WO2010017788A1 - Optisch gepumpter vcsel mit einer vielzahl von aktiven bereichen zur intensitätsabsenkung im anti-resonanten resonator - Google Patents

Optisch gepumpter vcsel mit einer vielzahl von aktiven bereichen zur intensitätsabsenkung im anti-resonanten resonator Download PDF

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Hans Lindberg
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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    • H01S5/34306—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength longer than 1000nm, e.g. InP based 1300 and 1500nm lasers

Definitions

  • a surface-emitting semiconductor laser chip and a laser arrangement with such a surface-emitting semiconductor laser chip are specified.
  • Lasers are light sources with outstanding properties. Compared to other light sources, lasers emit coherent radiation whose beam properties, such as direction and divergence, can be adjusted in a targeted manner. Laser radiation is also accessible to frequency conversion by means of optically non-linear processes. Compared to gas lasers or solid-state lasers, which are based for example on YAG or YLF crystals, semiconductor lasers are very compact, comparatively inexpensive and extremely efficient laser light sources.
  • An object to be solved is to provide a surface emitting semiconductor laser chip having a high efficiency. Another object to be solved is to specify a laser arrangement with such a surface-emitting semiconductor laser chip.
  • the latter has a first layer sequence.
  • the first layer sequence has a reflective effect on a primary radiation generated during operation of the semiconductor laser chip, which has a primary wavelength ⁇ p .
  • the first layer sequence preferably has a sequence of dielectric or semiconductive layers of alternately low refractive index and high refractive index. At least a part of the layers of the first layer sequence follow one another directly, that is, no further layers are arranged between adjacent layers. It is possible for the first layer sequence to each have 20 to 40, in particular 25 to 35, layers of high and low refractive index.
  • the thickness of the layers of the first layer sequence preferably corresponds to one fourth of the primary wavelength ⁇ p . Thickness here is the optical thickness, that is to say the integral of the product of path and optical refractive index.
  • Surface emitting means that the semiconductor chip emits laser radiation in a planar manner on an outer surface of a semiconductor body.
  • the surface over which the light radiation is emitted from the semiconductor laser chip has a two-dimensional character.
  • edge-emitting lasers whose light-emitting surface is linear and thus represents a substantially one-dimensional surface whose longitudinal extent is significantly larger than its transverse extent can be seen.
  • the surface over which the surface emitting semiconductor laser chip emits laser radiation has two major axes, each of the major axes having a greater length than an extension of a light generating region of the semiconductor laser chip in a direction perpendicular to the light emitting surface.
  • both major axes of the light-emitting surface are approximately the same size.
  • Semiconductor laser chip means that the chip is based essentially on semiconductor materials, for example on GaAs, InGaAs, AlGaAs, GaP, InGaP, GaN, InGaN or InP.
  • the semiconductor material may include other substances, for example in the form of dopants. In other words, the
  • Semiconductor laser chip at least one active area, which is designed to generate the primary radiation, which is based on a semiconductor material. It is possible that the semiconductor laser chip in addition to semiconductor materials also other materials such as dielectric layers or electrically ohmic conductive layers, for example of a metal having.
  • the primary wavelength ⁇ P lies in the near-infrared spectral range, in particular between 1000 nm and 1100 nm.
  • the primary wavelength ⁇ P can however also be at other wavelengths in the spectral range between 200 nm and 3500 nm.
  • the latter comprises a layer stack with at least two active regions.
  • the layers of the layer stack may be epitaxially grown and expand substantially parallel to the light emitting surface.
  • the layer stack is configured to generate and emit the primary radiation.
  • the active regions are based on quantum dots, on quantum wires and / or, preferably, on quantum wells.
  • the active regions can in particular be designed to emit electromagnetic radiation in the near-infrared spectral range.
  • the at least one active region may be optically or electrically pumped.
  • the pumping of at least one active area can be direct or indirect. In direct pumping, for example, electron-hole pairs are generated in the active region itself.
  • the layer stack has, for example, barrier layers in which electron-hole pairs are generated via the pumps, which then propagate into the active regions or into at least one active region and serve there to generate the primary radiation.
  • a part of the layers of the first layer sequence is distributed in the layer stack. This means that individual or even groups of layers of the first layer sequence lie between layers of the first layer stack.
  • the layers of the first layer not distributed in the layer stack particularly preferably form a Bragg mirror on a main side of the
  • Layer stack which is opposite to a main side of the layer stack, which is closer to the light emitting surface of the semiconductor laser chip.
  • the layer stack has a light exit surface through which the primary radiation generated in the layer stack at least partially leaves the semiconductor laser chip.
  • the light exit surface has a non-vanishing
  • the reflectivity is at least 2%, in the case of an antireflection coating on the side facing away from the light exit surface Layer stack, or up to about 30%, in the event that the light exit surface is an interface between air and the stack of layers.
  • the light exit surface is located on the main side of the layer stack facing away from the layers of the first layer sequence that are not distributed in the layer stack.
  • a thickness of the layer stack is its optical thickness, that is to say the integral above the optical refractive index and a path along a running direction during operation of the
  • the layer stack is particularly limited by the light exit surface on the one hand and the Bragg mirror on the other.
  • the layers of the first layer sequence distributed in the layer stack thus contribute to the thickness of the layer stack.
  • the light exit surface can be distinguished by the fact that a material having a significantly reduced refractive index, such as air or an antireflection layer, is present on the side of the layer stack facing away from the light exit surface. "Substantially reduced” means that the refractive index difference, starting from the material forming the light exit surface, is at least 20%, preferably at least 40%.
  • the latter comprises a first layer sequence which has a reflective effect for a primary radiation having a primary wavelength ⁇ p , and a layer stack which is designed to emit the primary radiation and the at least two active ones Has areas.
  • a part of the layers of the first layer sequence is in this case distributed in the layer stack.
  • Such a surface emitting semiconductor laser chip has low optical losses in the semiconductor laser chip and thus has a high efficiency.
  • these layers of the first layer sequence Due to the refractive index difference between the layers of the layer stack and the layers of the first layer sequence, which are distributed in the layer stack, these layers of the first layer sequence have a reflectivity for the primary radiation. That is, the light that is generated in active regions near the light exit surface need not pass through the complete layer stack up to, for example, a Bragg mirror, but is reflected by layers of the first layer sequence distributed in the layer stack back toward the light exit surface. This applies at least to radiation which is generated in the active regions and runs in a direction away from the light exit surface.
  • the optical intensity in the semiconductor laser chip decreases in a direction away from the light exit surface. Since the optical losses in the semiconductor laser chip, such as reabsorption of the generated laser radiation at active areas or disturbances of the crystal lattice, are approximately proportional to the optical intensity in the crystal, the optical losses are also reduced in the semiconductor laser chip on the intensity reduction.
  • the first Layer sequence designed as a Bragg mirror with alternating layers of high and low refractive index. Between at least two adjacent active regions in the layer stack is at least one layer with a low refractive index of the first layer sequence.
  • the active regions are arranged in groups with at least two active regions each. Adjacent active areas within a group have in the context of the manufacturing tolerances in each case an equal distance from each other, which is preferably a multiple of half the primary wavelength ⁇ P. Within a group, there are no layers of the first layer sequence. Between two neighboring groups there is at least one layer with a low refractive index of the first layer sequence. The arrangement of the active areas in groups simplifies the manufacturing process of the semiconductor laser chip and thereby also the susceptibility to error during production.
  • At least two layers with at least two adjacent active regions or, if they are arranged in groups, at least two layers with low refractive index of the first layer sequence are arranged between at least two groups. That is, approximately between two adjacent groups is a layer sequence in direct sequence of the first layer sequence of a layer of low refractive index, a layer of high Refractive index and a low refractive index layer.
  • Such a block-like arrangement of active regions and layers of the first layer sequence can be produced with high accuracy and thus a semiconductor laser chip of high quality can be achieved.
  • the proportion of the first layer sequence distributed in the layer stack lies between 10% and 70% inclusive, in particular between 20% and 50% inclusive.
  • the portion of the first layer sequence not distributed in the layer stack is located on a side of the layer stack facing away from the light exit surface and forms a Bragg mirror.
  • the layers distributed in the layer stack are the first
  • Layer sequence partially transparent to the primary radiation may mean that the transmission of the layers distributed in the layer stack with respect to the primary radiation is at least 30%, preferably at least 50%, in particular at least 70% Thus, this light can also leave the semiconductor laser chip with little loss, as a result of such a configuration of the first layer sequence the coupling-out efficiency of the semiconductor laser chip increases.
  • at least one distance between two adjacent active regions corresponds to an integer multiple of half the primary wavelength ⁇ p .
  • at least one active region is in operation of the semiconductor laser chip in an intensity maximum of the primary radiation.
  • at least half, in particular all active regions are arranged in such a way. Such an arrangement of the active regions achieves a high gain in the semiconductor laser chip.
  • the distance between adjacent active regions increases in the direction away from the light exit surface. If the active areas are arranged in groups, the distance between two adjacent groups increases in the direction away from the light exit area. Preferably, the distance between adjacent active regions or between adjacent groups increases approximately exponentially. As a result of such an arrangement of the active regions, in particular if the semiconductor laser chip is optically pumped, a uniform number of electron-hole pairs per active region can be realized over the entire layer stack. This increases the load capacity and thus the maximum achievable power at primary radiation of the semiconductor laser chip.
  • this has an effective resonator length L.
  • the effective resonator length L is formed from the sum of the thickness of the Layer stack and an effective penetration depth of the primary radiation in the reflective first layer sequence. That is, the resonator length L is greater than or equal to the thickness of the layer stack.
  • the respective thicknesses or lengths relate here to the optical lengths, that is to the integral over the product of path length and refractive index.
  • the effective resonator length L corresponds to the formula:
  • N is a natural number.
  • the tolerance for the effective resonator length L is in this case at most ⁇ P / 8.
  • the effective resonator length L corresponds to an integer multiple of half the primary wavelength ⁇ P , extended by ⁇ P / 4, so the semiconductor laser chip is designed with a non-resonant amplifier structure. That is, the effective resonator length L is thus 3 ⁇ P / 4 or 5 ⁇ p / 4 or 7 ⁇ P / 4 and so on.
  • Such an effective resonator length L reduces a Fabry-Perot effect and thus a transmission in the direction away from the light exit surface through the first layer sequence or through the Bragg mirror. The efficiency of the semiconductor laser chip is thereby increased.
  • Resonator length L is the optical and not the geometric length to understand. According to at least one embodiment of the surface emitting semiconductor laser chip, the tolerance with respect to the effective resonator length L at most .lambda.p / 16, in particular at most ⁇ P / 32nd A reduced tolerance of the effective resonator length L leads to a more effective reduction of the optical losses in the semiconductor laser chip and thus increases its efficiency.
  • the thickness of the layer stack is designed such that the semiconductor laser chip is anti-resonant with respect to the primary wavelength ⁇ P. That is, the intensity of the electromagnetic field within the semiconductor laser chip corresponds to that of a Fabry-Perot element with minimal transmission. In the anti-resonant case, the optical intensity in the semiconductor laser chip is reduced. The gain, English Gain, is not optimized. By way of such a choice of the thickness of the layer stack, the optical losses in the semiconductor laser chip can be reduced.
  • no intensity maximum with respect to the optical intensity of the primary radiation is present at the light exit surface of the layer stack during operation of the semiconductor laser chip.
  • an intensity minimum is present at the light exit surface.
  • the tolerance for this is at most ⁇ P / 16, in particular at most ⁇ P / 32.
  • the latter comprises at least one second layer which is connected to the
  • the second layer may be in direct physical contact with the light exit surface, this being the preferred case or separated by one or more functional layers from the layer stack.
  • the at least one second layer is, for example, a layer which has a refractive index which lies between that of air and that of the layer stack forming material.
  • the coupling-out efficiency can be increased from the semiconductor laser chip.
  • the reflectivity of the light exit surface of the layer stack can be selectively adjusted via such a second layer.
  • the reflectance of the light exit surface of the layer stack with respect to the primary radiation due to the at least one second layer is between 2% and 20%, preferably between 7% and 13%.
  • the reflectivity thus differs from that of an optimized, single-layer antireflection coating, with a reflectivity of less than 2%, and also of an interface air-light exit surface or air Halbleitermatierial, with a reflectivity of more than 30% from. Rather, a reflectivity is set, which is in terms of avoiding losses in the semiconductor chip has proven to be optimal.
  • a reflectivity of the light exit surface in the specified range of values due to the second layer can be realized with comparatively little technical effort.
  • the at least one second layer is a passivation. That is, the at least one second layer protects the layer stack at least in part from chemical or physical influences that are detrimental to the layer stack. Such a second layer increases the life of the semiconductor laser chip.
  • this is indirectly optically pumpable.
  • Such pumping of the semiconductor laser chip is also referred to as barrier pumps. That is, light having a pump wavelength ⁇ R is irradiated into the semiconductor laser chip. This pump light is absorbed in barrier layers in which
  • Electron-hole pairs are generated. These electron-hole pairs then propagate into the at least one active region and subsequently serve via recombination to generate the primary radiation.
  • the barrier layers are preferably transparent to the primary radiation and designed to be absorbent for the pump radiation. Such a semiconductor laser chip has a high efficiency and a high beam quality.
  • Semiconductor laser chips is the at least one second layer designed as an antireflection layer with respect to the pump wavelength ⁇ R. According to at least one embodiment of the surface emitting semiconductor laser chip, this is designed for a continuous wave operation. That is, the semiconductor laser chip is not pulsed. In particular, continuous wave operation means that a repetition rate is at most 10 Hz and a pulse duration is at least 0.1 s.
  • all active regions, within the manufacturing tolerances, are adapted to emit radiation of the same wavelength.
  • the pump radiation in the semiconductor chip runs essentially parallel to the primary radiation. In other words, an angle between one
  • Beam axis of the primary radiation and a beam axis of the pump radiation at most 30 °, in particular at most 20 °, preferably at most 10 °.
  • a laser arrangement with at least one surface-emitting semiconductor laser chip is specified.
  • the laser assembly may include a surface emitting semiconductor laser chip as described in connection with one or more of the above embodiments.
  • this comprises at least one surface-emitting Semiconductor laser chip and at least one pump light source, which is designed for pumping the semiconductor laser chip.
  • the latter comprises at least one external one for which the
  • the external mirror is preferably a highly reflecting dielectric mirror or a metal mirror.
  • the external mirror may have a curvature such that the external mirror, for example, has a focusing effect.
  • the first layer sequence of the at least one semiconductor laser chip and the at least one external one are used
  • the latter comprises at least one surface-emitting semiconductor laser chip in accordance with one or more of the abovementioned embodiments.
  • the laser arrangement comprises at least one pumping light source for pumping the semiconductor laser chip.
  • the laser arrangement has at least one external mirror which has a reflective effect on the primary radiation, so that an external resonator of the laser arrangement is formed by the first layer sequence of the semiconductor laser chip and by the at least one external mirror.
  • Such a laser arrangement can have a compact design and permits a conversion of the radiation generated by the semiconductor laser chip into a secondary radiation having a secondary wavelength ⁇ s different from the primary radiation.
  • the layers of the first layer sequence distributed in the layer stack are made permeable to the pump radiation. "Permeable” may mean that the distributed layers are transparent with regard to the pump radiation and have a transmission with respect to the pump radiation of at least 50%, preferably of at least 70%, in particular of at least 85%.
  • the resonator of the laser arrangement comprises a wavelength-selective element.
  • the polarization of the primary and / or secondary radiation can also be defined via the wavelength-selective element.
  • the spectral properties of the laser array can be adjusted specifically.
  • this comprises a wavelength-selective element in conjunction with a semiconductor chip, in which the light exit surface has a reflectivity in the range of 2% to 20%, in particular between 7% and 13%.
  • the wavelength-selective element in a wavelength range of 0.8 ⁇ P to 1.2 ⁇ P blocking for wavelengths ⁇ Res , with a wavelength tolerance of at most ⁇ P / 16 with respect to the effective resonator length L of the semiconductor laser chip, the condition fulfill:
  • ⁇ res (2L) / N, where N is a natural number. That is, the wavelengths ⁇ Res satisfy a resonance condition in the sense of a Fabry-Perot effect with respect to the effective resonator length L. For wavelengths ⁇ Res , with respect to which the resonator of the semiconductor laser chip is resonant, then the wavelength-selective element has a blocking effect.
  • blocking may mean that the transmission for resonant wavelengths ⁇ Res is a few percent below the transmission for anti-resonant wavelengths ⁇ P. For example, the transmission with respect to the wavelength ⁇ P is more than 99.9%, and the transmission with respect to the wavelength ⁇ Res less than 96%.
  • the wavelength range in which the member acts blocking is preferably chosen so that those wavelengths are suppressed ⁇ Res throughout the gain region of the layer stack. prevents such a wavelength-selective element in that the semiconductor laser chip in a resonant mode Device in which the optical intensity in the semiconductor laser chip is high and thus also the optical losses are large.
  • a specific, in particular with respect to the effective resonator length of the semiconductor laser chip anti-resonant primary wavelength ⁇ P can be set.
  • the wavelength-selective element is an etalon.
  • Etalones can be very compact and beside the
  • Wavelength selectivity also have a polarization selectivity.
  • About an etalon can thus be both the spectral properties and the
  • the resonator of the laser arrangement comprises at least one crystal for frequency doubling of the primary radiation.
  • frequency doubling in particular near-infrared light with wavelengths in the range of one micrometer, in particular between 0.95 ⁇ m and 1.15 ⁇ m, can be converted into green light with wavelengths, in particular in the range from 510 nm to 570 nm.
  • a thermal lens is formed in the operation of the semiconductor laser chip in this, via which the primary radiation in the
  • Crystal is focused to frequency doubling.
  • a temperature gradient is formed in the semiconductor laser chip. This temperature gradient leads to a variation of the optical refractive index in a direction parallel to
  • This refractive index gradient has the effect of a lenticular element, in particular a condenser lens.
  • the primary radiation can be focused in the crystal.
  • Such a thermal lens can eliminate an external lens outside the semiconductor laser chip and increase the doubling efficiency in the crystal.
  • Laser arrangements can be used, for example, display devices, lighting devices to Projection purposes, spotlights, light emitters or even general lighting equipment.
  • Figure 1 shows a schematic structure of a
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the occurring optical losses in a semiconductor laser chip
  • FIGS. 4 and 5 a schematic representation of the structure of an exemplary embodiment of a surface-emitting semiconductor laser chip (A) and a schematic progression of the optical intensity in the semiconductor laser chip (B, C),
  • FIG. 6 shows a schematic representation of the reflectivity (A, B) and the power (C) of an exemplary embodiment of a semiconductor laser chip described here,
  • Figure 7 is a schematic representation of a
  • Figure 9 shows schematic representations of the optical
  • Figure 10 is a schematic comparative representation of the optical losses in various
  • FIG. 1A shows a schematic structure of an exemplary embodiment of a surface-emitting semiconductor laser chip 1.
  • the semiconductor laser chip 1 has a layer stack 4 and a first layer sequence 2, which is designed with dielectric or semiconducting materials.
  • the layer stack 4 comprises active regions 5, which are designed as quantum wells, and barrier layers 15, which surround the active regions 5.
  • On a main side of the layer stack 4 is a light exit surface 6.
  • the light exit surface 6 provides an interface between the layer stack 4 and the Semiconductor laser chip 1 surrounding air.
  • About the light exit surface 6 leaves a generated in the layer stack 4 primary radiation P with a primary wavelength ⁇ p the semiconductor laser chip 1.
  • the primary radiation P is symbolized by a thick arrow line.
  • Layer stack 4 distributed.
  • the layers of the first layer sequence 2 that are not distributed in the layer stack 4 form a Bragg mirror 20 on the main exit side of the layer stack 4 facing away from the light exit surface 6 from a sequence of successive layers 2 b having a high refractive index and layers 2 a having a low refractive index.
  • the Bragg mirror 20 comprises, for example, a total of 51 layers.
  • the semiconductor laser chip 1 may be applied or grown on a substrate 10.
  • Adjacent active areas 5 have a distance T to each other, which corresponds to a multiple of half the primary wavelength ⁇ p . Unless otherwise indicated, all distances and wavelengths refer to a medium, that is, the refractive index of the medium is to be considered.
  • FIG. 1B The effect of the low refractive index layers 2a distributed in the layer stack 4 is illustrated in FIG. 1B.
  • a primary radiation Pa which is emitted from the active region 5a, which is closest to the light exit surface 6, either runs in the direction of the light exit surface 6 and leaves the semiconductor laser chip 1 or extends in the direction away from the light exit surface 6.
  • the latter portion of the primary radiation Pa passes to the active region 5a nearest layer 2a and is at least partially reflected by this layer 2a back towards the light exit surface 6.
  • the portion of the primary radiation Pa transmitted through this layer 2a is reflected by the further layer 2a located between the active regions 5b and 5c, or reaches the Bragg mirror 20 and is reflected by it back toward the light exit surface 6.
  • Parts of the primary radiation Pa transmitted through the layer 2a closest to the active region 5a are symbolized as dashed lines.
  • the intensity I has a periodicity which corresponds to half the primary wavelength ⁇ p . Due to the increased refractive index in the layer stack 4, the wavelength ⁇ p of the primary radiation P in the layer stack 4 is shorter than the primary radiation P running outside the layer stack 4 Layer stack 4 in the direction away from the light exit surface 6 from. Since the primary radiation P has a certain penetration depth into the Bragg mirror 20, there is also a certain optical intensity I in the Bragg mirror, which decreases exponentially within the Bragg mirror 20.
  • the active regions 5a, 5b, 5c are each in maxima of intensity I.
  • At the light exit surface 6 is also an intensity maximum.
  • the intensity distribution in the semiconductor laser chip 1 corresponds to that of a Fabry-Perot resonator.
  • FIG. 2A shows a further exemplary embodiment of a surface-emitting semiconductor laser chip 1.
  • the construction essentially corresponds to the exemplary embodiment shown in FIG. 1A.
  • the active regions 5 are optionally enclosed by stress compensation layers 16. If the semiconductor laser chip 1 is pumped optically with a pump radiation R, the barrier layers 15 serve to absorb the pump radiation R. The free electron-hole pairs generated in the barrier layers 15 relax into the quantum wells or the active regions 5, are trapped there and recombine while emitting the
  • the generated electron-hole pairs can not pass through the layers 2a within the layer stack 4 due to the higher bandgap of these layers 2a. Therefore, in order to achieve high efficiency by recombination of almost all electron-hole pairs in the active regions 5, it is decisive that at least one active region 5 is located between mutually separated layers 2a in the layer stack 4.
  • the semiconductor laser chip 1 may be based on the gallium arsenide material system. Layers of GaAs or AlGaAs-23 then serve as layers 2a with a high refractive index of the first layer sequence 2, as layers 2a with a low one
  • AlGaAs-xx means that about xx% of the lattice sites of the gallium atoms, with respect to pure GaAs, are replaced by aluminum atoms.
  • the layer thickness of the layers 2a, 2b is in each case one quarter of the primary wavelength ⁇ P. At an emission wavelength of approximately 1000 nm and a refractive index of approximately 3.5, the respective layer thicknesses of the layers 2a, 2b are in the order of magnitude of 50 nm. A total, geometric thickness of the Bragg mirror 20 is then approximately 5 ⁇ m.
  • the first layer sequence 2 may be grown on a non-subscribed GaAs substrate.
  • the barrier layers 15 of the layer stack 4 are made of GaAs and designed to absorb pump radiation R having a wavelength ⁇ R of approximately 808 nm.
  • the quantum wells constituting the active regions 5 are made of InGaAs having a thickness in the range of 6 nm to 12 nm.
  • the strain compensation layers 16 have a thickness in the range of 15 nm to 30 nm and are made of GaAsP, for example.
  • the thickness of the individual barrier layers 15 is approximately the same in each case, wherein the layer thicknesses of the first and last barrier layer 15 seen from the first layer sequence 2 may have different thicknesses therefrom.
  • the active region 5 have spacings T to one another such that the active regions 5 are in each case in maximum of the optical intensity I during operation of the semiconductor laser chip 1.
  • the manufacturing tolerances with respect to individual layers are preferably below 10 nm, in particular at approximately 5 nm. This corresponds approximately to ⁇ P / 60.
  • the first layer sequence 2 in each case three layers of the first layer sequence 2 are introduced between adjacent active regions 5.
  • the sequence of layers here is a low refractive index layer 2a, a high refractive index layer 2b, and a low refractive index layer 2a.
  • the distance T is in each case a multiple of half the wavelength ⁇ P of the primary radiation P.
  • the active regions 5 are arranged in groups 50.
  • Each group 50 has two active areas 5. Between individual groups 50 there are again three layers 2a, 2b, 2a of the first layer sequence 2.
  • Si 3 N 4 can serve as the second layer 7.
  • the refractive index of Si 3 N 4 is in the range of 2.0, compared to a refractive index of approximately 4 of the layer stack 4, a high coupling-out efficiency is ensured from the semiconductor laser chip 1 ,
  • the intensity of the pump radiation R in the direction away from the light exit surface 6 within the semiconductor laser chip 1 decreases approximately exponentially.
  • the distance between adjacent, active regions 5 or between adjacent groups 50 in the direction away from the light exit surface 6 preferably increases approximately exponentially, the individual active regions each localized in intensity maxima are.
  • Occurring optical losses and loss mechanisms are illustrated in FIG.
  • the layers 2a, 2b of the first layer sequence 2 distributed in the layer stack 4 are not drawn.
  • the reflectivity is measured outside the operation of the semiconductor laser chip 1.
  • a radiation Pm with the wavelength ⁇ P of the pump radiation P is irradiated perpendicular to a semiconductor laser chip 1.
  • Much of the light Pm is reflected by the semiconductor laser chip 1. This reflected light is designated P ref i.
  • a portion of the radiation Pm, which penetrates into the semiconductor laser chip 1, is absorbed in the layer stack 4, referred to as P ⁇ s.
  • the absorption occurs, for example, at active regions 5, at impurities in the layer stack 4 or at disturbances of the crystal lattice.
  • a portion of the radiation is also transmitted through the Bragg mirror 20, which forms the reflective first layer sequence 2.
  • This radiation component is marked Pr rans .
  • P Tra n s For the optical power loss contribute in particular the radiation components P Tra n s and, at least partially, P ⁇ 3 at. If Pm is known and PR ef i is measured, then the sum of P ⁇ s and P T r a n s can be determined. The quotient P Ref i / Pi n is a reflectivity R of the semiconductor laser chip 1.
  • the losses due to the absorption in the layer stack 4 are approximately proportional to the optical intensity I in the layer stack 4. Therefore, these losses are reduced, in which the optical intensity I in the layer stack 4 is reduced, as determined by the
  • Layer stack 4 distributed layers 2a, 2b of the first Schichtenten merge 2 happens.
  • FIG. 4 shows a so-called resonant semiconductor laser chip 1.
  • the layers 2a, 2b of the first layer sequence 4 distributed in the layer stack 4 are not shown in FIG. 4 and in FIG. 5 and are not considered separately in the explanation.
  • the layer stack 4 is located in a resonator which is formed by the light exit surface 6 and the Bragg mirror 20. Since the Bragg mirror 20 is composed of several layers 2 a, 2 b, the primary radiation P has a certain effective penetration depth into the Bragg mirror 20. This penetration depth can be estimated as the wavelength ⁇ P , 0 of the primary radiation in vacuum divided by four times the refractive index difference between low refractive index layers 2a and high refractive index layers 2b. Is the refractive index of the
  • the refractive index difference is about 0.5.
  • the effective penetration depth is therefore approximately 0.5 ⁇ P / 0 . If the refractive index of the layer stack 4 is about 4, the effective penetration depth is about 2 ⁇ P.
  • the effective resonator length L corresponds to the sum of the thickness D of the layer stack 4 and the effective penetration depth in the Bragg mirror 20. The resonator length L is thus greater than the thickness D of the layer stack 4th
  • FIG. 4C shows an alternative representation of the intensity profile.
  • the vertical dashed line denotes the effective penetration depth into the Bragg mirror 20, the vertical dot line the thickness D of the layer stack 4. Since it is a resonant semiconductor laser chip 1, located at the light exit surface 6 and at the fictitious point of the effective penetration depth in the first layer sequence 2, which have the distance L from each other, in each case a maximum of the intensity I.
  • the effective penetration depth is drawn in the reflective first layer sequence 2 shortened.
  • the effective resonator length L can therefore be specified in the case of a resonant semiconductor laser chip 1 as follows:
  • N is a natural number
  • FIG. 5A shows an exemplary embodiment of a non-resonant semiconductor laser chip 1.
  • the layer stack 4 has a thickness D or the Semiconductor laser chip 1 has an effective resonator length L, so that the semiconductor laser chip 1 is anti-resonant.
  • the effective resonator length L can be given as:
  • N is a natural number
  • FIG. 5B again schematically shows the course of the intensity I along the x-axis.
  • the effective resonator length L is again determined by the thickness D of the layer stack 4 and the effective penetration depth into the first layer sequence 2.
  • the three active regions 5 in the layer stack 4 are located in maxima of intensity I and are spaced ⁇ P / 2 apart.
  • the effective resonator length L is chosen so that at the
  • Light exit surface 6 is a minimum of the optical intensity I, at the fictitious point of the effective penetration depth, an intensity maximum.
  • the effective resonator length L thus corresponds to an odd-numbered, integer multiple of the quarter-wavelength primary wavelength ⁇ P.
  • the point of the effective penetration depth into the first layer sequence 2 is indicated by a vertical dashed line in FIG. 5B, the thickness D of the layer stack 4 by a vertical dotted line.
  • the optical intensity I in the layer stack 4 is significantly reduced in the case of a non-resonant, in particular in the case of an anti-resonant semiconductor laser chip 1.
  • FIG. 6A curve F, plots a reflectivity p of a laser chip, without layers of a first layer sequence distributed in a layer stack, with an unpumped laser chip, as a function of the wavelength ⁇ .
  • the reflectivity p has values of more than 98% in a spectral range from approximately 1010 nm to approximately 1090 nm. This spectral range corresponds to the spectral reflection width of the Bragg mirror 2. In the center of this spectral range at approximately 1050 nm, corresponding to the primary wavelength ⁇ P , there is a minimum at which the reflectivity p drops significantly below 99%. This minimum is on the
  • the effective resonator length L is an integer multiple of ⁇ p / 2.
  • a Fabry-Perot element has an increased transmissivity.
  • FIG. 6A A corresponding representation in the case of a semiconductor laser chip 1, for example according to FIG. 2A, with layers of the first layer sequence 2 distributed in the layer stack 4 is illustrated in FIG. 6A, curve E.
  • the optical losses due to absorption in the layer stack 4 are the same size.
  • the reflectivity p here has values of significantly more than 99.7% and is therefore significantly higher at this wavelength than in the case of a laser chip without reflective layers distributed in the layer stack.
  • optical losses due to the Fabry-Perot effect are reduced from approximately 0.35% in the case of the laser chip with respect to curve F to approximately 0.15% in the case of the semiconductor laser chip 1 approximately according to FIG. 2A. These optical losses are thus more than halved.
  • curve F the reflectivity p is plotted with respect to the wavelength ⁇ during operation of the laser chip according to curve F in FIG. 6A.
  • ⁇ Res the resonant wavelength
  • a clear maximum is shown in the area of the resonant wavelength ⁇ Res of 1050 nm. Due to the gain in the layer stack 4, the reflectivity p appears higher than 1 and is at about 1.014 or at about 101.4%.
  • the maximum of the reflectivity p in the case of a gain is lower, at approximately 1.01 or 101.0%, and significantly widened spectrally.
  • Figure 2A reduces both the gain and the optical losses. If the reduced gain suffices for the operation of the semiconductor laser chip 1 in this case, then the configuration with layers of the first layer sequence 2 distributed in the layer stack 4 is more favorable in terms of efficiency due to the reduced optical losses.
  • the parameter reflectivity p and thus the optical losses are particularly relevant in particular in laser arrangements or semiconductor laser chips 1, which have an external resonator, in which only one small one per revolution
  • Light output is decoupled.
  • an external resonator the light often goes through The external resonator is often reflected on the semiconductor laser chip 1 and, in particular, the losses due to transmission through the Bragg mirror 20 come to fruition.
  • Such an external resonator with a low decoupling rate is used, for example, for frequency doubling of near-infrared radiation to ensure high intensity within the external resonator and thus increase the power of doubled light, since the doubling is an optically non-linear process.
  • Power of the pump radiation R of more than 0.8 W is the power of the primary radiation P of the semiconductor chip 1 approximately according to Figure 2A with distributed in the layer stack 4 layers of the first layer sequence 2 significantly larger.
  • a possible method by means of which a non-resonant, in particular an anti-resonant semiconductor laser chip 1 with layers 2a, 2b of the first layer sequence 2 distributed in the layer stack 4 can be produced comprises the following steps:
  • the provision of the semiconductor laser chip 1 may include epitaxial growth of the Bragg mirror 20 or of the first layer sequence 2 and of the layer stack 4 on a growth substrate.
  • the epitaxially grown layers can then be transferred from the growth substrate to a support or remain on the growth substrate.
  • the fact that the effective resonator length L corresponds to a multiple of half the primary wavelength ⁇ P means that the semiconductor laser chip is resonant with respect to the primary wavelength ⁇ P.
  • the step of reducing the effective resonator length L follows the provision of the semiconductor laser chip 1.
  • the effective resonator length L is reduced by an odd-numbered multiple of the quarter-wavelength primary wavelength ⁇ P , that is, for example, by ⁇ P / 4, 3 ⁇ P / 4, 5 ⁇ p / 4 and so on.
  • Such a reduction of the effective resonator length L means that the semiconductor laser chip previously resonant with respect to the primary wavelength ⁇ P is now non-resonant, in particular antiphonous.
  • the manufacturing tolerance in the individual process steps with respect to the respective optical thicknesses of the layers is preferably highest ⁇ P / 32.
  • a resonant semiconductor laser chip 1 is produced in which the gain, English gain, is optimized and thus the optical intensity I is maximized in the layer stack 4.
  • the primary wavelength ⁇ P lies in particular at the wavelength at which the optical amplification predetermined by the material of the at least one active region 5 has a maximum during laser action. This maximum is in particular at approximately 1055 nm.
  • the thickness D of the layer stack 4 is reduced so that the semiconductor laser chip 1 is, for example, anti-resonant at the primary wavelength ⁇ P.
  • the primary wavelength ⁇ P does not change due to the reduction of the thickness D of the layer stack 4.
  • optical losses O L in the semiconductor laser chip 1 decrease because the intensity I in the semiconductor laser chip 1 is reduced and the transmission through the Bragg mirror 20 is reduced due to the Fabry-Perot effect.
  • a difference between a resonant and an anti-resonant semiconductor laser chip 1 is thus in the effective resonator length L.
  • the semiconductor laser chip 1 can also be produced directly, for example by epitaxial growth, as a non-resonant chip.
  • the layer stack 4 is thus grown such that its thickness D is so large that an effective resonator length L results, so that the semiconductor laser chip 1 is non-resonant with respect to the primary wavelength ⁇ P. This eliminates the operation of reducing the effective resonator length L.
  • FIG. 7 shows a laser arrangement 100 with a surface-emitting semiconductor laser chip 1.
  • the semiconductor laser chip 1 is applied to a substrate 10. About the substrate 10, for example, a Heat sink and a mechanically stable mounting surface be realized.
  • the semiconductor laser chip 1 is optically pumped by a pump light source 13, which emits the pump radiation R, symbolized by a thin arrow line.
  • the wavelength ⁇ R of the pump radiation R is approximately 808 nm.
  • the primary radiation P symbolized by a thick arrow line, is emitted by the semiconductor laser chip 1.
  • the emission of the primary radiation P takes place approximately perpendicular to the light exit surface 6 of the semiconductor laser chip 1, the coupling of the pump radiation R takes place at an angle of approximately 45 °.
  • the semiconductor laser chip 1 and two mirrors 8a, 8b constitute an external resonator of the laser arrangement 100. Both mirrors 8a, 8b are highly reflective of the primary radiation P.
  • the first mirror 8a transmits the primary radiation P in the direction of a doubling crystal 12 in the doubler crystal 12 in part into a secondary radiation S having a secondary wavelength ⁇ s * ⁇ P / 2, symbolized by an arrow-dashed line, converted. Subsequently, both converted secondary radiation S and meet
  • the first mirror 8a is transmissive to the secondary radiation S, so that it is coupled out of the external resonator.
  • the external resonator of the laser arrangement 100 may comprise a wavelength-selective element 11, which is designed, for example, as an etalon. Via the wavelength-selective element 11 it is also possible that the polarization of the primary radiation P is adjusted.
  • FIG. 8 shows the optical power of the primary radiation P 1 of the semiconductor laser chip 1 as a function of the power of the pump radiation R for different reflectivities of the light exit surface 6. The respective curves, denoted by the respective reflectivity at the
  • Light exit surface 6 in% are simulations for the case of a laser array 100, which in addition to the surface emitting semiconductor laser chip 1 has an external mirror 8, which has a reflectivity of 99% and correspondingly decouples 1% of the primary radiation P from the laser assembly 100.
  • the simulated laser array 100 has no doubling crystal and no wavelength-selective element.
  • the semiconductor laser chip 1 is an anti-resonant chip. The individual curves are each marked with the percentage of the reflectivity of the light exit surface 6.
  • the laser threshold is exceeded only at higher powers of the pump radiation R, so that the individual curves begin with increasing reflectivity of the light exit surface 6 only at higher pump powers.
  • a reflectivity of the light exit surface 6 of approximately 10% is a preferred value.
  • FIG. 9C an anti-resonant semiconductor laser chip 1 is shown. It is the refractive index n, see left ordinate axis, and the Intensity I plotted, see right ordinate axis, each along a direction x perpendicular to the light exit surface 6. The horizontal arrows indicate which curve refers to which ordinate axis.
  • FIG. 9A shows a resonant semiconductor laser chip 1 which has no layers of the first layer sequence 2 distributed in the layer stack 4.
  • the active regions 5, shown as regions of increased refractive index, are each arranged in groups 50 with two active regions 5.
  • the semiconductor laser chip 1 has an antireflection coating 17 with a refractive index of about 1.6.
  • the optical intensity I in the semiconductor laser chip 1 is comparatively high. Along with this, the optical losses in the semiconductor laser chip 1 are large and the efficiency is relatively low.
  • the intensity I is significantly reduced by the layers 2a, 2b of the first layer sequence 2 distributed in the layer stack 4 and increases
  • FIG. 9C shows the intensity distribution for an anti-resonant semiconductor laser chip 1 which has layers 2a, 2b of the first layer sequence 2 in the layer stack 4. At the light exit surface 6 is a minimum of intensity I before. The intensity I is again significantly reduced compared to FIGS. 9A and 9B.
  • FIG. 10 compares optical losses O L for different semiconductor laser chips 1. At a pump power of 0.5 W of the pump radiation R amount to Internal optical losses O L in the semiconductor laser chip 1 in a resonant chip having no layers of the first layer sequence 2 distributed in the layer stack 4, approximately 0.3%. The corresponding curve is marked with A.
  • the associated curve is labeled B.
  • the optical losses O L are approximately 0.14%, see curve C in FIG. 10. That is, compared to a chip structure without in the layer stack 4 distributed layers 2 a, 2 b, the optical losses O L are approximately halved in such a semiconductor laser chip 1.
  • Layers 2 a, 2 b are distributed in the layer stack 4, the optical losses in the laser chip only about 0.07% and are thus about a factor of 4 compared to a semiconductor chip 1 with high optical intensity I in the layer sequence, compare curve A, reduced.
  • Efficiency and efficiency of a semiconductor laser chip 1 can therefore be achieved by reducing the optical intensity I in the semiconductor laser chip 1 by introducing reflective layers 2a, 2b in the layer stack 4 and / or by anti-resonant shaping of the semiconductor laser chip 1 to avoid a Fabry-Perot Significantly improve effects.
  • the invention described here is not limited by the description based on the embodiments. Rather, the invention includes 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 is not explicitly stated in the claims or exemplary embodiments.

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Abstract

In mindestens einer Ausführungsform des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips (1) umfasst dieser eine erste Schichtenfolge (2), die für eine Primärstrahlung (P) mit einer Primärwellenlänge reflektierend wirkt, und einen Schichtenstapel (4), der dazu ausgestaltet ist, die Primärstrahlung (P) zu emittieren und der zumindest zwei aktive Bereiche (5) aufweist. Ein Teil der Schichten der ersten Schichtenfolge (2) ist hierbei im Schichtenstapel (4) verteilt. Ein solcher oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (1) weist geringe optische Verluste im Halbleiterlaserchip (1) auf und hat somit über eine hohe Effizienz. Der optisch gepumpte VCSEL enthält Barriereschichten (15) zur Absorption der Pumpstrahlung zwischen den Quantentrögen (5,16). Zumindestens eine niedrigberechende Schicht (2a) ist zwischen den aktiven Bereichen (5) angeordnet.

Description

Beschreibung
Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip und Laseranordnung mit einem oberflächenemittierenden Halbleiterchip
Es wird ein oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip sowie eine Laseranordnung mit einem solchen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchip angegeben.
Laser sind Lichtquellen mit herausragenden Eigenschaften. Im Vergleich zu anderen Lichtquellen senden Laser kohärente Strahlung aus, deren Strahleigenschaften, wie Richtung und Divergenz, gezielt eingestellt werden können. Laserstrahlung ist auch einer Frequenzkonversion mittels optisch nichtlinearen Prozessen zugänglich. Gegenüber Gaslasern oder Festkörperlasern, die beispielsweise auf YAG- oder YLF- Kristallen beruhen, stellen Halbleiterlaser sehr kompakte, vergleichsweise preiswerte und äußerst effiziente Laserlichtquellen dar.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchip anzugeben, der eine hohe Effizienz aufweist. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Laseranordnung mit einem solchen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchip anzugeben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips weist dieser eine erste Schichtenfolge auf. Die erste Schichtenfolge wirkt reflektierend für eine im Betrieb des Halbleiterlaserchips erzeugte PrimärStrahlung, die eine Primärwellenlänge λp aufweist. Die erste Schichtenfolge weist bevorzugt eine Folge von dielektrischen oder halbleitenden Schichten mit abwechselnd niedrigem Brechungsindex und hohem Brechungsindex auf. Mindestens ein Teil der Schichten der ersten Schichtenfolge folgt direkt aufeinander, das heißt, zwischen benachbarten Schichten sind keine weiteren Lagen angeordnet. Es ist möglich, dass die erste Schichtenfolge jeweils 20 bis 40, insbesondere 25 bis 35 Schichten mit hohem und mit niedrigem Brechungsindex aufweist. Die Dicke der Schichten der ersten Schichtenfolge entspricht bevorzugt einem Viertel der Primärwellenlänge λp. Als Dicke ist hierbei die optische Dicke, also das Integral über das Produkt aus Weg und optischem Brechungsindex, zu verstehen.
Oberflächenemittierend bedeutet, dass der Halbleiterchip flächig an einer Außenfläche eines Halbleiterkörpers Laserstrahlung emittiert. Die Fläche, über die die Lichtstrahlung aus dem Halbleiterlaserchip emittiert wird, hat zweidimensionalen Charakter. Im Gegensatz hierzu zu sehen sind kantenemittierende Laser, deren Licht emittierende Fläche linienförmig ist und somit eine im Wesentlichen eindimensional ausgeprägte Fläche darstellt, deren Längsausdehnung deutlich größer ist als deren Querausdehnung. Bevorzugt weist die Fläche, über die der oberflächenemittierende Halbleiterlaserchip Laserstrahlung emittiert, zwei Hauptachsen auf, wobei jede der Hauptachsen eine größere Länge aufweist als eine Ausdehnung eines lichterzeugenden Bereichs des Halbleiterlaserchips in einer Richtung senkrecht zur lichtemittierenden Fläche. Bevorzugt sind beide Hauptachsen der lichtemittierenden Fläche in etwa gleich groß. „In etwa" bedeutet, dass die relative Abweichung weniger als 25 %, insbesondere weniger als 10 % beträgt. Halbleiterlaserchip bedeutet, dass der Chip im Wesentlichen auf Halbleitermaterialien beruht, beispielsweise auf GaAs, InGaAs, AlGaAs, GaP, InGaP, GaN, InGaN oder InP. Das Halbleitermaterial kann weitere Stoffe, zum Beispiel in Form von Dotierungen, beinhalten. Mit anderen Worten weist der
Halbleiterlaserchip mindestens einen aktiven Bereich auf, der zur Erzeugung der Primärstrahlung ausgestaltet ist, der auf einem Halbleitermaterial beruht. Es ist möglich, dass der Halbleiterlaserchip neben Halbleitermaterialien auch noch andere Materialien wie dielektrische Schichten oder elektrisch ohmsch leitfähige Lagen, beispielsweise aus einem Metall, aufweist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips liegt die Primärwellenlänge λP im nahinfraroten Spektralbereich, insbesondere zwischen 1000 nm und 1100 nm. Die Primärwellenlänge λP kann aber auch bei anderen Wellenlängen im Spektralbereich zwischen 200 nm und 3500 nm liegen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips umfasst dieser einen Schichtenstapel mit zumindest zwei aktiven Bereichen. Die Schichten des Schichtenstapels können epitaktisch gewachsen sein und sich im Wesentlichen parallel zur lichtemittierenden Fläche ausdehnen. Der Schichtenstapel ist dazu ausgestaltet, die Primärstrahlung zu erzeugen und zu emittieren. Die aktiven Bereiche beruhen auf Quantenpunkten, auf Quantendrähten und/oder, bevorzugt, auf Quantentrögen . Die aktiven Bereiche können insbesondere dazu ausgestaltet sein, elektromagnetische Strahlung im nahinfraroten Spektralbereich zu emittieren. Der mindestens eine aktive Bereich kann optisch oder elektrisch gepumpt sein. Das Pumpen mindestens eines aktiven Bereichs kann direkt oder auch indirekt erfolgen. Beim direkten Pumpen werden beispielsweise Elektron-Loch-Paare im aktiven Bereich selbst erzeugt. Im Falle eines indirekten Pumpens weist der Schichtenstapel beispielsweise Barriereschichten auf, in denen über das Pumpen Elektron- Loch-Paare erzeugt werden, die dann in die aktiven Bereiche beziehungsweise in mindestens einen aktiven Bereich propagieren und dort zur Erzeugung der Primärstrahlung dienen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips ist ein Teil der Schichten der ersten Schichtenfolge im Schichtenstapel verteilt. Das heißt, dass einzelne oder auch Gruppen von Schichten der ersten Schichtenfolge zwischen Schichten des ersten Schichtenstapels liegen. Die nicht im Schichtenstapel verteilten Schichten der ersten Schicht bilden besonders bevorzugt einen Bragg-Spiegel an einer Hauptseite des
Schichtenstapels, die einer Hauptseite des Schichtenstapels gegenüberliegt, die sich näher an der lichtemittierenden Fläche des Halbleiterlaserchips befindet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips weist der Schichtenstapel eine Lichtaustrittsfläche auf, durch die die im Schichtenstapel erzeugte Primärstrahlung den Halbleiterlaserchip zumindest teilweise verlässt . Die Lichtaustrittsfläche weist eine nicht verschwindende
Reflektivität auf. Zum Beispiel beträgt die Reflektivität wenigstens 2 %, im Falle einer Antireflexbeschichtung an der der Lichtaustrittsfläche abgewandten Seite des Schichtenstapels, oder bis zu zirka 30 %, im Falle dass die Lichtaustrittsfläche eine Grenzfläche zwischen Luft und dem Schichtenstapel darstellt. Die Lichtaustrittsfläche befindet sich an der den nicht im Schichtenstapel verteilten Schichten der ersten Schichtenfolge abgewandten Hauptseite des Schichtenstapels .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips ist eine Dicke des Schichtenstapels dessen optische Dicke, das heißt das Integral über dem optischen Brechungsindex und einem Weg längs einer Laufrichtung der im Betrieb des
Halbleiterlaserchips im Schichtenstapel erzeugten Strahlung. Der Schichtenstapel ist insbesondere begrenzt durch die Lichtaustrittsfläche einerseits und den Bragg-Spiegel andererseits. Die im Schichtenstapel verteilten Schichten der ersten Schichtenfolge tragen also zur Dicke des Schichtenstapels bei. Die Lichtaustrittsfläche kann sich dadurch auszeichnen, dass an der der Lichtaustrittsfläche abgewandten Seite des Schichtenstapels ein Material mit deutlich reduziertem Brechungsindex vorliegt, wie etwa Luft oder eine Antireflexionsschicht . „Deutlich reduziert" bedeutet, dass der Brechungsindexunterschied, ausgehend vom die Lichtaustrittsfläche bildenden Material, mindestens 20 %, bevorzugt mindestens 40 % beträgt.
In mindestens einer Ausführungsform des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips umfasst dieser eine erste Schichtenfolge, die für eine Primärstrahlung mit einer Primärwellenlänge λp reflektierend wirkt, und einen Schichtenstapel, der dazu ausgestaltet ist, die Primärstrahlung zu emittieren und der zumindest zwei aktive Bereiche aufweist. Ein Teil der Schichten der ersten Schichtenfolge ist hierbei im Schichtenstapel verteilt.
Ein solcher oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip weist geringe optische Verluste im Halbleiterlaserchip auf und hat somit eine hohe Effizienz.
Aufgrund des Brechungsindexunterschieds zwischen den Schichten des Schichtenstapels und den Schichten der ersten Schichtenfolge, die im Schichtenstapel verteilt sind, weisen diese Schichten der ersten Schichtenfolge eine Reflektivität für die Primärstrahlung auf. Das heißt, das Licht, das in aktiven Bereichen nahe der Lichtaustrittsfläche erzeugt wird, braucht nicht den kompletten Schichtenstapel bis zu beispielsweise zu einem Bragg-Spiegel zu durchlaufen, sondern wird von im Schichtenstapel verteilten Schichten der ersten Schichtenfolge zurück in Richtung Lichtaustrittsfläche reflektiert. Dies gilt zumindest für Strahlung, die in den aktiven Bereichen erzeugt wird und in eine Richtung weg von der Lichtaustrittsfläche läuft. Somit wird über die im Schichtenstapel verteilten Schichten der ersten Schichtenfolge erreicht, dass die optische Intensität im Halbleiterlaserchip in einer Richtung weg von der Lichtaustrittsfläche abnimmt. Da die optischen Verluste im Halbleiterlaserchip, wie etwa Reabsorption der erzeugten Laserstrahlung an aktiven Bereichen oder an Störungen des Kristallgitters, näherungsweise proportional zur optischen Intensität im Kristall sind, werden über die Intensitätsminderung ebenfalls die optischen Verluste im Halbleiterlaserchip reduziert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips ist die erste Schichtenfolge als Bragg-Spiegel mit Schichten mit abwechselnd hohem und niedrigem Brechungsindex ausgestaltet. Zwischen zumindest zwei benachbarten aktiven Bereichen im Schichtenstapel befindet sich mindestens eine Schicht mit niedrigem Brechungsindex der ersten Schichtenfolge. Hierdurch wird erzielt, dass die optische Intensität im Halbleiterlaserchip verringert ist und sich somit die Effizienz des Halbleiterlaserchips erhöht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips sind die aktiven Bereiche in Gruppen mit je mindestens zwei aktiven Bereichen angeordnet. Benachbarte aktive Bereiche innerhalb einer Gruppe weisen im Rahmen der Herstellungstoleranzen jeweils einen gleichen Abstand zueinander auf, der bevorzugt ein Vielfaches der halben Primärwellenlänge λP beträgt. Innerhalb einer Gruppe befinden sich keine Schichten der ersten Schichtenfolge. Zwischen zwei benachbarten Gruppen befindet sich mindestens eine Schicht mit niedrigem Brechungsindex der ersten Schichtenfolge. Durch die Anordnung der aktiven Bereiche in Gruppen vereinfacht sich der Herstellungsprozess des Halbleiterlaserchips und hierdurch auch die Fehleranfälligkeit im Rahmen der Herstellung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips befinden sich zwischen zumindest zwei benachbarten aktiven Bereichen oder, sofern diese in Gruppen angeordnet sind, zwischen zumindest zwei Gruppen mindestens zwei Schichten mit niedrigem Brechungsindex der ersten Schichtenfolge. Das heißt, etwa zwischen zwei benachbarten Gruppen ist eine Schichtenfolge in direkter Abfolge der ersten Schichtenfolge aus einer Schicht mit niedrigem Brechungsindex, einer Schicht mit hohem Brechungsindex und einer Schicht mit niedrigem Brechungsindex vorhanden. Eine solche blockartige Anordnung von aktiven Bereichen und Schichten der ersten Schichtenfolge ist mit hoher Genauigkeit herstellbar und somit ein Halbleiterlaserchip hoher Güte erzielbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips liegt der Anteil der ersten Schichtenfolge, der im Schichtenstapel verteilt ist, zwischen einschließlich 10 % und 70 %, insbesondere zwischen einschließlich 20 % und 50 %. Der nicht im Schichtenstapel verteilte Anteil der ersten Schichtenfolge befindet sich an einer der Lichtaustrittsfläche abgewandten Seite des Schichtenstapels und bildet einen Bragg-Spiegel aus. Über eine solche Anordnung kann eine hohe Effizienz des Halbleiterlaserchips erzielt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips sind die im Schichtenstapel verteilten Schichten der ersten
Schichtenfolge teildurchlässig für die Primärstrahlung. „Teildurchlässig" kann bedeuten, dass die Transmission der im Schichtenstapel verteilten Schichten bezüglich der Primärstrahlung mindestens 30 %, bevorzugt mindestens 50 %, insbesondere mindestens 70 % beträgt. Hierdurch wird erreicht, dass auch das in aktiven Bereichen erzeugte Licht, die sich in Regionen an der von der Lichtaustrittsfläche abgewandten Seite des Schichtenstapels befinden, zur Lichtaustrittsfläche gelangen kann. Somit kann auch dieses Licht den Halbleiterlaserchip verlustarm verlassen. Durch eine solche Gestaltung der ersten Schichtenfolge erhöht sich die Auskoppeleffizienz des Halbleiterlaserchips. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips entspricht mindestens ein Abstand zwischen zwei benachbarten aktiven Bereichen einem ganzzahligen Vielfachen der Hälfte der Primärwellenlänge λp. Zudem befindet sich mindestens ein aktiver Bereich im Betrieb des Halbleiterlaserchips in einem Intensitätsmaximum der Primärstrahlung. Bevorzugt ist mindestens die Hälfte, insbesondere alle aktiven Bereiche derart angeordnet. Durch eine solche Anordnung der aktiven Bereiche wird eine hohe Verstärkung im Halbleiterlaserchip erzielt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips nimmt der Abstand zwischen benachbarten aktiven Bereichen in Richtung weg von der Lichtaustrittsfläche zu. Sind die aktiven Bereiche in Gruppen angeordnet, so nimmt der Abstand zwischen zwei benachbarten Gruppen in Richtung weg von der Lichtaustrittsfläche zu. Bevorzugt nimmt der Abstand zwischen benachbarten aktiven Bereichen beziehungsweise zwischen benachbarten Gruppen näherungsweise exponentiell zu. Durch eine solche Anordnung der aktiven Bereiche kann, insbesondere falls der Halbleiterlaserchip optisch gepumpt ist, eine über den gesamten Schichtenstapel gleichmäßige Anzahl von Elektronen-Loch-Paaren pro aktivem Bereich realisiert werden. Dies erhöht die Belastbarkeit und somit die maximale erzielbare Leistung an Primärstrahlung des Halbleiterlaserchips .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips weist dieser eine effektive Resonatorlänge L auf. Die effektive Resonatorlänge L ist gebildet aus der Summe der Dicke des Schichtenstapels und einer effektiven Eindringtiefe der Primärstrahlung in die reflektierende erste Schichtenfolge. Das heißt, die Resonatorlänge L ist größer oder gleich der Dicke des Schichtenstapels. Die jeweiligen Dicken beziehungsweise Längen beziehen sich hierbei auf die optischen Längen, das heißt auf das Integral über das Produkt aus Weglänge und Brechungsindex.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips entspricht die effektive Resonatorlänge L der Formel:
L = 0,5 N λP + 0,25 λP
N ist hierbei eine natürliche Zahl. Die Toleranz für die effektive Resonatorlänge L beträgt hierbei höchstens λP/8.
Mit anderen Worten entspricht die effektive Resonatorlänge L einem ganzzahligen Vielfachen der halben Primärwellenlänge λP, verlängert um λP/4, der Halbleiterlaserchip ist also mit einer nicht-resonanten Verstärkerstruktur gestaltet. Das heißt, die effektive Resonatorlänge L ist also 3 λP/4 oder 5 λp/4 oder 7 λP/4 und so weiter. Über eine solche effektive Resonatorlänge L ist ein Fabry-Perot-Effekt und somit eine Transmission in Richtung von der Lichtaustrittsfläche weg durch die erste Schichtenfolge beziehungsweise durch den Bragg-Spiegel hindurch verringert. Die Effizienz des Halbleiterlaserchips ist hierdurch erhöht.
Auch hier gilt, wie im Folgenden, dass als effektive
Resonatorlänge L die optische und nicht die geometrische Länge zu verstehen ist. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips beträgt die Toleranz bezüglich der effektiven Resonatorlänge L höchstens λp/16, insbesondere höchstens λP/32. Eine verkleinerte Toleranz der effektiven Resonatorlänge L führt zu einer wirkungsvolleren Reduzierung der optischen Verluste im Halbleiterlaserchip und erhöht somit dessen Effizienz.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips ist die Dicke des Schichtenstapels so ausgestaltet, dass der Halbleiterlaserchip anti-resonant bezüglich der Primärwellenlänge λP ist. Das heißt, dass die Intensität des elektromagnetischen Feldes innerhalb des Halbleiterlaserchips dem eines Fabry-Perot-Elements bei minimaler Transmission entspricht. Im anti-resonanten Fall ist die optische Intensität im Halbleiterlaserchip verkleinert. Die Verstärkung, englisch Gain, ist also nicht optimiert. Über eine derartige Wahl der Dicke des Schichtenstapels lassen sich die optischen Verluste im Halbleiterlaserchip verkleinern.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips liegt im Betrieb des Halbleiterlaserchips an der Lichtaustrittsfläche des Schichtenstapels kein Intensitätsmaximum bezüglich der optischen Intensität der Primärstrahlung vor. Bevorzugt liegt ein Intensitätsminimum an der Lichtaustrittsfläche vor. Die Toleranz hierfür beträgt höchstens λP/l6, insbesondere höchstens λP/32. Mit der Minimierung der Intensität an der Lichtaustrittsfläche geht auch eine Minimierung mit der optischen Intensität innerhalb des Halbleiterchips einher. Hierüber werden auch die auftretenden optischen Verluste im Halblaserchips reduziert, wodurch dessen Effizienz erhöht ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips umfasst dieser mindestens eine zweite Schicht, die an der
Lichtaustrittsfläche des Schichtenstapels angebracht und für die Primärstrahlung teilreflektierend ist. Die zweite Schicht kann in direktem physischem Kontakt zur Lichtaustrittsfläche stehen, dies ist der bevorzugte Fall, oder auch durch eine oder mehrere funktionelle Schichten vom Schichtenstapel separiert sein. Die mindestens eine zweite Schicht ist beispielsweise eine Schicht, die einen Brechungsindex aufweist, der zwischen dem von Luft und dem des den Schichtenstapel bildenden Materials liegt. Über eine solche teilreflektierende Schicht kann die Auskoppeleffizienz aus dem Halbleiterlaserchip erhöht werden. Außerdem kann die Reflektivität der Lichtaustrittsfläche des Schichtenstapels über eine solche zweite Schicht gezielt eingestellt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des
Halbleiterlaserchips, bei der dieser mindestens eine zweite Schicht umfasst, liegt der Reflexionsgrad der Lichtaustrittsfläche des Schichtenstapels bezüglich der Primärstrahlung aufgrund der mindestens einen zweiten Schicht zwischen 2 % und 20 %, bevorzugt zwischen 7 % und 13 %. Die Reflektivität weicht also von der einer optimierten, einschichtigen Antireflexbeschichtung, mit einer Reflektivität von weniger als 2 %, und auch von der einer Grenzfläche Luft-Lichtaustrittsfläche beziehungsweise Luft- Halbleitermatierial, mit einer Reflektivität von mehr als 30 %, ab. Vielmehr ist eine Reflektivität eingestellt, die sich hinsichtlich der Vermeidung von Verlusten im Halbleiterchip als optimal herausgestellt hat. Eine Reflektivität der Lichtaustrittsfläche im angegebenen Wertebereich aufgrund der zweiten Schicht ist mit vergleichsweise geringem technischen Aufwand zu realisieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des
Halbleiterlaserchips ist die mindestens eine zweite Schicht eine Passivierung. Das heißt, durch die mindestens eine zweite Schicht wird der Schichtenstapel mindestens zum Teil vor chemischen oder physikalischen, für den Schichtenstapel schädlichen Einflüssen geschützt. Durch eine solche zweite Schicht erhöht sich die Lebensdauer des Halbleiterlaserchips.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips ist dieser indirekt optisch pumpbar. Ein derartiges Pumpen des Halbleiterlaserchips wird auch als Barriere-Pumpen bezeichnet. Das heißt, Licht mit einer Pumpwellenlänge λR wird in den Halbleiterlaserchip eingestrahlt. Dieses Pumplicht wird in Barriereschichten absorbiert, in denen
Elektron-Loch-Paare erzeugt werden. Diese Elektron-Loch-Paare propagieren dann in den mindestens einen aktiven Bereich und dienen anschließend über Rekombination zur Erzeugung der Primärstrahlung. Die Barriereschichten sind bevorzugt transparent für die Primärstrahlung und absorbierend für die Pumpstrahlung ausgestaltet. Ein solcher Halbleiterlaserchip weist einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Strahlqualität auf .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des
Halbleiterlaserchips ist die mindestens eine zweite Schicht als Antireflex-Schicht bezüglich der Pumpwellenlänge λR ausgestaltet . Gemäß zumindest einer Ausführungsform des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips ist dieser für einen Dauerstrichbetrieb gestaltet. Das heißt, der Halbleiterlaserchip wird nicht gepulst betrieben. Mit Dauerstrichbetrieb ist insbesondere gemeint, dass eine Repetitionsrate höchstens 10 Hz und eine Impulsdauer mindestens 0,1 s beträgt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips sind alle aktiven Bereiche, im Rahmen der Herstellungstoleranzen, dazu eingerichtet, eine Strahlung derselben Wellenlänge zu emittieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips, bei dem dieser optisch gepumpt ist, verläuft die Pumpstrahlung in dem Halbleiterchip im Wesentlichen parallel zur Primärstrahlung. Mit anderen Worten beträgt ein Winkel zwischen einer
Strahlachse der Primärstrahlung und einer Strahlachse der Pumpstrahlung höchstens 30°, insbesondere höchstens 20°, bevorzugt höchstens 10°.
Es wird darüber hinaus eine Laseranordnung mit mindestens einem oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchip angegeben. Beispielsweise kann die Laseranordnung einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchip aufweisen, wie er in Verbindung mit einem oder mehreren der oben genannten Ausführungsformen beschrieben ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laseranordnung umfasst diese mindestens einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchip und mindestens eine Pumplichtquelle, die zum Pumpen des Halbleiterlaserchips gestaltet ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laseranordnung umfasst diese mindestens einen externen, für die vom
Halbleiterlaserchip erzeugte Primärstrahlung reflektierend wirkenden Spiegel. Bevorzugt ist der externe Spiegel ein hochreflektierender, dielektrischer Spiegel oder ein Metallspiegel. Der externe Spiegel kann eine Krümmung aufweisen, so dass der externe Spiegel zum Beispiel fokussierend wirkt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laseranordnung wird von der ersten Schichtenfolge des mindestens einen Halbleiterlaserchips und vom mindestens einen externen
Spiegel ein externer Resonator der Laseranordnung gebildet.
In mindestens einer Ausführungsform der Laseranordnung umfasst diese mindestens einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchip gemäß einer oder auch gemäß mehrerer der oben genannten Ausführungsformen. Weiterhin umfasst die Laseranordnung mindestens eine Pumplichtquelle zum Pumpen des Halbleiterlaserchips. Zudem weist die Laseranordnung mindestens einen externen, für die Primärstrahlung reflektierend wirkenden Spiegel auf, so dass von der ersten Schichtenfolge des Halbleiterlaserchips und vom mindestens einen externen Spiegel ein externer Resonator der Laseranordnung gebildet ist.
Eine solche Laseranordnung kann kompakt aufgebaut sein und ermöglicht eine Konversion der vom Halbleiterlaserchip erzeugten Strahlung in eine Sekundärstrahlung mit einer von der Primärstrahlung verschiedenen Sekundärwellenlänge λs . Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laseranordnung sind die im Schichtenstapel verteilten Schichten der ersten Schichtenfolge durchlässig für die Pumpstrahlung gestaltet. „Durchlässig" kann bedeuten, dass die verteilten Schichten transparent bezüglich der Pumpstrahlung sind und eine Transmission bezüglich der Pumpstrahlung von mindestens 50 %, bevorzugt von mindestens 70 %, insbesondere von mindestens 85%, aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laseranordnung umfasst der Resonator der Laseranordnung ein wellenlängenselektives Element. Optional kann über das wellenlängenselektive Element auch die Polarisation der Primär- und/oder Sekundärstrahlung definiert werden. Über ein solches wellenlängenselektives Element können die spektralen Eigenschaften der Laseranordnung gezielt eingestellt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laseranordnung umfasst diese ein wellenlängenselektives Element in Verbindung mit einem Halbleiterchip, bei dem die Lichtaustrittsfläche eine Reflektivität im Bereich von 2 % bis 20 %, insbesondere zwischen 7 % und 13 %, aufweist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laseranordnung wirkt das wellenlängenselektive Element in einem Wellenlängenbereich von 0,8 λP bis 1,2 λP sperrend für Wellenlängen λRes, die mit einer Wellenlängentoleranz von höchstens λP/16 bezüglich der effektiven Resonatorlänge L des Halbleiterlaserchips die Bedingung erfüllen:
λRes = (2L) /N , wobei N eine natürliche Zahl ist. Das heißt, die Wellenlängen λRes erfüllen eine Resonanzbedingung im Sinne eines Fabry- Perot-Effekts bezüglich der effektiven Resonatorlänge L. Für solche Wellenlängen λRes, bezüglich denen der Resonator des Halbleiterlaserchips resonant ist, wirkt also das wellenlängenselektive Element sperrend. „Sperrend" kann hierbei bedeuten, dass die Transmission für resonante Wellenlängen λRes um einige Prozent unterhalb der Transmission für anti-resonante Wellenlängen λP liegt. Beispielsweise beträgt die Transmission bezüglich der Wellenlänge λP mehr als 99,9 %, und die Transmission bezüglich der Wellenlänge λRes weniger als 96 %. Der Wellenlängenbereich, in dem das Element sperrend wirkt, ist bevorzugt so gewählt, dass im gesamten Verstärkungsbereich des Schichtenstapels solche Wellenlängen λRes unterdrückt sind. Ein derartiges wellenlängenselektives Element verhindert, dass der Halbleiterlaserchip in einem resonanten Modus gerät, in dem die optische Intensität im Halbleiterlaserchip hoch ist und somit auch die optischen Verluste groß sind. Über ein solches wellenlängenselektives Element kann eine bestimmte, insbesondere bezüglich der effektiven Resonatorlänge des Halbleiterlaserchips anti-resonante Primärwellenlänge λP gezielt eingestellt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laseranordnung ist das wellenlängenselektive Element ein Etalon. Etalone können sehr kompakt aufgebaut sein und neben der
Wellenlängenselektivität auch eine Polarisationsselektivität aufweisen. Über ein Etalon lassen sich also sowohl die spektralen Eigenschaften als auch die
Polarisationseigenschaften der Laseranordnung bestimmen. Eine Laseranordnung mit einem Etalon ist zum Beispiel in der Druckschrift WO 2008/028454 Al beschrieben, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug mit aufgenommen wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laseranordnung umfasst der Resonator der Laseranordnung mindestens einen Kristall zur Frequenzverdopplung der Primärstrahlung. Über Frequenzverdopplung kann insbesondere nahinfrarotes Licht mit Wellenlängen im Bereich von einem Mikrometer, insbesondere zwischen 0,95 μm und 1,15 μm, in grünes Licht mit Wellenlängen insbesondere im Bereich von 510 nm bis 570 nm konvertiert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laseranordnung ist im Betrieb des Halbleiterlaserchips in diesem eine thermische Linse ausgebildet, über die die Primärstrahlung in den
Kristall zur Frequenzverdopplung fokussiert ist. Bei einer vorgegebenen Pumpleistung bildet sich im Halbleiterlaserchip definiert ein Temperaturgradient aus. Dieser Temperaturgradient führt zu einer Variation des optischen Brechungsindex in einer Richtung parallel zur
Lichtaustrittsfläche. Dieser Brechungsindexgradient hat die Wirkung eines linsenartigen Elements, insbesondere einer Sammellinse. Über diese thermische Linse kann die Primärstrahlung in den Kristall fokussiert sein. Über eine solche thermische Linse kann eine externe Linse außerhalb des Halbleiterlaserchips entfallen und die Verdopplungseffizienz im Kristall kann erhöht werden.
Einige Anwendungsbereiche, in denen hier beschriebene oberflächenemittierende Halbleiterlaserchips oder
Laseranordnungen Anwendung finden können, sind beispielsweise Anzeigeeinrichtungen, Beleuchtungseinrichtungen zu Projektionszwecken, Scheinwerfer, Lichtstrahler oder auch Einrichtungen zur Allgemeinbeleuchtung.
Nachfolgend wird ein hier beschriebener oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip, eine hier beschriebene Laseranordnung sowie ein hier beschriebenes Verfahren unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:
Figur 1 einen schematischen Aufbau eines
Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips (A) und eine schematische Darstellung der optischen Intensität im Halbleiterlaserchip (B, C) ,
Figur 2 schematische Darstellungen weiterer
Ausführungsbeispiele eines hier beschriebenen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips ,
Figur 3 eine schematische Darstellung der auftretenden optischen Verluste in einen Halbleiterlaserchip,
Figuren 4 und 5 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Ausführungsbeispiels eines oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips (A) sowie einen schematischen Verlauf der optischen Intensität im Halbleiterlaserchip (B, C), Figur 6 eine schematische Darstellung der Reflektivität (A, B) und der Leistung (C) eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen Halbleiterlaserchips,
Figur 7 eine schematische Darstellung eines
Ausführungsbeispiels einer hier beschriebenen Laseranordnung,
Figur 8 eine schematische Darstellung der Abhängigkeit der Effizienz von der Reflektivität einer Lichtaustrittsfläche eines hier beschriebenen Halbleiterlaserchips ,
Figur 9 schematische Darstellungen des optischen
Intensitätsverlaufs für Ausführungsbeispiele von Halbleiterlaserchips, und
Figur 10 eine schematische vergleichende Darstellung der optischen Verluste in verschiedenen
Halbleiterlaserchips .
In Figur IA ist ein schematischer Aufbau eines Ausführungsbeispiels eines oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips 1 dargestellt. Der Halbleiterlaserchip 1 weist einen Schichtenstapel 4 und eine erste Schichtenfolge 2 auf, die mit dielektrischen oder halbleitenden Materialien gestaltet ist. Der Schichtenstapel 4 umfasst aktive Bereiche 5, die als Quantentröge ausgestaltet sind, und Barriereschichten 15, die die aktiven Bereiche 5 umgeben. An einer Hauptseite des Schichtenstapels 4 befindet sich eine Lichtaustrittsfläche 6. Die Lichtaustrittsfläche 6 stellt eine Grenzfläche zwischen dem Schichtenstapel 4 und den Halbleiterlaserchip 1 umgebender Luft dar. Über die Lichtaustrittsfläche 6 verlässt eine im Schichtenstapel 4 erzeugte Primärstrahlung P mit einer Primärwellenlänge λp den Halbleiterlaserchip 1. Die Primärstrahlung P ist durch eine dicke Pfeil-Linie symbolisiert.
Zwischen jeweils zwei benachbarten aktiven Bereichen 5 ist eine Schicht 2a mit niedrigem Brechungsindex der ersten Schichtenfolge 2 angebracht. Diese Schichten 2a, die sich zwischen den aktiven Bereichen 5 befinden, sind also im
Schichtenstapel 4 verteilt. Die nicht im Schichtenstapel 4 verteilten Schichten der ersten Schichtenfolge 2 bilden an der der Lichtaustrittsfläche 6 abgewandten Hauptseite des Schichtenstapels 4 einen Bragg-Spiegel 20 aus einer Abfolge aufeinander folgender Schichten 2b mit hohem Brechungsindex und mit Schichten 2a niedrigem Brechungsindex. Der Bragg- Spiegel 20 umfasst beispielsweise insgesamt 51 Schichten. Optional kann der Halbleiterlaserchip 1 auf einem Substrat 10 aufgebracht oder aufgewachsen sein.
Benachbarte aktive Bereiche 5 weisen einen Abstand T zueinander auf, der einem Vielfachen der Hälfte der Primärwellenlänge λp entspricht. Sofern nicht anders gekennzeichnet, beziehen sich alle Abstände und Wellenlängen auf ein Medium, das heißt, der Brechungsindex des Mediums ist zu berücksichtigen.
Die Wirkung der im Schichtenstapel 4 verteilten Schichten mit niedrigem Brechungsindex 2a ist in Figur IB illustriert. Eine Primärstrahlung Pa, die vom aktiven Bereich 5a, der der Lichtaustrittsfläche 6 am nächsten liegt, emittiert wird, läuft entweder in Richtung Lichtaustrittsfläche 6 und verlässt den Halbleiterlaserchip 1 oder verläuft in Richtung weg von der Lichtaustrittsfläche 6. Letzterer Anteil der Primärstrahlung Pa gelangt zur dem aktiven Bereich 5a nächstgelegenen Schicht 2a und wird von dieser Schicht 2a zumindest teilweise zurück in Richtung zur Lichtaustrittsfläche 6 reflektiert. Der durch diese Schicht 2a transmittierte Teil der Primärstrahlung Pa wird von der weiteren, sich zwischen den aktiven Bereichen 5b und 5c befindlichen Schicht 2a reflektiert beziehungsweise gelangt bis zum Bragg-Spiegel 20 und wird von diesem zurück in Richtung Lichtaustrittsfläche 6 reflektiert. Durch die dem aktiven Bereich 5a nächstgelegene Schicht 2a transmittierten Teile der Primärstrahlung Pa sind als Strichlinien symbolisiert .
Entsprechendes geschieht mit der von den aktiven Bereichen 5b und 5c emittierten PrimärStrahlung Pb, Pc. Die Anteile der Primärstrahlung Pa, Pb, Pc, die in Richtung zur Lichtaustrittsfläche 6 hin laufen und die an der Lichtaustrittsfläche 6 oder von den Schichten 2a, die zwischen den aktiven Bereichen 5a, 5b, 5c liegen, in Richtung Bragg-Spiegel 20 reflektiert werden, sind zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeichnet.
In Figur IC ist schematisch der Verlauf einer optischen Intensität I in einer Richtung x senkrecht zur
Lichtaustrittsfläche 6 des Halbleiterlaserchips 1 gezeichnet. Zu beachten ist, dass die Intensität I eine Periodizität aufweist, die der Hälfte der Primärwellenlänge λp entspricht . Aufgrund des erhöhten Brechungsindex im Schichtenstapel 4 ist die Wellenlänge λp der PrimärStrahlung P im Schichtenstapel 4 verkürzt gegenüber der außerhalb des Schichtenstapels 4 laufenden PrimärStrahlung P. Aufgrund der im Schichtenstapel 4 verteilten Schichten 2a nimmt die Intensität innerhalb des Schichtenstapels 4 in Richtung weg von der Lichtaustrittsfläche 6 ab. Da die PrimärStrahlung P eine gewisse Eindringtiefe in den Bragg-Spiegel 20 aufweist, ist auch eine gewisse optische Intensität I im Bragg-Spiegel vorhanden, die innerhalb des Bragg-Spiegels 20 exponentiell abnimmt. Die aktiven Bereiche 5a, 5b, 5c befinden sich jeweils in Maxima der Intensität I.
An der Lichtaustrittsfläche 6 liegt ebenfalls ein Intensitätsmaximum vor. Bezüglich der Positionen x der Intensitätsmaxima, insbesondere von dem an der Lichtaustrittsfläche 6, entspricht die Intensitätsverteilung im Halbleiterlaserchip 1 der eines Fabry-Perot-Resonators .
In Figur 2A ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips 1 gezeigt. Der Aufbau entspricht im Wesentlichen dem in Figur IA gezeigten Ausführungsbeispiel. Die aktiven Bereiche 5 sind optional jeweils von Spannungskompensionsschichten 16 eingefasst. Ist der Halbleiterlaserchip 1 optisch mit einer Pumpstrahlung R gepumpt, so dienen die Barriereschichten 15 dazu, die Pumpstrahlung R zu absorbieren. Die in den Barriereschichten 15 erzeugten freien Elektron-Loch-Paare relaxieren in die Quantentröge beziehungsweise die aktiven Bereiche 5, werden dort eingefangen und rekombinieren unter Ausstrahlung der
Primärstrahlung P. Die generierten Elektron-Loch- Paare können die Schichten 2a innerhalb des Schichtenstapels 4 aufgrund der höheren Bandlücke dieser Schichten 2a nicht passieren. Daher ist es, um eine hohe Effizienz durch Rekombination nahezu aller Elektron-Loch-Paare in den aktiven Bereichen 5 zu erzielen, maßgeblich, dass zwischen voneinander separierten Schichten 2a im Schichtenstapel 4 jeweils mindestens ein aktiver Bereich 5 lokalisiert ist. Der Halbleiterlaserchip 1 kann auf dem Galliumarsenid- Materialsystem beruhen. Als Schichten 2b mit hohem Brechungsindex der ersten Schichtenfolge 2 dienen dann Lagen aus GaAs oder AlGaAs-23, als Schichten 2a mit niedrigem
Brechungsindex AlAs oder AlGaAs-95. AlGaAs-xx bedeutet, dass zirka xx % der Gitterplätze der Galliumatome, bezüglich reinem GaAs, durch Aluminiumatome ersetzt sind. Die Schichtdicke der Schichten 2a, 2b beträgt jeweils ein Viertel der Primärwellenlänge λP. Bei einer Emissionswellenlänge von zirka 1000 nm und einem Brechungsindex von zirka 3,5 liegen die jeweiligen Schichtdicken der Schichten 2a, 2b in der Größenordnung von 50 nm. Eine gesamte, geometrische Dicke des Bragg-Spiegels 20 liegt dann bei zirka 5 μm. Die erste Schichtenfolge 2 kann auf einem nicht gezeichneten Substrat aus GaAs aufgewachsen sein.
Die Barriereschichten 15 des Schichtenstapels 4 sind aus GaAs gefertigt und dazu ausgestaltet, Pumpstrahlung R mit einer Wellenlänge λR von zirka 808 nm zu absorbieren. Die die aktiven Bereiche 5 bildenden Quantentröge bestehen aus InGaAs mit einer Dicke im Bereich von 6 nm bis 12 nm. Die Verspannungskompensionsschichten 16 weisen eine Dicke im Bereich vonl5 nm bis 30 nm auf und sind zum Beispiel aus GaAsP gefertigt. Die Dicke der einzelnen Barriereschichten 15 ist im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2A jeweils in etwa gleich groß, wobei die Schichtdicken der von der ersten Schichtenfolge 2 aus gesehen ersten und letzten Barriereschicht 15 davon abweichende Dicken aufweisen können. Die aktiven Bereich 5 weisen Abstände T derart zueinander auf, so dass die aktiven Bereiche 5 im Betrieb des Halbleiterlaserchips 1 jeweils in Maxima der optischen Intensität I liegen. Die Fertigungstoleranzen bezüglich der einzelnen Schichten liegen bevorzugt bei unter 10 nm insbesondere bei zirka 5 nm. Dies entspricht in etwa λP/60.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2B sind zwischen benachbarten aktiven Bereichen 5 jeweils drei Schichten der ersten Schichtenfolge 2 eingebracht. Die Abfolge der Schichten ist hierbei eine Schicht 2a mit niedrigem Brechungsindex, einer Schicht 2b mit hohem Brechungsindex und eine Schicht 2a mit niedrigem Brechungsindex. In Richtung von der Lichtaustrittsfläche 6 weg nimmt der Abstand zwischen benachbarten aktiven Bereichen 5 zu. Der Abstand T beträgt jeweils ein Vielfaches der halben Wellenlänge λP der Primärstrahlung P.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2C sind die aktiven Bereiche 5 in Gruppen 50 angeordnet. Jede Gruppe 50 weist zwei aktive Bereiche 5 auf. Zwischen einzelnen Gruppen 50 befinden sich wieder drei Schichten 2a, 2b, 2a der ersten Schichtenfolge 2. Optional ist an der dem Schichtenstapel 4 abgewandten Seite der Lichtaustrittsfläche 6 eine zweite
Schicht 7 aufgebracht. Als zweite Schicht 7 kann Si3N4 dienen. Die Dicke der zweiten Schicht 7, die als
Antireflexbeschichtung 17 ausgestaltet ist, liegt bevorzugt bei Werten um 100 nm. Da der Brechungsindex von Si3N4 im Bereich von 2,0 liegt, im Vergleich zu einem Brechungsindex von zirka 4 des Schichtenstapels 4, ist eine hohe Auskoppeleffizienz aus dem Halbleiterlaserchip 1 gewährleistet .
Da die Pumpstrahlung R von den Barriereschichten 15 absorbiert wird, nimmt die Intensität der Pumpstrahlung R in Richtung weg von der Lichtaustrittsfläche 6 innerhalb des Halbleiterlaserchips 1 in etwa exponentiell ab. Um eine gleichmäßige Dichte an Elektron-Loch-Paaren pro aktivem Bereich 5 zu gewährleisten, nimmt der Abstand zwischen benachbarten, aktiven Bereichen 5 beziehungsweise zwischen benachbarten Gruppen 50 in Richtung weg von der Lichtaustrittsfläche 6 bevorzugt näherungsweise exponentiell zu, wobei die einzelnen aktiven Bereiche jeweils in Intensitätsmaxima lokalisiert sind.
Auftretende optische Verluste und Verlustmechanismen sind in Figur 3 veranschaulicht. Die im Schichtenstapel 4 verteilten Schichten 2a, 2b der ersten Schichtenfolge 2 sind nicht gezeichnet. Zur Bestimmung der optischen Verluste wird, außerhalb des Betriebs des Halbleiterlaserchips 1, dessen Reflektivität gemessen. Eine Strahlung Pm mit der Wellenlänge λP der Pumpstrahlung P wird senkrecht auf einen Halbleiterlaserchip 1 gestrahlt. Ein Großteil des Lichts Pm wird vom Halbleiterlaserchip 1 reflektiert. Dieses reflektierte Licht ist mit PRefi bezeichnet. Ein Teil der Strahlung Pm, die in den Halbleiterlaserchip 1 eindringt, wird im Schichtenstapel 4 absorbiert, bezeichnet als P^s • Die Absorption erfolgt beispielsweise an aktiven Bereichen 5, an Verunreinigungen im Schichtenstapel 4 oder an Störungen des Kristallgitters. Ein Teil der Strahlung wird auch durch den Bragg-Spiegel 20, der die reflektierende erste Schichtenfolge 2 bildet, transmittiert . Dieser Strahlungsanteil ist mit P-rrans gekennzeichnet. Zur optischen Verlustleistung tragen insbesondere die Strahlungsanteile PTrans und, mindestens teilweise, P^3 bei. Ist Pm bekannt und wird PRefi gemessen, so kann die Summe aus P^s und PTrans ermittelt werden. Der Quotient PRefi/Pin ist eine Reflektivität R des Halbleiterlaserchips 1. Die Verluste aufgrund der Absorption im Schichtenstapel 4 sind näherungsweise proportional zur optischen Intensität I im Schichtenstapel 4. Daher werden diese Verluste verkleinert, in dem auch die optische Intensität I im Schichtenstapel 4 reduziert wird, wie dies durch im
Schichtenstapel 4 verteilte Schichten 2a, 2b der ersten Schichtentenfolge 2 geschieht .
In Figur 4 ist ein so genannter resonanter Halbleiterlaserchip 1 dargestellt. Zur Vereinfachung der Darstellung sind die im Schichtenstapel 4 verteilten Schichten 2a, 2b der ersten Schichtenfolge 4 in Figur 4 und in Figur 5 nicht gezeichnet und bei der Erklärung nicht gesondert berücksichtigt.
Der Schichtenstapel 4, siehe Figur 4A, befindet sich in einem Resonator, der von Lichtaustrittsfläche 6 und dem Bragg- Spiegel 20 gebildet ist. Da der Bragg-Spiegel 20 aus mehreren Schichten 2a, 2b aufgebaut ist, weist die Primärstrahlung P eine gewisse effektive Eindringtiefe in den Bragg-Spiegel 20 auf . Diese Eindringtiefe kann abgeschätzt werden als die Wellenlänge λP,0 der Primärstrahlung im Vakuum geteilt durch das Vierfache des Brechungsindexunterschieds zwischen Schichten 2a mit niedrigem Brechungsindex und Schichten 2b mit hohem Brechungsindex. Beträgt der Brechungsindex der
Schichten 2a in etwa 4 und der Brechungsindex der Schichten 2b in etwa 3,5, so ist der Brechungsindexunterschied in etwa 0,5. Die effektive Eindringtiefe beträgt also zirka 0,5 λP/0. Liegt der Brechungsindex des Schichtenstapels 4 bei etwa 4, so beträgt die effektive Eindringtiefe in etwa 2 λP. Die effektive Resonatorlänge L entspricht der Summe aus der Dicke D des Schichtenstapels 4 und der effektiven Eindringtiefe in den Bragg-Spiegel 20. Die Resonatorlänge L ist somit größer als die Dicke D des Schichtenstapels 4.
In Figur 4B ist schematisch der Verlauf der optischen Intensität I dargestellt. Entlang der x-Achse nimmt die
Intensität in Richtung weg vom Schichtenstapel 4 im Bragg- Spiegel 20 in etwa exponentiell ab, wie auch in Figur IC gezeigt. Unter Vernachlässigung des Effekts der im Schichtenstapel 4 verteilten Schichten 2a, 2b der ersten Schichtenfolge 2 ist innerhalb des Schichtenstapels 4 die Intensität I im Mittel gleich verteilt.
Figur 4C zeigt eine alternative Darstellung zum Intensitätsverlauf. Hierbei kennzeichnet die vertikale Strichlinie die effektive Eindringtiefe in den Bragg-Spiegel 20, die vertikale Punktlinie die Dicke D des Schichtenstapels 4. Da es sich um einen resonanten Halbleiterlaserchip 1 handelt, befindet sich an der Lichtaustrittsfläche 6 sowie am fiktiven Punkt der effektiven Eindringtiefe in die erste Schichtenfolge 2, die den Abstand L voneinander haben, jeweils ein Maximum der Intensität I. Zur Vereinfachung der Darstellung ist die effektive Eindringtiefe in die reflektierende erste Schichtenfolge 2 verkürzt gezeichnet. Die effektive Resonatorlänge L kann bei einem resonanten Halbleiterlaserchip 1 also angegeben werden zu:
L = 0 , 5 N λP ,
wobei N eine natürliche Zahl ist.
In Figur 5A ist ein Ausführungsbeispiel eines nicht- resonanten Halbleiterlaserchips 1 dargestellt. Der Schichtenstapel 4 weist eine Dicke D beziehungsweise der Halbleiterlaserchip 1 eine effektive Resonatorlänge L auf, so dass der Halbleiterlaserchip 1 anti-resonant ist. Mit anderen Worten kann die effektive Resonatorlänge L angegeben werden als :
L = 0,5 N λP + 0,25 λP ,
wobei N eine natürliche Zahl ist.
In Figur 5B ist erneut schematisch der Verlauf der Intensität I entlang der x-Achse dargestellt. Die effektive Resonatorlänge L ist wieder bestimmt durch die Dicke D des Schichtenstapels 4 und der effektiven Eindringtiefe in die erste Schichtenfolge 2. Die drei aktiven Bereiche 5 im Schichtenstapel 4 befinden sich in Maxima der Intensität I und sind λP/2 voneinander beabstandet. Die effektive Resonatorlänge L ist so gewählt, dass an der
Lichtaustrittsfläche 6 ein Minimum der optischen Intensität I vorliegt, am fiktiven Punkt der effektiven Eindringtiefe ein Intensitätsmaximum. Die effektive Resonatorlänge L entspricht also einem ungeradzahligen, ganzzahligen Vielfachen der viertelten Primärwellenlänge λP. Der Punkt der effektiven Eindringtiefe in die erste Schichtenfolge 2 ist in Figur 5B durch eine vertikale Strichlinie angedeutet, die Dicke D des Schichtenstapels 4 durch eine vertikale Punktlinie.
Gegenüber einem resonanten Halbleiterlaserchip 1 gemäß Figur 4A ist die optische Intensität I im Schichtenstapel 4 bei einem nicht-resonanten, insbesondere bei einem anti- resonanten Halbleiterlaserchip 1, deutlich verringert.
Hierdurch sind auch die optischen Verluste im Halbleiterlaserchip 1 deutlich reduziert. Ein weiterer Verlustmechanismus, der auf dem Fabry-Perot- Effekt beruht und die transmittierte Lichtleistung PτranS betrifft, ist in Figur 6A veranschaulicht.
In Figur 6A, Kurve F, ist eine Reflektivität p eines Laserchips, ohne in einem Schichtenstapel verteilten Schichten einer ersten Schichtenfolge, bei ungepumptem Laserchip, in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ aufgetragen. Die Reflektivität p weist in einem Spektralbereich von zirka 1010 nm bis zirka 1090 nm Werte von über 98 % auf. Dieser Spektralbereich entspricht der spektralen Reflexionsbreite des Bragg-Spiegels 2. Im Zentrum dieses Spektralbereichs bei zirka 1050 nm, entsprechend der Primärwellenlänge λP, befindet sich ein Minimum, bei dem die Reflektivität p deutlich unter 99 % abfällt. Dieses Minimum ist auf den
Fabry-Perot-Effekt im resonanten Fall zurückzuführen, bei dem die effektive Resonatorlänge L ein ganzzahliges Vielfaches von λp/2 ist. Im Resonanzfall weist ein Fabry-Perot-Element eine erhöhte Transmittivität auf.
Eine entsprechende Darstellung im Falle eines Halbleiterlaserchips 1, zum Beispiel gemäß Figur 2A, mit im Schichtenstapel 4 verteilten Schichten der ersten Schichtenfolge 2 ist in Figur 6A, Kurve E, illustriert. Um eine Vergleichbarkeit zu gewährleisten, sind bei den Kurven E und F die optischen Verluste aufgrund von Absorption im Schichtenstapel 4 jeweils gleich groß. Im Bereich um 1050 nm befindet sich ein spektral breites Maximum der Reflektivität p. Die Reflektivität p hat hier Werte von deutlich über 99,7 % und liegt somit bei dieser Wellenlänge signifikant höher als im Falle eines Laserchips ohne im Schichtenstapelverteilte, reflektierende Schichten. Das heißt, die optischen Verluste aufgrund des Fabry-Perot- Effekts sind von zirka 0,35 % im Fall des Laserchips bezüglich Kurve F auf zirka 0,15 % im Fall des Halbleiterlaserchips 1 etwa gemäß Figur 2A reduziert. Diese optischen Verluste sind also mehr als halbiert.
In Figur 6B, Kurve F, ist die Reflektivität p gegenüber der Wellenlänge λ im Betrieb des Laserchips gemäß Kurve F in Figur 6A gezeichnet. Im Bereich der resonanten Wellenlänge λRes von 1050 nm zeigt sich ein deutliches Maximum. Aufgrund der Verstärkung im Schichtenstapel 4 erscheint die Reflektivität p höher als 1 und liegt bei zirka 1,014 beziehungsweise bei zirka 101,4 %.
Im Fall des Halbleiterlaserchips 1 etwa gemäß zu Figur 2A, siehe Kurve E in Figur 6B, ist das Maximum der Reflektivität p im Falle einer Verstärkung niedriger, bei etwa 1,01 beziehungsweise 101,0 %, und spektral deutlich verbreitert.
Somit sind im Fall des Halbleiterlaserchips 1 etwa gemäß
Figur 2A sowohl die Verstärkung als auch die optischen Verluste reduziert. Reicht die verminderte Verstärkung in diesem Fall zum Betrieb des Halbleiterlaserchips 1 aus, so ist die Konfiguration mit im Schichtenstapel 4 verteilten Schichten der ersten Schichtenfolge 2 bezüglich der Effizienz aufgrund der reduzierten optischen Verluste günstiger. Die Kenngröße Reflektivität p und somit die optischen Verluste sind insbesondere in Laseranordnungen oder Halbleiterlaserchips 1 besonders relevant, die einen externen Resonator aufweisen, bei dem pro Umlauf nur eine geringe
Lichtleistung ausgekoppelt wird. Mit anderen Worten, bei einem solchen externen Resonator durchläuft das Licht oftmals den externen Resonator, wird oft am Halbleiterlaserchip 1 reflektiert und insbesondere die Verluste aufgrund von Transmission durch den Bragg-Spiegel 20 hindurch kommen zum Tragen. Solch ein externer Resonator mit einer niedrigen Auskoppelrate wird beispielsweise zur Freguenzverdopplung nahinfraroter Strahlung verwendet, um eine hohe Intensität innerhalb des externen Resonators zu gewährleisten und somit die Leistung an verdoppeltem Licht zu erhöhen, da die Verdopplung ein optisch nicht-linearer Prozess ist.
Die resultierende Leistung der Primärstrahlung P, aufgetragen gegenüber der Leistung der Pumpstrahlung R, ist in Figur 5C gezeigt, Kurve E bezüglich dem Halbleiterlaserchip 1 etwa gemäß Figur 2A, Kurve F bezüglich dem Laserchip gemäß den Kurven F in den Figuren 6A und 6B. Insbesondere bei
Leistungen der Pumpstrahlung R von mehr als 0,8 W ist die Leistung der PrimärStrahlung P des Halbleiterchips 1 etwa gemäß Figur 2A mit im Schichtenstapel 4 verteilten Schichten der ersten Schichtenfolge 2 deutlich größer.
Ein mögliches Verfahren, über das ein nicht-, insbesondere ein anti-resonanter Halbleiterlaserchip 1 mit im Schichtenstapel 4 verteilten Schichten 2a, 2b der ersten Schichtenfolge 2 hergestellt werden kann, weist die folgenden Schritte auf:
- Bereitstellen eines Halbleiterlaserchips 1 mit der ersten Schichtenfolge 2 und dem Schichtenstapel 4, wobei die effektive Resonatorlänge L des Halbleiterlaserchips 1 mit einer Toleranz von höchstens λP/16 einem ganzzahligen Vielfachen der Hälfte der Primärwellenlänge λP entspricht, und
- Reduzierung der effektiven Resonatorlänge L des Halbleiterlaserchips 1 mit einer Toleranz von höchstens λP/16 um einen Wert von ((2 N - 1) λP)/4, wobei N eine natürliche Zahl ist.
Das Bereitstellen des Halbleiterlaserchips 1 kann ein epitaktisches Wachsen des Bragg-Spiegels 20 beziehungsweise der ersten Schichtenfolge 2 und des Schichtenstapels 4 auf einem Aufwachssubstrat beinhalten. Die epitaktisch aufgewachsenen Schichten können anschließend vom Aufwachssubstrat auf einen Träger transferiert werden oder auch auf dem Aufwachssubstrat verbleiben. Dass die effektive Resonatorlänge L einem Vielfachen der halben Primärwellenlänge λP entspricht, bedeutet, dass der Halbleiterlaserchip resonant ist bezüglich der Primärwellenlänge λP.
Der Verfahrensschritt des Reduzierens der effektiven Resonatorlänge L folgt dem Bereitstellen des Halbleiterlaserchips 1 nach. Die effektive Resonatorlänge L wird hierbei um ein ungeradzahliges Vielfaches der viertelten Primärwellenlänge λP verringert, also beispielsweise um λP/4, 3 λP/4, 5 λp/4 und so weiter. Eine solche Verringerung der effektiven Resonatorlänge L bedeutet, dass der zuvor bezüglich der Primärwellenlänge λP resonante Halbleiterlaserchip nunmehr nicht-, insbesondere anti- resonant ist.
Die Fertigungstoleranz bei den einzelnen Verfahrensschritten bezüglich der jeweiligen optischen Dicken der Schichten beträgt bevorzugt höchsten λP/32.
Mit anderen Worten wird zuerst ein resonanter Halbleiterlaserchip 1 hergestellt, bei dem die Verstärkung, englisch Gain, optimiert und somit die optische Intensität I im Schichtenstapel 4 maximiert ist. Die Primärwellenlänge λP liegt hierbei insbesondere bei der Wellenlänge, bei der die durch das Material des mindestens einen aktiven Bereichs 5 vorgegebene optische Verstärkung bei Lasertätigkeit ein Maximum aufweist. Dieses Maximum liegt insbesondere bei zirka 1055 nm. Anschließend wird die Dicke D des Schichtenstapels 4 reduziert, so dass der Halbleiterlaserchip 1 zum Beispiel anti-resonant bei der Primärwellenlänge λP ist. Insbesondere ändert sich die Primärwellenlänge λP durch die Reduzierung der Dicke D des Schichtenstapels 4 nicht. Allerdings verringern sich optische Verluste OL im Halbleiterlaserchip 1, da die Intensität I im Halbleiterlaserchip 1 reduziert und die Transmission durch den Bragg-Spiegel 20 aufgrund des Fabry-Perot-Effekts herabgesetzt ist.
Ein Unterschied zwischen einem resonanten und einem anti- resonanten Halbleiterlaserchip 1 liegt also in der effektiven Resonatorlänge L.
Alternativ kann der Halbleiterlaserchip 1 ebenso direkt, beispielsweise über epitaktisches Wachsen, als nicht- resonanter Chip hergestellt werden. Mit anderen Worten wird der Schichtenstapel 4 also derart gewachsen, dass dessen Dicke D so groß ist, dass eine effektive Resonatorlänge L resultiert, so dass der Halbleiterlaserchip 1 nicht-resonant bezüglich der Primärwellenlänge λP ist. Hierdurch entfällt der Arbeitsschritt des Reduzierens der effektiven Resonatorlänge L.
In Figur 7 ist eine Laseranordnung 100 mit einem oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchip 1 dargestellt. Der Halbleiterlaserchip 1 ist auf einem Substrat 10 aufgebracht. Über das Substrat 10 kann beispielsweise eine Wärmesenke und eine mechanisch stabile Montagefläche realisiert sein. Der Halbleiterlaserchip 1 ist optisch von einer Pumplichtquelle 13 gepumpt, die die Pumpstrahlung R aussendet, symbolisiert durch eine dünne Pfeil-Linie. Die Wellenlänge λR der Pumpstrahlung R liegt bei zirka 808 nm. Die Primärstrahlung P, symbolisiert durch eine dicke Pfeil- Linie, wird vom Halbleiterlaserchip 1 emittiert. Die Emission der PrimärStrahlung P erfolgt in etwa senkrecht zur Lichtaustrittsfläche 6 des Halbleiterlaserchips 1, die Einkopplung der Pumpstrahlung R erfolgt unter einem Winkel von zirka 45°. Bezüglich der Primärstrahlung P stellt der Halbleiterlaserchip 1 sowie zwei Spiegel 8a, 8b einen externen Resonator der Laseranordnung 100 dar. Beide Spiegel 8a, 8b sind hochreflektierend für die Primärstrahlung P. Vom ersten Spiegel 8a wird die Primärstrahlung P in Richtung eines Verdopplerkristalls 12 weitergeleitet, wird im Verdopplerkristall 12 zum Teil in eine SekundärStrahlung S mit einer Sekundärwellenlänge λs * λP/2, symbolisiert durch eine Pfeil-Strichlinie, konvertiert. Anschließend treffen sowohl konvertierte SekundärStrahlung S als auch
Primärstrahlung P auf den zweiten Spiegel 8b und werden zurück in Richtung zum ersten Spiegel 8a reflektiert. Auf dem Rückweg wird ein weiterer Teil der Primärstrahlung P in die Sekundärstrahlung S umgewandelt. Der erste Spiegel 8a ist transmittierend für die Sekundärstrahlung S, so dass diese aus dem externen Resonator ausgekoppelt wird.
Optional kann der externe Resonator der Laseranordnung 100 ein wellenlängenselektives Element 11, das beispielsweise als Etalon ausgestaltet ist, aufweisen. Über das wellenlängenselektive Element 11 ist es auch möglich, dass die Polarisation der Primärstrahlung P eingestellt wird. In Figur 8 ist die optische Leistung der Primärstrahlung P, des Halbleiterlaserchips 1 in Abhängigkeit von der Leistung der Pumpstrahlung R für verschiedene Reflektivitäten der Lichtaustrittsfläche 6 gezeichnet. Die jeweiligen Kurven, bezeichnet mit der jeweiligen Reflektivität an der
Lichtaustrittsfläche 6 in %, sind Simulationen für den Fall einer Laseranordnung 100, die neben den oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchip 1 einen externen Spiegel 8 aufweist, der eine Reflektivität von 99 % hat und entsprechend 1 % der Primärstrahlung P aus der Laseranordnung 100 auskoppelt. Die simulierte Laseranordnung 100 weist keinen Verdopplerkristall und kein wellenlängenselektives Element auf. Der Halbleiterlaserchip 1 ist ein anti- resonanter Chip. Die einzelnen Kurven sind jeweils mit dem Prozentwert der Reflektivität der Lichtaustrittsfläche 6 gekennzeichnet .
Bei einer erhöhten Reflektivität der Lichtaustrittsfläche 6 wird die Laserschwelle erst bei höheren Leistungen der Pumpstrahlung R überschritten, so dass die einzelnen Kurven mit zunehmender Reflektivität der Lichtaustrittsfläche 6 erst bei höheren Pumpleistungen beginnen. Die Steigung der Kurven weist, bis zu einem kritischen maximalen Wert der Leistung der Pumpstrahlung R, einen größten Wert bei einer Reflektivität der Lichtaustrittsfläche 6 von etwa 10 % auf.
Somit stellt, mindestens für Pumpleistungen im Bereich größer als zirka 0,8 W, eine Reflektivität der Lichtaustrittsfläche 6 von zirka 10 % einen bevorzugten Wert dar.
In den Figuren 9A, 9B sind schematisch zwei resonante
Halbleiterlaserchips 1 veranschaulicht, in Figur 9C ist ein anti-resonanter Halbleiterlaserchip 1 gezeigt. Es ist der Brechungsindex n, siehe linke Ordinatenachse, und die Intensität I aufgetragen, siehe rechte Ordinatenachse, jeweils entlang einer Richtung x senkrecht zur Lichtaustrittsfläche 6. Die horizontalen Pfeile kennzeichnen, welche Kurve sich auf welche Ordinatenachse bezieht.
In Figur 9A handelt es sich um einen resonanten Halbleiterlaserchip 1, der keine im Schichtenstapel 4 verteilten Schichten der ersten Schichtenfolge 2 aufweist. Die aktiven Bereiche 5, gezeichnet als Regionen mit erhöhtem Brechungsindex, sind jeweils in Gruppen 50 mit zwei aktiven Bereichen 5 angeordnet. Der Halbleiterlaserchip 1 weist eine Antireflexbeschichtung 17 mit einem Brechungsindex von etwa 1,6 auf. Die optische Intensität I im Halbleiterlaserchip 1 ist vergleichsweise hoch. Hiermit einhergehend sind auch die optischen Verluste im Halbleiterlaserchip 1 groß und die Effizienz ist relativ gering.
Im Vergleich dazu, siehe Figur 9B, ist die Intensität I durch die im Schichtenstapel 4 verteilten Schichten 2a, 2b der ersten Schichtenfolge 2 deutlich reduziert und nimmt in
Richtung weg von der Lichtaustrittsfläche 6 signifikant ab.
In Figur 9C ist die Intensitätsverteilung für einen anti- resonanten Halbleiterlaserchip 1 gezeigt, der im Schichtenstapel 4 verteile Schichten 2a, 2b der ersten Schichtenfolge 2 aufweist. An der Lichtaustrittsfläche 6 liegt ein Minimum der Intensität I vor. Die Intensität I ist, im Vergleich zu den Figuren 9A und 9B, nochmals deutlich reduziert .
In Figur 10 sind optische Verluste OL für verschiedene Halbleiterlaserchips 1 vergleichend aufgetragen. Bei einer Pumpleistung von 0,5 W der Pumpstrahlung R betragen die internen optischen Verluste OL im Halbleiterlaserchip 1 bei einem resonanten Chip, der keine im Schichtenstapel 4 verteilten Schichten der ersten Schichtenfolge 2 aufweist, zirka 0,3%. Die entsprechende Kurve ist mit A gekennzeichnet.
Ein entsprechender Halbleiterlaserchip 1, der anti-resonant ausgestaltet ist, weist Verluste von etwa 0,16 % auf. Die zugehörige Kurve ist mit B bezeichnet.
Bei einem resonanten Halbleiterlaserchip 1 mit im Schichtenstapel 4 verteilten Schichten der ersten Schichtenfolge 2, wie in Figur 9B dargestellt, betragen die optischen Verluste OL zirka 0,14 %, siehe Kurve C in Figur 10. Das heißt, gegenüber einer Chipstruktur ohne im Schichtenstapel 4 verteilte Schichten 2a, 2b sind die optischen Verluste OL in einem solchen Halbleiterlaserchip 1 in etwa halbiert .
Bei einem anti-resonanten Halbleiterlaserchip 1, gekennzeichnet mit D, bei dem zusätzlich reflektierende
Schichten 2a, 2b im Schichtenstapel 4 verteilt sind, betragen die optischen Verluste im der Laserchip nur etwa 0,07 % und sind damit etwa um einen Faktor 4 gegenüber einem Halbleiterchip 1 mit hoher optischer Intensität I in der Schichtenfolge, vergleiche Kurve A, verringert.
Effizienz und Wirkungsgrad eines Halbleiterlaserchips 1 lassen sich also durch die Verringerung von optischer Intensität I im Halbleiterlaserchip 1 über das Einbringen von reflektierenden Schichten 2a, 2b im Schichtenstapel 4 und/oder über einen anti-resonantes Gestalten des Halbleiterlaserchips 1 zur Vermeidung eines Fabry-Perot- Effekts signifikant verbessern. Die hier beschriebene 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 nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2008 038 804.1, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.

Claims

Patentansprüche
1. Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (1) mit
- einer ersten Schichtenfolge (2) , die für eine Primärstrahlung (P) mit einer Primärwellenlänge λP reflektierend wirkt, und
- einem Schichtenstapel (4) , der dazu ausgestaltet ist, die Primärstrahlung (P) zu emittieren, mit zumindest zwei aktiven Bereichen (5) , wobei ein Teil der Schichten der ersten Schichtenfolge (2) im Schichtenstapel (4) verteilt ist.
2. Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (1) nach Anspruch 1 , bei dem die ersten Schichtenfolge (2) mindestens zum Teil als Bragg-Spiegel (20) mit Schichten mit abwechselnd hohem und niedrigem Brechungsindex ausgestaltet ist, wobei sich im Schichtenstapel (4) zwischen zumindest zwei benachbarten aktiven Bereichen (5) mindestens eine Schicht mit niedrigem Brechungsindex der ersten Schichtenfolge (2) befindet.
3. Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die aktiven Bereiche (5) in Gruppen (50) mit je mindestens zwei aktiven Bereichen (5) angeordnet sind, sich innerhalb einer Gruppe keine Schichten der ersten Schichtenfolge (2) befinden, und wobei sich zwischen zwei benachbarte Gruppen (50) mindestens eine Schicht mit niedrigem Brechungsindex der ersten Schichtenfolge (2) befindet.
4. Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich zwischen den betreffenden aktiven Bereichen (5) oder Gruppen (50) mindestens zwei Schichten mit niedrigem Brechungsindex der ersten Schichtenfolge (2) befinden.
5. Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Anteil der ersten Schichtenfolge (2) , der im Schichtenstapel (4) verteilt ist, zwischen einschließlich 10 % und 70 % liegt, und bei dem sich der nicht im Schichtenstapel (4) verteilte Anteil der ersten Schichtenfolge (2) an der einer Lichtaustrittsfläche (6) abgewandten Seite des Schichtenstapels (4) befindet.
6. Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die im Schichtenstapel (4) verteilten Schichten der ersten Schichtenfolge (2) teildurchlässig für die Primärstrahlung (P) sind.
7. Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens ein Abstand (T) zwischen zwei benachbarten aktiven Bereichen (5) ein Vielfaches der Hälfte der Primärwellenlänge λP beträgt und bei dem sich mindestens ein aktiver Bereich (5) im Betrieb des Halbleiterlaserchips (1) in einem Intensitätsmaximum der Primärstrahlung (P) befindet, und bei dem in mindestens einem Fall die Abstände (T) zwischen benachbarten aktiven Bereichen (5) in Richtung weg von der Lichtaustrittsfläche (6) zunehmen.
8. Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der eine effektive Resonatorlänge L aufweist, so dass für die effektive Resonatorlänge L mit einer Toleranz von höchstens λP/8 gilt:
L = 0,5 N λP + 0,25 λP ,
wobei N eine natürliche Zahl ist.
9. Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der mindestens eine zweite Schicht (7) umfasst, die an der Lichtaustrittsfläche (6) des Schichtenstapels (4) angebracht und für die Primärstrahlung (P) teilreflektierend ist.
10. Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (1) nach Anspruch 9, bei dem der Reflexionsgrad an der mindestens einen zweiten Schicht (7) zwischen 2 % und 20 % liegt.
11. Laseranordnung (100) mit - mindestens einem oberflächenemittierenden
Halbleiterlaserchip (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ,
- mindestens einer Pumplichtquelle (13) zum Pumpen des Halbleiterlaserchips (1) mit einer Pumpstrahlung (R) , und
- mit mindestens einem externen, für die Primärstrahlung (P) reflektierend wirkenden Spiegel (8) , so dass von der erster Schichtenfolge (2) und vom mindestens einen Spiegel (8) ein Resonator (9) gebildet ist.
12. Laseranordnung (100) nach Anspruch 11, wobei zumindest die im Schichtenstapel (4) verteilten
Schichten der ersten Schichtenfolge (2) durchlässig für die Pumpstrahlung (R) sind.
13. Laseranordnung (100) nach Anspruch 11 oder 12 mit einem oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchip (1) gemäß
Anspruch 10, bei dem der Resonator (9) ein Wellenlängen selektives
Element (11) umfasst.
14. Laseranordnung (100) nach Anspruch 13, bei dem das Wellenlängen selektive Element (11) in einem Wellenlängenbereich λP ± 0,2 λP sperrend wirkt für solche Wellenlängen λR, für die mit einer Wellenlängentoleranz von höchstens λP/16 bezüglich einer effektiven Resonatorlänge L des Halbleiterlaserchips (1) gilt:
λR = (2 L) / N ,
wobei N eine natürliche Zahl ist.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9106053B2 (en) * 2012-10-15 2015-08-11 Palo Alto Research Center Incorporated Distributed feedback surface emitting laser

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4881236A (en) * 1988-04-22 1989-11-14 University Of New Mexico Wavelength-resonant surface-emitting semiconductor laser
US5052016A (en) * 1990-05-18 1991-09-24 University Of New Mexico Resonant-periodic-gain distributed-feedback surface-emitting semiconductor laser
DE102006042196A1 (de) * 2006-06-30 2008-01-03 Osram Opto Semiconductors Gmbh Oberflächenemittierender Halbleiterkörper mit vertikaler Emissionsrichtung und stabilisierter Emissionswellenlänge

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6117699A (en) * 1998-04-10 2000-09-12 Hewlett-Packard Company Monolithic multiple wavelength VCSEL array
DE10147353C2 (de) * 2001-09-26 2003-12-18 Infineon Technologies Ag Halbleiterlaser mit mindestens zwei optisch aktiven Bereichen
DE10241192A1 (de) * 2002-09-05 2004-03-11 Osram Opto Semiconductors Gmbh Optisch gepumpte strahlungsemittierende Halbleitervorrichtung und Verfahren zu deren Herstellung
GB2399941A (en) * 2003-03-24 2004-09-29 Univ Strathclyde Vertical cavity semiconductor optical devices
DE102004024611A1 (de) * 2003-05-23 2005-03-03 Osram Opto Semiconductors Gmbh Optisch gepumpte Halbleitervorrichtung
DE602005001810T2 (de) * 2004-06-19 2008-04-17 Samsung Electronics Co., Ltd., Suwon Mehrwellenlängenlasersystem mit externem Resonator
DE102006010728A1 (de) * 2005-12-05 2007-06-06 Osram Opto Semiconductors Gmbh Halbleiterbauelement und Laservorrichtung
DE102006042195A1 (de) 2006-09-08 2008-03-27 Osram Opto Semiconductors Gmbh Etalon und optoelektronische Halbleitervorrichtung

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4881236A (en) * 1988-04-22 1989-11-14 University Of New Mexico Wavelength-resonant surface-emitting semiconductor laser
US5052016A (en) * 1990-05-18 1991-09-24 University Of New Mexico Resonant-periodic-gain distributed-feedback surface-emitting semiconductor laser
DE102006042196A1 (de) * 2006-06-30 2008-01-03 Osram Opto Semiconductors Gmbh Oberflächenemittierender Halbleiterkörper mit vertikaler Emissionsrichtung und stabilisierter Emissionswellenlänge

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
THRANHARDT A ET AL: "Microscopic modeling of the optical properties of semiconductor nanostructures", JOURNAL OF NON-CRYSTALLINE SOLIDS, NORTH-HOLLAND PHYSICS PUBLISHING. AMSTERDAM, NL, vol. 352, no. 23-25, 15 July 2006 (2006-07-15), pages 2480 - 2483, XP025186795, ISSN: 0022-3093, [retrieved on 20060715] *
YU MOROZOV ET AL: "Effect of pump reflections in vertical external cavity surface-emitting lasers", NEW JOURNAL OF PHYSICS, INSTITUTE OF PHYSICS PUBLISHING, BRISTOL, GB, vol. 10, no. 6, 1 June 2008 (2008-06-01), pages 63028-1 - 63028-10, XP020137842, ISSN: 1367-2630 *

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