WO2010000231A1 - Oberflächenemittierender halbleiterlaser mit mehreren aktiven zonen - Google Patents

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laser
radiation
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Peter Brick
Martin Müller
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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    • H01S5/305—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region characterised by the doping materials used in the laser structure
    • H01S5/3095—Tunnel junction

Definitions

  • the invention relates to a surface-emitting semiconductor laser having a plurality of active zones according to the preamble of patent claim 1.
  • a surface-emitting semiconductor laser which comprises a semiconductor body with a plurality of radiation generating suitable, spaced-apart active areas, wherein between two active areas a tunnel junction is monolithically integrated in the semiconductor body, and the two active
  • Regions are electrically connected by means of the tunnel junction. In this way, a high radiation power can be achieved with a compact semiconductor body.
  • the semiconductor laser has an external resonator mirror, in which between the
  • Semiconductor body and the external resonator mirror formed external resonator can be arranged in particular a frequency conversion element for frequency conversion of the radiation emitted by the semiconductor laser radiation.
  • the beam shaping in such a surface-emitting semiconductor laser is typically carried out in that the external resonator mirror is curved.
  • the laser radiation emitted by surface-emitting semiconductor lasers generally has no defined polarization direction. For many applications, it is desirable to be able to use a compact semiconductor laser, which also has a defined polarization in addition to a high output power and good beam shape.
  • the invention has for its object to provide a surface emitting semiconductor laser of the type mentioned, which is characterized both by a high output power and a defined direction of polarization of the emitted laser radiation.
  • a surface-emitting semiconductor laser has a semiconductor body which contains at least two active zones for emitting laser radiation, which are connected to one another by a tunnel junction. Furthermore, the surface-emitting semiconductor laser has an external resonator mirror arranged outside the semiconductor body for forming a laser resonator.
  • the external resonator mirror preferably forms the laser resonator of the surface-emitting semiconductor laser together with a resonator mirror, for example a Bragg mirror, contained in the semiconductor body, wherein at least one polarization-selective element is arranged in the laser resonator.
  • the surface-emitting semiconductor laser By integrating a polarization-selective element into the laser resonator of the surface-emitting semiconductor laser, it is advantageously achieved that the surface-emitting semiconductor laser emits laser radiation having a defined polarization, so that it is possible to dispense with further polarization-selective elements arranged outside the laser resonator.
  • the surface-emitting semiconductor laser is thus characterized on the one hand by a high output power, which is achieved by means of the plurality of active zones, and on the other hand by a defined polarization of the emitted laser radiation.
  • the polarization-selective element is preferably a polarization-selective grating.
  • the polarization-selective grating is preferably a dielectric transmission grating.
  • a dielectric transmission grating is characterized in particular by a high radiation resistance. This advantageously enables the integration of such a transmission grating in the laser resonator of the surface emitting semiconductor laser.
  • Dielectric transmission gratings are per se, for example, from the publication T. Clausnitzer, T. fighting, E. -B. Kley, A. Tünnermann, AV Tishchenko, O. Parriaux, "Highly Efficient Dielectric Transmission Gratings - A Clear Examination of Diffraction Behavior," Photonik 1/2007, pp. 48-51.
  • the polarization-selective element in particular a polarization-selective transmission grating, is arranged on a radiation exit surface of the semiconductor body.
  • the arrangement of the polarization-selective element on a radiation exit surface of the semiconductor body advantageously reduces the assembly and adjustment effort in the production of the surface-emitting semiconductor laser and at the same time achieves a compact construction.
  • the radiation exit surface of the semiconductor body on which the polarization-selective element is arranged may, for example, be a substrate of the surface-emitting semiconductor laser.
  • the semiconductor body is preferably designed as a so-called bottom emitter, that is, the emitted laser radiation exits through the substrate from the semiconductor body.
  • the substrate is the growth substrate on which the semiconductor layers of the semiconductor body, in particular the at least two active zones and the tunnel junction arranged therebetween, have been epitaxially grown.
  • the semiconductor body has a current spreading layer, wherein the surface of the current spreading layer functions as a radiation exit surface.
  • the polarization-selective element is preferably applied to the surface of the current spreading layer.
  • a growth substrate on which the semiconductor layers of the semiconductor body have preferably been epitaxially grown is advantageously removed from the semiconductor body, ie the half conductor body has no growth substrate. In this Case, the semiconductor body at one of
  • the current spreading layer on which the polarization-selective element is arranged is preferably an n-doped layer.
  • the laser radiation is thus coupled out by the n-doped current spreading layer.
  • the semiconductor body is preferably mounted on a carrier at a p-doped region opposite the current spreading layer.
  • the surface of the semiconductor body provided with the polarization-selective element for example the substrate or the current spreading layer of the semiconductor body, is preferably shaped as a lens.
  • the surface of the semiconductor body, through which the laser radiation emitted by the active layers emerges from the semiconductor body preferably with a
  • etching to produce a desired lens shape corresponding curvature at the radiation exit surface of the semiconductor body.
  • the surface of the semiconductor body can be processed in such a way that it has a convexly curved surface.
  • a beam-shaping element is advantageously integrated into the semiconductor body of the surface-emitting semiconductor laser.
  • the surface-emitting semiconductor laser is characterized in this case not only by a defined polarization direction of the emitted laser radiation, but also by a good beam shaping.
  • the semiconductor body of the surface emitting semiconductor laser has a very compact construction, since it is possible to dispense with external optical elements for beam shaping.
  • a lens integrated in the semiconductor body of the surface emitting semiconductor laser has the further advantage that a small beam cross section can be achieved in the external resonator even when using a planar external resonator mirror.
  • the polarization-selective element is arranged on a surface of the external resonator mirror.
  • a polarization-selective grating can be applied to the surface of the external resonator mirror.
  • the polarization-selective element is applied to a surface of the external resonator mirror, it is advantageously not required that the polarization-selective element is additionally mounted and adjusted in the surface-emitting semiconductor laser. In this way, the production cost is reduced and achieves a compact structure of the surface emitting semiconductor laser.
  • the laser resonator has a folding mirror and the polarization-selective element, in particular a polarization-selective grating, is arranged on a surface of the folding mirror.
  • the folding mirror which is arranged between the semiconductor body and the external resonator mirror, a folded laser resonator is formed.
  • the folding mirror may be a 45 ° mirror.
  • the laser radiation emitted by the at least two active zones of the surface-emitting semiconductor laser impinges on the folding mirror at an angle of incidence of 45 ° and is reflected by the folding mirror at a deflection angle of 45 °.
  • the folding mirror thus causes in this case a deflection of the emitted laser radiation by 90 °.
  • the folding mirror can also be arranged at different angles with respect to the laser radiation emitted by the semiconductor body.
  • the polarization-selective element applied to the folding mirror is preferably a polarization-selective reflective coating.
  • the polarization-selective reflective coating preferably has a layer sequence of dielectric layers.
  • the polarization-selective reflective coating preferably has a reflectivity R p for p-polarized light and at the angle of incidence of the laser radiation
  • R p / R 3 ⁇ 0.95.
  • the reflectivity for p-polarized light is lower than for s-polarized light. This ensures that the gain for p-polarized light in the laser resonator is so low that the laser oscillates only for the radiation in the s-polarized state.
  • the surface emitting semiconductor laser emits s-polarized light in this case.
  • the reflectivity for s-polarized Light be lower than for p-polarized light, wherein preferably R 3 / R p ⁇ 0.95 applies.
  • the surface emitting semiconductor laser emits p-polarized light in this case.
  • a suitable reflective coating in particular a dielectric layer system that has a desired ratio of the reflectivity for the p-polarization to the reflectivity for the s-polarization for a given angle of incidence, can be determined on the basis of simulation calculations taking into account the angle of incidence and the wavelength.
  • the external resonator mirror has a reflection maximum at a first
  • Wavelength ⁇ i and the folding mirror has a reflection maximum at a second wavelength ⁇ 2 , wherein the wavelength of the emitted laser radiation ⁇ L is between ⁇ i and X 2 .
  • the reflection maxima of the resonator mirror and of the folding mirror are in this case at least slightly offset from one another.
  • the reflection curve of the external resonator mirror and the folding mirror thereby advantageously overlap one another.
  • the laser can swing in this case only at a wavelength between ⁇ i and ⁇ 2 , in which both the external resonator mirror and the folding mirror have a sufficiently high reflectivity.
  • a frequency conversion element is arranged in the external resonator of the surface-emitting semiconductor laser.
  • the frequency conversion element is an optical element which is suitable for multiplying, in particular doubling, the frequency of the emitted laser radiation.
  • the frequency conversion element is preferably a nonlinear optical crystal.
  • Semiconductor material that generates radiation in the near infrared spectral range, laser radiation in the visible region of the spectrum, in particular blue or green laser radiation can be generated.
  • the radiation exit surface of the semiconductor body for example the substrate or a current spreading layer, is shaped as a lens.
  • a small beam cross section of the laser radiation in the region of the frequency conversion element can be achieved, in particular even if a plane mirror is used as the external mirror.
  • FIG. 1 shows a schematically illustrated cross section of a surface emitting semiconductor laser according to a first exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a schematically illustrated cross-section of a surface-emitting semiconductor laser according to a second exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows a schematically illustrated cross-section of a surface-emitting semiconductor laser according to a third exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 4 shows a schematically illustrated cross-section of a surface-emitting semiconductor laser according to a fourth exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 5 shows a schematically illustrated cross-section of a surface-emitting semiconductor laser according to a fifth exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a surface-emitting semiconductor laser is shown, which has at least two active zones 2, which are interconnected by a tunnel junction 3.
  • the two active zones 2 are monolithically integrated into the semiconductor body 1 of the surface emitting semiconductor laser.
  • the two active zones 2 are contained in a preferably epitaxially produced semiconductor layer sequence, which has grown on a growth substrate 6, and spaced apart from one another within this semiconductor layer sequence in the vertical direction.
  • the radiation-emitting active zones 2 preferably each have 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.
  • quantum well structure does not include information about the
  • Quantum wells Quantum wells, quantum wires and quantum dots and any combination of these structures.
  • Semiconductor laser is preferably based on a III-V compound semiconductor, in particular on an arsenide compound semiconductor.
  • a Arsenidimpls- semiconductor material preferably Al n Ga m n - comprises 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 have the characteristic physical properties of the Al n Ga m Ini- n . m As-material in the Essentially not change.
  • the above formula contains only the essential components of the crystal lattice (Al, Ga, In, As), even though these may be partially replaced by small amounts of other substances.
  • the active zones 2 may also be a nitride compound semiconductor material, preferably Al n Ga m ini- n - m N, a Antimonidharmconleitermaterial, preferably Al n Ga m -nm Sb, or a phosphide, preferably
  • the active zones 2 are each arranged between semiconductor regions 8, 9, which have opposite conductivity types.
  • the active zones 2 are each arranged between a p-doped semiconductor region 8 and an n-doped semiconductor region 9.
  • the tunnel junction 3 preferably contains at least two tunnel contact layers 3a, 3b, which have different electrical conductivity types and are preferably highly doped.
  • the tunnel contact layers 3a, 3b preferably each have the same conductivity type as the semiconductor regions 8, 9 adjacent to them.
  • the tunnel contact layer 3a adjoining the n-doped semiconductor region 9 is an n-doped layer, preferably with a high dopant concentration (n + ).
  • the further tunnel contact layer 3b, which adjoins the p-doped semiconductor region 8, is preferably a p-doped layer, in particular with a high dopant concentration (p + ).
  • the surface-emitting semiconductor laser comprises a first
  • Resonator mirror 10 which is preferably integrated in the semiconductor body 1, and a second resonator mirror 11, which is for example an outside of the semiconductor body 1 arranged external resonator mirror.
  • the first resonator mirror 10 integrated in the semiconductor body 1 is preferably a Bragg mirror, which is formed by a plurality of layer pairs of layers with different refractive index to achieve a high reflectivity.
  • the Bragg mirror may have a plurality of alternating layers of Al ⁇ _ x Ga x As with 0 ⁇ x ⁇ 1, which differ in their aluminum content from each other.
  • the Bragg mirror contains at least ten pairs of layers.
  • the surface-emitting semiconductor laser contains a first electrical contact 14 and a second electrical contact 15, which are designed, for example, as metal contacts.
  • the first electrical contact 14 is, for example, an n-contact and applied to a rear side of the substrate 6 facing away from the active layers 2.
  • the second electric Contact 15 is, for example, a p-contact and is applied to the surface of the semiconductor body 1 opposite the substrate 6.
  • the surface-emitting semiconductor laser is embodied in the exemplary embodiment shown in FIG. 1 as a so-called bottom emitter, that is to say the laser radiation 13 exits the semiconductor body 1 through a rear-side surface 5 of the substrate 6.
  • the first electrical contact 14 is not applied to the entire back of the substrate 6 to avoid radiation absorption, but preferably covers only the edge regions of the back of the substrate 6.
  • the first electrical contact 14 may be designed as a ring contact serving as a radiation exit surface 5 Area of the back of the substrate 6 surrounds annular.
  • the second electrical contact 15, which may in particular be a p-contact is applied only to a central subregion of the surface of the semiconductor body 1 opposite to the substrate 6. In this way, the current flow through the semiconductor body 1 is concentrated to a central region, in which the laser radiation is coupled out at the rear side of the substrate 6.
  • the semiconductor body 1 may be arranged on the substrate 6 opposite surface on a support 16, for example, a printed circuit board or a heat sink.
  • the areas of the surface of the semiconductor body 1 which are located outside the central p-contact can optionally be isolated from the carrier 16 by an electrically insulating layer 17.
  • the serving as the radiation exit surface 5 surface of the substrate 6 is provided with a polarization-selective element 4.
  • the polarization-selective element 4 is a polarization-selective transmission grating 20.
  • the polarization-selective grating 20 can be produced, for example, by applying a layer, in particular a dielectric layer, and subsequently structuring by means of a structuring method such as, for example, photolithography.
  • the orientation and the lattice constant of the polarization-selective grating 20 are set in dependence on the wavelength emitted by the active zones such that the transmission of the grating for one of the polarization directions of the emitted laser light 13, for example the s-polarization, is greater than the transmission for the perpendicular thereto polarization component, for example, the p-polarization.
  • Polarization direction for example, the s-polarization is amplified in the laser resonator formed from the first resonator 10 and the external resonator 11.
  • the transmission losses in the polarization-selective grating 20 are preferably so high that the laser threshold is not reached for this polarization component and thus the surface-emitting semiconductor laser only oscillates with the other polarization component, for example the s-polarization can.
  • a frequency conversion element 12 can be arranged in the external resonator.
  • the frequency conversion element 12 may in particular be an optically non-linear crystal.
  • the frequency conversion is in particular a frequency multiplication, for example a
  • the active zones 2 of the surface emitting semiconductor laser can be suitable for emitting infrared radiation, wherein the infrared radiation is converted by the frequency conversion element 12 in the laser resonator into visible light, preferably into green or blue visible light.
  • the frequency conversion element 12 is preferably arranged in the external resonator such that the laser radiation within the frequency conversion element 12 has a beam waist.
  • the efficiency of the frequency conversion is improved by a small beam cross section at the location of the frequency conversion element 12.
  • the exemplary embodiment illustrated in FIG. 2 differs from the exemplary embodiment described above in that the polarization-selective element 4 is not formed on a surface of a substrate of the semiconductor body 1, but rather on a
  • a polarization-selective element 4 in the form of a polarization-selective transmission grating 20, as in the embodiment described above by applying a preferably dielectric layer and subsequent structuring done.
  • the growth substrate originally used for growing the semiconductor layer sequence of the semiconductor body 1 has been detached from the semiconductor body 1 and thus no longer contained in the semiconductor body 1.
  • the semiconductor body 1 is therefore a so-called thin-film semiconductor chip.
  • the originally used growth substrate may, for example, have been detached from the current spreading layer 7.
  • the semiconductor body 1 is preferably mounted on a support 16 on a side opposite the original growth substrate.
  • the original growth substrate does not necessarily have to be completely detached from the semiconductor body 1, as shown in FIG. It is also possible, for example, for the original growth substrate to be thinned only partially, with the polarization-selective element 4 then being applied to the surface of the thinned growth substrate, similar to the exemplary embodiment illustrated in FIG.
  • the electrically conductive growth substrate which is preferably n-type, may itself serve as a current spreading layer.
  • FIG. 3 shows a further modification of the embodiment shown in FIG. It differs from the exemplary embodiment illustrated in FIG. 1 in that the surface 5 of the substrate 6 to which the polarization-selective element 4 is applied is shaped as a lens 21.
  • the lens 21 may be formed on the back surface 5 of the substrate 6, in particular by an etching process. As a result of the fact that the lens 21 is integrated in the semiconductor body 1 in this way, when the laser radiation 13 emerges from the semiconductor body 1 both beam shaping by the lens 21 and polarization selection by the polarization-selective grating 20 take place.
  • the lens 21 formed in the semiconductor body 1 has the advantage that the second resonator mirror 11 arranged outside the semiconductor body 1 can be a plane mirror.
  • a planar external resonator mirror 11 is compared to the conventionally used curved external ones
  • Resonator mirrors comparatively simple and inexpensive to produce.
  • the laser radiation 13 in the external resonator between the semiconductor body 1 and the external resonator 11 has a small beam cross-section. This is particularly advantageous if a frequency conversion element 12 is arranged in the external resonator.
  • the frequency conversion element 12 may in particular be an optically non-linear crystal.
  • FIG. 4 shows a further modification of the embodiment shown in FIG.
  • the polarization-selective element 4 in the form of a polarization-selective grating 20 is not applied to the radiation exit surface 5 of the substrate 6, but rather to the surface of the external resonator mirror 11 facing the semiconductor body 1.
  • the polarization-selective element 4 is applied to an already inherent optical component of the surface emitting semiconductor laser, so that it is not necessary to arrange and adjust an additional optical element in the surface emitting semiconductor laser.
  • the polarization-selective grating 20 can be applied to the external resonator mirror 11 as in the previously described
  • Embodiments are produced by applying a preferably dielectric layer and a subsequent patterning process.
  • the exemplary embodiment illustrated in FIG. 5 differs from the exemplary embodiments described above in that the laser resonator formed by the first resonator mirror 10 and the external resonator mirror 11 has a folding mirror 22.
  • the folding mirror 22 is a 45 ° mirror onto which the laser radiation 13 emerging from the semiconductor body 1 impinges at an angle of 45 ° and is reflected at an angle of departure of 45 ° to the external resonator mirror 11. The laser radiation 13 is thus deflected by the folding mirror 22 by 90 °.
  • the polarization-selective element 4 is applied to the folding mirror 22 in this embodiment.
  • the polarization-selective element 4 is not a polarization-selective grating but a polarization-selective reflective coating 19.
  • the polarization-selective reflective coating 19 is preferably a layer sequence of dielectric layers.
  • the polarization-selective reflective coating 19 has differently high reflectivities for s-polarized radiation and p-polarized radiation at the angle of incidence of the laser radiation 13, which in this embodiment is 45 °.
  • Polarization component such as p-polarized radiation can be achieved that the laser only for laser radiation with the polarization component, for the Folding mirror 22 has the higher reflectivity, oscillates.
  • the folding mirror preferably has a reflectivity R p for p-polarized radiation and a reflectivity R s for s-polarized radiation, where R p / R s ⁇ 0.95.
  • R p / R s ⁇ 0.95.
  • the surface-emitting semiconductor laser would thus advantageously only oscillate for s-polarization laser radiation.
  • the external resonator mirror 11 is provided with a reflective coating 18 and the folding mirror 22 with a reflective coating 19, wherein the reflectivity of the reflective coatings 18, 19 is selected such that the external resonator mirror 11 a reflection maximum at a first wavelength ⁇ i and the folding mirror 22 has a reflection maximum at a second wavelength X 2 .
  • the first wavelength ⁇ i and the second wavelength X 2 are preferably slightly offset from one another, so that the entire reflectivity of the laser resonator is sufficiently high for only one wavelength between ⁇ i and X 2 , at which the two reflection curves overlap, that the surface emitting semiconductor laser this wavelength can swing. In this case, therefore, the wavelength ⁇ L of the emitted laser radiation is between ⁇ i and X 2 .
  • the reflection maxima of the external resonator mirror 11 and of the folding mirror 22, which are shifted at least slightly relative to each other a wavelength selection within the laser resonator is thus achieved achieved without additional optical elements must be inserted into the laser resonator.
  • a lens 21 may be arranged to, in particular, the laser radiation 13 in a in the
  • Laser resonator arranged frequency conversion element 12 to focus.
  • the lens 21 is disposed between the semiconductor body 1 and the folding mirror 22, and the frequency conversion element 12 is disposed between the folding mirror 22 and the external resonator mirror 11.
  • a surface of the semiconductor body 1 is shaped as a lens, for example a surface of the substrate 6 serving as a radiation exit surface 5 or a current spreading layer.
  • a surface of the semiconductor body 1 advantageously reduces the assembly and adjustment effort.

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Abstract

Es wird ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser mit einem Halbleiterkörper (1) angegeben, der mindestens zwei aktive Zonen (2) zur Emission von Laserstrahlung (13) aufweist, die durch einen Tunnelübergang (3) miteinander verbunden sind, und der einen außerhalb des Halbleiterkörpers (1) angeordneten externen Resonatorspiegel (11) zur Ausbildung eines Laserresonators aufweist, wobei in dem Laserresonator mindestens ein polarisationsselektives Element (4) angeordnet ist.

Description

Beschreibung
Oberflächenemittierender Halbleiterlaser mit mehreren aktiven Zonen
Die Erfindung betrifft einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser mit mehreren aktiven Zonen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2008 030 818.8, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Aus der Druckschrift DE 102006010728 Al ist ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser bekannt, der einen Halbleiterkörper mit einer Mehrzahl von zur Strahlungserzeugung geeigneten, voneinander beabstandet angeordneten aktiven Bereichen umfasst, wobei zwischen zwei aktiven Bereichen ein Tunnelübergang monolithisch im Halbleiterkörper integriert ist, und die beiden aktiven
Bereiche mittels des Tunnelübergangs elektrisch leitend verbunden sind. Auf diese Weise kann eine hohe Strahlungsleistung mit einem kompakten Halbleiterkörper erzielt werden. Der Halbleiterlaser weist einen externen Resonatorspiegel auf, wobei in dem zwischen dem
Halbleiterkörper und dem externen Resonatorspiegel ausgebildeten externen Resonator insbesondere ein Frequenzkonversionselement zur Frequenzkonversion der von dem Halbleiterlaser emittierten Strahlung angeordnet sein kann. Die Strahlformung bei einem derartigen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser erfolgt typischerweise dadurch, dass der externe Resonatorspiegel gekrümmt ist. Die von oberflächenemittierenden Halbleiterlasern emittierte Laserstrahlung weist in der Regel keine definierte Polarisationsrichtung auf. Für viele Anwendungen ist es wünschenswert, einen kompakten Halbleiterlaser verwenden zu können, der neben einer hohen Ausgangsleistung und guter Strahlform auch eine definierte Polarisation aufweist.
Der Erfindung geht die Aufgabe zugrunde, einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser der eingangs genannten Art anzugeben, der sich sowohl durch eine hohe Ausgangsleistung als auch eine definierte Polarisationsrichtung der emittierten Laserstrahlung auszeichnet .
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 weist ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser einen Halbleiterkörper auf, der mindestens zwei aktive Zonen zur Emission von Laserstrahlung enthält, die durch einen Tunnelübergang miteinander verbunden sind. Weiterhin weist der oberflächenemittierende Halbleiterlaser einen außerhalb des Halbleiterkörpers angeordneten externen Resonatorspiegel zur Ausbildung eines Laserresonators auf. Der externe Resonatorspiegel bildet vorzugsweise zusammen mit einem in dem Halbleiterkörper enthaltenen Resonatorspiegel, beispielsweise einem Bragg-Spiegel, den Laserresonator des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers aus, wobei mindestens ein polarisationsselektives Element in dem Laserresonator angeordnet ist.
Durch die Integration eines polarisationsselektiven Elements in den Laserresonator des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers wird vorteilhaft erreicht, das der oberflächenemittierende Halbleiterlaser Laserstrahlung mit einer definierten Polarisation emittiert, so dass auf weitere außerhalb des Laserresonators angeordnete polarisationsselektive Elemente verzichtet werden kann. Der oberflächenemittierenden Halbleiterlaser zeichnet sich also einerseits durch eine hohe Ausgangsleistung, die mittels der mehreren aktiven Zonen erzielt wird, und andererseits durch eine definierte Polarisation der emittierten Laserstrahlung aus .
Das polarisationsselektive Element ist vorzugsweise ein polarisationsselektives Gitter. Bei dem polarisationsselektiven Gitter handelt es sich vorzugsweise um ein dielektrisches Transmissionsgitter. Ein dielektrisches Transmissionsgitter zeichnet sich insbesondere durch eine hohe Strahlungsbeständigkeit aus. Dies ermöglicht vorteilhaft die Integration eines derartigen Transmissionsgitters in den Laserresonator des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers.
Dielektrische Transmissionsgitter sind an sich beispielsweise aus der Druckschrift T. Clausnitzer, T. Kämpfe, E. -B. Kley, A. Tünnermann, A. V. Tishchenko, O. Parriaux, "Hocheffiziente dielektrische Transmissionsgitter - eine anschauliche Untersuchung des BeugungsVerhaltens" , Photonik 1/2007, S. 48-51, bekannt. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist das polarisationsselektive Element, insbesondere ein polarisationsselektives Transmissionsgitter, auf einer Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterkörpers angeordnet. Durch die Anordnung des polarisationsselektiven Elements auf einer Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterkörpers wird vorteilhaft der Montage- und Justierungsaufwand bei der Herstellung des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers vermindert und gleichzeitig ein kompakter Aufbau erzielt.
Die Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterkörpers, auf der das polarisationsselektive Element angeordnet ist, kann beispielsweise ein Substrat des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers sein. In diesem Fall ist der Halbleiterkörper vorzugsweise als so genannter Bottom-Emitter ausgeführt, das heißt die emittierte Laserstrahlung tritt durch das Substrat aus dem Halbleiterkörper aus. Bei dem Substrat handelt es sich insbesondere um das Aufwachsubstrat, auf dem die Halbleiterschichten des Halbleiterkörpers, insbesondere die mindestens zwei aktiven Zonen und der dazwischen angeordnete Tunnelübergang, epitaktisch aufgewachsen sind.
Bei einer weiteren Ausgestaltung weist der Halbleiterkörper eine StromaufWeitungsschicht auf, wobei die Oberfläche der Stromaufweitungsschicht als Strahlungsaustrittsfläche fungiert. In diesem Fall ist das polarisationsselektive Element vorzugsweise auf die Oberfläche der Stromaufweitungsschicht aufgebracht. Ein Aufwachssubstrat, auf dem die Halbleiterschichten des Halbleiterkörpers vorzugsweise epitaktisch aufgewachsen worden sind, ist vorteilhaft dem Halbleiterkörper entfernt, d.h. der Halbeleiterkörper weist kein Aufwachssubstrat auf . In diesem Fall kann der Halbleiterkörper an einer der
Stromaufweitungsschicht gegenüber liegenden Seite auf einen Träger montiert sein.
Bei der Stromaufweitungsschicht, auf der das polarisationsselektive Element angeordnet ist, handelt es sich vorzugsweise um eine n-dotierte Schicht. In diesem Fall wird die Laserstrahlung also durch die n-dotierte Stromaufweitungsschicht ausgekoppelt. Der Halbleiterkörper ist bevorzugt an einem der Stromaufweitungsschicht gegenüberliegenden p-dotierten Bereich auf einen Träger montiert.
Die mit dem polarisationsselektiven Element versehene Oberfläche des Halbleiterkörpers, beispielsweise das Substrat oder die Stromaufweitungsschicht des Halbleiterkörpers, ist vorzugsweise als Linse geformt. Bei dieser Ausgestaltung wird die Oberfläche des Halbleiterkörpers, durch die die von den aktiven Schichten emittierte Laserstrahlung aus dem Halbleiterkörper austritt, vorzugsweise mit einem
Ätzverfahren bearbeitet, um eine der gewünschten Linsenform entsprechende Krümmung an der Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterkörpers zu erzeugen. Insbesondere kann die Oberfläche des Halbleiterkörpers derart bearbeitet werden, dass sie eine konvex gekrümmte Oberfläche aufweist.
Auf diese Weise wird vorteilhaft ein strahlformendes Element in den Halbleiterkörper des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers integriert. Der oberflächenemittierende Halbleiterlaser zeichnet sich in diesem Fall nicht nur durch eine definierte Polarisationsrichtung der emittierten Laserstrahlung, sondern auch durch eine gute Strahlformung aus. Insbesondere ermöglicht die Integration einer Linse in - S -
den Halbleiterkörper des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers einen sehr kompakten Aufbau, da auf externe optische Elemente zur Strahlformung verzichtet werden kann. Eine in den Halbleiterkörper des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers integrierte Linse hat weiterhin den Vorteil, dass ein geringer Strahlquerschnitt in dem externen Resonator auch bei Verwendung eines ebenen externen Resonatorspiegels erzielt werden kann.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das polarisationsselektive Element auf einer Oberfläche des externen Resonatorspiegels angeordnet. Insbesondere kann ein polarisationsselektives Gitter auf die Oberfläche des externen Resonatorspiegels aufgebracht sein. Dadurch, dass das polarisationsselektive Element auf eine Oberfläche des externen Resonatorspiegels aufgebracht ist, ist es vorteilhaft nicht erforderlich, dass das polarisationsselektive Element zusätzlich in dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser montiert und justiert wird. Auf diese Weise wird der Herstellungsaufwand vermindert und ein kompakter Aufbau des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers erzielt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Laserresonator einen Faltungsspiegel auf und das polarisationsselektive Element, insbesondere ein polarisationsselektives Gitter, ist auf einer Oberfläche des Faltungsspiegels angeordnet. Mittels des Faltungsspiegels, der zwischen dem Halbleiterkörper und dem externen Resonatorspiegel angeordnet ist, wird ein gefalteter Laserresonator ausgebildet. Insbesondere kann es sich bei dem Faltungsspiegel um einen 45° -Spiegel handeln. In diesem Fall trifft die von den mindestens zwei aktiven Zonen des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers emittierte Laserstrahlung unter einem Einfallswinkel von 45° auf den Faltungsspiegel auf und wird unter einem Ausfallswinkel von 45° von dem Faltungsspiegel reflektiert. Der Faltungsspiegel bewirkt in diesem Fall also eine Umlenkung der emittierten Laserstrahlung um 90°. Alternativ kann der Faltungsspiegel aber auch unter anderen Winkeln bezüglich der von dem Halbleiterkörper emittierten Laserstrahlung angeordnet werden.
Bei dem auf dem Faltungsspiegel aufgebrachten polarisationsselektiven Element handelt es sich vorzugsweise um eine polarisationsselektive reflektierende Beschichtung. Die polarisationsselektive reflektierende Beschichtung weist vorzugsweise eine Schichtenfolge aus dielektrischen Schichten auf. Die polarisationsselektive reflektierende Beschichtung weist vorzugsweise bei dem Einfallswinkel der Laserstrahlung eine Reflektivität Rp für p-polarisiertes Licht und eine
Reflektivität R3 für s-polarisiertes Licht auf, wobei Rp ≠ R3 ist.
Bevorzugt gilt Rp / R3 < 0,95. In diesem Fall ist also die Reflektivität für p-polarisiertes Licht geringer als für s- polarisiertes Licht. Dadurch wird erreicht, dass die Verstärkung für p-polarisiertes Licht in dem Laserresonator so gering ist, dass der Laser nur für die Strahlung im s- polarisierten Zustand anschwingt. Der oberflächenemittierende Halbleiterlaser emittiert in diesem Fall also s-polarisiertes Licht.
Alternativ könnte auch die Reflektivität für s-polarisiertes Licht geringer als für p-polarisiertes Licht sein, wobei bevorzugt R3 / Rp < 0,95 gilt. Der oberflächenemittierende Halbleiterlaser emittiert in diesem Fall p-polarisiertes Licht.
Eine geeignete reflektierende Beschichtung, insbesondere ein dielektrisches Schichtsystem, dass für einen vorgegebenen Einfallswinkel ein gewünschtes Verhältnis der Reflektivität für die p-Polarisation zur Reflektivität für die s- Polarisation aufweist, kann anhand von Simulationsrechnungen unter Berücksichtigung des Einfallswinkels und der Wellenlänge bestimmt werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der externe Resonatorspiegel ein Reflexionsmaximum bei einer ersten
Wellenlänge λi und der Faltungsspiegel ein Reflexionsmaximum bei einer zweiten Wellenlänge λ2 aufweist, wobei die Wellenlänge der emittierten Laserstrahlung λL zwischen λi und X2 liegt. Die Reflexionsmaxima des Resonatorspiegels und des Faltungsspiegels sind in diesem Fall zumindest geringfügig gegeneinander verschoben. Die Reflexionskurve des externen Resonatorspiegels und des Faltungsspiegels überlappen dabei vorteilhaft miteinander. Der Laser kann in diesem Fall nur bei einer Wellenlänge zwischen λi und λ2 anschwingen, bei denen sowohl der externe Resonatorspiegel als auch der Faltungsspiegel eine ausreichend hohe Reflektivität aufweisen.
Durch die zumindest geringfügige Verschiebung der Reflexionsmaxima des externen Resonatorspiegels und des
Faltungsspiegels zueinander wird eine Wellenlängenselektion erzielt. Auf ein zusätzliches wellenlängenselektives Element in dem Laserresonator kann daher vorteilhaft verzichtet - S -
werden. Dies trägt dazu bei, dass der Herstellungs- und Montageaufwand vermindert wird und ein kompakter Aufbau des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers erzielt wird.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist in dem externen Resonator des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers ein Frequenzkonversionselement angeordnet.
Bei dem Frequenzkonversionselement handelt es sich um ein optisches Element, das dazu geeignet ist, die Frequenz der emittierten Laserstrahlung zu vervielfachen, insbesondere zu verdoppeln. Bei dem Frequenzkonversionselement handelt es sich vorzugsweise um einen nichtlinearen optischen Kristall.
Auf diese Weise kann beispielsweise mit einem
Halbleitermaterial, das Strahlung im nahen infraroten Spektralbereich erzeugt, Laserstrahlung im sichtbaren Bereich des Spektrums, insbesondere blaue oder grüne Laserstrahlung, erzeugt werden.
Bei der Anordnung eines Frequenzkonversionselements in dem Laserresonator ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterkörpers, beispielsweise das Substrat oder eine StromaufWeitungsschicht, als Linse geformt ist. In diesem
Fall kann ein geringer Strahlquerschnitt der Laserstrahlung im Bereich des Frequenzkonversionselements erzielt werden, insbesondere auch dann, wenn als externer Spiegel ein ebener Spiegel verwendet wird.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von
Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 5 näher erläutert . Es zeigen :
Figur 1 einen schematisch dargestellten Querschnitt eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 2 einen schematisch dargestellten Querschnitt eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 3 einen schematisch dargestellten Querschnitt eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 4 einen schematisch dargestellten Querschnitt eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
Figur 5 einen schematisch dargestellten Querschnitt eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers dargestellt, der mindestens zwei aktive Zonen 2 aufweist, die durch einen Tunnelübergang 3 miteinander verbunden sind. Die beiden aktiven Zonen 2 sind monolithisch in den Halbleiterkörper 1 des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers integriert. Die beiden aktiven Zonen 2 sind in einer bevorzugt epitaktisch hergestellten Halbleiterschichtenfolge enthalten, die auf einem Aufwachssubstrat 6 aufgewachsen ist, und innerhalb dieser Halbleiterschichtenfolge in vertikaler Richtung voneinander beabstandet.
Die Strahlungsemittierenden aktiven Zonen 2 weisen bevorzugt jeweils eine Einfach- oder Mehrfachquantentopfstruktur auf. 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.
Der Halbleiterkörper 1 des oberflächenemittierenden
Halbleiterlasers basiert vorzugsweise auf einem III-V- Verbindungshalbleiter, insbesondere auf einem Arsenid- Verbindungshalbleiter. „Auf einem Arsenid- Verbindungshalbleiter basierend" bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die aktive Epitaxieschichtenfolge 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.
Alternativ können die aktiven Zonen 2 auch ein Nitridverbindungshalbleitermaterial , vorzugsweise AlnGamIni-n-mN, ein Antimonidverbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise AlnGamIni-n-mSb, oder ein Phosphidverbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise
AlnGamIn1-n-NP, aufweisen, wobei O ≤ n ≤ l, 0 < m < 1 und n + m < 1 gilt.
Die aktiven Zonen 2 sind jeweils zwischen Halbleiterbereichen 8, 9 angeordnet, die entgegengesetzte Leitungstypen aufweisen. Beispielsweise sind die aktiven Zonen 2 jeweils zwischen einem p-dotierten Halbleiterbereich 8 und einem n- dotierten Halbleiterbereich 9 angeordnet. Durch den Tunnelübergang 3 sind die aktiven Zonen 2 miteinander in Serie geschaltet. Der Tunnelübergang 3 enthält bevorzugt mindestens zwei Tunnelkontaktschichten 3a, 3b, die verschiedene elektrische Leitungstypen aufweisen und bevorzugt hochdotiert sind. Die Tunnelkontaktschichten 3a, 3b weisen dabei bevorzugt jeweils den gleichen Leitungstyp auf, wie die an sie angrenzenden Halbleiterbereiche 8, 9.
Beispielsweise ist die an den n-dotierten Halbleiterbereich 9 angrenzende Tunnelkontaktschicht 3a eine n-dotierte Schicht, vorzugsweise mit einer hohen Dotierstoffkonzentration (n+) . Die weitere Tunnelkontaktschicht 3b, die an den p-dotierten Halbleiterbereich 8 angrenzt, ist vorzugsweise eine p- dotierte Schicht, insbesondere mit einer hohen Dotierstoffkonzentration (p+) . Die beiden Tunnelkontaktschichten 3a, 3b können, wie in Figur 1 dargestellt, unmittelbar aneinander angrenzen. Es ist alternativ aber auch möglich, dass der Tunnelkontakt 3 eine oder mehrere weitere Schichten enthält, zum Beispiel eine zwischen den beiden hochdotierten Schichten 3a, 3b angeordnete undotierte Schicht.
Zur Ausbildung eines Laserresonators für die von den beiden aktiven Schichten 2 emittierte Laserstrahlung 13 enthält der oberflächenemittierende Halbleiterlaser einen ersten
Resonatorspiegel 10, der vorzugsweise in den Halbleiterkörper 1 integriert ist, und einen zweiten Resonatorspiegel 11, der beispielsweise ein außerhalb des Halbleiterkörpers 1 angeordneter externer Resonatorspiegel ist.
Bei dem ersten in den Halbleiterkörper 1 integrierten Resonatorspiegel 10 handelt es sich bevorzugt um einen Bragg- Spiegel, der zur Erzielung einer hohen Reflektivität durch eine Vielzahl von Schichtpaaren aus Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex gebildet wird.
Beispielsweise kann der Bragg-Spiegel eine Vielzahl alternierender Schichten aus Alχ_xGaxAs mit 0 ≤ x ≤ 1 aufweisen, die sich in ihrem Aluminiumgehalt voneinander unterscheiden. Bevorzugt enthält der Bragg-Spiegel mindestens zehn Schichtpaare.
Zur elektrischen Kontaktierung enthält der oberflächenemittierende Halbleiterlaser einen ersten elektrischen Kontakt 14 und einen zweiten elektrischen Kontakt 15, die beispielsweise als Metallkontakte ausgeführt sind. Der erste elektrische Kontakt 14 ist beispielsweise ein n-Kontakt und auf eine von den aktiven Schichten 2 abgewandte Rückseite des Substrats 6 aufgebracht. Der zweite elektrische Kontakt 15 ist zum Beispiel ein p-Kontakt und auf die dem Substrat 6 gegenüberliegende Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 aufgebracht.
Der oberflächenemittierende Halbleiterlaser ist bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel als so genannter Bottom-Emitter ausgeführt, das heißt die Laserstrahlung 13 tritt durch eine rückseitige Oberfläche 5 des Substrats 6 aus dem Halbleiterkörper 1 aus. Der erste elektrische Kontakt 14 ist zur Vermeidung von Strahlungsabsorption nicht auf die gesamte Rückseite des Substrats 6 aufgebracht, sondern bedeckt vorzugsweise nur die Randbereiche der Rückseite des Substrats 6. Insbesondere kann der erste elektrische Kontakt 14 als Ringkontakt ausgeführt sein, der einen als Strahlungsaustrittsfläche 5 dienenden Bereich der Rückseite des Substrats 6 ringförmig umgibt. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der zweite elektrische Kontakt 15, der insbesondere ein p-Kontakt sein kann, nur auf einen zentralen Teilbereich der dem Substrat 6 gegenüberliegenden Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 aufgebracht ist. Auf diese Weise wird der Stromfluss durch den Halbleiterkörper 1 auf einen zentralen Bereich konzentriert, in dem die Laserstrahlung an der Rückseite des Substrats 6 ausgekoppelt wird.
Der Halbleiterkörper 1 kann an der dem Substrat 6 gegenüberliegenden Oberfläche auf einem Träger 16, beispielsweise einer Leiterplatte oder einer Wärmesenke, angeordnet sein. Die außerhalb des zentralen p-Kontakts liegenden Bereiche der Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 können gegebenenfalls durch eine elektrisch isolierende Schicht 17 von dem Träger 16 isoliert werden. Die als Strahlungsaustrittsfläche 5 dienende Oberfläche des Substrats 6 ist mit einem polarisationsselektiven Element 4 versehen. Bei dem polarisationsselektiven Element 4 handelt es sich um ein polarisationsselektives Transmissionsgitter 20. Das polarisationsselektive Gitter 20 kann beispielsweise durch Aufbringen einer Schicht, insbesondere einer dielektrischen Schicht, und nachfolgendes Strukturieren mittels eines Strukturierungsverfahrens wie beispielsweise Fotolithographie, erzeugt werden.
Die Orientierung und die Gitterkonstante des polarisationsselektiven Gitters 20 sind in Abhängigkeit von der von den aktiven Zonen emittierten Wellenlänge derart eingestellt, dass die Transmission des Gitters für eine der Polarisationsrichtungen des abgestrahlten Laserlichts 13, beispielsweise die s-Polarisation, größer ist als die Transmission für die senkrecht dazu stehende Polarisationskomponente, beispielsweise die p-Polarisation.
Auf diese Weise wird erreicht, dass nur eine bestimmte
Polarisationsrichtung, beispielsweise die s-Polarisation, in dem aus dem ersten Resonatorspiegel 10 und dem externen Resonatorspiegel 11 gebildeten Laserresonator verstärkt wird. Für die andere Polarisationskomponente, beispielsweise die p- Polarisation, sind die Transmissionsverluste in dem polarisationsselektiven Gitter 20 vorzugsweise derart hoch, dass für diese Polarisationskomponente die Laserschwelle nicht erreicht wird und somit der oberflächenemittierende Halbleiterlaser nur mit der anderen Polarisationskomponente, beispielsweise der s-Polarisation, anschwingen kann.
Durch die monolithische Integration von mindestens zwei aktiven Zonen 2 und das Anordnen eines polarisationsselektiven Elements 4 in dem Laserresonator des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers wird also vorteilhaft Laserstrahlung mit hoher Ausgangsleistung und einer definiert eingestellten Polarisation erzeugt. Dadurch, dass das polarisationsselektive Element 4 auf den
Halbleiterkörper 1 aufgebracht ist, müssen dafür keine zusätzlichen optischen Komponenten in den externen Resonator des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers eingebracht werden, so dass der Herstellungs- und Montageaufwand vergleichsweise gering sind.
Weiterhin kann in dem externen Resonator ein Frequenzkonversionselement 12 angeordnet sein. Bei dem Frequenzkonversionselement 12 kann es sich insbesondere um einen optisch nichtlinearen Kristall handeln.
Bei der Frequenzkonversion handelt es sich insbesondere um eine Frequenzvervielfachung, beispielsweise eine
FrequenzVerdoppelung. Insbesondere können die aktiven Zonen 2 des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers zur Emission von infraroter Strahlung geeignet sein, wobei die infrarote Strahlung mittels des Frequenzkonversionselements 12 in dem Laserresonator in sichtbares Licht, bevorzugt in grünes oder blaues sichtbares Licht, konvertiert wird.
Das Frequenzkonversionselement 12 ist bevorzugt derart in dem externen Resonator angeordnet, dass die Laserstrahlung innerhalb des Frequenzkonversionselements 12 eine Strahltaille aufweist. Die Effizienz der Frequenzkonversion wird durch einen geringen Strahlquerschnitt am Ort des Frequenzkonversionselements 12 verbessert. Das in Figur 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel dadurch, dass das polarisationsselektive Element 4 nicht an einer Oberfläche eines Substrats des Halbleiterkörpers 1 ausgebildet ist, sondern an einer als
Strahlungsaustrittsfläche 5 fungierenden Oberfläche einer Stromaufweitungsschicht 7. Die Erzeugung eines polarisationsselektiven Elements 4 in Form eines polarisationsselektiven Transmissionsgitters 20 kann wie bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel durch Aufbringen einer vorzugsweise dielektrischen Schicht und eine nachfolgende Strukturierung erfolgen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das ursprünglich zum Aufwachsen der Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterkörpers 1 benutzte Aufwachssubstrat von dem Halbleiterkörper 1 abgelöst worden uns somit nicht mehr in dem Halbleiterkörper 1 enthalten. Es handelt sich bei dem Halbleiterkörper 1 daher um einen so genannten Dünnfilm-Halbleiterchip. Das ursprünglich verwendete AufwachsSubstrat kann beispielsweise von der Stromaufweitungsschicht 7 abgelöst worden sein. Der Halbleiterkörper 1 ist vorzugsweise an einer dem ursprünglichen Aufwachssubstrat gegenüberliegenden Seite auf einen Träger 16 montiert.
Das ursprüngliche Aufwachssubstrat muss nicht notwendigerweise, wie in Figur 2 dargestellt, vollständig von dem Halbleiterkörper 1 abgelöst sein. Es ist beispielsweise auch möglich, dass das ursprüngliche Aufwachssubstrat nur teilweise abgedünnt wird, wobei die das polarisationsselektive Element 4 dann auf die Oberfläche des abgedünnten Aufwachssubstrats, ähnlich wie bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel, aufgebracht wird. In diesem Fall kann das elektrisch leitende Aufwachssubstrat, das vorzugsweise n-leitend ist, selbst als StromaufWeitungsschicht dienen.
Im Übrigen entspricht das in Figur 2 dargestellte
Ausführungsbeispiel hinsichtlich seiner Funktionsweise und seiner vorteilhaften Ausgestaltungen dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel und wird daher nicht näher im Detail erläutert .
In Figur 3 ist eine weitere Abwandlung des in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiels gezeigt. Es unterscheidet sich von dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, dass die Oberfläche 5 des Substrats 6, auf die das polarisationsselektive Element 4 aufgebracht ist, als Linse 21 geformt ist. Die Linse 21 kann an der rückseitigen Oberfläche 5 des Substrats 6 insbesondere durch einen Ätzprozess ausgebildet werden. Dadurch, dass die Linse 21 auf diese Weise in den Halbleiterkörper 1 integriert ist, erfolgt beim Austritt der Laserstrahlung 13 aus dem Halbleiterkörper 1 sowohl eine Strahlformung durch die Linse 21 als auch eine Polarisationsselektion durch das polarisationsselektive Gitter 20.
Die in dem Halbleiterkörper 1 ausgebildete Linse 21 hat insbesondere den Vorteil, dass der zweite, außerhalb des Halbleiterkörpers 1 angeordnete Resonatorspiegel 11 ein ebener Spiegel sein kann. Ein ebener externer Resonatorspiegel 11 ist im Vergleich zu den herkömmlicherweise verwendeten, gekrümmten externen
Resonatorspiegeln vergleichsweise einfach und kostengünstig herstellbar. Trotz der Verwendung eines ebenen externen Resonatorspiegels 11 weist die Laserstrahlung 13 in dem externen Resonator zwischen dem Halbleiterkörper 1 und dem externen Resonatorspiegel 11 einen geringen Strahlquerschnitt auf. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn in dem externen Resonator ein Frequenzkonversionselement 12 angeordnet ist. Bei dem Frequenzkonversionselement 12 kann es sich insbesondere um einen optisch nichtlinearen Kristall handeln.
Ansonsten entspricht das in Figur 3 dargestellte Ausführungsbeispiel hinsichtlich seines Aufbaus und seiner vorteilhaften Ausgestaltungen dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel und wird daher nicht nochmals näher im Detail erläutert.
In Figur 4 ist eine weitere Abwandlung des in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiels gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das polarisationsselektive Element 4 in Form eines polarisationsselektiven Gitters 20 nicht auf die Strahlungsaustrittsfläche 5 des Substrats 6 aufgebracht, sondern auf die dem Halbleiterkörper 1 zugewandte Oberfläche des externen Resonatorspiegels 11.
Auch bei dieser Ausgestaltung ist das polarisationsselektive Element 4 auf eine bereits an sich vorhandene optische Komponente des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers aufgebracht, so dass es nicht erforderlich ist, ein zusätzliches optisches Element in dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser anzuordnen und zu justieren. Das polarisationsselektive Gitter 20 kann auf den externen Resonatorspiegel 11 wie bei den zuvor beschriebenen
Ausführungsbeispielen durch Aufbringen einer vorzugsweise dielektrischen Schicht und einen nachfolgenden Strukturierungsprozess erzeugt werden. Das in Figur 5 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen dadurch, dass der durch den ersten Resonatorspiegel 10 und den externen Resonatorspiegel 11 gebildete Laserresonator einen Faltungsspiegel 22 aufweist.
Bei dem Faltungsspiegel 22 handelt es sich um einen 45°- Spiegel, auf den die aus dem Halbleiterkörper 1 austretende Laserstrahlung 13 unter einem Winkel von 45° auftrifft und unter einem Ausfallswinkel von 45° zu dem externen Resonatorspiegel 11 reflektiert wird. Die Laserstrahlung 13 wird also durch den Faltungsspiegel 22 um 90° umgelenkt. Das polarisationsselektive Element 4 ist bei diesem Ausführungsbeispiel auf den Faltungsspiegel 22 aufgebracht.
Im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen handelt es sich bei dem polarisationsselektiven Element 4 nicht um ein polarisationsselektives Gitter, sondern um eine polarisationsselektive reflektierende Beschichtung 19. Bei der polarisationsselektiven reflektierenden Beschichtung 19 handelt sich vorzugsweise um eine Schichtenfolge aus dielektrischen Schichten. Die polarisationsselektive reflektierende Beschichtung 19 weist unter dem Einfallswinkel der Laserstrahlung 13, der bei diesem Ausführungsbeispiel 45° beträgt, unterschiedlich hohe Reflektivitäten für s- polarisierte Strahlung und p-polarisierte Strahlung auf. Dadurch, dass die Reflektivität des Faltungsspiegels für eine Polarisationskomponente, beispielsweise s-polarisierte Strahlung, größer ist als für die andere
Polarisationskomponente, beispielsweise p-polarisierte Strahlung, kann erreicht werden, dass der Laser nur für Laserstrahlung mit der Polarisationskomponente, für die der Faltungsspiegel 22 die höhere Reflektivität aufweist, anschwingt .
Vorzugsweise weist der Faltungsspiegel für p-polarisierte Strahlung eine Reflektivität Rp und für s-polarisierte Strahlung eine Reflektivität Rs auf, wobei Rp / Rs < 0,95 gilt. In diesem Fall würde der oberflächenemittierende Halbleiterlaser also vorteilhaft nur für Laserstrahlung mit s-Polarisation anschwingen.
Bevorzugt sind der externe Resonatorspiegel 11 mit einer reflektierenden Beschichtung 18 und der Faltungsspiegel 22 mit einer reflektierenden Beschichtung 19 versehen, wobei die Reflektivität der reflektierenden Beschichtungen 18, 19 derart gewählt ist, dass der externe Resonatorspiegel 11 ein Reflexionsmaximum bei einer ersten Wellenlänge λi und der Faltungsspiegel 22 ein Reflexionsmaximum bei einer zweiten Wellenlänge X2 aufweist.
Die erste Wellenlänge λi und die zweite Wellenlänge X2 sind bevorzugt geringfügig gegeneinander verschoben, so dass die gesamte Reflektivität des Laserresonators nur für eine Wellenlänge zwischen λi und X2, bei der die beiden Reflexionskurven miteinander überlappen, ausreichend hoch ist, dass der oberflächenemittierende Halbleiterlaser bei dieser Wellenlänge anschwingen kann. In diesem Fall liegt also die Wellenlänge λL der emittierten Laserstrahlung zwischen λi und X2. Durch die zumindest geringfügig gegeneinander verschobenen Reflexionsmaxima des externen Resonatorspiegels 11 und des Faltungsspiegels 22 wird also eine Wellenlängenselektion innerhalb des Laserresonators erzielt, ohne dass dafür zusätzliche optische Elemente in den Laserresonator eingefügt werden müssen.
Weiterhin kann in dem Laserresonator eine Linse 21 angeordnet sein, um insbesondere die Laserstrahlung 13 in ein in dem
Laserresonator angeordnetes Frequenzkonversionselement 12 zu fokussieren. Beispielsweise ist die Linse 21 zwischen dem Halbleiterkörper 1 und dem Faltungsspiegel 22 angeordnet, und das Frequenzkonversionselement 12 ist zwischen dem Faltungsspiegel 22 und dem externen Resonatorspiegel 11 angeordnet .
Alternativ wäre es auch möglich, dass wie bei dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 als Linse geformt ist, beispielsweise eine als Strahlungsaustrittsfläche 5 dienende Oberfläche des Substrats 6 oder einer StromaufWeitungsschicht . Bei einer derartigen Integration der Linse in den Halbleiterkörper 1 verringert sich vorteilhaft der Montage- und Justierungsaufwand.
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 Halbeiterlaser mit einem Halbleiterkörper (1) , der mindestens zwei aktive Zonen (2) zur Emission von Laserstrahlung (13) aufweist, die durch einen Tunnelübergang (3) miteinander verbunden sind, und einem außerhalb des Halbleiterkörpers (1) angeordneten externen Resonatorspiegel (11) zur Ausbildung eines Laserresonators, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Laserresonator mindestens ein polarisationsselektives Element (4) angeordnet ist.
2. Oberflächenemittierender Halbeiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das polarisationsselektive Element (4) ein polarisationsselektives Gitter (20) ist.
3. Oberflächenemittierender Halbeiterlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das polarisationsselektive Element (4) auf einer
Strahlungsaustrittsfläche (5) des Halbleiterkörpers (1) angeordnet ist.
4. Oberflächenemittierender Halbeiterlaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper (1) ein Substrat (6) aufweist und die Strahlungsaustrittsfläche (5) eine Oberfläche des Substrats (6) ist.
5. Oberflächenemittierender Halbeiterlaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper (1) eine StromaufWeitungsschicht (7) aufweist und die Strahlungsaustrittsfläche (5) eine Oberfläche der StromaufWeitungsschicht (7) ist.
6. Oberflächenemittierender Halbeiterlaser nach einem der Ansprüche 3 bis 5 , dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsaustrittsfläche (5) als Linse (21) geformt ist.
7. Oberflächenemittierender Halbeiterlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das polarisationsselektive Element (4) auf einer Oberfläche des externen Resonatorspiegels (11) angeordnet ist.
8. Oberflächenemittierender Halbeiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserresonator einen Faltungsspiegel (22) aufweist und das polarisationsselektive Element (4) auf einer Oberfläche des Faltungsspiegels (22) angeordnet ist.
9. Oberflächenemittierender Halbeiterlaser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Faltungsspiegel (22) ein 45°-Spiegel ist.
10. Oberflächenemittierender Halbeiterlaser nach Anspruch 8 oder 9 , dadurch gekennzeichnet, dass das polarisationsselektive Element (4) eine polarisationsselektive reflektierende Beschichtung (19) ist .
11. Oberflächenemittierender Halbeiterlaser nach Anspruch
10, dadurch gekennzeichnet, dass die polarisationsselektive reflektierende Beschichtung (19) eine Schichtenfolge aus dielektrischen Schichten aufweist .
12. Oberflächenemittierender Halbeiterlaser nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die polarisationsselektive reflektierende Beschichtung
(19) eine Reflektivität Rp für p-polarisierte Strahlung und eine Reflektivität R3 für s-polarisierte Strahlung aufweist, wobei Rp/Rs < 0.95 gilt.
13. Oberflächenemittierender Halbeiterlaser nach einem der
Ansprüche 8 bis 12 , dadurch gekennzeichnet, dass der externe Resonatorspiegel (11) ein Reflexionsmaximum bei einer ersten Wellenlänge λi und der Faltungsspiegel (22) ein Reflexionsmaximum bei einer zweiten Wellenlänge λ2 aufweist, und wobei die Wellenlänge λL der emittierten Laserstrahlung (13) zwischen λi und λ2 liegt.
14. Oberflächenemittierender Halbeiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem externen Resonator ein Frequenzkonversionselement
(12) angeordnet ist.
15. Oberflächenemittierender Halbeiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung (13) eine Strahltaille im Bereich des Frequenzkonversionselements (12) aufweist.
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