WO2009109166A2 - Surface-emitting semiconductor laser having a monolithic integrated pump laser - Google Patents

Surface-emitting semiconductor laser having a monolithic integrated pump laser Download PDF

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WO2009109166A2
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Hans Lindberg
Stefan Illek
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a surface-emitting semiconductor laser in which a pump laser for optically pumping the active zone of the surface-emitting semiconductor laser is monolithically integrated into the semiconductor body.
  • Such surface emitting semiconductor lasers are also referred to as Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSELs) or Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers (VECSELs) in the external cavity design.
  • VCSELs Vertical Cavity Surface Emitting Lasers
  • VECSELs Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers
  • Such surface emitting semiconductor lasers include a vertical emitter region, which is usually formed by a quantum well structure, wherein the vertical emitter region is excited to emit laser radiation by optical pumping or electric pumping.
  • optically pumped surface emitting semiconductor lasers are known in which the quantum well structure of the vertical emitter each with an outside of the semiconductor chip arranged external pump radiation source, the pump radiation at an angle in the semiconductor body irradiated, optically pumped.
  • a surface-emitting semiconductor laser it is known to arrange a reflector for the pump radiation on a rear side of the semiconductor body opposite the external pump radiation source so that the semiconductor body forms a resonator for the pump radiation in which a standing wave of the pump radiation is formed.
  • the quantum well layers are arranged in the maxima of the standing wave of the pump radiation field in order to achieve a high pumping efficiency of the quantum well layers.
  • WO 01/93386 A1 and WO 2005/048424 A1 each disclose optically pumped surface-emitting semiconductor lasers in which the optical pumping of the quantum well structure of the vertical emitter is not effected by an external pump radiation source but by a pump laser monolithically integrated in the semiconductor body.
  • an edge emitting pump laser is grown together with the vertical emitter on a common growth substrate, wherein the active layer of the vertical emitter and the pump laser can be arranged side by side, so that the pump radiation is irradiated directly in the lateral direction in the active zone, or be arranged one above the other can, wherein the pump radiation similar to the coupling of two waveguides in the active zone of the vertical emitter can couple.
  • a pump resonator are generated, whose standing wave field is adapted to the arrangement of the quantum well layers in the quantum well structure of the vertical emitter. This is not possible because the emission of the pump radiation takes place at a fixed angle of 90 ° to the emission direction of the vertical emitter and thus in particular the parameter of the angle of incidence of the pump radiation in the semiconductor body can not be varied.
  • the optimization of the overlap between the pump radiation field and the quantum well layers known from surface emitting semiconductor lasers with external pump radiation sources by means of a vertical pump resonator is not readily transferred to surface emitting semiconductor lasers with monolithically integrated pump radiation source.
  • the invention has for its object to provide a surface-emitting semiconductor laser with monolithically integrated pump radiation source, in which an improved overlap between the pump radiation field and the quantum well layers of the surface emitting semiconductor laser is achieved.
  • a surface-emitting semiconductor laser comprises a semiconductor body having an active zone with a quantum well structure, the quantum well structure containing a plurality of quantum well layers each disposed between barrier layers and a pump laser monolithically integrated in the semiconductor body emitting radiation for optically pumping the active region. wherein the pump radiation forms a mode profile in the semiconductor body and the quantum well layers are spaced from each other such that they are each arranged in the region of a maximum of the mode profile of the pump radiation.
  • the arrangement of a quantum well layer in the region of a maximum of the mode profile of the pump radiation means that the pump radiation at the location of the quantum well layer has at least 70% of the intensity of the maximum, preferably at least 90% of the intensity of the maximum.
  • the invention makes use of the finding that, when the pump radiation is emitted perpendicular to the emission direction of the active surface of the surface emitting semiconductor laser, a mode profile of the pump radiation having maximums in the region of the active zone of the surface emitting semiconductor laser is formed by a pump radiation source monolithically integrated into the semiconductor body. Under the mode profile of the pump radiation is the intensity profile of the in the semiconductor body spreadable pump waves understood.
  • the position of the maxima of the mode profile can be influenced by a suitable design of the layer structure of the semiconductor body and in particular be chosen so that the position of the maxima coincides with the positions of the quantum wells of the active zone of the surface emitting semiconductor laser. This achieves a high pumping efficiency and thus a high efficiency of the surface emitting semiconductor laser.
  • the distance between the maxima of the mode profile of the pump radiation forming in the semiconductor body depends in particular on the wavelength of the pump radiation and on the layer thicknesses and refractive indices of the semiconductor layers contained in the semiconductor body.
  • An arrangement in which the quantum wells are respectively arranged in a maximum of the mode profile of the pump radiation can be found by a ions sacred Simulat 'by varying these parameters.
  • the quantum wells are each formed from a quantum well layer, which are arranged between barrier layers, wherein the barrier layers have a larger electronic band gap than the quantum well layers.
  • the quantum wells are spaced apart by spacer layers.
  • the thickness of the spacer layers is optimized as a function of the wavelength of the pump radiation and the layer thicknesses and refractive indices of the semiconductor layers in the semiconductor body such that the quantum wells are each arranged in the region of a maximum of the mode profile of the pump radiation.
  • the distance between adjacent quantum wells is thus preferably equal to the distance between two Maxima of the mode profile of the pump radiation or a multiple thereof.
  • the laser radiation emitted by the active zone of the surface-emitting semiconductor laser forms a standing wave in the semiconductor body, the quantum wells being arranged such that they are each arranged in the region of a maximum of the standing wave of the laser radiation.
  • the laser radiation of the surface emitting semiconductor laser at the location of the respective quantum well layer has at least 70% of the intensity of the maximum, preferably at least 90% of the intensity of the maximum.
  • the distance between adjacent quantum wells is therefore preferably equal to the distance between two maxima of the stationary wave of the laser radiation or a multiple thereof. Because the quantum wells are each arranged in a maximum of the standing wave of the laser radiation, the laser radiation is amplified resonantly by the radiation emission of the quantum wells.
  • the active zone of the surface emitting semiconductor laser thus constitutes a resonant periodic gain (RPG) structure.
  • the quantum wells are arranged in a plurality of groups, wherein the distances of the quantum wells within the groups are smaller than the spacings of adjacent groups.
  • This embodiment is based on the fact that the quantum wells usually have a small thickness compared to the period of the mode profile of the pump radiation, so that it is possible to arrange a plurality of quantum wells in the region of a maximum of the mode profile of the pump radiation.
  • the spacing of adjacent groups is preferably equal to the distance between two maxima of the mode profile of the pump radiation or a multiple thereof.
  • the laser radiation emitted by the active zone of the surface-emitting semiconductor laser forms a standing wave in the semiconductor body, the groups of quantum wells being arranged in each case in the region of a maximum of the standing wave of the laser radiation of the surface-emitting semiconductor laser. Because the groups of quantum wells are each arranged in a maximum of the standing wave of the laser radiation, the laser radiation is amplified resonantly by the radiation emission of the quantum wells.
  • the active zone of the surface emitting semiconductor laser thus constitutes a resonant periodic gain (RPG) structure.
  • the spacing of adjacent groups of quantum wells is preferably equal to the distance between two maxima of the standing wave of the laser radiation or a multiple thereof. In this way it can be achieved that the groups of quantum wells are arranged not only in the maxima of the pump radiation, but also in the maxima of the standing wave of the laser radiation.
  • the number of quantum wells in the groups of quantum wells is preferably between 2 and 4 inclusive. Overall, the number of quantum wells in the quantum well structure of the active region is preferably between 5 and 25 inclusive.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a cross section through a surface-emitting semiconductor laser according to a first exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a cross section through the active zone of a further exemplary embodiment of a surface emitting semiconductor laser according to the invention
  • Figure 3 is a schematic representation of the
  • Refractive index profile and the fundamental mode of the pump radiation in a semiconductor body that does not contain an active zone of a surface emitting semiconductor laser
  • Figure 4 is a schematic representation of
  • FIG. 5 shows schematic representations of the active zone of the surface emitting semiconductor laser, the intensity of the mode profile of the pump radiation in the active zone of the surface emitting semiconductor laser and the absorption of the quantum wells in one embodiment of a surface emitting semiconductor laser according to the invention
  • FIG. 6 shows schematic representations of the active zone of the surface emitting semiconductor laser, the intensity of the mode profile of the pump radiation in the active zone of the surface emitting semiconductor laser and the absorption of the quantum wells in a conventional surface emitting semiconductor laser.
  • the exemplary embodiment of a surface emitting semiconductor laser shown in FIG. 1 includes a semiconductor body 10 having an active zone 1 of the surface emitting semiconductor laser and a pump laser 6 for optically pumping the active zone 1.
  • the pump laser 6 is monolithically integrated into the semiconductor body 10 of the surface emitting semiconductor laser and in particular part of the Epitaxie Anlagen comprising the active zone 1 and the pump laser 6.
  • the semiconductor body 10 has a substrate 11, which is preferably an electrically conductive substrate, in particular an n-doped substrate.
  • the substrate 11 is an n-doped GaAs substrate.
  • One or more buffer layers 12 may be applied to the substrate 11, in order in particular to obtain a low defect density and / or a good lattice matching to the subsequently grown epitaxial layers.
  • the substrate 11 with the buffer layer 12 applied thereto is followed by a DBR mirror 13, which forms a first resonator mirror for the laser radiation 15 emitted by the active zone 1 of the surface-emitting semiconductor laser.
  • the DBR mirror 13 is formed by a plurality of alternating layers differing in refractive index from each other. The number of alternating layer pairs may be for example about 30. In this way, a high reflection for the laser radiation 15 is achieved.
  • the alternating layers of the DBR mirror 13 are preferably n-doped.
  • the DBR mirror 13 may include alternating layers of n-doped AlGaAs layers and n-doped GaAs layers.
  • the second resonator mirror of the surface-emitting semiconductor laser is an external resonator mirror 14 arranged outside the semiconductor body 10.
  • the exemplary embodiment is therefore an external-cavity surface-emitting semiconductor laser (VECSEL).
  • the surface-emitting semiconductor laser may also have a second DBR mirror applied to the surface of the semiconductor body 10 facing the substrate 11 (not shown).
  • VCSEL Such an embodiment of a surface emitting semiconductor laser is referred to as VCSEL.
  • the DBR mirror 13 is followed in the growth direction of the semiconductor body 10 by the pump laser 6.
  • the pump laser 6 has an active layer 7, which emits in the lateral direction, ie perpendicular to the emission direction of the laser radiation 15 of the active zone 1 of the surface-emitting semiconductor laser.
  • the active layer 7 of the pump laser 6 is arranged between waveguide layers 8, each of which adjoins cladding layers 9. In this way, a waveguide for the pump radiation is formed. At least part of the pump radiation emitted by the pump laser 6, which propagates in the waveguide of the pump laser 6, can be coupled into the active zone 1 for optical pumping of the surface-emitting semiconductor laser.
  • the transition of the radiation from the pump laser 6 in the active zone 1 is similar to the coupling of two waveguides.
  • a coupling layer 16 is preferably arranged, the thickness and refractive index of which is adjusted in such a way that in the waveguide of the pump laser 6 in the lateral direction propagating pump radiation can pass into the active zone 1 of the surface emitting semiconductor laser.
  • the pump laser 6 is electrically excited to emit pump radiation.
  • a first electrical contact 17 for the pump laser 6 may, for example, be arranged on the rear side of the substrate 11 facing away from the active zone 1.
  • the semiconductor body 10 is preferably etched down from the surface opposite the substrate 11 to a region below the active zone 1 of the surface-emitting semiconductor laser.
  • the p-contact 18 of the pump laser 6 may be applied to the coupling layer 16, for example.
  • the p-contact layer 18 is preferably a layer of a transparent conductive oxide, for example a ZnO layer.
  • the active region 1 of the surface emitting semiconductor laser is arranged in the semiconductor body 10 above the coupling layer 16.
  • the active zone 1 may be provided with a cover layer 19.
  • the active region 1 of the surface emitting semiconductor laser has a quantum well structure containing a plurality of quantum wells 2. To simplify the illustration, only four quantum wells 2 are shown in FIG. A preferred number of quantum wells is between 5 and 25 inclusive.
  • the quantum wells 2 are each formed by a quantum well layer 3 arranged between barrier layers 4, wherein the barrier layers 4 have a larger electronic band gap than the quantum well layers 3.
  • the quantum wells 2 are each arranged in the region of a maximum of the mode profile of the pump radiation.
  • the positions of the maxima of the mode profile of the pump radiation in the semiconductor body 10 depend in particular on the wavelength of the pump radiation and on the refractive indices and layer thicknesses of the semiconductor layers arranged above the pump laser 6.
  • Optimal positioning of the quantum wells 2 such that they are each arranged in the region of a maximum of the mode profile of the pump radiation can be found on the basis of simulation calculations.
  • the quantum wells 2 are advantageously spaced apart by spacer layers 5, wherein the thickness of the
  • Spacer layers 5 is chosen so that the positions of the quantum wells 2 coincide with the maxima of the mode profile of the pump radiation.
  • the laser radiation 15 emitted by the surface-emitting semiconductor laser advantageously forms a standing wave in the semiconductor body 10.
  • the quantum wells 2 are preferably arranged such that they are arranged in the maxima of the standing wave of the laser radiation 15.
  • the active zone 1 of the surface emitting semiconductor laser in this way forms an RPG (resonant periodic gain) structure.
  • the quantum wells 2 are advantageously arranged such that they additionally lie in the maxima of the mode profile of the pump radiation. This arrangement of the quantum wells 2 results in an effective pumping of all quantum wells 2.
  • a preferred embodiment of the active zone 1 of the surface emitting semiconductor laser is shown in FIG.
  • the active zone 1 contains a
  • Quantum well structure in which the quantum wells 2 are arranged in a plurality of groups 20.
  • Each of the groups 20 contains two quantum wells 2.
  • the distances of the quantum wells 2 within the groups 20 are smaller than the distances of the groups 20 of quantum wells 2.
  • the distances of the quantum wells 2 within the groups 20 and the distances of the groups 20 of quantum wells are preferably through Distance layers 5 set.
  • the groups 20 of quantum wells 2 are advantageously arranged such that each group 20 is positioned in the region of a maximum of the mode profile of the pump radiation.
  • the quantum wells 2 compared to the period of the mode profile of the pump radiation have a comparatively small thickness, so that it is possible to arrange a plurality of quantum wells 2 in the region of the maximum of the mode profile of the pump radiation.
  • the groups 20 of quantum wells 2 are arranged such that each group 20 is arranged both in a maximum of the mode profile of the pump radiation and in a maximum of the standing wave of the laser radiation.
  • the spacing of the groups 20 is therefore advantageously equal to the distance between two maxima of the mode profile of the pump radiation or a multiple thereof.
  • the spacing of the groups 20 is preferably equal to the distance between two maxima of the standing wave of the laser radiation of the surface emitting semiconductor laser or a multiple thereof.
  • FIG. 3 schematically shows the course of the refractive index n (curve 23) and the intensity profile I p of the pump radiation (curve 24) along a vertical spatial coordinate z is shown for a semiconductor body in which no active zone of a surface emitting.
  • Semiconductor laser is arranged on the pump laser 6. It was assumed that the semiconductor body comprises a DBR mirror 16 and the pump laser 6, wherein instead of an active zone of a surface emitting semiconductor laser only a transparent contact layer 18 with a low refractive index is applied to the pump laser. In this case, the pump radiation would propagate in its fundamental mode in the area of the pump laser 6.
  • FIG. 4 shows the course of the refractive index n (curve 25) and the propagatable modes of the pump radiation (curves 26, 27) along a vertical spatial coordinate z for a semiconductor body in an embodiment of a surface emitting semiconductor laser according to the invention, in which an active zone 1 of the surface emitting semiconductor laser is arranged on the pump laser 6.
  • the energy of the basic mode of the pump laser 2 shown in FIG. 3 is transferred into the modes capable of propagation 26, 27 by mode coupling. Since the two modes 26, 27 have slightly different propagation constants, this leads to the propagation of the modes in the semiconductor body to a periodic constructive or destructive interference of the two modes 26, 27.
  • FIG. 5 schematically shows on the left side an active zone 1 in an embodiment of the surface-emitting semiconductor laser, in which the quantum well structure contains five groups 20 of quantum wells 2. Each group 20 contains two quantum wells 2. The middle part of FIG. 5 schematically shows the intensity I p of the mode profile of the pump radiation in the active zone 1 of the surface-emitting half-light laser.
  • the group of quantum wells 20 in the active zone 1 are arranged such that each group 20 is arranged in the region of a maximum 22 of the mode profile 21 of the pump radiation.
  • the simulated absorption A p of the quantum wells 2 illustrated on the right side of FIG. 5 illustrates that in all quantum wells 2 a uniformly high absorption of the pump radiation takes place. In this way, the surface-emitting semiconductor laser is pumped particularly efficiently.
  • an active zone 1 of a conventional surface emitting semiconductor laser is shown.
  • the active zone 1 comprises fourteen quantum wells 2 whose arrangement is not adapted to the intensity profile I p of the mode profile 21 of the pump radiation shown in the middle part of FIG. In particular, not all quantum wells 2 are arranged in the region of a maximum 22 of the mode profile 21.
  • the simulation of the absorption A p of the pump radiation in the quantum wells 2 illustrated on the right side of FIG. 6 illustrates that the quantum wells 2 disadvantageously have an uneven absorption of the pump radiation.
  • the efficiency of the optical pumping of the surface emitting semiconductor laser is thereby compared to that in FIG. 5 illustrated embodiment of a surface emitting semiconductor laser according to the invention is reduced.

Abstract

The invention relates to a surface-emitting semiconductor laser comprising a semiconductor base (10) having an active zone (1) with a quantum well structure, the quantum well structure containing a plurality of quantum wells (2) which are formed by respective quantum well layers (3) arranged between barrier layers (4). The surface-emitting semiconductor laser further comprises a pump laser (6) which is monolithically integrated into the semiconductor base (10) and which emits pump radiation for optically pumping the active zone (1), the pump radiation forming a mode profile (21) in the semiconductor base (10) and the quantum wells (2) being interspaced in such a manner that they are arranged in the zone of a maximum (22) of the mode profile (21) of the pump radiation.

Description

Beschreibung description
Oberflächenemittierender Halbleiterlaser mit monolithisch integriertem PumplaserSurface-emitting semiconductor laser with monolithically integrated pump laser
Die Erfindung betrifft einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser, bei dem ein Pumplaser zum optischen Pumpen der aktiven Zone des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers monolithisch in den Halbleiterkörper integriert ist.The invention relates to a surface-emitting semiconductor laser in which a pump laser for optically pumping the active zone of the surface-emitting semiconductor laser is monolithically integrated into the semiconductor body.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldungen 10 2008 012 315.3 und 10 2008 017 268.5, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.This patent application claims the priority of German patent applications 10 2008 012 315.3 and 10 2008 017 268.5, the disclosure of which is hereby incorporated by reference.
Oberflächenemittierende Halbleiterlaser werden auch als VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) oder in der Ausführung mit externem Resonator als VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser) bezeichnet. Derartige oberflächenemittierende Halbleiterlaser enthalten einen Vertikalemitterbereich, der in der Regel durch eine QuantentopfStruktur gebildet wird, wobei der Vertikalemitterbereich durch optisches Pumpen oder elektrisches Pumpen zur Emission von Laserstrahlung angeregt wird.Surface emitting semiconductor lasers are also referred to as Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSELs) or Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers (VECSELs) in the external cavity design. Such surface emitting semiconductor lasers include a vertical emitter region, which is usually formed by a quantum well structure, wherein the vertical emitter region is excited to emit laser radiation by optical pumping or electric pumping.
Aus den Druckschriften DE 10260183 Al und DE 102004024611 Al sind optisch gepumpte oberflächenemittierende Halbleiterlaser bekannt, bei denen die Quantentopfstruktur des Vertikalemitters jeweils mit einer außerhalb des Halbleiterchips angeordneten externen Pumpstrahlungsquelle, die Pumpstrahlung unter einem Winkel in den Halbleiterkörper einstrahlt, optisch gepumpt wird. Bei diesen Ausführungsformen eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers ist es bekannt, an einer der externen Pumpstrahlungsquelle gegenüberliegenden Rückseite des Halbleiterkörpers einen Reflektor für die Pumpstrahlung anzuordnen, so dass der Halbleiterkörper einen Resonator für die Pumpstrahlung ausbildet, in dem eine stehende Welle der Pumpstrahlung entsteht. Durch eine geeignete Einstellung der Wellenlänge und des Einfallswinkels des Pumplasers sowie der Anordnung der Quantentopfschichten kann erreicht werden, dass die Quantentopfschichten in den Maxima der stehenden Welle des Pumpstrahlungsfeldes angeordnet sind, um eine hohe Pumpeffizienz der Quantentopfschichten zu erzielen.From the publications DE 10260183 Al and DE 102004024611 Al optically pumped surface emitting semiconductor lasers are known in which the quantum well structure of the vertical emitter each with an outside of the semiconductor chip arranged external pump radiation source, the pump radiation at an angle in the semiconductor body irradiated, optically pumped. In these embodiments of a surface-emitting semiconductor laser, it is known to arrange a reflector for the pump radiation on a rear side of the semiconductor body opposite the external pump radiation source so that the semiconductor body forms a resonator for the pump radiation in which a standing wave of the pump radiation is formed. By suitably adjusting the wavelength and the angle of incidence of the pump laser as well as the arrangement of the quantum well layers, it can be achieved that the quantum well layers are arranged in the maxima of the standing wave of the pump radiation field in order to achieve a high pumping efficiency of the quantum well layers.
Aus den Druckschriften WO 01/93386 Al und WO 2005/048424 Al sind jeweils optisch gepumpte oberflächenemittierende Halbleiterlaser bekannt, bei denen das optische Pumpen der Quantentopfstruktur des Vertikalemitters nicht durch eine externe Pumpstrahlungsquelle erfolgt, sondern durch einen monolithisch in den Halbleiterkörper integrierten Pumplaser. Bei diesen Ausführungsformen ist jeweils ein kantenemittierender Pumplaser gemeinsam mit dem Vertikalemitter auf einem gemeinsamen Aufwachssubstrat aufgewachsen, wobei die aktive Schicht des Vertikalemitters und des Pumplasers nebeneinander angeordnet sein können, sodass die Pumpstrahlung direkt in lateraler Richtung in die aktive Zone eingestrahlt wird, oder übereinander angeordnet sein können, wobei die Pumpstrahlung ähnlich wie bei der Kopplung zweier Wellenleiter in die aktive Zone des Vertikalemitters überkoppeln kann.The documents WO 01/93386 A1 and WO 2005/048424 A1 each disclose optically pumped surface-emitting semiconductor lasers in which the optical pumping of the quantum well structure of the vertical emitter is not effected by an external pump radiation source but by a pump laser monolithically integrated in the semiconductor body. In these embodiments, in each case an edge emitting pump laser is grown together with the vertical emitter on a common growth substrate, wherein the active layer of the vertical emitter and the pump laser can be arranged side by side, so that the pump radiation is irradiated directly in the lateral direction in the active zone, or be arranged one above the other can, wherein the pump radiation similar to the coupling of two waveguides in the active zone of the vertical emitter can couple.
Auch bei optisch gepumpten oberflächenemittierenden Halbleiterlasern mit monolithisch integrierter Pumpstrahlungsquelle wäre es wünschenswert, einen optimalen Überlapp zwischen dem Pumpstrahlungsfeld und den Quantentopfschichten des Vertikalemitters zu erzielen. Im Gegensatz zu den Ausführungsformen mit externer Pumpstrahlungsquelle kann bei oberflächenemittierenden Halbleiterlasern mit monolithisch integrierter Pumpstrahlungsquelle nicht durch einen rückseitigen Reflektor und eine Variation des Einfallswinkels derAlso in optically pumped surface emitting semiconductor lasers with monolithically integrated It would be desirable for a pump radiation source to achieve an optimum overlap between the pump radiation field and the quantum well layers of the vertical emitter. In contrast to the embodiments with an external pump radiation source, in the case of surface-emitting semiconductor lasers with a monolithically integrated pump radiation source, it is not possible to use a back reflector and a variation of the angle of incidence of the pump
Pumpstrahlungsquelle ein Pumpresonator erzeugt werden, dessen Stehwellenfeld an die Anordnung der Quantentopfschichten in der Quantentopfstruktur des Vertikalemitters angepasst ist. Dies ist nicht möglich, weil die Emission der Pumpstrahlung unter einem festen Winkel von 90° zur Emissionsrichtung des Vertikalemitters erfolgt und somit insbesondere der Parameter des Einfallswinkels der Pumpstrahlung in den Halbleiterkörper nicht variiert werden kann. Somit ist die von oberflächenemittierenden Halbleiterlasern mit externen Pumpstrahlungsquellen bekannte Optimierung des Überlapps zwischen dem Pumpstrahlungsfeld und den Quantentopfschichten mittels eines vertikalen Pumpresonators nicht ohne Weiteres auf oberflächenemittierende Halbleiterlaser mit monolithisch integrierter Pumpstrahlungsquelle zu übertragen.Pumping radiation source, a pump resonator are generated, whose standing wave field is adapted to the arrangement of the quantum well layers in the quantum well structure of the vertical emitter. This is not possible because the emission of the pump radiation takes place at a fixed angle of 90 ° to the emission direction of the vertical emitter and thus in particular the parameter of the angle of incidence of the pump radiation in the semiconductor body can not be varied. Thus, the optimization of the overlap between the pump radiation field and the quantum well layers known from surface emitting semiconductor lasers with external pump radiation sources by means of a vertical pump resonator is not readily transferred to surface emitting semiconductor lasers with monolithically integrated pump radiation source.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser mit monolithisch integrierter Pumpstrahlungsquelle anzugeben, bei dem ein verbesserter Überlapp zwischen dem Pumpstrahlungsfeld und den Quantentopfschichten des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers erzielt wird.The invention has for its object to provide a surface-emitting semiconductor laser with monolithically integrated pump radiation source, in which an improved overlap between the pump radiation field and the quantum well layers of the surface emitting semiconductor laser is achieved.
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.This object is achieved by a surface-emitting semiconductor laser having the features of patent claim 1 solved. Advantageous embodiments and modifications of the invention are the subject of the dependent claims.
Ein erfindungsgemäßer oberflächenemittierender Halbleiterlaser enthält einen Halbleiterkörper, der eine aktive Zone mit einer Quantentopfstruktur aufweist, wobei die Quantentopfstruktur mehrere Quantentopfschichten enthält, die jeweils zwischen Barriereschichten angeordnet sind, und einen monolithisch in dem Halbleiterkörper integrierten Pumplaser, der Strahlung zum optischen Pumpen der aktiven Zone emittiert, wobei die Pumpstrahlung ein Modenprofil in dem Halbleiterkörper ausbildet und die Quantentopfschichten derart voneinander beabstandet sind, dass sie jeweils im Bereich eines Maximums des Modenprofils der Pumpstrahlung angeordnet sind.A surface-emitting semiconductor laser according to the invention comprises a semiconductor body having an active zone with a quantum well structure, the quantum well structure containing a plurality of quantum well layers each disposed between barrier layers and a pump laser monolithically integrated in the semiconductor body emitting radiation for optically pumping the active region. wherein the pump radiation forms a mode profile in the semiconductor body and the quantum well layers are spaced from each other such that they are each arranged in the region of a maximum of the mode profile of the pump radiation.
Unter der Anordnung einer QuantentopfSchicht im Bereich eines Maximums des Modenprofils der Pumpstrahlung ist im Rahmen der Anmeldung zu verstehen, dass die Pumpstrahlung am Ort der Quantentopfschicht mindestens 70% der Intensität des Maximums, vorzugsweise mindestens 90% der Intensität des Maximums aufweist .In the context of the application, the arrangement of a quantum well layer in the region of a maximum of the mode profile of the pump radiation means that the pump radiation at the location of the quantum well layer has at least 70% of the intensity of the maximum, preferably at least 90% of the intensity of the maximum.
Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass sich bei einer Emission der Pumpstrahlung senkrecht zur Emissionsrichtung der aktiven Zone des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers durch eine monolithisch in den Halbleiterkörper integrierte Pumpstrahlungsquelle ein Modenprofil der Pumpstrahlung ausbildet, das Maxima im Bereich der aktiven Zone des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers aufweist. Unter dem Modenprofil der Pumpstrahlung wird dabei der Intensitätsverlauf der in dem Halbleiterkörper ausbreitungsfähigen Pumpwellen verstanden.The invention makes use of the finding that, when the pump radiation is emitted perpendicular to the emission direction of the active surface of the surface emitting semiconductor laser, a mode profile of the pump radiation having maximums in the region of the active zone of the surface emitting semiconductor laser is formed by a pump radiation source monolithically integrated into the semiconductor body. Under the mode profile of the pump radiation is the intensity profile of the in the semiconductor body spreadable pump waves understood.
Die Lage der Maxima des Modenprofils kann durch ein geeignetes Design des Schichtaufbaus des Halbleiterkörpers beeinflusst und insbesondere so gewählt werden, dass die Lage der Maxima mit den Positionen der Quantentöpfe der aktiven Zone des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers übereinstimmt. Dadurch wird eine hohe Pumpeffizienz und somit eine hohe Effizienz des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers erzielt.The position of the maxima of the mode profile can be influenced by a suitable design of the layer structure of the semiconductor body and in particular be chosen so that the position of the maxima coincides with the positions of the quantum wells of the active zone of the surface emitting semiconductor laser. This achieves a high pumping efficiency and thus a high efficiency of the surface emitting semiconductor laser.
Der Abstand der Maxima des sich in dem Halbleiterkörper ausbildenden Modenprofils der Pumpstrahlung hängt insbesondere von der Wellenlänge der Pumpstrahlung sowie von den Schichtdicken und Brechungsindizes der in dem Halbleiterkörper enthaltenen Halbleiterschichten ab. Eine Anordnung, bei der die Quantentöpfe jeweils in einem Maximum des Modenprofils der Pumpstrahlung angeordnet sind, kann durch eine Simulat'ionsrechnung unter Variation dieser Parameter herausgefunden werden.The distance between the maxima of the mode profile of the pump radiation forming in the semiconductor body depends in particular on the wavelength of the pump radiation and on the layer thicknesses and refractive indices of the semiconductor layers contained in the semiconductor body. An arrangement in which the quantum wells are respectively arranged in a maximum of the mode profile of the pump radiation can be found by a ionsrechnung Simulat 'by varying these parameters.
Die Quantentöpfe werden jeweils aus einer Quantentopfschicht, die zwischen Barriereschichten angeordnet sind, gebildet, wobei die Barriereschichten eine größere elektronische Bandlücke aufweisen als die Quantentopfschichten. Bevorzugt sind die Quantentöpfe durch Abstandsschichten voneinander beabstandet. Die Dicke der Abstandsschichten ist dabei in Abhängigkeit von der Wellenlänge der Pumpstrahlung und den Schichtdicken und Brechungsindizes der Halbleiterschichten in dem Halbleiterkörper derart optimiert, dass die Quantentöpfe jeweils im Bereich eines Maximums des Modenprofils der Pumpstrahlung angeordnet sind. Der Abstand benachbarter Quantentöpfe ist also vorzugsweise gleich dem Abstand zweier Maxima des Modenprofils der Pumpstrahlung oder einem Vielfachen davon.The quantum wells are each formed from a quantum well layer, which are arranged between barrier layers, wherein the barrier layers have a larger electronic band gap than the quantum well layers. Preferably, the quantum wells are spaced apart by spacer layers. The thickness of the spacer layers is optimized as a function of the wavelength of the pump radiation and the layer thicknesses and refractive indices of the semiconductor layers in the semiconductor body such that the quantum wells are each arranged in the region of a maximum of the mode profile of the pump radiation. The distance between adjacent quantum wells is thus preferably equal to the distance between two Maxima of the mode profile of the pump radiation or a multiple thereof.
Vorteilhaft bildet die von der aktiven Zone des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers emittierte LaserStrahlung eine stehende Welle in dem Halbleiterkörper aus, wobei die Quantentöpfe derart angeordnet sind, dass sie jeweils im Bereich eines Maximums der stehenden Welle der Laserstrahlung angeordnet sind. Dies ist im Zweifel so zu verstehen, dass die Laserstrahlung des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers am Ort der jeweiligen QuantentopfSchicht mindestens 70% der Intensität des Maximums, vorzugsweise mindestens 90% der Intensität des Maximums aufweist . Der Abstand benachbarter Quantentöpfe ist also vorzugsweise gleich dem Abstand zweier Maxima der stehenden Welle der Laserstrahlung oder einem Vielfachen davon. Dadurch, dass die Quantentöpfe jeweils in einem Maximum der stehenden Welle der Laserstrahlung angeordnet sind, wird die Laserstrahlung durch die Strahlungsemission der Quantentöpfe resonant verstärkt. Die aktive Zone des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers stellt somit eine RPG-Struktur (resonant periodic gain) dar.Advantageously, the laser radiation emitted by the active zone of the surface-emitting semiconductor laser forms a standing wave in the semiconductor body, the quantum wells being arranged such that they are each arranged in the region of a maximum of the standing wave of the laser radiation. This is to be understood in doubt that the laser radiation of the surface emitting semiconductor laser at the location of the respective quantum well layer has at least 70% of the intensity of the maximum, preferably at least 90% of the intensity of the maximum. The distance between adjacent quantum wells is therefore preferably equal to the distance between two maxima of the stationary wave of the laser radiation or a multiple thereof. Because the quantum wells are each arranged in a maximum of the standing wave of the laser radiation, the laser radiation is amplified resonantly by the radiation emission of the quantum wells. The active zone of the surface emitting semiconductor laser thus constitutes a resonant periodic gain (RPG) structure.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Quantentöpfe in mehreren Gruppen angeordnet, wobei die Abstände der Quantentöpfe innerhalb der Gruppen geringer sind als die Abstände benachbarter Gruppen. Diese Ausführung beruht darauf, dass die Quantentöpfe in der Regel eine im Vergleich zur Periode des Modenprofils der Pumpstrahlung geringe Dicke aufweisen, sodass es möglich ist, mehrere Quantentöpfe im Bereich eines Maximums des Modenprofils der Pumpstrahlung anzuordnen. Damit jede der Gruppen von Quantentöpfen im Bereich eines Maximums des Modenprofils der Pumpstrahlung angeordnet ist, ist der Abstand benachbarter Gruppen vorzugsweise gleich dem Abstand zweier Maxima des Modenprofils der Pumpstrahlung oder einem Vielfachen davon.In a preferred embodiment, the quantum wells are arranged in a plurality of groups, wherein the distances of the quantum wells within the groups are smaller than the spacings of adjacent groups. This embodiment is based on the fact that the quantum wells usually have a small thickness compared to the period of the mode profile of the pump radiation, so that it is possible to arrange a plurality of quantum wells in the region of a maximum of the mode profile of the pump radiation. In order for each of the groups of quantum wells to be arranged in the region of a maximum of the mode profile of the pump radiation, the spacing of adjacent groups is preferably equal to the distance between two maxima of the mode profile of the pump radiation or a multiple thereof.
Vorteilhaft bildet die von der aktiven Zone des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers emittierte Laserstrahlung eine stehende Welle in dem Halbleiterkörper aus, wobei die Gruppen von Quantentöpfeh derart angeordnet sind, dass sie jeweils im Bereich eines Maximums der stehenden Welle der Laserstrahlung des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers angeordnet sind. Dadurch, dass die Gruppen von Quantentöpfen jeweils in einem Maximum der stehenden Welle der Laserstrahlung angeordnet sind, wird die LaserStrahlung durch die Strahlungsemission der Quantentöpfe resonant verstärkt. Die aktive Zone des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers stellt somit eine RPG-Struktur (resonant periodic gain) dar.Advantageously, the laser radiation emitted by the active zone of the surface-emitting semiconductor laser forms a standing wave in the semiconductor body, the groups of quantum wells being arranged in each case in the region of a maximum of the standing wave of the laser radiation of the surface-emitting semiconductor laser. Because the groups of quantum wells are each arranged in a maximum of the standing wave of the laser radiation, the laser radiation is amplified resonantly by the radiation emission of the quantum wells. The active zone of the surface emitting semiconductor laser thus constitutes a resonant periodic gain (RPG) structure.
Der Abstand benachbarter Gruppen von Quantentöpfen ist vorzugsweise gleich dem Abstand zweier Maxima der stehenden Welle der Laserstrahlung oder einem Vielfachen davon. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Gruppen von Quantentöpfen nicht nur in den Maxima der Pumpstrahlung angeordnet sind, sondern auch in den Maxima der stehenden Welle der Laserstrahlung.The spacing of adjacent groups of quantum wells is preferably equal to the distance between two maxima of the standing wave of the laser radiation or a multiple thereof. In this way it can be achieved that the groups of quantum wells are arranged not only in the maxima of the pump radiation, but also in the maxima of the standing wave of the laser radiation.
Die Anzahl der Quantentöpfe in den Gruppen von Quantentöpfen beträgt bevorzugt zwischen einschließlich 2 und einschließlich 4. Insgesamt beträgt die Anzahl der Quantentöpfe in der Quantentopfstruktur der aktiven Zone vorzugsweise zwischen einschließlich 5 und einschließlich 25.The number of quantum wells in the groups of quantum wells is preferably between 2 and 4 inclusive. Overall, the number of quantum wells in the quantum well structure of the active region is preferably between 5 and 25 inclusive.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand vonThe invention will be described below with reference to
Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 6 näher erläutert.Embodiments in connection with the figures 1 to 6 explained in more detail.
Es zeigen:Show it:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,FIG. 1 shows a schematic illustration of a cross section through a surface-emitting semiconductor laser according to a first exemplary embodiment of the invention,
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch die aktive Zone eines weiteren Ausführungsbeispiels eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß der Erfindung,FIG. 2 shows a schematic representation of a cross section through the active zone of a further exemplary embodiment of a surface emitting semiconductor laser according to the invention,
Figur 3 eine schematische Darstellung desFigure 3 is a schematic representation of the
Brechungsindexprofils und der Grundmode der Pumpstrahlung bei einem Halbleiterkörper, der keine aktive Zone eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers enthält,Refractive index profile and the fundamental mode of the pump radiation in a semiconductor body that does not contain an active zone of a surface emitting semiconductor laser,
Figur 4 eine schematische Darstellung desFigure 4 is a schematic representation of
Brechungsindexprofils und des Modenprofils der Pumpstrahlung bei einem Halbleiterkörper eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß der Erfindung, Figur 5 schematische Darstellungen der aktiven Zone des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers, der Intensität des Modenprofils der Pumpstrahlung in der aktiven Zone des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers und der Absorption der Quantentröge bei einem Ausführungsbeispiel eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß der Erfindung, undRefractive index profile and the mode profile of the pump radiation in a semiconductor body of a surface emitting semiconductor laser according to the invention, FIG. 5 shows schematic representations of the active zone of the surface emitting semiconductor laser, the intensity of the mode profile of the pump radiation in the active zone of the surface emitting semiconductor laser and the absorption of the quantum wells in one embodiment of a surface emitting semiconductor laser according to the invention, and FIG
Figur 6 schematische Darstellungen der aktiven Zone des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers, der Intensität des Modenprofils der Pumpstrahlung in der aktiven Zone des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers und der Absorption der Quantentröge bei einem herkömmlichen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser .FIG. 6 shows schematic representations of the active zone of the surface emitting semiconductor laser, the intensity of the mode profile of the pump radiation in the active zone of the surface emitting semiconductor laser and the absorption of the quantum wells in a conventional surface emitting semiconductor laser.
Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.Identical or equivalent components are each provided with the same reference numerals in the figures. The components shown and the size ratios of the components with each other are not to be considered as true to scale.
Das in Figur 1 dargestellte Ausführungsbeispiel eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers enthält einen Halbleiterkörper 10, der eine aktive Zone 1 des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers und einen Pumplaser 6 zum optischen Pumpen der aktiven Zone 1 aufweist. Der Pumplaser 6 ist monolithisch in den Halbleiterkörper 10 des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers integriert und insbesondere Bestandteil der Epitaxieschichtenfolge, welche die aktive Zone 1 und den Pumplaser 6 umfasst. Der Halbleiterkörper 10 weist ein Substrat 11 auf, bei dem es sich vorzugsweise um ein elektrisch leitendes Substrat, insbesondere um ein n-dotiertes Substrat handelt. Beispielsweise ist das Substrat 11 ein n-dotiertes GaAs- Substrat .The exemplary embodiment of a surface emitting semiconductor laser shown in FIG. 1 includes a semiconductor body 10 having an active zone 1 of the surface emitting semiconductor laser and a pump laser 6 for optically pumping the active zone 1. The pump laser 6 is monolithically integrated into the semiconductor body 10 of the surface emitting semiconductor laser and in particular part of the Epitaxieschichtenfolge comprising the active zone 1 and the pump laser 6. The semiconductor body 10 has a substrate 11, which is preferably an electrically conductive substrate, in particular an n-doped substrate. By way of example, the substrate 11 is an n-doped GaAs substrate.
Auf das Substrat 11 können eine oder mehrere Pufferschichten 12 aufgebracht sein, um insbesondere eine geringe Defektdichte und/oder eine gute Gitteranpassung an die nachfolgend aufgewachsenen Epitaxieschichten zu erhalten.One or more buffer layers 12 may be applied to the substrate 11, in order in particular to obtain a low defect density and / or a good lattice matching to the subsequently grown epitaxial layers.
Dem Substrat 11 mit der darauf aufgebrachten Pufferschicht 12 folgt ein DBR-Spiegel 13 nach, der einen ersten Resonatorspiegel für die von der aktiven Zone 1 des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers emittierte Laserstrahlung 15 ausbildet. Der DBR-Spiegel 13 wird von einer Vielzahl von alternierenden Schichten gebildet, die sich in ihrem Brechungsindex voneinander unterscheiden. Die Anzahl der alternierenden Schichtpaare kann beispielsweise etwa 30 betragen. Auf diese Weise wird eine hohe Reflektion für die Laserstrahlung 15 erzielt. Die alternierenden Schichten des DBR-Spiegels 13 sind vorzugsweise n-dotiert. Zum Beispiel kann der DBR-Spiegel 13 alternierende Schichten aus n-dotierten AlGaAs-Schichten und n-dotierten GaAs- Schichten umfassen.The substrate 11 with the buffer layer 12 applied thereto is followed by a DBR mirror 13, which forms a first resonator mirror for the laser radiation 15 emitted by the active zone 1 of the surface-emitting semiconductor laser. The DBR mirror 13 is formed by a plurality of alternating layers differing in refractive index from each other. The number of alternating layer pairs may be for example about 30. In this way, a high reflection for the laser radiation 15 is achieved. The alternating layers of the DBR mirror 13 are preferably n-doped. For example, the DBR mirror 13 may include alternating layers of n-doped AlGaAs layers and n-doped GaAs layers.
Der zweite Resonatorspiegel des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers ist ein außerhalb des Halbleiterkörpers 10 angeordneter externer Resonatorspiegel 14. Bei dem Ausführungsbeispiel handelt es sich also um einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser mit externem Resonator (VECSEL) . Alternativ kann der oberflächenemittierende Halbleiterlaser anstelle des externen Resonatorspiegels 14 auch eine auf die dem Substrat 11 gegenüber liegende Oberfläche des Halbleiterkörpers 10 aufgebrachten zweiten DBR-Spiegel aufweisen (nicht dargestellt) . Eine derartige Ausführungsform eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers wird als VCSEL bezeichnet.The second resonator mirror of the surface-emitting semiconductor laser is an external resonator mirror 14 arranged outside the semiconductor body 10. The exemplary embodiment is therefore an external-cavity surface-emitting semiconductor laser (VECSEL). Alternatively, instead of the external resonator mirror 14, the surface-emitting semiconductor laser may also have a second DBR mirror applied to the surface of the semiconductor body 10 facing the substrate 11 (not shown). Such an embodiment of a surface emitting semiconductor laser is referred to as VCSEL.
Dem DBR-Spiegel 13 folgt in Wachstumsrichtung des Halbleiterkörpers 10 der Pumplaser 6 nach. Der Pumplaser 6 weist eine aktive Schicht 7 auf, die in lateraler Richtung, also senkrecht zur Emissionsrichtung der Laserstrahlung 15 der aktiven Zone 1 des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers emittiert. Die aktive Schicht 7 des Pumplasers 6 ist zwischen Wellenleiterschichten 8 angeordnet, die jeweils an Mantelschichten 9 angrenzen. Auf diese Weise ist ein Wellenleiter für die Pumpstrahlung ausgebildet . Zumindest ein Teil der von dem Pumplaser 6 emittierten PumpStrahlung, die sich in dem Wellenleiter des Pumplasers 6 ausbreitet, kann zum optischen Pumpen des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers in die aktive Zone 1 überkoppeln. Der Übertritt der Strahlung aus dem Pumplaser 6 in die aktive Zone 1 erfolgt dabei ähnlich wie bei der Kopplung zweier Wellenleiter. Dabei kommt es durch konstruktive und destruktive Interferenz der in dem Halbleiterkörper ausbreitungsfähigen Moden der Pumpstrahlung zu einem periodischen Energietransfer zwischen dem Pumplaser 6 und der aktiven Zone 1 des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers. Zwischen dem Pumplaser 6 und der aktiven Zone 1 des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers ist vorzugsweise eine Kopplungsschicht 16 angeordnet, deren Dicke und Brechungsindex derart eingestellt ist, dass die sich in dem Wellenleiter des Pumplasers 6 in lateraler Richtung ausbreitende PumpStrahlung in die aktive Zone 1 des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers übertreten kann.The DBR mirror 13 is followed in the growth direction of the semiconductor body 10 by the pump laser 6. The pump laser 6 has an active layer 7, which emits in the lateral direction, ie perpendicular to the emission direction of the laser radiation 15 of the active zone 1 of the surface-emitting semiconductor laser. The active layer 7 of the pump laser 6 is arranged between waveguide layers 8, each of which adjoins cladding layers 9. In this way, a waveguide for the pump radiation is formed. At least part of the pump radiation emitted by the pump laser 6, which propagates in the waveguide of the pump laser 6, can be coupled into the active zone 1 for optical pumping of the surface-emitting semiconductor laser. The transition of the radiation from the pump laser 6 in the active zone 1 is similar to the coupling of two waveguides. This results in a periodic energy transfer between the pump laser 6 and the active zone 1 of the surface-emitting semiconductor laser due to constructive and destructive interference of the modes of the pump radiation propagatable in the semiconductor body. Between the pump laser 6 and the active zone 1 of the surface emitting semiconductor laser, a coupling layer 16 is preferably arranged, the thickness and refractive index of which is adjusted in such a way that in the waveguide of the pump laser 6 in the lateral direction propagating pump radiation can pass into the active zone 1 of the surface emitting semiconductor laser.
Der Pumplaser 6 wird elektrisch zur Emission von Pumpstrahlung angeregt. Ein erster elektrischer Kontakt 17 für den Pumplaser 6 kann beispielsweise auf der von der aktiven Zone 1 abgewandten Rückseite des Substrats 11 angeordnet sein. Um einen p-Kontakt 18 für den Pumplaser 6 anzuordnen, ist der Halbleiterkörper 10 vorzugsweise von der dem Substrat 11 gegenüber liegenden Oberfläche bis in einem Bereich unterhalb der aktiven Zone 1 des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers heruntergeätzt. Der p-Kontakt 18 des Pumplasers 6 kann beispielsweise auf die Kopplungsschicht 16 aufgebracht sein. Vorzugsweise handelt es sich bei der p-Kontaktschicht 18 um eine Schicht aus einem transparenten leitfähigen Oxid, beispielsweise um eine ZnO- Schicht .The pump laser 6 is electrically excited to emit pump radiation. A first electrical contact 17 for the pump laser 6 may, for example, be arranged on the rear side of the substrate 11 facing away from the active zone 1. In order to arrange a p-contact 18 for the pump laser 6, the semiconductor body 10 is preferably etched down from the surface opposite the substrate 11 to a region below the active zone 1 of the surface-emitting semiconductor laser. The p-contact 18 of the pump laser 6 may be applied to the coupling layer 16, for example. The p-contact layer 18 is preferably a layer of a transparent conductive oxide, for example a ZnO layer.
Die aktive Zone 1 des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers ist in dem Halbleiterkörper 10 oberhalb der Kopplungsschicht 16 angeordnet. Insbesondere zum Schutz vor Oxidation kann die aktive Zone 1 mit einer Deckschicht 19 versehen sein.The active region 1 of the surface emitting semiconductor laser is arranged in the semiconductor body 10 above the coupling layer 16. In particular, for protection against oxidation, the active zone 1 may be provided with a cover layer 19.
Die aktive Zone 1 des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers weist eine Quantentopfstruktur auf, die mehrere Quantentöpfe 2 enthält. Zur Vereinfachung der Darstellung sind in Figur 1 nur vier Quantentöpfe 2 dargestellt. Eine bevorzugte Anzahl der Quantentöpfe beträgt zwischen einschließlich 5 und einschließlich 25. Die Quantentöpfe 2 werden jeweils durch eine QuantentopfSchicht 3 gebildet, die zwischen Barriereschichten 4 angeordnet ist, wobei die Barriereschichten 4 eine größere elektronische Bandlücke aufweisen als die Quantentopfschichten 3.The active region 1 of the surface emitting semiconductor laser has a quantum well structure containing a plurality of quantum wells 2. To simplify the illustration, only four quantum wells 2 are shown in FIG. A preferred number of quantum wells is between 5 and 25 inclusive. The quantum wells 2 are each formed by a quantum well layer 3 arranged between barrier layers 4, wherein the barrier layers 4 have a larger electronic band gap than the quantum well layers 3.
Die Quantentöpfe 2 sind jeweils im Bereich eines Maximums des Modenprofils der Pumpstrahlung angeordnet. Die Positionen der Maxima des Modenprofils der Pumpstrahlung in dem Halbleiterkörper 10 hängen insbesondere von der Wellenlänge der Pumpstrahlung, sowie von den Brechungsindizes und Schichtdicken der oberhalb des Pumplasers 6 angeordneten Halbleiterschichten ab. Eine optimale Positionierung der Quantentöpfe 2 derart, dass sie jeweils im Bereich eines Maximums des Modenprofils der Pumpstrahlung angeordnet sind, kann anhand von Simulationsrechnungen herausgefunden werden. Die Quantentöpfe 2 sind vorteilhaft durch Abstandsschichten 5 voneinander beabstandet, wobei die Dicke derThe quantum wells 2 are each arranged in the region of a maximum of the mode profile of the pump radiation. The positions of the maxima of the mode profile of the pump radiation in the semiconductor body 10 depend in particular on the wavelength of the pump radiation and on the refractive indices and layer thicknesses of the semiconductor layers arranged above the pump laser 6. Optimal positioning of the quantum wells 2 such that they are each arranged in the region of a maximum of the mode profile of the pump radiation can be found on the basis of simulation calculations. The quantum wells 2 are advantageously spaced apart by spacer layers 5, wherein the thickness of the
Abstandsschichten 5 so gewählt wird, dass die Positionen der Quantentöpfe 2 mit den Maxima des Modenprofils der Pumpstrahlung zusammenfallen.Spacer layers 5 is chosen so that the positions of the quantum wells 2 coincide with the maxima of the mode profile of the pump radiation.
Die von dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser emittierte Laserstrahlung 15 bildet in dem Halbleiterkörper 10 vorteilhaft eine stehende Welle aus. Die Quantentöpfe 2 sind bevorzugt derart angeordnet, dass sie in den Maxima der stehenden Welle der Laserstrahlung 15 angeordnet sind. Die aktive Zone 1 des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers bildet auf diese Weise eine RPG(resonant periodic gain) - Struktur aus. Weiterhin sind die Quantentöpfe 2 vorteilhaft derart angeordnet, dass sie zusätzlich in den Maxima des Modenprofils der Pumpstrahlung liegen. Durch diese Anordnung der Quantentöpfe 2 ergibt sich ein effektives Pumpen aller Quantentöpfe 2. Eine bevorzugte Ausführungsform der aktiven Zone 1 des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers ist in Figur 2 dargestellt. Die aktive Zone 1 enthält eineThe laser radiation 15 emitted by the surface-emitting semiconductor laser advantageously forms a standing wave in the semiconductor body 10. The quantum wells 2 are preferably arranged such that they are arranged in the maxima of the standing wave of the laser radiation 15. The active zone 1 of the surface emitting semiconductor laser in this way forms an RPG (resonant periodic gain) structure. Furthermore, the quantum wells 2 are advantageously arranged such that they additionally lie in the maxima of the mode profile of the pump radiation. This arrangement of the quantum wells 2 results in an effective pumping of all quantum wells 2. A preferred embodiment of the active zone 1 of the surface emitting semiconductor laser is shown in FIG. The active zone 1 contains a
QuantentopfStruktur, bei der die Quantentröge 2 in mehreren Gruppen 20 angeordnet sind. Jede der Gruppen 20 enthält zwei Quantentröge 2. Die Abstände der Quantentröge 2 innerhalb der Gruppen 20 sind kleiner als die Abstände der Gruppen 20 von Quantentrögen 2. Die Abstände der Quantentröge 2 innerhalb der Gruppen 20 und die Abstände der Gruppen 20 von Quantentrögen sind vorzugsweise durch Abstandsschichten 5 eingestellt. Die Gruppen 20 von Quantentrögen 2 sind vorteilhaft derart angeordnet, dass jede Gruppe 20 im Bereich eines Maximums des Modenprofils der Pumpstrahlung positioniert ist. Dabei wird ausgenutzt, dass die Quantentröge 2 im Vergleich zur Periode des Modenprofils der Pumpstrahlung eine vergleichsweise geringe Dicke aufweisen, so dass es möglich ist, mehrere Quantentröge 2 im Bereich des Maximums des Modenprofils der Pumpstrahlung anzuordnen. Vorteilhaft sind die Gruppen 20 von Quantentrögen 2 derart angeordnet, dass jede Gruppe 20 sowohl in einem Maximum des Modenprofils der Pumpstrahlung als auch in einem Maximum der stehenden Welle der Laserstrahlung angeordnet ist. Der Abstand der Gruppen 20 ist daher vorteilhaft gleich dem Abstand zweier Maxima des Modenprofils der Pumpstrahlung oder einem Vielfachen davon. Weiterhin ist der Abstand der Gruppen 20 vorzugsweise gleich dem Abstand zweier Maxima der stehenden Welle der Laserstrahlung des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers oder einem Vielfachen davon.Quantum well structure in which the quantum wells 2 are arranged in a plurality of groups 20. Each of the groups 20 contains two quantum wells 2. The distances of the quantum wells 2 within the groups 20 are smaller than the distances of the groups 20 of quantum wells 2. The distances of the quantum wells 2 within the groups 20 and the distances of the groups 20 of quantum wells are preferably through Distance layers 5 set. The groups 20 of quantum wells 2 are advantageously arranged such that each group 20 is positioned in the region of a maximum of the mode profile of the pump radiation. It is exploited that the quantum wells 2 compared to the period of the mode profile of the pump radiation have a comparatively small thickness, so that it is possible to arrange a plurality of quantum wells 2 in the region of the maximum of the mode profile of the pump radiation. Advantageously, the groups 20 of quantum wells 2 are arranged such that each group 20 is arranged both in a maximum of the mode profile of the pump radiation and in a maximum of the standing wave of the laser radiation. The spacing of the groups 20 is therefore advantageously equal to the distance between two maxima of the mode profile of the pump radiation or a multiple thereof. Furthermore, the spacing of the groups 20 is preferably equal to the distance between two maxima of the standing wave of the laser radiation of the surface emitting semiconductor laser or a multiple thereof.
In Figur 3 ist schematisch der Verlauf des Brechungsindex n (Kurve 23) und der Intensitätsverlauf Ip der Pumpstrahlung (Kurve 24) entlang einer vertikal verlaufenden Ortskoordinate z für einen Halbleiterkörper dargestellt, bei dem keine aktive Zone eines oberflächenemittierenden. Halbleiterlasers auf dem Pumplaser 6 angeordnet ist. Dabei wurde angenommen, dass der Halbleiterkörper einen DBR-Spiegel 16 und den Pumplaser 6 umfasst, wobei anstelle einer aktiven Zone eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers nur eine transparente Kontaktschicht 18 mit niedrigem Brechungsindex auf den Pumplaser aufgebracht ist. In diesem Fall würde sich die Pumpstrahlung in ihrer Grundmode im Bereich des Pumplasers 6 ausbreiten.FIG. 3 schematically shows the course of the refractive index n (curve 23) and the intensity profile I p of the pump radiation (curve 24) along a vertical spatial coordinate z is shown for a semiconductor body in which no active zone of a surface emitting. Semiconductor laser is arranged on the pump laser 6. It was assumed that the semiconductor body comprises a DBR mirror 16 and the pump laser 6, wherein instead of an active zone of a surface emitting semiconductor laser only a transparent contact layer 18 with a low refractive index is applied to the pump laser. In this case, the pump radiation would propagate in its fundamental mode in the area of the pump laser 6.
Figur 4 stellt den Verlauf des Brechungsindex n (Kurve 25) und die ausbreitungsfähigen Moden der Pumpstrahlung (Kurven 26, 27) entlang einer vertikal verlaufenden Ortskoordinate z für einen Halbleiterkörper bei einem Ausführungsbeispiel eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß der Erfindung dar, bei dem eine aktive Zone 1 des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers auf dem Pumplaser 6 angeordnet ist. Die Energie der in Figur 3 dargestellten Grundmode des Pumplasers 2 wird in die ausbreitungsfähigen Moden 26, 27 durch Modenkopplung transferiert. Da die beiden Moden 26, 27 leicht unterschiedliche Ausbreitungskonstanten aufweisen, führt dies bei der Ausbreitung der Moden im Halbleiterkörper zu einer periodischen konstruktiven bzw. destruktiven Interferenz der beiden Moden 26, 27. Die periodische konstruktive und destruktive Interferenz der Moden bewirkt einen periodischen Energietransfer zwischen dem Pumplaser und der aktiven Zone des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers. Der Abstand der Maxima des Modenprofils 26, 27 kann durch ein geeignetes Design des Schichtaufbaus beeinflusst werden. In Figur 5 ist auf der linken Seite schematisch eine aktive Zone 1 bei einem Ausführungsbeispiel des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers dargestellt, bei der die Quantentopfstruktur fünf Gruppen 20 von Quantentrögen 2 enthält. Jede Gruppe 20 enthält zwei Quantentröge 2. Im mittleren Teil der Figur 5 ist schematisch die Intensität Ip des Modenprofils der Pumpstrahlung in der aktiven Zone 1 des oberflächenemittierenden Halbliterlasers dargestellt. Die Gruppe von Quantentrögen 20 in der aktiven Zone 1 sind derart angeordnet, dass jede Gruppe 20 im Bereich eines Maximums 22 des Modenprofils 21 der Pumpstrahlung angeordnet ist. Die auf der rechten Seite der Figur 5 dargestellte simulierte Absorption Ap der Quantentröge 2 verdeutlicht, dass in allen Quantentrögen 2 eine gleichmäßig hohe Absorption der Pumpstrahlung erfolgt. Auf diese Weise wird der oberflächenemittierende Halbleiterlaser besonders effizient gepumpt .FIG. 4 shows the course of the refractive index n (curve 25) and the propagatable modes of the pump radiation (curves 26, 27) along a vertical spatial coordinate z for a semiconductor body in an embodiment of a surface emitting semiconductor laser according to the invention, in which an active zone 1 of the surface emitting semiconductor laser is arranged on the pump laser 6. The energy of the basic mode of the pump laser 2 shown in FIG. 3 is transferred into the modes capable of propagation 26, 27 by mode coupling. Since the two modes 26, 27 have slightly different propagation constants, this leads to the propagation of the modes in the semiconductor body to a periodic constructive or destructive interference of the two modes 26, 27. The periodic constructive and destructive interference of the modes causes a periodic energy transfer between the Pumplaser and the active zone of the surface emitting semiconductor laser. The distance of the maxima of the mode profile 26, 27 can be influenced by a suitable design of the layer structure. FIG. 5 schematically shows on the left side an active zone 1 in an embodiment of the surface-emitting semiconductor laser, in which the quantum well structure contains five groups 20 of quantum wells 2. Each group 20 contains two quantum wells 2. The middle part of FIG. 5 schematically shows the intensity I p of the mode profile of the pump radiation in the active zone 1 of the surface-emitting half-light laser. The group of quantum wells 20 in the active zone 1 are arranged such that each group 20 is arranged in the region of a maximum 22 of the mode profile 21 of the pump radiation. The simulated absorption A p of the quantum wells 2 illustrated on the right side of FIG. 5 illustrates that in all quantum wells 2 a uniformly high absorption of the pump radiation takes place. In this way, the surface-emitting semiconductor laser is pumped particularly efficiently.
In Figur 6 ist Vergleich dazu eine aktive Zone 1 eines herkömmlichen oberflächenemittierenden Halbleiterlasers dargestellt. Die aktive Zone 1 umfasst vierzehn Quantentröge 2, deren Anordnung nicht an das im mittleren Teil der Figur 6 dargestellte Intensitätsprofil Ip des Modenprofils 21 der Pumpstrahlung angepasst ist. Insbesondere sind nicht alle Quantentröge 2 im Bereich eines Maximums 22 des Modenprofils 21 angeordnet.In comparison with FIG. 6, an active zone 1 of a conventional surface emitting semiconductor laser is shown. The active zone 1 comprises fourteen quantum wells 2 whose arrangement is not adapted to the intensity profile I p of the mode profile 21 of the pump radiation shown in the middle part of FIG. In particular, not all quantum wells 2 are arranged in the region of a maximum 22 of the mode profile 21.
Die auf der rechten Seite der Figur 6 dargestellte Simulation der Absorption Ap der Pumpstrahlung in den Quantentrögen 2 verdeutlicht, dass die Quantentröge 2 nachteilig eine ungleichmäßige Absorption der Pumpstrahlung aufweisen. Die Effizienz des optischen Pumpens des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers ist dadurch im Vergleich zu dem in Figur 5 dargestellten Ausführungsbeispiel eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß der Erfindung vermindert .The simulation of the absorption A p of the pump radiation in the quantum wells 2 illustrated on the right side of FIG. 6 illustrates that the quantum wells 2 disadvantageously have an uneven absorption of the pump radiation. The efficiency of the optical pumping of the surface emitting semiconductor laser is thereby compared to that in FIG. 5 illustrated embodiment of a surface emitting semiconductor laser according to the invention is reduced.
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. The invention is not limited by the description with reference to the embodiments. Rather, the invention encompasses any novel feature as well as any combination of features, including in particular any combination of features in the claims, even if this feature or combination itself is not explicitly stated in the claims or exemplary embodiments.

Claims

Patentansprüche claims
1. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser mit1. Surface emitting semiconductor laser with
- einem Halbleiterkörper (10) , der eine aktive Zone (1) mit einer Quantentopfstruktur aufweist, wobei die Quantentopfstruktur mehrere Quantentöpfe (2) enthält, die jeweils aus einer zwischen Barriereschichten (4) angeordneten QuantentopfSchicht (3) gebildet sind, und- A semiconductor body (10) having an active zone (1) having a quantum well structure, wherein the quantum well structure comprises a plurality of quantum wells (2) each formed of a between barrier layers (4) arranged quantum well layer (3), and
- einem monolithisch in den Halbleiterkörper (10) integrierten Pumplaser (6) , der Pumpstrahlung zum optischen Pumpen der aktiven Zone (1) emittiert, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpstrahlung ein Modenprofil (21) in dem Halbleiterkörper (10) ausbildet und die Quantentöpfe (2) derart voneinander beabstandet sind, dass sie jeweils im Bereich eines Maximums (22) des Modenprofils der Pumpstrahlung angeordnet sind.a pump laser (6) which is monolithically integrated into the semiconductor body (10) and emits pump radiation for optically pumping the active zone (1), characterized in that the pump radiation forms a mode profile (21) in the semiconductor body (10) and the quantum wells ( 2) are spaced apart such that they are each arranged in the region of a maximum (22) of the mode profile of the pump radiation.
2. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch2. Surface emitting semiconductor laser according to claim
1, dadurch gekennzeichnet, dass die Quantentöpfe (2) durch Abstandschichten (5) voneinander beabstandet sind.1, characterized in that the quantum wells (2) by spacer layers (5) are spaced from each other.
3. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die von der aktiven Zone (1) emittierte Laserstrahlung (15) eine stehende Welle in dem Halbleiterkörper (10) ausbildet, wobei die Quantentöpfe (2) derart angeordnet sind, dass sie jeweils im Bereich eines Maximums der stehenden Welle der Laserstrahlung (15) angeordnet sind.3. Surface emitting semiconductor laser according to claim 1 or 2, characterized in that the of the active zone (1) emitted laser radiation (15) forms a standing wave in the semiconductor body (10), wherein the quantum wells (2) are arranged such that they each in the range of a maximum of standing wave of laser radiation (15) are arranged.
4. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Quantentöpfe (2) in mehreren Gruppen (20) angeordnet sind, wobei die Abstände der Quantentöpfe (2) innerhalb der Gruppen (20) geringer sind als die Abstände benachbarter Gruppen (20) .4. Surface emitting semiconductor laser according to claim 1 or 2, characterized in that the quantum wells (2) in a plurality of groups (20) are arranged, wherein the distances of the quantum wells (2) within the groups (20) are smaller than the distances of adjacent groups ( 20).
5. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand benachbarter Gruppen (20) gleich dem Abstand zweier Maxima (22) des Modenprofils (21) der Pumpstrahlung oder einem Vielfachen davon ist .5. Surface-emitting semiconductor laser according to claim 4, characterized in that the distance of adjacent groups (20) is equal to the distance between two maxima (22) of the mode profile (21) of the pump radiation or a multiple thereof.
6. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 4 oder 5 , dadurch gekennzeichnet, dass die von der aktiven Zone (1) emittierte Laserstrahlung6. Surface-emitting semiconductor laser according to claim 4 or 5, characterized in that the of the active zone (1) emitted laser radiation
(15) eine stehende Welle in dem Halbleiterkörper (10) ausbildet, wobei die Gruppen (20) von Quantentöpfen (2) derart angeordnet sind, dass sie jeweils im Bereich eines Maximums der stehenden Welle der Laserstrahlung(15) forms a standing wave in the semiconductor body (10), wherein the groups (20) of quantum wells (2) are arranged such that they each in the region of a maximum of the standing wave of the laser radiation
(15) angeordnet sind.(15) are arranged.
7. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand benachbarter Gruppen (20) gleich dem Abstand zweier Maxima der stehenden Welle der Laserstrahlung ( 15 ) ist .7. Surface-emitting semiconductor laser according to claim 6, characterized in that the spacing of adjacent groups (20) is equal to the distance between two maxima of the stationary wave of the laser radiation (15) is.
8. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand benachbarter Gruppen (20) gleich einem Vielfachen des Abstands zweier Maxima der stehenden Welle der Laserstrahlung (15) ist.8. Surface-emitting semiconductor laser according to claim 7, characterized in that the distance between adjacent groups (20) is equal to a multiple of the distance between two maxima of the standing wave of the laser radiation (15).
9. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 4 bis 8 , dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppen (20) jeweils zwei bis vier Quantentöpfe (2) umfassen.9. Surface-emitting semiconductor laser according to one of claims 4 to 8, characterized in that the groups (20) each comprise two to four quantum wells (2).
10. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Zone (1) zwischen einschließlich 5 und einschließlich 25 Quantentöpfe (2) enthält. 10. Surface-emitting semiconductor laser according to one of the preceding claims, characterized in that the active zone (1) contains between 5 and 25 quantum wells (2) inclusive.
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