structure.
  • the active layer 5 is preferably a layer suitable for the emission of infrared radiation.
  • the active layer 5 can be deposited on an arsenide
  • Compound semiconductor material “Based on an arsenide compound semiconductor” in the present context means that the active epitaxial layer sequence or at least one layer thereof comprises an arsenide compound semiconductor material, preferably Al n Ga m Ini nm As, where O ⁇ n ⁇ l, O ⁇ m ⁇ l and n + m ⁇ 1.
  • this material does not necessarily have to have a mathematically exact composition according to the above formula, but instead it may have one or more dopants and additional constituents which have the characteristic physical properties of Al n Ga m Ini_ For simplicity, however n _ not change ra as material substantially.
  • above formula includes only the major components of the crystal lattice (Al, Ga, in, as), even if these can be replaced in part by small amounts of other substances.
  • the surface-emitting semiconductor laser is an optically pumped semiconductor laser, in which a pump radiation source 10 arranged outside the semiconductor chip 1 radiates pump radiation 11 into the active layer 5 of the semiconductor chip 1 in order to excite it to emit laser radiation 6.
  • the surface-emitting semiconductor laser has a laser resonator which is formed by the DBR mirror 3 and an external resonator mirror 9 arranged outside the semiconductor chip 1.
  • the laser radiation 6 of the surface emitting semiconductor laser is coupled out by the external resonator mirror 9.
  • a frequency conversion element 12 is included in the laser resonator of the surface emitting semiconductor laser.
  • the frequency conversion may in particular be a frequency doubling, so that the surface-emitting semiconductor laser emits laser radiation having a wavelength which is half as large as the radiation emitted by the active layer 5.
  • the active layer 5 can emit infrared radiation, which is converted by means of the frequency conversion element 12 into visible radiation, in particular green or blue radiation.
  • the laser resonator preferably contains a transmission filter 13, in particular in the form of an etalon.
  • the transmission filter 13 is preferably characterized by a large free spectral range in order to select a narrow wavelength range for the laser emission from the comparatively broad amplification range of the active layer 5.
  • the transmission maxima are generally so wide that a multiplicity of longitudinal laser modes lie within the transmission range.
  • conventional second-stage lasers therefore generally employ a second etalon which is characterized by transmission maxima with a narrow half-width in order to be within the Transmission maximum of the first etalon few or preferably only a longitudinal laser mode to select.
  • the selection of the longitudinal laser modes takes place in that the DBR mirror 3 and the substrate 2 for the emitted radiation 6 are partially transparent and the rear side 14 of the substrate 2 remote from the active layer 5 is reflective.
  • the radiation 6 emitted by the active layer is thus only partially reflected by the DBR mirror 3, so that a portion of the emitted radiation 6 can at least partially pass through the DBR mirror 3 and the substrate 2.
  • the DBR mirror 3 has a transmission of more than 0.1%.
  • the radiation 6 is then reflected back in the direction of the DBR mirror 3 and the active layer 5.
  • the rear side 14 of the substrate 2 is preferably provided with a reflection-enhancing layer 7, which may in particular be a layer of a metal or a metal alloy.
  • the reflection-enhancing layer 7 may be a layer of AuGe.
  • the reflection at the interface between the substrate 2 and the reflection-enhancing layer 7 is more than 30%. Because the reflection at the rear side 14 of the substrate 2 is more than 30%, an overall reflection of the combination of the DBR mirror 3 and the rear side 14 of the substrate 2 of more than 99.9%, which is advantageous for laser operation, can be achieved , Such a high one total reflection can be achieved even if the DBR mirror 3 has a transmission of more than 0.1%.
  • a reflection-reducing layer 8 is applied to improve the radiation extraction from the semiconductor chip.
  • the DBR mirror 3 and the reflective back side 14 of the substrate 2 form a cavity whose thickness d is equal to the thickness of the substrate 2.
  • the wavelength selection of the longitudinal laser modes takes place in that wavelengths which fulfill the resonance condition of the cavity formed by the DBR mirror 3 and the reflective rear side 14 of the substrate are reflected back and forth several times in the cavity and thereby experience comparatively high absorption losses. At these wavelengths, the combination of the DBR mirror 3 and the substrate rear side 14 has a reflection minimum.
  • there is maximum reflectivity so that a longitudinal laser mode with this wavelength can resonate in the laser cavity.
  • the transmission filter 13 may in particular be an uncoated etalon, for example in the form of an uncoated glass plate.
  • the production cost and associated costs are reduced thereby advantageous.
  • the high reflection of the cavity formed from the DBR mirror 3 and the reflective rear side 14 of the substrate 2 furthermore has the advantage that the number of layer pairs of the DBR mirror can be comparatively low, in particular smaller than 25. In this way, a small total thickness of the DBR mirror 3 results, whereby the heat dissipation of the heat generated in the active layer 5 is improved.
  • the reduced due to the small number of layer pairs reflectivity of the DBR mirror 3 is advantageously at least partially compensated by the reflection of the radiation 6 at the back 14 of the substrate 2.
  • the illustrated in Figure 2 embodiment of a surface emitting semiconductor laser according to the invention differs from the embodiment shown in Figure 1 in that instead of a pump radiation source arranged outside the semiconductor chip 1 two monolithically integrated in the semiconductor chip 1 pump laser 15, the pump radiation 11 in the lateral direction in the irradiate active layer 5, are provided for optical pumping of the active layer 5.
  • the monolithic integrated pump laser 15 an effective optical pumping of the active layer 5 is achieved, wherein a pump laser arranged outside the semiconductor chip 1 can be dispensed with and thus the manufacturing and adjustment effort is reduced.
  • the pump lasers 15 can be electrically contacted, for example, by electrical contacts 16 arranged on the surface of the semiconductor chip 1 facing away from the substrate 2.
  • electrical contacts 16 for example, a layer of a metal or a metal alloy. 7 serve on the back 14 of the substrate 2, which advantageously serves at the same time to increase the reflection of the back 14 of the substrate 2.
  • this embodiment corresponds to a surface emitting semiconductor laser, in particular with regard to the formation of the cavity by the partially transparent DBR mirror 3 and the reflective back 14 of the substrate 2 to the embodiment shown in Figure 1.
  • FIG. 3 schematically shows the mode spectrum of the longitudinal laser modes in a laser resonator without the influence of one or more wavelength-selective elements. Plotted is the intensity I of the laser modes as a function of the wavelength ⁇ .
  • the spectrum of the longitudinal modes has a plurality of maxima and minima, the distance of which depends on the length of the laser resonator. For a laser resonator whose length is about 5 mm, the distance of the longitudinal laser modes is about 0.1 nm.
  • FIG. 4 shows the transmission T of a wavelength filter, for example an etalon, as a function of the wavelength ⁇ .
  • the bandwidth of such a filter may be, for example, about 2 nm, so that a large number of the laser modes still fall within the transmission range of the transmission filter. So that only a few or preferably only one longitudinal laser mode can oscillate, a second wavelength-selective element is therefore generally required.
  • FIG. 5 shows on the left side the reflection R of a DBR mirror in the vicinity of the reflection maximum as a function of the wavelength ⁇ .
  • the right side shows the reflection R near the reflection maximum in the case where the DBR mirror is partially transparent and forms a cavity together with a substrate having a reflective back.
  • several minima are superimposed on the reflection maximum, which correspond to the resonances of the cavity.
  • the maxima correspond to the wavelengths for which the cavity formed by the DBR mirror and the back of the substrate is antiresonant.
  • FIG. 6 clarifies how the resonance effect of the cavity can be utilized for the selection of a longitudinal laser mode.
  • the left side of Figure 6 shows schematically the emission spectrum of a surface emitting semiconductor laser, for the spectral filtering in a conventional manner, a transmission filter, the transmission curve of which corresponds for example to Figure 4, and a conventional DBR mirror whose reflection curve on the left side of Figure 5 shown is to be used for wavelength selection.
  • a multiplicity of longitudinal laser modes can oscillate, since the comparatively broad reflection maximum of the DBR mirror does not contribute significantly to the wavelength selection.
  • the emission spectrum of an embodiment of a surface emitting semiconductor laser according to the invention is shown schematically in which the wavelength selection is additionally effected in that the DBR mirror is partially transparent and forms a cavity together with the reflective back of a substrate.
  • the longitudinal laser mode selected in this way lies in a reflection maximum of the combination of the DBR mirror and the reflective back side of the substrate.
  • FIGS. 7 and 8 show measured emission spectra of two exemplary embodiments of a surface emitting semiconductor laser according to the invention, which are influenced by reflections on the rear side of the substrate, as in the example shown on the right side of FIG.
  • the substrate is a GaAs substrate in both cases.
  • the surface emitting semiconductor lasers of the emission spectra shown in Figs. 7 and 8 differ in the thickness of the substrate.
  • the substrate has a thickness of 115 ⁇ m.
  • the emission spectrum shows two emission maxima spaced 1.2 nm apart.
  • the emission spectrum shown in Figure 8 was generated with a surface emitting semiconductor laser having a substrate thickness of 80 microns.
  • the distance of the emission maxima, which scales with the reciprocal optical thickness of the substrate is 1.8 nm.
  • the simulations make it clear that reflective minima 21 are formed at a reflective rear side of the substrate, which increase with increasing reflection at the rear side of the substrate.
  • the wavelengths of the reflection minima 21 correspond to the resonance wavelengths of the cavity forming the substrate arranged between the DBR mirror and the reflective back side of the substrate.
  • reflection maxima 22 are arranged, which correspond to the wavelengths at which the cavity is antiresonant.
  • the cavity is advantageously antiresonant, so that a reflection maximum 22 is present at the wavelength emitted by the active layer.

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Abstract

Es wird ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser mit einem Halbleiterchip (1), der ein Substrat (2), einen auf das Substrat (2) aufgebrachten DBR-Spiegel (3) und eine auf dem DBR-Spiegel (3) aufgebrachte Epitaxieschichtenfolge (4), die eine strahlungsemittierende aktive Schicht (5) umfasst, aufweist, und einem außerhalb des Halbleiterchips (1) angeordneten externen Resonatorspiegel (9), angegeben. Der DBR-Spiegel (3) und das Substrat (2) sind für die von der aktiven Schicht (5) emittierte Strahlung (6) teildurchlässig und eine von der aktiven Schicht (5) abgewandte Rückseite (14) des Substrats (2) ist für die emittierte Strahlung (6) reflektierend.

Description

Beschreibung
Oberflächenemittierender Halbleiterlaser
Die Erfindung betrifft einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2008 006 993.0, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Oberflächenemittierende Halbleiterlaser mit externem Resonator, die auch unter den Bezeichnungen Scheibenlaser oder VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser) bekannt sind, zeichnen sich durch eine hohe Ausgangsleistung bei gleichzeitig hoher Strahlqualität aus .
Derartige oberflächenemittierende Halbleiterlaser bieten insbesondere die Möglichkeit, ein Mittel zur Frequenzkonversion der emittierten Strahlung in den Laserresonator zu integrieren. Auf diese Weise ist es insbesondere möglich, mit einem Halbleitermaterial, das Strahlung im infraroten Spektralbereich emittiert, durch eine Frequenzverdopplung sichtbares Licht, insbesondere im grünen Spektralbereich, zu erzeugen. Die Frequenzkonversion erfolgt dabei in der Regel durch einen nichtlinearen optischen Kristall. Um eine effiziente Frequenzkonversion zu erzielen, sollte der Halbleiterlaser ein schmalbandiges Emissionsspektrum und eine hohe optische Leistung innerhalb des Laserresonators aufweisen. Insbesondere ist es wünschenswert, dass der Halbleiterlaser Strahlung einer einzigen longitudinalen Mode emittiert. Um einen Einmoden-Betrieb zu erzielen, werden oftmals zwei Transmissionsfilter in Form von Etalons im externen Resonator eingesetzt. Dabei wird in der Regel ein erster Transmissionsfilter eingesetzt, der einen so großen freien Spektralbereich aufweist, dass der spektrale Überlapp mit der Verstärkungskurve des aktiven Materials nur die Moden eines Transmissionsmaximums im Laserbetrieb anschwingen lässt. Das Springen der Lasermoden zwischen verschiedenen Transmissionsmaxima des Filters wird so vermieden. Ein Transmissionsfilter in Form eines Etalons mit einem großen freien Spektralbereich weist allerdings in der Regel eine derart große Halbwertsbreite eines Transmissionsmaximums auf, dass mehrere longitudinale Moden des Laserresonators innerhalb dieses Transmissionsmaximums anschwingen können. Aus diesem Grund wird ein zweiter Transmissionsfilter eingesetzt, um aus den longitudinalen Moden des Laserresonators, die in das Transmissionsmaximum des ersten Filters fallen, eine einzelne longitudinale Mode zu selektieren.
Der Einsatz zweier Filter erfordert allerdings eine präzise Justage der beiden Filter und kann unerwünschte optische Verluste in dem Laserresonator erzeugen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser anzugeben, bei dem auf eine vergleichsweise einfache Weise eine Frequenzselektion der longitudinalen Moden erfolgt, so dass insbesondere auf einen zweiten Transmissionsfilter in Form eines Etalons verzichtet werden kann.
Diese Aufgabe wird durch einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Erfindung enthält ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser einen Halbleiterchip, der ein Substrat, einen auf das Substrat aufgebrachten DBR-Spiegel und eine auf den DBR-Spiegel aufgebrachte Epitaxieschichtenfolge, die eine Strahlungsemittierende aktive Schicht umfasst, aufweist. Weiterhin enthält der oberflächenemittierende Halbleiterlaser zur Ausbildung eines externen Resonators einen außerhalb des Halbleiterchips angeordneten externen Resonatorspiegel . Der DBR-Spiegel und das Substrat sind für die von der aktiven Schicht emittierte Strahlung teildurchlässig und eine von der aktiven Schicht abgewandte Rückseite des Substrats ist für die emittierte Strahlung reflektierend.
Dadurch, dass der DBR-Spiegel und das Substrat für die von der aktiven Schicht emittierte Strahlung teildurchlässig sind, kann ein Teil der in der aktiven Schicht emittierten Strahlung in das Substrat eindringen, das Substrat durchqueren und an der von der aktiven Schicht abgewandten rückseitigen Grenzfläche des Substrats in Richtung zum DBR- Spiegel und der aktiven Schicht hin zurückreflektiert werden. Im Fall des DBR-Spiegels reicht bereits eine geringe Teildurchlässigkeit für die von der aktiven Schicht emittierte Strahlung aus, insbesondere kann der DBR-Spiegel eine Transmission von deutlich weniger als 1% aufweisen. Bevorzugt beträgt die Transmission des DBR-Spiegels mehr als 0,1 %.
Das zwischen dem DBR-Spiegel und der reflektierenden Rückseite des Substrats eingeschlossene Substrat bildet auf diese Weise eine Kavität aus, deren Resonanzwellenlänge von der Dicke des Substrats abhängt. Bei der Resonanzwellenlänge der Kavität wird der von dem teildurchlässigen DBR-Spiegel in Richtung zur Rückseite des Substrats durchgelassene Strahlungsanteil mehrfach in der Kavität hin- und herreflektiert, so dass vergleichsweise hohe Absorptionsverluste in dem Substrat auftreten.
Die aus dem teildurchlässigen DBR-Spiegel, dem Substrat und der reflektierenden Rückseite des Substrats gebildete Kavität kann als wellenlängenselektives Filter eingesetzt werden, da die longitudinalen Lasermoden, deren Wellenlänge den Resonanzwellenlängen der Kavität entspricht, nicht anschwingen können, weil die optischen Verluste aufgrund von Absorption in der Kavität zu groß sind.
Die aus dem DBR-Spiegel, dem Substrat und der reflektierenden Rückseite des Substrats gebildete Kavität kann auf diese Weise ein in dem Laserresonator angeordnetes Etalon ersetzen, so dass der Herstellungs- und Justageaufwand für den oberflächenemittierenden Halbleiterlaser vorteilhaft vermindert wird.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die von dem DBR- Spiegel und der reflektierenden Rückseite des Substrats ausgebildete Kavität bei der Wellenlänge λ der von der aktiven Schicht emittierten Strahlung antiresonant . In diesem Fall gilt:
n * d = (m + 1/2) * λ/2.
Dabei ist n der Brechungsindex des Substrats, d die Dicke des Substrats, m eine ganze Zahl und λ die Wellenlänge. In diesem Fall sind die Absorptionsverluste der von der aktiven Schicht emittierten Strahlung in der aus dem DBR- Spiegel, dem Substrat und der reflektierenden Rückseite des Substrats gebildeten Kavität minimal und die Reflektivität ist maximal . Benachbarte longitudinale Lasermoden, deren Wellenlängen sich von der Laserwellenlänge unterscheiden, erfahren dagegen höhere Absorptionsverluste und werden auf diese Weise vorteilhaft unterdrückt.
Die von der aktiven Schicht abgewandte Rückseite des Substrats ist vorteilhaft mit einer reflexionserhöhenden Schicht versehen. Die reflexionserhöhende Schicht kann insbesondere eine Schicht aus einem Metall oder einer Metalllegierung sein. Beispielsweise kann es sich bei der reflexionserhöhenden Schicht um eine Schicht aus Goldgermanium (AuGe) handeln.
Vorzugsweise beträgt die Reflexion der Grenzfläche zwischen dem Substrat und der reflexionserhöhenden Schicht für die von der aktiven Schicht emittierte Strahlung mehr als 30 %.
Die Reflexion eines Teils der von der aktiven Schicht emittierten Strahlung an der Rückseite des Substrats hat den Vorteil, dass die Anzahl der Perioden des DBR-Spiegels gegenüber einem herkömmlichen Halbleiterlaser reduziert werden kann. Die Verminderung der Anzahl der Schichtpaare des DBR-Spiegels hat den Vorteil, dass sich die Gesamtdicke des DBR-Spiegels vermindert, wodurch die Wärmeableitung der in der aktiven Schicht erzeugten Wärme verbessert wird.
Die aufgrund der geringeren Anzahl der Schichtpaare verminderte Reflektivität des DBR-Spiegels wird durch die Reflexion der Strahlung an der Rückseite des Substrats vorteilhaft zumindest teilweise kompensiert, so dass eine für den Laserbetrieb vorteilhaft hohe Gesamtreflexion erzielt wird.
Bevorzugt beträgt die gesamte Reflexion der Kombination aus dem DBR-Spiegel und der mit der reflektierenden Rückseite des Substrats ausgebildeten Kavität 99,9% oder mehr. Eine derart hohe Reflexion der Kombination aus dem DBR-Spiegel und der reflektierenden Rückseite des Substrats kann insbesondere auch dann erzielt werden, wenn die Transmission des DBR- Spiegels mehr als 0,1 % beträgt. Zur Erzielung einer derart hohen gesamten Reflexion ist vorteilhaft eine reflexionserhöhende Schicht auf die Rückseite des Substrats aufgebracht, deren Reflexion mehr als 30% beträgt.
Die mittels der Kavität erzielte Wellenlängenselektion hat den Vorteil, dass bei dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser vorteilhaft ein einziges Etalon als zusätzlicher Transmissionsfilter in dem externen Resonator ausreicht. Weiterhin kann es sich bei dem einzigen Etalon in dem externen Resonator vorteilhaft um ein kostengünstig herstellbares unbeschichtetes Etalon handeln, das vorzugsweise aus einem einzigen homogenen Material besteht. Beispielsweise kann das Etalon ein unbeschichtetes Glasplättchen sein.
Zur Abfuhr der in der aktiven Schicht erzeugten Wärme kann der oberflächenemittierende Halbleiterlaser beispielsweise auf eine Wärmesenke montiert sein. Die Wärmesenke kann insbesondere an der Rückseite des Substrats montiert sein. Eine vergleichsweise geringe Anzahl der Perioden des DBR- Spiegels vermindert in diesem Fall den thermischen Widerstand zwischen der aktiven Schicht und der Wärmesenke.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Substrat des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers ein GaAs-Substrat . Ein GaAs-Substrat ist für eine Emissionswellenlänge im infraroten Spektralbereich, beispielsweise eine Wellenlänge von etwa 1060 nm, durchlässig, dass heißt es weist nur eine vergleichsweise geringe Absorption auf . Je nach Emissionswellenlänge des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers können auch andere Substrate verwendet werden, die für die Emissionswelllänge zumindest teilweise durchlässig sind, zum Beispiel Substrate aus InP, Saphir oder SiC.
Bei dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser handelt es sich vorzugsweise um einen optisch gepumpten Halbleiterlaser. Insbesondere kann der oberflächenemittierende Halbleiterlaser eine außerhalb der Epitaxieschichtenfolge angeordnete Pumpstrahlungsquelle aufweisen. Bei der Pumpstrahlungsquelle kann es sich beispielsweise um einen Diodenlaser handeln, der Pumpstrahlung mit einer Pumpwellenlänge, die kleiner ist als die Emissionswellenlänge der von der aktiven Schicht emittierten Strahlung, in die aktive Schicht einstrahlt und die aktive Schicht auf diese Weise zur Emission von Laserstrahlung anregt.
Bei der aktiven Schicht kann es sich insbesondere um eine Einfach- oder MehrfachquantentopfStruktur handeln. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur umfasst im Rahmen der Anmeldung jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch Einschluss ( "confinement" ) eine Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren. Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung Quantentopfstruktur keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit u.a. Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
Die aktive Schicht basiert vorzugsweise auf einem III-V- Verbindungshalbleiter, insbesondere auf einem Arsenid- Verbindungshalbleiter . „Auf einem Arsenid- Verbindungshalbleiter basierend" bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die aktive Epitaxie-Schichtenfolge oder zumindest eine Schicht davon ein Arsenidverbindungs- halbleitermaterial, vorzugsweise AlnGamIni-n_mAs umfasst, wobei O ≤ n ≤ l, O ≤ m ≤ l und n + m < 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die charakteristischen physikalischen Eigenschaften des AlnGamIni-n-mAs-Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, As), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der oberflächenemittierende Halbleiterlaser eine monolithisch in die Epitaxieschichtenfolge integrierte Pumpstrahlungsquelle auf. Die monolithische Integration einer Pumpstrahlungsquelle in die Epitaxieschichtenfolge eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers ist an sich aus der Druckschrift WO 01/93386 Al bekannt und wird daher an dieser Stelle nicht näher erläutert. Der oberflächenemittierende Halbleiterlaser enthält bevorzugt ein Frequenzkonversionselement zur Frequenzkonversion der von der aktiven Schicht emittierten Strahlung.
Die Frequenzkonversion kann dabei insbesondere eine Frequenzvervielfachung, beispielsweise eine Frequenzverdopplung sein. Zum Beispiel kann der oberflächenemittierende Halbleiterlaser eine zur Emission von infraroter Strahlung vorgesehene aktive Schicht aufweisen, wobei die infrarote Strahlung mittels des
Frequenzkonversionselements in sichtbares Licht, bevorzugt in grünes oder blaues sichtbares Licht, konvertiert wird. Das Frequenzkonversionselement kann insbesondere ein optisch nichtlinearer Kristall sein. Für die Frequenzkonversion ist es von Vorteil, dass mittels der aus dem DBR-Spiegel und der reflektierenden Rückseite des Substrats gebildeten Kavität eine Wellenlängeselektion erfolgt, da die Frequenzkonversion durch ein nichtlineares optisches Element bei einer geringen spektralen Bandbreite der Strahlung, insbesondere im Einmodenbetrieb, besonderes effektiv ist.
Der Erfindung wird im Folgenden anhand von
Ausführungsbeispielen in Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 9 näher erläutert .
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß der Erfindung, Figur 2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß der Erfindung,
Figur 3 eine schematische graphische Darstellung der longitudinalen Lasermoden in dem Laserresonator ohne Berücksichtung einer spektralen Filterung,
Figur 4 eine schematische graphische Darstellung der
Transmissionskurve eines Transmissionsfilters ,
Figur 5 schematische graphische Darstellungen der Reflexion eines DBR-Spiegels ohne Berücksichtung der Substratreflexionen und mit Berücksichtung der Substratreflexionen,
Figur 6 schematische graphische Darstellungen des
Emissionsspektrums eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers ohne Berücksichtung der Substratreflexionen und mit Berücksichtung der Substratreflexionen,
Figur 7 eine schematische graphische Darstellung eines gemessenen Emissionsspektrums eines
Ausführungsbeispiels eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß der Erfindung,
Figur 8 eine schematische graphische Darstellung eines gemessenen Emissionsspektrums eines weiteren Ausführungsbeispiels eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß der Erfindung, und Figur 9 schematische graphische Darstellungen von
Simulationen der Reflektivität R eines DBR-Spiegels auf einem Substrat.
Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente zur Verdeutlichung übertrieben groß dargestellt sein.
Der in Figur 1 dargestellte oberflächenemittierende Halbleiterlaser enthält einen Halbleiterchip 1, der ein Substrat 2 umfasst. Bei dem Substrat 2 handelt es sich vorzugsweise um ein GaAs-Substrat, das für Wellenlängen im infraroten Spektralbereich teildurchlässig ist.
Auf das Substrat 2 ist ein DBR-Spiegel 3 aufgebracht, der eine Vielzahl von Schichtpaaren aus jeweils zwei Halbleiterschichten enthält, die sich in ihrer Materialzusammensetzung und somit in ihrem Brechungsindex voneinander unterscheiden. Die alternierenden Schichten des DBR-Spiegels 3 sind vorzugsweise epitaktisch auf das Substrat 2 aufgewachsen.
Dem DBR-Spiegel 3 folgt in Wachstumsrichtung des Halbleiterchips 1 eine Epitaxieschichtenfolge 4 nach. Die Epitaxieschichtenfolge 4 weist eine zur Emission von Strahlung 6, insbesondere Strahlung aus dem ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Spektralbereich, geeignete aktive Schicht 5 auf. Die aktive Schicht 5 kann mehrere Halbleiterschichten umfassen, insbesondere kann sie eine Quantentopfstruktur enthalten. Die aktive Schicht 5 ist vorzugsweise eine zur Emission von infraroter Strahlung geeignete Schicht. Insbesondere kann die aktive Schicht 5 auf einem Arsenid-
Verbindungshalbleitermaterial basieren, „Auf einem Arsenid- Verbindungshalbleiter basierend" bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die aktive Epitaxie-Schichtenfolge oder zumindest eine Schicht davon ein Arsenidverbindungs- halbleitermaterial , vorzugsweise AlnGamIni-n-mAs umfasst, wobei O ≤ n ≤ l, O ≤ m ≤ l und n + m < 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die charakteristischen physikalischen Eigenschaften des AlnGamIni_n_raAs-Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, As) , auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Der oberflächenemittierende Halbleiterlaser ist ein optisch gepumpter Halbleiterlaser, bei dem eine außerhalb des Halbleiterchips 1 angeordnete Pumpstrahlungsquelle 10 Pumpstrahlung 11 in die aktive Schicht 5 des Halbleiterchips 1 einstrahlt, um diese zur Emission von Laserstrahlung 6 anzuregen.
Der oberflächenemittierende Halbleiterlaser weist einen Laserresonator auf, der durch den DBR-Spiegel 3 und einen außerhalb des Halbleiterchips 1 angeordneten externen Resonatorspiegel 9 gebildet wird. Die Laserstrahlung 6 des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers wird durch den externen Resonatorspiegel 9 ausgekoppelt. In dem Laserresonator des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers ist ein Frequenzkonversionselement 12 enthalten. Mittels des Frequenzkonversionselements 12 wird die von der aktiven Schicht 5 emittierte Strahlung zu einer größeren Frequenz und somit zu einer kürzeren Wellenlänge hin konvertiert. Bei der Frequenzkonversion kann es sich insbesondere um eine Frequenzverdopplung handeln, so dass der oberflächenemittierende Halbleiterlaser Laserstrahlung mit einer Wellenlänge emittiert, die halb so groß ist wie die von der aktiven Schicht 5. emittierte Strahlung. Insbesondere kann die aktive Schicht 5 infrarote Strahlung emittieren, die mittels des Frequenzkonversionselements 12 in sichtbare Strahlung, insbesondere grüne oder blaue Strahlung, konvertiert wird.
Weiterhin enthält der Laserresonator bevorzugt einen Transmissionsfilter 13, insbesondere in Form eines Etalons . Der Transmissionsfilter 13 zeichnet sich vorzugsweise durch einen großen freien Spektralbereich aus, um aus dem vergleichsweise breiten Verstärkungsbereich der aktiven Schicht 5 einen schmalen Wellenlängenbereich für die Laseremission zu selektieren. Bei einem Transmissionsfilter 13 in Form eines Etalons, das einen großen freien Spektralbereich und somit weit auseinander liegende Transmissionsmaxima aufweist, sind die Transmissionsmaxima in der Regel derart breit, dass eine Vielzahl longitudinaler Lasermoden innerhalb des Transmissionsbereichs liegen. Wenn eine besonders schmalbandige Laseremission, insbesondere ein Einmodenbetrieb erwünscht ist, wird bei herkömmlichen Halbleiterlasern daher in der Regel ein zweites Etalon eingesetzt, das sich durch Transmissionsmaxima mit einer geringen Halbwertsbreite auszeichnet, um innerhalb des Transmissionsmaximums des ersten Etalons wenige oder vorzugsweise nur eine longitudinale Lasermode zu selektieren.
Bei dem erfindungsgemäßen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser erfolgt die Selektion der longitudinalen Lasermoden dagegen dadurch, dass der DBR-Spiegel 3 und das Substrat 2 für die emittierte Strahlung 6 teildurchlässig sind und die von der aktiven Schicht 5 abgewandte Rückseite 14 des Substrats 2 reflektierend ist. Die von der aktiven Schicht emittierte Strahlung 6 wird von dem DBR-Spiegel 3 also nur teilweise reflektiert, so dass ein Anteil der emittierten Strahlung 6 den DBR-Spiegel 3 und das Substrat 2 zumindest teilweise durchqueren kann. Vorzugsweise weist der DBR-Spiegel 3 eine Transmission von mehr als 0,1 % auf. An der reflektierenden Rückseite 14 des Substrats wird die Strahlung 6 dann in die Richtung des DBR-Spiegels 3 und der aktiven Schicht 5 zurückreflektiert.
Die Rückseite 14 des Substrats 2 ist vorzugsweise mit einer reflexionserhöhenden Schicht 7 versehen, bei der es sich insbesondere um eine Schicht aus einem Metall oder einer Metalllegierung handeln kann. Insbesondere kann es sich bei der reflexionserhöhenden Schicht 7 um eine Schicht aus AuGe handeln.
Vorzugsweise beträgt die Reflexion an der Grenzfläche zwischen dem Substrat 2 und der reflexionserhöhenden Schicht 7 mehr als 30%. Dadurch, dass die Reflexion an der Rückseite 14 des Substrats 2 mehr als 30 % beträgt, lässt sich eine für den Laserbetrieb vorteilhafte gesamte Reflexion der Kombination aus dem DBR-Spiegel 3 und der Rückseite 14 des Substrats 2 von mehr als 99,9% erzielen. Eine derart hohe gesamte Reflexion lässt sich sogar dann erzielen, wenn der DBR-Spiegel 3 eine Transmission von mehr als 0,1 % aufweist.
Auf die dem Substrat 2 gegenüberliegende Oberfläche des Halbleiterchips 1 ist bevorzugt eine reflexionsmindernde Schicht 8 aufgebracht, um die Strahlungsauskopplung aus dem Halbleiterchip zu verbessern.
Der DBR-Spiegel 3 und die reflektierende Rückseite 14 des Substrats 2 bilden eine Kavität aus, deren Dicke d gleich der Dicke des Substrats 2 ist. Die Wellenlängenselektion der longitudinalen Lasermoden erfolgt dadurch, dass Wellenlängen, die die Resonanzbedingung der aus dem DBR-Spiegel 3 und der reflektierenden Rückseite 14 des Substrats gebildeten Kavität erfüllen, mehrfach in der Kavität hin- und her reflektiert werden und dadurch vergleichsweise hohe Absorptionsverluste erfahren. Bei diesen Wellenlängen weist die Kombination aus dem DBR-Spiegel 3 und der Substratrückseite 14 ein Reflexionsminimum auf. Dagegen liegt für Wellenlängen, für die die Kavität antiresonant ist, maximale Reflektivität vor, so dass eine longitudinale Lasermode mit dieser Wellenlänge in dem Laserresonator anschwingen kann.
Aufgrund der auf diese Weise erzielten Modenselektion reicht bei dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser vorteilhaft ein einziger Transmissionsfilter 13 in dem externen Resonator aus. Bei dem Transmissionsfilter 13 kann es sich insbesondere um ein unbeschichtetes Etalon, beispielsweise in Form eines unbeschichteten Glasplättchens handeln. Der Herstellungsaufwand und die damit verbundenen Kosten reduzieren sich dadurch vorteilhaft. Die hohe Reflexion der aus dem DBR-Spiegel 3 und der reflektierenden Rückseite 14 des Substrats 2 gebildeten Kavität hat weiterhin den Vorteil, dass die Anzahl der Schichtpaare des DBR-Spiegels vergleichsweise gering, insbesondere kleiner als 25, sein kann. Auf diese Weise ergibt sich eine geringe Gesamtdicke des DBR-Spiegels 3, wodurch die Wärmeableitung der in der aktiven Schicht 5 erzeugten Wärme verbessert wird. Die aufgrund der geringen Anzahl der Schichtpaare verminderte Reflektivität des DBR- Spiegels 3 wird durch die Reflexion der Strahlung 6 an der Rückseite 14 des Substrats 2 vorteilhaft zumindest teilweise kompensiert .
Das in Figur 2 dargestellte Ausführungsbeispiel eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß der Erfindung unterscheidet sich von dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, dass anstelle einer außerhalb des Halbleiterchips 1 angeordneten Pumpstrahlungsquelle zwei monolithisch in den Halbleiterchip 1 integrierte Pumplaser 15, die Pumpstrahlung 11 in lateraler Richtung in die aktive Schicht 5 einstrahlen, zum optischen Pumpen der aktiven Schicht 5 vorgesehen sind. Durch die monolithisch integrierten Pumplaser 15 wird ein effektives optisches Pumpen der aktiven Schicht 5 erreicht, wobei auf einen außerhalb des Halbleiterchips 1 angeordneten Pumplaser verzichtet werden kann und somit der Herstellungs- und Justageaufwand vermindert wird.
Die Pumplaser 15 können beispielsweise durch auf der vom Substrat 2 abgewandten Oberfläche des Halbleiterchips 1 angeordnete elektrische Kontakte 16 elektrisch kontaktiert werden. Als zweiter elektrischer Kontakt kann beispielsweise eine Schicht aus einem Metall oder einer Metalllegierung 7 auf der Rückseite 14 des Substrats 2 dienen, die vorteilhaft gleichzeitig zur Erhöhung der Reflexion der Rückseite 14 des Substrats 2 dient . Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers, insbesondere hinsichtlich der Ausbildung der Kavität durch den teildurchlässigen DBR-Spiegel 3 und die reflektierende Rückseite 14 des Substrats 2 dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel .
Die Wirkung der aus dem DBR-Spiegel 3 und der Rückseite 14 des Substrats 2 gebildeten Kavität auf das Emissionsspektrum des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers wird im Folgenden anhand der Figuren 3 bis 8 näher erläutert.
In Figur 3 ist schematisch das Modenspektrum der longitudinalen Lasermoden in einem Laserresonator ohne den Einfluss eines oder mehrerer wellenlängenselektiver Elemente dargestellt. Aufgetragen ist die Intensität I der Lasermoden in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ. Das Spektrum der longitudinalen Moden weist eine Vielzahl von Maxima und Minima auf, deren Abstand von der Länge des Laserresonators abhängt. Für einen Laserresonator, dessen Länge etwa 5 mm beträgt, beträgt der Abstand der longitudinalen Lasermoden etwa 0,1 nm.
In Figur 4 ist die Transmission T eines Wellenlängenfilters, beispielsweise eines Etalons, in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ dargestellt. Die Bandbreite eines derartigen Filters kann beispielsweise etwa 2 nm betragen, so dass immer noch eine Vielzahl der Lasermoden in den Transmissionsbereich des Transmissionsfilters fällt. Damit nur wenige oder vorzugsweise nur eine longitudinale Lasermode anschwingen kann, ist daher in der Regel ein zweites wellenlängenselektives Element erforderlich.
In Figur 5 ist auf der linken Seite die Reflexion R eines DBR-Spiegels in der Nähe des Reflexionsmaximums in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ dargestellt. Die rechte Seite zeigt die Reflexion R in der Nähe des Reflexionsmaximums für den Fall, dass der DBR-Spiegel teildurchlässig ist und zusammen mit einem Substrat, das eine reflektierende Rückseite aufweist, eine Kavität ausbildet. Im letzteren Fall sind dem Reflexionsmaximum mehrere Minima überlagert, die den Resonanzen der Kavität entsprechen. Die Maxima entsprechen den Wellenlängen, für die die aus dem DBR- Spiegel und der Rückseite des Substrats gebildete Kavität antiresonant ist.
In Figur 6 wird verdeutlicht, wie der Resonanzeffekt der Kavität zur Selektion einer longitudinalen Lasermode ausgenutzt werden kann. Die linke Seite der Figur 6 zeigt schematisch das Emissionsspektrum eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers, bei dem zur spektralen Filterung in herkömmlicher Weise ein Transmissionsfilter, dessen Transmissionskurve beispielsweise der Figur 4 entspricht, und ein herkömmlicher DBR-Spiegel, dessen Reflexionskurve auf der linken Seite der Figur 5 dargestellt ist, zur Wellenlängenselektion eingesetzt werden. Innerhalb des Transmissionsmaximums des Transmissionsfilters können eine Vielzahl von longitudinalen Lasermoden anschwingen, da das vergleichsweise breite Reflexionsmaximum des DBR-Spiegels nicht wesentlich zur Wellenlängenselektion beiträgt . Auf der rechten Seite der Figur 6 ist schematisch das Emissionsspektrum eines Ausführungsbeispiels eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß der Erfindung dargestellt, bei dem die Wellenlängenselektion zusätzlich dadurch erfolgt, dass der DBR-Spiegel teildurchlässig ist und zusammen mit der reflektierenden Rückseite eines Substrats eine Kavität ausbildet. In diesem Fall weist nur eine einzige longitudinale Lasermode eine signifikante Intensität auf, so dass auf diese Weise ein Einmoden-Betrieb des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers erzielt wird. Die auf diese Weise selektierte longitudinale Lasermode liegt in einem Reflexionsmaximum der Kombination aus dem DBR-Spiegel und der reflektierenden Rückseite des Substrats.
In den Figuren 7 und 8 sind gemessene Emissionsspektren von zwei Ausführungsbeispielen eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß der Erfindung dargestellt, die wie bei dem auf der rechten Seite der Figur 6 dargestellten Beispiel durch Reflexionen an der Rückseite des Substrats beeinflusst sind. Bei dem Substrat handelt es sich in beiden Fällen um ein GaAs-Substrat .
Die oberflächenemittierenden Halbleiterlaser der in den Figuren 7 und 8 dargestellten Emissionsspektren unterscheiden sich in der Dicke des Substrats . Bei dem in Figur 7 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Substrat eine Dicke von 115 μm auf. Das Emissionsspektrum zeigt zwei Emissionsmaxima, die einen Abstand von 1,2 nm aufweisen.
Das in Figur 8 dargestellte Emissionsspektrum wurde mit einem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser, der eine Substratdicke von 80 μm aufweist, erzeugt. In diesem Fall beträgt der Abstand der Emissionsmaxima, der mit der reziproken optischen Dicke des Substrats skaliert, 1,8 nm.
In Figur 9 ist eine Simulation eines Reflexionsspektrums eines DBR-Spiegels auf einem 80 μm dicken GaAs-Substrat unter Berücksichtigung von Reflexionen an der Rückseite des Substrats gezeigt. Dargestellt ist die Reflektivität R der Kombination aus dem DBR-Spiegel und dem Substrat für verschiedene Reflexionsgrade Rs der Rückseite des Substrats, und zwar für R2 = 0 % (Kurve 17) , Rg = 35 % (Kurve 18) , Rs = 59 % (Kurve 19) und R3 = 83 % (Kurve 20) .
Die Simulationen verdeutlichen, dass sich bei einer reflektierenden Rückseite des Substrats Reflexionsminima 21 ausbilden, die sich mit zunehmender Reflexion an der Rückseite des Substrats verstärken. Die Wellenlängen der Reflexionsminima 21 entsprechen den Resonanzwellenlängen der Kavität, die das zwischen dem DBR-Spiegel und der reflektierenden Rückseite des Substrats angeordnete Substrat ausbildet. Zwischen den Reflexionsminima 21 sind Reflexionsmaxima 22 angeordnet, die den Wellenlängen entsprechen, bei denen die Kavität antiresonant ist. Bei dem erfindungsgemäßen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser ist die Kavität vorteilhaft antiresonant, so dass bei der von der aktiven Schicht emittierten Wellenlänge ein Reflexionsmaximum 22 vorliegt.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Patentansprüche
1. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser mit einem Halbleiterchip (1), der ein Substrat (2), einen auf das Substrat (2) aufgebrachten DBR-Spiegel (3) und eine auf den DBR-Spiegel (3) aufgebrachte Epitaxieschichtenfolge (4), die eine Strahlungsemittierende aktive Schicht (5) umfasst, aufweist, und einem außerhalb des Halbleiterchips (1) angeordneten externen Resonatorspiegel (9) , dadurch gekennzeichnet, dass der DBR-Spiegel (3) und das Substrat (2) für die von der aktiven Schicht (5) emittierte Strahlung (6) teildurchlässig sind und eine von dem DBR-Spiegel (3) abgewandte Rückseite (14) des Substrats (2) für die emittierte Strahlung (6) reflektierend ist.
2. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, dass eine von dem DBR-Spiegel (3) und der reflektierenden
Rückseite (14) des Substrats (2) ausgebildete Kavität bei der Wellenlänge der von der aktiven Schicht (5) emittierten Strahlung (6) antiresonant ist.
3. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseite (14) des Substrats (2) mit einer reflexionserhöhenden Schicht (7) versehen ist.
4. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch
3, dadurch gekennzeichnet, dass die reflexionserhöhende Schicht (7) ein Metall oder eine
Metalllegierung aufweist.
5. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach einem der
Ansprüche 3 oder 4 , dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexion der mit der reflexionserhöhenden Schicht
(7) versehenen Rückseite (14) des Substrats (2) mehr als
30 % beträgt.
6. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass der DBR-Spiegel (3) für die von der aktiven Schicht (5) emittierte Strahlung (6) eine Transmission von mehr als
0,1 % aufweist.
7. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombination aus dem DBR-Spiegel (3) und der mit der reflektierenden Rückseite (14) des Substrats (2) ausgebildeten Kavität eine Reflexion von mehr als 99,9% aufweist.
8. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem externen Resonator ein einziges Etalon (13) enthalten ist.
9. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das einzige in dem externen Resonator enthaltene Etalon
(13) ein unbeschichtetes Etalon ist.
10. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Etalon (13) ein unbeschichtetes Glasplättchen ist.
11. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) GaAs, InP, SiC oder Saphir aufweist.
12. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oberflächenemittierende Halbleiterlaser ein optisch gepumpter Halbleiterlaser ist.
13. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch
12, dadurch gekennzeichnet, dass der oberflächenemittierende Halbleiterlaser eine außerhalb des Halbleiterchips (1) angeordnete
Pumpstrahlungsquelle (10) aufweist.
14. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der oberflächenemittierende Halbleiterlaser einen monolithisch in die Epitaxieschichtenfolge (4) integrierten Pumplaser (15) aufweist.
15. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oberflächenemittierende Halbleiterlaser ein Frequenzkonversionselement (12) zur Frequenzkonversion der emittierten Strahlung (6) aufweist.
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