WO2020057856A1 - Phasengekoppelte laseranordnung und verfahren zur herstellung einer phasengekoppelten laseranordnung - Google Patents

Phasengekoppelte laseranordnung und verfahren zur herstellung einer phasengekoppelten laseranordnung Download PDF

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waveguide layer
layer
common
bodies
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Bruno JENTZSCH
Alexander Behres
Hans-Jürgen LUGAUER
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Osram Oled Gmbh
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    • H01S5/5027—Concatenated amplifiers, i.e. amplifiers in series or cascaded

Definitions

  • a laser arrangement is specified which is in particular designed to be phase-coupled. Furthermore, a
  • An emitter array with imaging optics is generally used to generate a structured far field in the form of a diffraction image.
  • Another object is to provide an inexpensive method for producing a laser arrangement, in particular a laser arrangement described here.
  • Embodiments of the laser arrangement or of the method for producing a laser arrangement are the subject of the further claims.
  • a laser arrangement with a common waveguide layer is specified.
  • the laser arrangement has a plurality of laser bodies that are on the common
  • Waveguide layer are arranged.
  • the laser bodies directly adjoin the waveguide layer. It is possible that the laser body and the waveguide layer are made in one piece.
  • the common waveguide layer and the laser body or at least parts of the laser body and the common are particularly preferred
  • Waveguide layer and the laser bodies are Waveguide layer and the laser bodies.
  • the laser bodies each have an active zone which is set up in particular for generating coherent electromagnetic radiation.
  • the active zone of the respective laser body is provided for generating electromagnetic radiation in the infrared, visible or in the ultraviolet spectral range.
  • the laser bodies can be based on a III-V or on a II-VI compound semiconductor material.
  • the laser bodies each have a semiconductor body with the active zone, which is based on such a compound semiconductor material.
  • Semiconductor bodies of the laser bodies can be based on the same compound semiconductor material.
  • Different semiconductor layers or bodies are based on the same compound semiconductor material if these layers or bodies have at least one same element, for example from the Main group II or III, and a further same element, such as from group VI or V, have.
  • the semiconductor layers or bodies can have additional elements, in particular from the same groups or from other groups, to form binary, tertiary or quaternary compounds.
  • the layers of the laser body and the layers of the common waveguide layer are based on an arsenide, nitride, phosphide, sulfide or selenide compound semiconductor, for example on GaN,
  • the semiconductor body can have a first semiconductor layer and a second semiconductor layer, the active zone being arranged between the semiconductor layers.
  • the active zone is a pn junction of the
  • the laser bodies are next to one another on the common one
  • the laser bodies can be spatially spaced apart from one another in the lateral direction.
  • the laser bodies are on the common
  • Waveguide layer grown especially grown epitaxially.
  • the laser bodies can be constructed in the same way. Within the scope of the manufacturing tolerances
  • Laser body can be set up to generate electromagnetic radiation of the same wavelength.
  • the laser bodies are in particular for generating single-mode radiation
  • a lateral direction is understood to mean a direction which runs in particular parallel to a main extension surface of the common waveguide layer.
  • a vertical direction is understood to mean a direction that is directed in particular perpendicular to the main extension surface of the common waveguide layer. The vertical direction and the lateral direction are particular
  • the laser bodies are phase-coupled to one another via the common waveguide layer during operation of the laser arrangement. If the laser bodies are designed to be phase-coupled to one another, at least the main modes of those of the laser bodies or of the have in operation of the laser arrangement
  • the laser bodies emitted radiation in a constant or substantially constant phase relationship to one another.
  • the laser bodies can be phase-coupled to one another, in particular sensibly phase-coupled to one another, if one
  • the specified distance depends in particular on the peak wavelength of the emitted
  • the laser arrangement has a common waveguide layer and a plurality of laser bodies.
  • the laser bodies each have an active zone that is more coherent for generation
  • Laser bodies are side by side on the common
  • the laser bodies particularly preferably border directly on the common one Waveguide layer.
  • the laser bodies are designed to be phase-coupled to one another, in particular via the waveguide layer.
  • the laser body and the common waveguide layer are particularly preferably monolithic.
  • the laser bodies each have the shape of a
  • surface-emitting laser diode such as the shape of a VCSEL (English: vertical-cavity surface-emitting laser).
  • VCSEL vertical-cavity surface-emitting laser
  • the laser arrangement has a plurality of laser bodies, each of which has an aperture, the aperture being formed on a surface of the respective laser body facing away from the common waveguide layer.
  • Aperture is in particular an exit opening of the radiation emitted during operation of the laser body.
  • Laser bodies generated electromagnetic radiation are phase-coupled to one another, a particularly compact component can be specified, which is used to generate a
  • Radiation direction can be controlled in a simplified manner, in particular by electrical signals.
  • the change of direction or the The direction of radiation of the laser arrangement can be set via targeted phase coupling of the laser body, for example by local electrical control and / or by local adaptation of the refractive index of the common waveguide layer
  • the laser bodies each have a partial layer directly adjacent to the common waveguide layer.
  • Waveguide layers can be formed from the same material or at least at a transition region from the same material. In particular, there is a flowing one
  • Transition area between the common waveguide layer and the sub-layers of the laser body is transition area between the common waveguide layer and the sub-layers of the laser body.
  • the laser body in particular the partial layers of the laser
  • Waveguide layer grown It is possible that the partial layers of the laser bodies are originally components of the common waveguide layer, which are only assigned to the laser bodies in the course of the generation of the laser bodies.
  • the laser bodies are in particular local vertical elevations on the common waveguide layer.
  • the laser arrangement has a common carrier on which the
  • the common waveguide layer is arranged. In the vertical direction, the common waveguide layer is in particular between the common carrier and the laser bodies
  • the laser arrangement of the is preferred
  • the common carrier mechanically stabilized and thus mechanically supported by this.
  • the common carrier has a higher mechanical stability than that common waveguide layer.
  • the common carrier can be made of an electrically insulating material
  • the common carrier is a ceramic body, a semiconductor body or a metal body.
  • the common carrier is different from a growth substrate on which the
  • the common carrier is a growth substrate, for example a sapphire substrate or a
  • Semiconductor substrate is.
  • the laser arrangement has a coupling layer with a plurality of
  • the coupling layer is arranged in particular on a rear side of the common waveguide layer facing away from the laser bodies. Top view of the
  • the coupling structures can be covered by the laser bodies, in particular completely covered. Is that emitted by a laser body
  • the electromagnetic radiation at the coupling structures can be deflected in a lateral direction. Due to the lateral spread, the electromagnetic radiation can ensure that a
  • Phase coupling between the laser bodies takes place.
  • a standing wave field can form in the common waveguide layer, that for a defined one
  • the coupling structures extend into the common one
  • Waveguide layer into it are identical to Waveguide layer into it.
  • they are identical to Waveguide layer into it.
  • Coupling structures for the electromagnetic radiation generated by the laser bodies during operation of the laser arrangement are designed to be reflective. For example, they are
  • Coupling structures are each provided with a reflection layer or formed from a radiation-reflecting material.
  • the coupling structures With regard to the material composition of the common waveguide layer, it is possible for the coupling structures to be designed such that total reflections on the
  • the coupling layer can be formed from an electrically insulating material or from an electrically conductive material. If the coupling layer is made electrically conductive, the coupling layer can serve as a contact layer for the laser arrangement, in particular for the common waveguide layer or for the laser body.
  • the laser arrangement when the laser arrangement is in operation, there is a lateral distance between adjacent laser bodies m-l / h, where m is a whole
  • common waveguide layer measured wavelength of the radiation coupled in the waveguide layer.
  • lateral distance is in particular the path length or the
  • the lateral distances can be the same or different between the different neighboring laser bodies.
  • electrically controllable active elements are integrated or formed in the common waveguide layer.
  • the active elements are preferred for local adaptation of the
  • the active element can be integrated in the waveguide layer in the form of a Wannier-Stark modulator. Such a modulator can change due to an electrical field applied to the common waveguide layer
  • optical path length between the adjacent laser bodies are corrected during operation of the laser arrangement.
  • the active elements integrated or formed in the common waveguide layer thus serve the purpose
  • the common waveguide layer has an active region, which is in particular in the coupling path of the
  • Waveguide layer is located.
  • the waveguide layer can have a first partial layer and a second partial layer, the active region being arranged in the vertical direction between the first partial layer and the second partial layer.
  • the waveguide layer with the active region can serve as an optical amplifier. Alternatively or additionally, it is possible for the active region to adapt to the local one
  • the active region forms a partial region of the active element or of the active elements integrated or formed in the common waveguide layer.
  • the active region of the common waveguide layer is designed as an active quantum well layer of a Wannier-Stark modulator.
  • the modulator causes a change in the refractive index due to an applied electric field, in particular a local adjustment of the refractive index of the common one
  • Waveguide layer Waveguide layer.
  • the laser bodies are arranged at least in one row on the common waveguide layer.
  • the laser arrangement can have a plurality of rows and columns of the laser bodies on the common waveguide layer.
  • the laser bodies form a matrix-like arrangement of the laser bodies on the common waveguide layer.
  • the row or column from the laser bodies can be one
  • the guide laser body is set up in such a way that the electromagnetic radiation emitted by the guide laser body only in the direction of the common one Waveguide layer can be coupled out of the guide laser body.
  • the radiation coupled into the common waveguide layer can propagate along the common waveguide layer and the other laser bodies for the emission of phase-coupled electromagnetic
  • Guide laser bodies excited laser bodies can be both electrically and optically pumped, for example optically pumped by the radiation generated by the guide laser body.
  • the guide laser body can on its the common
  • the radiation reflecting layer can be used as
  • the guide laser body arranged at the edge can thus the phase of the laser row of the same row or column emitted
  • the guide laser body On its surface facing away from the common waveguide layer, the guide laser body in particular does not have a radiation-permeable aperture.
  • the other laser bodies can each have a radiation-transparent aperture on their surfaces facing away from the common waveguide layer.
  • the laser arrangement can have a plurality of laser bodies which form a plurality of rows and columns of laser bodies on the common waveguide layer, the laser bodies of the same row or column at most apart from one laser body arranged on the edge or one of each of the laser bodies arranged on the edge
  • phase coupling takes place in particular through the guide laser body, the
  • active elements for refractive index control or refractive index adjustment can be integrated or formed in the common waveguide layer. Through the active elements, the phase relationship of the individual laser bodies with one another and thus the
  • Decoupling direction can be controlled specifically.
  • the laser arrangement has a first electrode and a second electrode.
  • the laser bodies are in the vertical direction between the first electrode and the second
  • the first electrode and the second electrode are set up in particular for electrical contacting of the laser body and / or the common waveguide layer.
  • the first electrode can have a plurality of contact layers, in particular one that can be contacted individually
  • the contact layers of the first electrode can each be connected individually to an external voltage source.
  • the second electrode can be made coherent and can serve as a common electrode. Alternatively, it is possible for the second electrode to have a plurality of individually contactable contact layers, which are used for electrical contacting of the laser body and / or for local electrical contacting of the common one
  • Waveguide layer are set up.
  • the laser arrangement can have a third electrode, which is set up in particular for electrical contacting of the common waveguide layer.
  • the second electrode may be arranged between the first electrode and the third electrode in the vertical direction.
  • the third electrode is continuous.
  • the common waveguide layer can be electrically contacted locally in a targeted manner via the third electrode and the second electrode, which in particular has a plurality of laterally spaced contact layers.
  • the third electrode and the second electrode are for electrical contacting of the active elements integrated or formed in the common waveguide layer
  • the first electrode and the third electrode are assigned to a first electrical polarity of the laser arrangement.
  • the second electrode is in particular assigned to a second electrical polarity that differs from the first electrical polarity.
  • the first electrode and the second electrode are set up in particular for electrical contacting of the laser bodies.
  • the second electrode and the third electrode are set up, for example, to make electrical contact with the common waveguide layer.
  • the second electrode is thus a common electrode that is used both for electrical contacting of the laser body as well as electrical contacting of the common
  • Waveguide layer is set up.
  • the common waveguide layer has at least one
  • Radiation-opaque layer can be a
  • common waveguide layer are provided with the mirror layer or with the absorber layer.
  • a standing wave field can form in the common waveguide layer, which for a defined phase coupling of the laser bodies, in particular all
  • Laser body of the laser arrangement ensures. If the side surface of the waveguide layer is provided with an absorber layer, no standing wave field can form in the waveguide layer.
  • the phase coupling can be produced by a guide laser body which is mirrored in particular on the top, that is to say facing away from the waveguide layer.
  • a method for producing a laser arrangement in particular a laser arrangement described here, specified.
  • a waveguide layer is provided.
  • a coherent laser body composite can be formed directly on the common waveguide layer.
  • the coherent laser body assembly can be divided into a plurality of laterally spaced laser bodies on the common waveguide layer
  • Laser body composite are removed in such a way that
  • Extend laser body composite in particular up to the common waveguide layer or into the waveguide layer.
  • the laser bodies are designed in particular as local elevations on the common waveguide layer, the laser bodies being enclosed by the intermediate regions in lateral directions. It is possible that the intermediate areas are subsequently filled with an encapsulation material, in particular with an electrically insulating material.
  • a mechanical process for example by material removal, or a chemical process, for example, can be used to structure the laser body assembly into a plurality of laser bodies
  • Etching process, or a laser cutting process are used.
  • the method described here is particularly suitable for the production of a laser arrangement described here.
  • the features described in connection with the laser arrangement can therefore also be used for the method and vice versa.
  • FIGS 1A and 1B are schematic representations of the
  • Figures 2A and 2B are schematic representations of some
  • FIGS. 3A, 3B and 4 are schematic representations of further exemplary embodiments of a laser arrangement in sectional views and
  • Figure 5 shows a schematic representation of another
  • Exemplary embodiment of a laser arrangement in plan view Exemplary embodiment of a laser arrangement in plan view.
  • FIGS. 1A and 1B each show a structured far field in the form of a diffraction image of a one-dimensional one
  • Brightness distribution H is shown schematically as a function of the distribution angle W.
  • Figure 1B is the Brightness distribution in two dimensions schematically
  • the direction of radiation can also be controlled by electrical signals, as a result of which dynamic control of geometric patterns can be achieved.
  • FIG. 2A shows a laser arrangement 10 with a plurality of laser bodies 2, which are on a common waveguide layer
  • the laser bodies 2 are designed as local elevations on the common waveguide layer 1.
  • the laser bodies are in the lateral directions
  • Each of the laser bodies 2 is designed island-like and is in particular completely surrounded by the intermediate areas Z.
  • the intermediate areas Z can be filled with air or with a solid, in particular electrically insulating, material.
  • the laser body 2 and the common waveguide layer 1 can be made in one piece or monolithically.
  • the laser bodies 2 can each have a partial layer 24 directly adjacent to the common waveguide layer 1, which has the same material as the common waveguide layer 1 at least in a transition region between the partial layer 24 and the waveguide layer 1.
  • the sub-layers 24 of the laser body 2 and the common waveguide layer 1 can be formed from one piece. In particular, there are smooth transitions between the sub-layers 24 and the common one
  • Waveguide layer 1 For example, there is no clear one
  • the laser bodies 2 and the common waveguide layer 1 continue to be designed as one piece or monolithic if the laser bodies 2 are in particular applied directly to the common waveguide layer 1. It
  • connection layer in particular no adhesive layer, adhesive layer or solder layer, in the vertical direction between the laser bodies 2 and the waveguide layer 1.
  • connection layer in particular no adhesive layer, adhesive layer or solder layer
  • FIG. 2B in which the partial layer 24, which belongs to a mirror arrangement 72 , is formed directly on the waveguide layer 1.
  • the sub-layer 24 and the waveguide layer 1 can be combined in one
  • the laser bodies 2 each have a semiconductor body 2H.
  • the semiconductor body 2H has a first semiconductor layer 21 of a first charge carrier type, a second semiconductor layer 22 one of the first
  • the active zone 23 is more coherent, in particular for the generation
  • the active zone 23 is a pn transition zone.
  • Semiconductor layer 21 can be made n-type.
  • the second semiconductor layer can be made p-type.
  • the laser bodies 2 each have a first mirror arrangement 71 facing away from the waveguide layer 1 and a second mirror arrangement 72 facing the waveguide layer 1.
  • the first mirror arrangement 71 and the second mirror arrangement 72 form a laser resonator 7 of the
  • the mirror assemblies 71 and 72 can be
  • Bragg mirrors in particular electrically conductive Bragg mirrors, or Bragg mirrors made of semiconductor materials. It is possible that the semiconductor body 2H, the first
  • Mirror arrangement 71, the second mirror arrangement 72, the partial layer 24 and / or the waveguide layer 1 are based on the same semiconductor connection material.
  • the second mirror assembly 72 which is in the vertical
  • the direction between the active zone 23 and the common waveguide layer 1 is, in particular, partially radiation-permeable.
  • the second mirror arrangement 72 is for those in operation of the
  • Laser arrangement 10 in the active zone 23 generated radiation S at least partially transparent, so that the radiation S generated by the active zone 23 through the second mirror arrangement 72 into the common
  • Waveguide layer 1 can be coupled. It is possible for the second mirror arrangement 72 to have a lower reflectivity than the first mirror arrangement 71. Alternatively or in addition, it is possible for the second mirror arrangement 72 to have a reflectivity of at most 99%, 95%, for the radiation generated in the active zone 23. 90% or at most 80%, approximately between
  • the laser bodies 2 each have one
  • Radiation passage area 6 In particular, the radiation passage area 6 has an aperture 60.
  • Aperture 60 can be radiated through a
  • Contact layer 61 may be formed. For example, that is
  • Contact layer 61 made of a transparent electrical
  • the aperture 60 is in lateral directions from an insulation layer 8, in particular from a first insulation layer 81,
  • the radiation passage region 6 is located in particular on a front 10V of the laser arrangement 10 facing away from the waveguide layer 1.
  • the radiation S emitted by the semiconductor body 2H can be coupled out of the laser body 2 through the aperture 60.
  • the contact layers 61 of different laser bodies 2 are each assigned to one of the laser bodies 2 and can be electrically contacted independently of one another.
  • the contact layers 61 of the laser body 2 in particular form a first electrode 61 of the laser arrangement 10.
  • the insulation layer 8 in particular the first insulation layer 81, to be replaced by an electrically conductive layer.
  • the current can first be impressed over the entire surface of the laser body 2 and guided to the center through deeper layers.
  • the deeper layers can be oxidized
  • the laser arrangement 10 can have a second one
  • the second electrode 62 can be designed as a common electrode for all laser bodies 2.
  • the second electrode 62 is located on a rear side IR of the common waveguide layer 1 facing away from the laser bodies 2.
  • a front side IV of the waveguide layer 1 facing the laser bodies 2 can be free of
  • the waveguide layer 1 is partially covered by the front side IV of the laser bodies 2 and partially uncovered by the laser bodies 2.
  • the front side IV of the waveguide layer 1 can be freely accessible at the uncovered areas.
  • the laser arrangement 10 has IR on the rear
  • Coupling layer 3 has a plurality of coupling structures 30.
  • the coupling structures 30 are local
  • Coupling structures 30 can be radiation-reflecting
  • Coupling structures 30 can each have a
  • the cover layer 31 can be formed from a highly reflective material, such as aluminum, silver, palladium or platinum. If the coupling layer 3 is formed from an electrically conductive material, the coupling layer 3 can simultaneously serve as a contact layer, in particular as a second electrode 62 or third electrode 63 of the laser arrangement 10. Alternatively, it is possible that the cover layer 31 is not designed as an electrical contact layer.
  • the cover layer 31 is, in particular, an optically effective layer, which couples a part of the horizontally running mode into the laser body 2 or into the laser body 2.
  • the cover layer 31 and the waveguide layer 1 in particular have different refractive indices.
  • Waveguide layer 1 on.
  • Coupling structures 30 can cover layer 31 in the vertical direction between waveguide layer 1 and
  • associated coupling structure 30 may be arranged.
  • an electrical contact resistance between the waveguide layer 1 and the cover layer 31 can be lower than an electrical resistance between the waveguide layer 1 and the coupling layer 3. It can thereby be achieved that charge carriers preferentially enter the cover layer 31 into the
  • the laser bodies 2 can each cover at least one coupling structure 30, in particular completely
  • the coupling layer 3 does not have a coupling structure 30 that is not covered by one of the laser bodies 2 in a plan view. It is also possible that the Laser body 2 each cover a single coupling structure 30 in plan view.
  • the common waveguide layer 1 is designed as a single layer.
  • the common waveguide layer 1 has the same everywhere
  • the waveguide layer 1 is also designed as a single layer if it is designed as a layer sequence of several layers that have the same material composition.
  • the laser arrangement 10 has a common carrier 9.
  • the common waveguide layer 1 is located in particular in the vertical direction between the common carrier 9 and the laser bodies 2.
  • the common carrier 9 serves in particular as a mechanically stabilizing carrier layer of the laser arrangement 10.
  • the common carrier 9 can consist of an electrically insulating or of a
  • the laser arrangement 10 has a rear cover layer 90 which is arranged on a rear surface of the carrier 9.
  • the back cover layer 90 can be formed from an electrically insulating or from an electrically conductive material.
  • a rear side 10R of the laser arrangement is formed by the exposed surface of the rear cover layer 90.
  • the laser bodies 2 are arranged with respect to one another in such a way that they are phase-coupled to one another, for example meaningfully phase-coupled to one another.
  • Laser bodies 2 a multiple of the wavelength of the radiation S coupled into the waveguide layer 1. At one Side surface IS of the waveguide layer or on all
  • radiation-impermeable layer 4 may be arranged. If the radiation-impermeable layer 4 is designed to be electrically conductive, one can in the lateral direction
  • Insulation layer between the waveguide layer 1 and the layer 4 may be arranged.
  • Layer 4 can be a mirror layer 41 or a
  • Be absorber layer 42 If mirror layers 41 are arranged on two opposite side surfaces IS of the waveguide layer, a standing wave field can form in the common waveguide layer 1. By forming a standing wave field in the waveguide layer 1, a
  • Phase coupling of the laser body 2 can be set.
  • the coupling structure 30 is preferably arranged centrally below a laser body 2 belonging to it. If electromagnetic radiation S is generated in the active zone 23, this can be coupled into the waveguide layer 1 and deflected in the associated coupling structure in lateral directions.
  • the geometry of the coupling structure 30 can be selected in such a way that the coupled electromagnetic
  • Radiation S is deflected in a desired lateral direction.
  • the coupling structure 30 has the shape of a pyramid or the shape of a cone.
  • the coupling structure 30 has a lateral cross section, which increases with increasing vertical distance from the associated one
  • Laser body 2 increases.
  • the common waveguide layer 1 has an active region 13.
  • the common waveguide layer 1 has a first partial layer 11 facing the laser bodies 2 and a second partial layer 12 facing away from the laser bodies 2.
  • the first sub-layer 11 is the second
  • Waveguide layer 1 semiconductor layers The
  • the coupling structures 30 extend from the rear side IR of the waveguide layer 1 into the second sub-layer 12. In particular, the coupling structures 30 end in front of the active region 13.
  • Waveguide layer 1 in particular additionally as an optical amplifier.
  • the waveguide layer 1 has, in particular, a diode structure which, in particular, for generating or amplifying when the laser arrangement 10 is in operation
  • mirror layers 41 are arranged on both opposite side surfaces IS of the waveguide layer 1. If electromagnetic radiation from the laser bodies 2 is coupled into the waveguide layer 1, these are transmitted to the
  • Mirror layers 41 reflected out.
  • the electromagnetic radiation is on the mirror layers 41
  • Laser body 2 of the laser arrangement 10 provides.
  • the embodiment shown in Figure 3A is the embodiment shown in Figure 3A.
  • Laser arrangement 10 has an electrode 62, which in particular on the front side IV, in particular directly on the
  • the waveguide layer 1 is arranged.
  • the electrode arranged on the rear side IR of the waveguide layer 1 now serves as the third electrode 63
  • the first electrode 61 and the third electrode 63 are assigned in particular to the same electrical polarity of the laser arrangement 10.
  • the first electrode 61 and the third electrode 63 for the p-side contacting are the laser bodies 2 and / or
  • Waveguide layer 1 set up The second electrode 62 is set up, for example, to make electrical contact with the laser body 2 and the waveguide layer 1.
  • the second electrode 62 is thus designed as a common electrode of the laser body 2 and the waveguide layer 1.
  • the second electrode 62 is used for contacting the n side
  • Laser body 2 and the waveguide layer 1 Laser body 2 and the waveguide layer 1.
  • the second electrode 62 can be a continuous one
  • Free areas Z is arranged along lateral directions between the laser bodies 2. It is possible for the second electrode 62 to have a plurality of laterally spaced contact layers 62, the contact layers 62 being designed such that they can be contacted individually.
  • the standing wave field formed in the waveguide layer 1 can be electrically amplified by means of the second electrode 62. Alternatively or in addition, it is possible that the refractive index,
  • Waveguide layer 1 by targeted application of a electrical voltage at the second electrode 62, which in particular a plurality of individually contactable
  • Has contact layers 62 can be changed.
  • the laser bodies 2 each have a lateral passivation layer 82 or a second insulation layer 82.
  • the second insulation layers 82 are set up for electrical insulation of the contact layers of the second electrode 62.
  • the second insulation layer 82 can differ in terms of its material composition from the first insulation layer 81. However, it is possible that the first
  • Insulation layer 81 and the second insulation layer 82 are formed from the same material.
  • the insulation layers 81 and 82 can be in one
  • Waveguide layer 1 are integrated or formed. By integrating active elements 1A, especially for refractive index control or
  • the active elements 1A can be designed as Wannier-Stark modulators.
  • the active elements 1A serve in particular as a phase shifter in the coupling path.
  • active region 13 forms at least one
  • Quantum well layer or several quantum well layers of the active elements 1A can be individually controlled via the second electrode 62, which preferably has a plurality of individually controllable contact layers 62.
  • FIG. 3B shows
  • Layers 4 such as mirror layers 41 or absorber layers 42, are arranged on the side surfaces IS.
  • the laser arrangement 10 has at least one guide laser body 2L.
  • the guide laser body 2L has none on the front 10V of the laser arrangement 10
  • the guide laser body 2L is a top view of a first one
  • Electromagnetic radiation S is thus only coupled into the waveguide layer 1.
  • the coupling layer 3 has in particular one
  • the leading coupling structure 30L has a greater vertical height and a larger cross section.
  • the routing coupling structure 30L can pass through the second sub-layer 12 and the active region 13 of the waveguide layer 1
  • the guide coupling structure 30L is preferably set up in such a way that it does not deflect the injected radiation S in two opposite lateral directions but only in one lateral direction.
  • the lead structure 30L is not centrally below the
  • Guide laser body 2L arranged offset, so that the radiation generated by the guide laser body 2L selectively into a
  • Laser arrangement 10 shown has an absorber layer 42 on at least one side surface IS or on several
  • Absorber layer 42 does not reflect electromagnetic radiation, but absorbs it. There is therefore no
  • Decoupling direction or the radiation direction can be controlled.
  • the embodiment essentially corresponds to the embodiment shown in FIG. 4.
  • Waveguide layer 1 can have a first partial region IX and a second partial region 1Y.
  • first partial region IX and a second partial region 1Y.
  • the first partial region IX extends along a first lateral direction, approximately along the longitudinal lateral direction Direction.
  • the second partial area 1Y extends along a second lateral direction, approximately along the
  • the waveguide layer 1 has a plurality of first partial areas IX. There are several on the second subarea 1Y
  • Guide laser body 2L arranged, which in particular form a column of guide laser bodies 2L of the laser arrangement 10.
  • a plurality of laser bodies each having an aperture 60 are arranged on each of the first subareas IX.
  • the absorber layer 42 is arranged.
  • Diffraction pattern can be controlled independently in two lateral directions.
  • Laser arrangement can be the direction of radiation or the
  • Coupling direction of the laser arrangement can be controlled from a plurality of laser bodies by electrical signals, whereby a dynamic control of geometric patterns can be achieved.
  • the laser arrangement is a single semiconductor chip without optics with optional control of the periodicity of a pattern to be imaged and / or with optional control of its radiation direction

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Abstract

Es wird eine Laseranordnung (10) mit einer gemeinsamen Wellenleiterschicht (1) und einer Mehrzahl von Laserkörpern (2) angegeben, wobei die Laserkörper jeweils eine aktive Zone (23) aufweisen, die zur Erzeugung kohärenter elektromagnetischer Strahlung eingerichtet ist. Die Laserkörper sind nebeneinander auf der gemeinsamen Wellenleiterschicht angeordnet, wobei die Laserkörper unmittelbar an die gemeinsame Wellenleiterschicht angrenzen. Insbesondere sind die Laserkörper im Betrieb der Laseranordnung über die Wellenleiterschicht miteinander phasengekoppelt ausgeführt. Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung einer solchen phasengekoppelten Laseranordnung angegeben.

Description

Beschreibung
PHASENGEKOPPELTE LASERANORDNUNG UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER PHASENGEKOPPELTEN LASERANORDNUNG
Es wird eine Laseranordnung angegeben, die insbesondere phasengekoppelt ausgeführt ist. Des Weiteren wird ein
Verfahren zur Herstellung einer Laseranordnung, insbesondere einer phasengekoppelten Laseranordnung, angegeben.
Zur Erzeugung eines strukturierten Fernfeldes in Form eines Beugungsbildes wird in der Regel ein Emitterarray mit abbildender Optik verwendet. Die Verwendung mehrerer
Einzelemitter mit komplexer Optik ist meistens aufwändig und kostenintensiv. Zur Richtungsänderung des Beugungsbildes werden häufig bewegliche optische Elemente oder aufwändige Gehäuse eingesetzt.
Eine Aufgabe ist es, eine kompakte und vereinfacht
herstellbare Laseranordnung insbesondere zur Erzeugung eines strukturierten Fernfeldes eines Punktgitters anzugeben. Eine weitere Aufgabe ist es, ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung einer Laseranordnung, insbesondere einer hier beschriebenen Laseranordnung, anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch die Laseranordnung gemäß dem unabhängigen Anspruch sowie durch das Verfahren zur
Herstellung einer Laseranordnung gelöst. Weitere
Ausgestaltungen der Laseranordnung oder des Verfahrens zur Herstellung einer Laseranordnung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche . Es wird eine Laseranordnung mit einer gemeinsamen Wellenleiterschicht angegeben. Die Laseranordnung weist eine Mehrzahl von Laserkörpern auf, die auf der gemeinsamen
Wellenleiterschicht angeordnet sind. Insbesondere grenzen die Laserkörper unmittelbar an die Wellenleiterschicht an. Es ist möglich, dass die Laserkörper und die Wellenleiterschicht einstückig ausgeführt sind. Besonders bevorzugt sind die gemeinsame Wellenleiterschicht und die Laserköper oder zumindest Teile der Laserkörper und der gemeinsamen
Wellenleiterschicht aus einem Stück gebildet. In diesem Sinne ist die Laseranordnung mit der gemeinsamen
Wellenleiterschicht und der Mehrzahl von Laserkörpern
insbesondere monolithisch ausgeführt. Zum Beispiel gibt es einen fließenden Übergang zwischen der gemeinsamen
Wellenleiterschicht und den Laserkörpern.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laseranordnung weisen die Laserkörper jeweils eine aktive Zone auf, die insbesondere zur Erzeugung kohärenter elektromagnetischer Strahlung eingerichtet ist. Zum Beispiel ist die aktive Zone des jeweiligen Laserkörpers zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung im infraroten, sichtbaren oder im ultravioletten Spektralbereich vorgesehen. Die Laserkörper können auf einem III-V- oder auf einem II-VI-Verbindungshalbleitermaterial basieren. Zum Beispiel weisen die Laserkörper jeweils einen Halbleiterkörper mit der aktiven Zone auf, der auf einem solchen Verbindungshalbleitermaterial basiert. Die
Halbleiterkörper der Laserkörper können auf dem gleichen Verbindungshalbleitermaterial basieren .
Verschiedene Halbleiterschichten oder Körper basieren auf dem gleichen Verbindungshalbleitermaterial, wenn diese Schichten oder Körper zumindest ein gleiches Element, etwa aus der Hauptgruppe II oder III, und ein weiteres gleiches Element, etwa aus der Gruppe VI oder V, aufweisen. Neben den zwei gleichen Elementen können die Halbleiterschichten oder Körper zusätzliche Elemente insbesondere aus denselben Gruppen oder aus anderen Gruppen zur Bildung von binären, tertiären oder quaternären Verbindungen aufweisen. Zum Beispiel basieren die Schichten der Laserkörper und die Schichten der gemeinsamen Wellenleiterschicht auf einem Arsenid-, Nitrid-, Phosphid-, Sulfid-oder Selenid-Verbindungshalbleiter, etwa auf GaN-,
InP-, ZnS- oder ZnSe-Verbindungshalbleiter . Neben der aktiven Zone kann der Halbleiterkörper eine erste Halbleiterschicht und eine zweite Halbleiterschicht aufweisen, wobei die aktive Zone zwischen den Halbleiterschichten angeordnet ist.
Insbesondere ist die aktive Zone ein pn-Übergang des
Halbleiterkörpers oder des Laserkörpers.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laseranordnung sind die Laserkörper nebeneinander auf der gemeinsamen
Wellenleiterschicht angeordnet. In lateralen Richtung können die Laserkörper voneinander räumlich beabstandet sein. Zum Beispiel sind die Laserkörper auf der gemeinsamen
Wellenleiterschicht aufgewachsen, insbesondere epitaktisch aufgewachsen . Die Laserkörper können gleichartig aufgebaut sein. Im Rahmen der Herstellungstoleranzen können die
Laserkörper zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlungen gleicher Wellenlänge eingerichtet sein. Die Laserkörper sind insbesondere zur Erzeugung monomodiger Strahlung
eingerichtet .
Unter einer lateralen Richtung wird eine Richtung verstanden, die insbesondere parallel zu einer Haupterstreckungsfläche der gemeinsamen Wellenleiterschicht verläuft. Unter einer vertikalen Richtung wird eine Richtung verstanden, die insbesondere senkrecht zu der Haupterstreckungsfläche der gemeinsamen Wellenleiterschicht gerichtet ist. Die vertikale Richtung und die laterale Richtung sind insbesondere
orthogonal zueinander.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laseranordnung sind die Laserkörper im Betrieb der Laseranordnung über die gemeinsame Wellenleiterschicht miteinander phasengekoppelt ausgeführt. Sind die Laserkörper zueinander phasengekoppelt ausgeführt, weisen im Betrieb der Laseranordnung zumindest die Hauptmoden der von den Laserkörpern oder von den
Halbleiterkörpern emittierten Strahlungen eine konstante oder im Wesentlichen konstante Phasenbeziehung zueinander auf. Die Laserkörper können zueinander phasengekoppelt, insbesondere sinnvoll zueinander phasengekoppelt sein, wenn ein
vorgegebener lateraler Abstand zwischen benachbarten
Laserkörpern eingehalten wird. Der vorgegebene Abstand hängt insbesondere von der Peakwellenlänge der emittierten
elektromagnetischen Strahlung und von dem Brechungsindex der gemeinsamen Wellenleiterschicht ab. Es ist möglich, dass in der Wellenleiterschicht aktive Elemente integriert oder ausgebildet sind, die zur Änderung des Brechungsindexes, insbesondere zur Änderung des lokalen Brechungsindexes der gemeinsamen Wellenleiterschicht eingerichtet sind.
In mindestens einer Ausführungsform der Laseranordnung weist diese eine gemeinsame Wellenleiterschicht und eine Mehrzahl von Laserkörpern auf. Die Laserkörper weisen jeweils eine aktive Zone auf, die zur Erzeugung kohärenter
elektromagnetischer Strahlung eingerichtet ist. Die
Laserkörper sind nebeneinander auf der gemeinsamen
Wellenleiterschicht angeordnet. Besonders bevorzugt grenzen die Laserkörper unmittelbar an die gemeinsame Wellenleiterschicht an. Im Betrieb der Laseranordnung sind die Laserkörper insbesondere über die Wellenleiterschicht miteinander phasengekoppelt ausgeführt.
Besonders bevorzugt sind die Laserkörper und die gemeinsame Wellenleiterschicht monolithisch ausgeführt. Zum Beispiel weisen die Laserkörper jeweils die Form einer
oberflächenemittierenden Laserdiode, etwa die Form eines VCSELs (Englisch: vertical-cavity surface-emitting laser) auf. Die im Betrieb emittierte Strahlung tritt insbesondere senkrecht entlang einer vertikalen Richtung aus dem
entsprechenden Laserkörper heraus. Insbesondere weist die Laseranordnung eine Mehrzahl von Laserkörpern auf, die jeweils eine Apertur aufweisen, wobei die Apertur auf einer der gemeinsamen Wellenleiterschicht abgewandten Oberfläche des jeweiligen Laserkörpers ausgebildet ist. Bei einer
Apertur handelt es sich insbesondere um eine Austrittsöffnung der im Betrieb des Laserkörpers emittierten Strahlung.
Durch die einstückig oder monolithisch ausgeführte
Laseranordnung aus einer Mehrzahl von Laserkörpern und einer gemeinsamen Wellenleiterschicht, wobei die von den
Laserkörpern erzeugten elektromagnetischen Strahlungen zueinander phasengekoppelt sind, kann ein besonders kompaktes Bauelement angegeben werden, das zur Erzeugung eines
strukturierten Fernfeldes in Form eines Beugungsbildes eines eindimensionalen oder zweidimensionalen Punktgitters
besonders geeignet ist. Mit einem solchen monolithisch integrierten Bauelement kann darüber hinaus die
Abstrahlrichtung insbesondere durch elektrische Signale vereinfacht gesteuert werden. Zur Richtungsänderung werden in diesem Fall keine beweglichen optischen Elemente oder
aufwändige Gehäuse eingesetzt. Die Richtungsänderung oder die Einstellung der Abstrahlrichtung der Laseranordnung kann über gezielte Phasenkopplung der Laserkörper etwa durch lokale elektrische Ansteuerung und/oder durch lokale Anpassung des Brechungsindexes der gemeinsamen Wellenleiterschicht
erfolgen .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laseranordnung weisen die Laserkörper jeweils eine unmittelbar an die gemeinsame Wellenleiterschicht angrenzende Teilschicht auf. Die Teilschichten der Laserkörper und die gemeinsame
Wellenleiterschicht können aus demselben Material oder zumindest an einem Übergangsbereich aus demselben Material gebildet sein. Insbesondere gibt es einen fließenden
Übergangsbereich zwischen der gemeinsamen Wellenleiterschicht und den Teilschichten der Laserkörper. Zum Beispiel werden die Laserkörper, insbesondere die Teilschichten der
Laserkörper, unmittelbar auf die gemeinsame
Wellenleiterschicht aufgewachsen . Es ist möglich, dass die Teilschichten der Laserkörper ursprünglich Bestandteile der gemeinsamen Wellenleiterschicht sind, die erst im Laufe der Erzeugung der Laserkörper den Laserkörpern zugeordnet werden. Die Laserkörper sind insbesondere lokale vertikale Erhöhungen auf der gemeinsamen Wellenleiterschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laseranordnung weist diese einen gemeinsamen Träger auf, auf dem die
gemeinsame Wellenleiterschicht angeordnet ist. In vertikaler Richtung ist die gemeinsame Wellenleiterschicht insbesondere zwischen dem gemeinsamen Träger und den Laserkörpern
angeordnet. Bevorzugt ist die Laseranordnung von dem
gemeinsamen Träger mechanisch stabilisiert und somit von diesem mechanisch getragen. Insbesondere weist der gemeinsame Träger eine höhere mechanische Stabilität auf als die gemeinsame Wellenleiterschicht. Der gemeinsame Träger kann aus einem elektrisch isolierenden Material, aus einem
elektrisch leitfähigen Material oder aus einem
Halbleitermaterial gebildet sein. Zum Beispiel ist der gemeinsame Träger ein Keramikkörper, ein Halbleiterkörper oder ein Metallkörper. Insbesondere ist der gemeinsame Träger verschieden von einem Aufwachssubstrat, auf dem die
gemeinsame Wellenleiterschicht und/oder die Mehrzahl der Laserkörper epitaktisch aufgewachsen sind/ist. Es ist jedoch auch denkbar, dass der gemeinsame Träger ein Aufwachssubstrat ist, das zum Beispiel ein Saphirsubstrat oder ein
Halbleitersubstrat ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laseranordnung weist diese eine Koppelschicht mit einer Mehrzahl von
Koppelstrukturen auf. Die Koppelschicht ist insbesondere auf einer den Laserkörpern abgewandten Rückseite der gemeinsamen Wellenleiterschicht angeordnet. In Draufsicht auf die
gemeinsamen Wellenleiterschicht können die Koppelstrukturen von den Laserkörpern bedeckt, insbesondere vollständig bedeckt sein. Wird die von einem Laserkörper emittierte
Strahlung entlang der vertikalen Richtung in die gemeinsame Wellenleiterschicht eingekoppelt, kann die elektromagnetische Strahlung an den Koppelstrukturen in eine laterale Richtung umgelenkt werden. Durch die laterale Ausbreitung kann die elektromagnetische Strahlung dafür sorgen, dass eine
Phasenkopplung zwischen den Laserkörpern stattfindet. Zum Beispiel kann sich ein Stehwellenfeld in der gemeinsamen Wellenleiterschicht ausbilden, das für eine definierte
Phasenkopplung der Laserkörper, insbesondere aller
Laserkörper der Laseranordnung, sorgt. Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laseranordnung erstrecken sich die Koppelstrukturen in die gemeinsame
Wellenleiterschicht hinein. Insbesondere sind die
Koppelstrukturen für die im Betrieb der Laseranordnung von den Laserkörpern erzeugten elektromagnetischen Strahlungen reflektierend ausgeführt. Zum Beispiel sind die
Koppelstrukturen jeweils mit einer Reflexionsschicht versehen oder aus einem strahlungsreflektierenden Material gebildet.
Es ist möglich, dass die Koppelstrukturen im Hinblick auf die Materialzusammensetzung der gemeinsamen Wellenleiterschicht derart ausgebildet sind, dass Totalreflexionen an den
Koppelstrukturen stattfinden oder begünstigt werden. Die Koppelschicht kann aus einem elektrisch isolierenden Material oder aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet sein. Ist die Koppelschicht elektrisch leitfähig ausgeführt, kann die Koppelschicht als Kontaktschicht für die Laseranordnung, insbesondere für die gemeinsame Wellenleiterschicht oder für die Laserkörper, dienen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laseranordnung ist im Betrieb der Laseranordnung ein lateraler Abstand zwischen benachbarten Laserkörpern m-l/h, wobei m eine ganze
natürliche Zahl, l die Wellenlänge der in der gemeinsamen Wellenleiterschicht eingekoppelten Strahlung und n der
Brechungsindex der gemeinsamen Wellenleiterschicht ist. Mit anderen Worten ist der laterale Abstand zwischen den
benachbarten Laserkörpern ein Vielfaches der in der
gemeinsamen Wellenleiterschicht gemessenen Wellenlänge der in der Wellenleiterschicht eingekoppelten Strahlung. Der
laterale Abstand ist insbesondere die Weglänge oder der
Koppelweg zwischen den benachbarten Laserkörpern. Da m eine beliebige ganze Zahl ist, können die lateralen Abstände zwischen den verschiedenen benachbarten Laserkörpern gleich oder unterschiedlich sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laseranordnung sind elektrisch ansteuerbare aktive Elemente in der gemeinsamen Wellenleiterschicht integriert oder ausgebildet. Die aktiven Elemente sind bevorzugt zur lokalen Anpassung des
Brechungsindexes der gemeinsamen Wellenleiterschicht
eingerichtet. Dies kann zum Beispiel notwendig sein, falls durch Herstellungstoleranzen der Koppelweg oder die optische Weglänge kein Vielfaches der Wellenlänge ist. Das aktive Element kann in Form eines Wannier-Stark-Modulators in der Wellenleiterschicht integriert sein. Ein solcher Modulator kann aufgrund eines an die gemeinsame Wellenleiterschicht angelegten elektrischen Feldes eine Änderung des
Brechungsindexes, insbesondere eine Änderung des lokalen Brechungsindexes der gemeinsamen Wellenleiterschicht, bewirken. Auf diese Weise kann der Koppelweg oder die
optische Weglänge zwischen den benachbarten Laserkörpern während des Betriebes der Laseranordnung korrigiert werden. Die in der gemeinsamen Wellenleiterschicht integrierten bzw. ausgebildeten aktiven Elemente dienen somit der
Brechungsindexkontrolle oder der der Brechungsindexanpassung der gemeinsamen Wellenleiterschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laseranordnung weist die gemeinsame Wellenleiterschicht eine aktive Region auf, die sich insbesondere im Koppelweg der
Wellenleiterschicht befindet. Die gemeinsame
Wellenleiterschicht kann eine erste Teilschicht und eine zweite Teilschicht aufweisen, wobei die aktive Region in der vertikalen Richtung zwischen der ersten Teilschicht und der zweiten Teilschicht angeordnet ist. Zum Beispiel ist die aktive Region der gemeinsamen Wellenleiterschicht zur
Erzeugung elektromagnetischer Strahlung eingerichtet. Die Wellenleiterschicht mit der aktiven Region kann als optischer Verstärker dienen. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die aktive Region zur Anpassung des lokalen
Brechungsindexes der gemeinsamen Wellenleiterschicht
eingerichtet ist. Insbesondere bildet die aktive Region einen Teilbereich des aktiven Elements oder der in der gemeinsamen Wellenleiterschicht integrierten bzw. ausgebildeten aktiven Elemente .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laseranordnung ist die aktive Region der gemeinsamen Wellenleiterschicht als aktive QuantentopfSchicht eines Wannier-Stark-Modulators ausgeführt. Insbesondere bewirkt der Modulator im Betrieb der Laseranordnung aufgrund eines angelegten elektrischen Feldes eine Änderung des Brechungsindexes, insbesondere eine lokale Anpassung des Brechungsindexes der gemeinsamen
WellenleiterSchicht .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laseranordnung sind die Laserkörper zumindest in einer Reihe auf der gemeinsamen Wellenleiterschicht angeordnet. Die Laseranordnung kann eine Mehrzahl von Reihen und Spalten aus den Laserkörpern auf der gemeinsamen Wellenleiterschicht aufweisen. Zum Beispiel bilden die Laserkörper eine matrixartige Anordnung aus den Laserkörpern auf der gemeinsamen Wellenleiterschicht. Die Reihe oder die Spalte aus den Laserkörpern kann einen
randseitig angeordneten Laserkörper aufweisen, der
insbesondere als Leitlaserkörper eingerichtet ist. Zum
Beispiel ist der Leitlaserkörper derart eingerichtet, dass die von dem Leitlaserkörper emittierte elektromagnetische Strahlung ausschließlich in Richtung der gemeinsamen Wellenleiterschicht hin aus dem Leitlaserkörper ausgekoppelt werden kann. Die in die gemeinsame Wellenleiterschicht eingekoppelte Strahlung kann sich entlang der gemeinsamen Wellenleiterschicht ausbreiten und die anderen Laserkörper zur Emission von phasengekoppelten elektromagnetischen
Strahlungen anregen. Die anderen, insbesondere von dem
Leitlaserkörper angeregten Laserkörper können dabei sowohl elektrisch als auch optisch gepumpt sein, etwa durch die von dem Leitlaserkörper erzeugte Strahlung optisch gepumpt sein.
Der Leitlaserkörper kann auf seiner der gemeinsamen
Wellenleiterschicht abgewandten Oberfläche eine
strahlungsreflektierende Schicht aufweisen, die insbesondere den Leitlaserkörper vollständig bedeckt und somit eine
Auskopplung der Strahlung an dieser Oberfläche verhindert.
Die strahlungsreflektierende Schicht kann als
strahlungsundurchlässige Kontaktschicht des Leitlaserkörpers ausgeführt sein. Wird im Leitlaserkörper elektromagnetische Strahlung erzeugt, wird diese an der
strahlungsreflektierenden Schicht in Richtung der
Wellenleiterschicht hin zurückreflektiert und in die
gemeinsame Wellenleiterschicht eingekoppelt. Der randseitig angeordnete Leitlaserkörper kann somit die Phase der von den Laserkörpern derselben Reihe oder Spalte emittierten
Strahlungen vorgeben. Der Leitlaserkörper weist auf seiner der gemeinsamen Wellenleiterschicht abgewandten Oberfläche insbesondere keine strahlungsdurchlässige Apertur auf.
Abgesehen von dem Leitlaserkörper oder von den
Leitlaserkörpern können die übrigen Laserkörper auf ihren der gemeinsamen Wellenleiterschicht abgewandten Oberflächen jeweils eine strahlungsdurchlässige Apertur aufweisen. Die Laseranordnung kann eine Mehrzahl von Laserkörpern aufweisen, die mehrere Reihen und Spalten von Laserkörpern auf der gemeinsamen Wellenleiterschicht bilden, wobei die Laserkörper derselben Reihe oder Spalte höchstens bis auf einen randseitig angeordneten Laserkörper oder bis auf die randseitig angeordneten Laserkörper jeweils eine der
gemeinsamen Wellenleiterschicht abgewandte
strahlungsdurchlässige Apertur aufweisen. Die Phasenkopplung erfolgt insbesondere durch den Leitlaserkörper, der
insbesondere die Phase der emittierten Strahlung/en . Es ist möglich, dass in diesem Fall kein Stehwellenfeld in der gemeinsamen Wellenleiterschicht gebildet wird.
In allen Ausführungsbeispielen können aktive Elemente zur Brechungsindexkontrolle oder Brechungsindexanpassung in der gemeinsamen Wellenleiterschicht integriert bzw. ausgebildet sein. Durch die aktiven Elemente kann die Phasenbeziehung der einzelnen Laserkörper untereinander und damit die
Auskoppelrichtung gezielt gesteuert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laseranordnung weist diese eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode auf. Insbesondere sind die Laserkörper in der vertikalen Richtung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten
Elektrode angeordnet. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode sind insbesondere zur elektrischen Kontaktierung der Laserkörper und/oder der gemeinsamen Wellenleiterschicht eingerichtet. Die erste Elektrode kann eine Mehrzahl von insbesondere einzeln kontaktierbaren Kontaktschichten
aufweisen, die jeweils einem der Laserkörper zugeordnet sind. Die Kontaktschichten der ersten Elektrode können jeweils einzeln an einer externen Spannungsquelle angeschlossen werden. Die zweite Elektrode kann zusammenhängend ausgebildet sein und kann als gemeinsame Elektrode dienen. Alternativ ist es möglich, dass die zweite Elektrode eine Mehrzahl von individuell kontaktierbaren Kontaktschichten aufweisen, die zur elektrischen Kontaktierung der Laserkörper und/oder zur lokalen elektrischen Kontaktierung der gemeinsamen
Wellenleiterschicht eingerichtet sind.
Die Laseranordnung kann eine dritte Elektrode aufweisen, die insbesondere zur elektrischen Kontaktierung der gemeinsamen Wellenleiterschicht eingerichtet ist. Die zweite Elektrode kann in der vertikalen Richtung zwischen der ersten Elektrode und der dritten Elektrode angeordnet sein. Insbesondere ist die dritte Elektrode zusammenhängend ausgeführt. Über die dritte Elektrode und die zweite Elektrode, die insbesondere eine Mehrzahl von lateral beabstandeten Kontaktschichten aufweist, kann die gemeinsame Wellenleiterschicht lokal gezielt elektrisch kontaktiert werden. Zum Beispiel sind die dritte Elektrode und die zweite Elektrode zur elektrischen Kontaktierung der in der gemeinsamen Wellenleiterschicht integrierten bzw. ausgebildeten aktiven Elemente
eingerichtet .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laseranordnung sind die erste Elektrode und die dritte Elektrode einer ersten elektrischen Polarität der Laseranordnung zugeordnet. Die zweite Elektrode ist insbesondere einer von der ersten elektrischen Polarität verschiedenen zweiten elektrischen Polarität zugeordnet. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode sind insbesondere zur elektrischen Kontaktierung der Laserkörper eingerichtet. Die zweite Elektrode und die dritte Elektrode sind etwa zur elektrischen Kontaktierung der gemeinsamen Wellenleiterschicht eingerichtet. Die zweite Elektrode ist somit eine gemeinsame Elektrode, die sowohl zur elektrischen Kontaktierung der Laserkörper als auch zur elektrischen Kontaktierung der gemeinsamen
Wellenleiterschicht eingerichtet ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laseranordnung weist die gemeinsame Wellenleiterschicht zumindest eine
Seitenfläche auf, die insbesondere mit einer
strahlungsundurchlässigen Schicht versehen ist. Die
strahlungsundurchlässige Schicht kann eine
strahlungsreflektierende Spiegelschicht oder eine
strahlungsabsorbierende Absorberschicht sein. Es ist möglich, dass zumindest zwei gegenüberliegende oder aneinander
angrenzende Seitenflächen der Wellenleiterschicht mit der strahlungsreflektierenden Spiegelschicht oder mit der
strahlungsabsorbierenden Absorberschicht versehen sind. Des Weiteren ist es möglich, dass alle Seitenflächen der
gemeinsamen Wellenleiterschicht mit der Spiegelschicht oder mit der Absorberschicht versehen sind.
Sind zwei gegenüberliegende Seitenflächen oder alle
Seitenflächen der Wellenleiterschicht mit Spiegelschichten versehen, kann sich ein Stehwellenfeld in der gemeinsamen Wellenleiterschicht ausbilden, welches für eine definierte Phasenkopplung der Laserkörper, insbesondere aller
Laserkörper der Laseranordnung, sorgt. Ist die Seitenfläche der Wellenleiterschicht mit einer Absorberschicht versehen, kann sich kein Stehwellenfeld in der Wellenleiterschicht ausbilden. In diesem Fall kann die Phasenkopplung durch einen insbesondere oberseitig, das heißt der Wellenleiterschicht abgewandt, verspiegelten Leitlaserkörper hergestellt werden.
Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Laseranordnung, insbesondere einer hier beschriebenen Laseranordnung, angegeben. Es wird eine Wellenleiterschicht bereitgestellt. Ein zusammenhängender Laserkörperverbund kann unmittelbar auf der gemeinsamen Wellenleiterschicht gebildet werden. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt kann der zusammenhängende Laserkörperverbund in eine Mehrzahl von lateral beabstandeten Laserkörpern auf der gemeinsamen Wellenleiterschicht
strukturiert werden. Dabei kann ein Material des
Laserkörperverbunds derart abgetragen werden, dass
Zwischenbereiche gebildet werden, die sich durch den
Laserkörperverbund hindurch, insbesondere bis zur gemeinsamen Wellenleiterschicht oder in die Wellenleiterschicht hinein, erstrecken .
Die Laserkörper sind insbesondere als lokale Erhöhungen auf der gemeinsamen Wellenleiterschicht ausgeführt, wobei die Laserkörper in lateralen Richtungen von den Zwischenbereichen umschlossen sind. Es ist möglich, dass die Zwischenbereiche nachträglich mit einem Verkapselungsmaterial, insbesondere mit einem elektrisch isolierenden Material aufgefüllt werden. Zur Strukturierung des Laserkörperverbunds in eine Mehrzahl von Laserkörpern kann ein mechanischer Prozess, etwa durch Materialabtrag, oder ein chemischer Prozess, etwa ein
Ätzprozess, oder ein Lasertrennprozess Anwendung finden.
Das hier beschriebene Verfahren ist für die Herstellung einer hier beschriebenen Laseranordnung besonders geeignet. Die im Zusammenhang mit der Laseranordnung beschriebenen Merkmale können daher auch für das Verfahren herangezogen werden und umgekehrt .
Weitere Ausführungsformen und Weiterbildungen der
Laseranordnung oder des Verfahrens zur Herstellung der
Laseranordnung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren 1A bis 5 erläuterten
Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
Figuren 1A und 1B schematische Darstellungen der
Helligkeitsverteilung eines Beugungsbildes eines
eindimensionalen beziehungsweise zweidimensionalen
Punktgitters aus einer Mehrzahl von Laserkörpern im Fernfeld,
Figuren 2A und 2B schematische Darstellungen einiger
Ausführungsbeispiele einer Laseranordnung in
Schnittansichten,
Figuren 3A, 3B und 4 schematische Darstellungen weiterer Ausführungsbeispiele einer Laseranordnung in Schnittansichten und
Figur 5 schematische Darstellung eines weiteren
Ausführungsbeispiels für eine Laseranordnung in Draufsicht.
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren sind jeweils schematische Darstellungen und daher nicht unbedingt maßstabsgetreu. Vielmehr können vergleichsweise kleine Elemente und insbesondere Schichtdicken zur
Verdeutlichung übertrieben groß dargestellt werden.
Figuren 1A und 1B zeigen jeweils ein strukturiertes Fernfeld in Form eines Beugungsbildes eines eindimensionalen
beziehungsweise eines zweidimensionalen Punktgitters aus einer hier beschriebenen monolithisch integrierten
Laseranordnung. In der Figur 1A ist die normierte
Helligkeitsverteilung H als Funktion des Verteilungswinkels W schematisch dargestellt. In der Figur 1B ist die Helligkeitsverteilung in zwei Dimensionen schematisch
dargestellt. Insbesondere mit den in den Figuren 3A, 3B, 4 und 5 dargestellten Laseranordnungen kann darüber hinaus die Abstrahlrichtung durch elektrische Signale gesteuert werden, wodurch eine dynamische Steuerung von geometrischen Mustern erzielt werden kann.
Figur 2A zeigt eine Laseranordnung 10 mit einer Mehrzahl von Laserkörpern 2, die auf einer gemeinsamen Wellenleiterschicht
1 angeordnet sind. Insbesondere sind die Laserkörper 2 als lokale Erhebungen auf der gemeinsamen Wellenleiterschicht 1 ausgeführt. In den lateralen Richtungen sind die Laserkörper
2 durch Zwischenbereiche Z voneinander räumlich beabstandet. Jeder der Laserkörper 2 ist inselartig ausgeführt und ist insbesondere vollumfänglich von den Zwischenbereichen Z umschlossen. Die Zwischenbereiche Z können mit Luft oder mit einem festen, insbesondere elektrisch isolierenden, Material gefüllt sein.
Die Laserkörper 2 und die gemeinsame Wellenleiterschicht 1 können einstückig beziehungsweise monolithisch ausgeführt sein. Die Laserkörper 2 können jeweils eine an die gemeinsame Wellenleiterschicht 1 unmittelbar angrenzende Teilschicht 24 aufweisen, die zumindest in einem Übergangsbereich zwischen der Teilschicht 24 und der Wellenleiterschicht 1 das gleiche Material wie die gemeinsame Wellenleiterschicht 1 aufweist. Zum Beispiel können die Teilschichten 24 der Laserkörper 2 und die gemeinsame Wellenleiterschicht 1 aus einem Stück gebildet sein. Insbesondere gibt es fließende Übergänge zwischen den Teilschichten 24 und der gemeinsamen
Wellenleiterschicht 1. Es gibt zum Beispiel keine klare
Grenzfläche, insbesondere keine klar nachweisbare Grenzfläche zwischen der gemeinsamen Wellenleiterschicht 1 und den Laserkörpern 2 oder zwischen der gemeinsamen
Wellenleiterschicht 1 und den Teilschichten 24 der
Laserkörper 2.
Die Laserkörper 2 und die gemeinsame Wellenleiterschicht 1 gelten weiterhin als einstückig oder monolithisch ausgeführt, wenn die Laserkörper 2 insbesondere unmittelbar auf die gemeinsame Wellenleiterschicht 1 aufgebracht sind. Es
befindet sich beispielsweise keine Verbindungsschicht, insbesondere keine Haftschicht, Klebeschicht oder Lotschicht, in der vertikalen Richtung zwischen den Laserkörpern 2 und der Wellenleiterschicht 1. Dies ist zum Beispiel in der Figur 2B schematisch dargestellt, in der die Teilschicht 24, die einer Spiegelanordnung 72 zugehörig ist, unmittelbar auf der Wellenleiterschicht 1 gebildet ist. In diesem Fall können die Teilschicht 24 und die Wellenleiterschicht 1 in einem
gemeinsamen Übergangsbereich unterschiedliche
Materialzusammensetzungen aufweisen .
Die Laserkörper 2 weisen jeweils einen Halbleiterkörper 2H auf. Insbesondere weist der Halbleiterkörper 2H eine erste Halbleiterschicht 21 eines ersten Ladungsträgertyps, eine zweite Halbleiterschicht 22 eines von dem ersten
Ladungsträgertyp verschiedenen zweiten Ladungsträgertyps und eine zwischen den Halbleiterschichten 21 und 22 angeordnete aktive Zone 23 auf. Im Betrieb der Laseranordnung 10 ist die aktive Zone 23 insbesondere zur Erzeugung kohärenter
elektromagnetischer Strahlung eingerichtet. Insbesondere ist die aktive Zone 23 eine pn-Übergangszone . Die erste
Halbleiterschicht 21 kann n-leitend ausgeführt sein. Die zweite Halbleiterschicht kann p-leitend ausgeführt sein. Es ist jedoch möglich, dass die erste Halbleiterschicht 21 p- leitend und die zweite Halbleiterschicht 22 n-leitend
ausgeführt sind. Die Laserkörper 2 weisen jeweils eine der Wellenleiterschicht 1 abgewandte erste Spiegelanordnung 71 und eine zweite der Wellenleiterschicht 1 zugewandte Spiegelanordnung 72 auf. Insbesondere bilden die erste Spiegelanordnung 71 und die zweite Spiegelanordnung 72 einen Laserresonator 7 des
Laserkörpers 2. Die Spiegelanordnungen 71 und 72 können
Bragg-Spiegel , insbesondere elektrisch leitfähige Bragg- Spiegel, oder Bragg-Spiegel aus Halbleitermaterialien, sein. Es ist möglich, dass der Halbleiterkörper 2H, die erste
Spiegelanordnung 71, die zweite Spiegelanordnung 72, die Teilschicht 24 und/oder die Wellenleiterschicht 1 auf dem gleichen Halbleiterverbindungsmaterial basieren.
Die zweite Spiegelanordnung 72, die in der vertikalen
Richtung zwischen der aktiven Zone 23 und der gemeinsamen Wellenleiterschicht 1 angeordnet ist, ist insbesondere teilweise strahlungsdurchlässig ausgebildet. Insbesondere ist die zweite Spiegelanordnung 72 für die im Betrieb der
Laseranordnung 10 in der aktiven Zone 23 erzeugte Strahlung S zumindest teilweise durchlässig ausgeführt, sodass die von der aktiven Zone 23 erzeugte Strahlung S durch die zweite Spiegelanordnung 72 hindurch in die gemeinsame
Wellenleiterschicht 1 eingekoppelt werden kann. Es ist möglich, dass die zweite Spiegelanordnung 72 eine geringere Reflektivität aufweist als die erste Spiegelanordnung 71. Alternativ oder ergänzend ist es möglich, dass die zweite Spiegelanordnung 72 für die in der aktiven Zone 23 erzeugte Strahlung eine Reflektivität von höchstens 99 %, 95 %, 90 % oder von höchstens 80 % aufweist, etwa zwischen
einschließlich 50 % und 99 % oder zwischen einschließlich 60 % und 95 % oder zwischen einschließlich 60 % und 80 %. Gemäß Figur 2A weisen die Laserkörper 2 jeweils einen
Strahlungsdurchtrittsbereich 6 auf. Insbesondere weist der Strahlungsdurchtrittsbereich 6 eine Apertur 60 auf. Die
Apertur 60 kann durch eine strahlungsdurchlässige
Kontaktschicht 61 gebildet sein. Zum Beispiel ist die
Kontaktschicht 61 aus einem transparenten elektrisch
leitfähigen Material, etwa aus einem transparenten elektrisch leitfähigen Oxid, gebildet. Insbesondere ist die Apertur 60 in lateralen Richtungen von einer Isolierungsschicht 8, insbesondere von einer ersten Isolierungsschicht 81,
vollumfänglich umgeben. Der Strahlungsdurchtrittsbereich 6 befindet sich insbesondere auf einer der Wellenleiterschicht 1 abgewandten Vorderseite 10V der Laseranordnung 10. Durch die Apertur 60 hindurch kann die von dem Halbleiterkörper 2H emittierte Strahlung S aus dem Laserkörper 2 ausgekoppelt werden. Die Kontaktschichten 61 verschiedener Laserkörper 2 sind jeweils einem der Laserkörper 2 zugeordnet und können unabhängig voneinander elektrisch kontaktiert werden. Die Kontaktschichten 61 der Laserkörper 2 bilden insbesondere eine erste Elektrode 61 der Laseranordnung 10.
Abweichend davon ist es möglich, dass die Isolierungsschicht 8, insbesondere die erste Isolierungsschicht 81, durch eine elektrisch leitfähige Schicht ersetzt wird. Der Strom kann in diesem Fall zunächst ganzflächig in den Laserkörper 2 eingeprägt und durch tieferliegende Schichten zur Mitte geführt. Die tieferliegenden Schichten können oxidierte
Schichten in Form einer Blende sein, die den Strompfad von außen einengen. Alternativ oder ergänzend können die
tieferliegenden Schichten dotierte, insbesondere hochdotierte Stromaufweitungsschichten oberhalb und/oder unterhalb der ersten Spiegelanordnung 71 sein. Gemäß Figur 2A kann die Laseranordnung 10 eine zweite
Elektrode 62 aufweisen. Die zweite Elektrode 62 kann als gemeinsame Elektrode für alle Laserkörper 2 ausgeführt sein. Insbesondere befindet sich die zweite Elektrode 62 auf einer den Laserkörpern 2 abgewandte Rückseite IR der gemeinsamen Wellenleiterschicht 1. Eine den Laserkörpern 2 zugewandte Vorderseite IV der Wellenleiterschicht 1 kann frei von
Kontaktschichten sein. In Draufsicht auf die
Wellenleiterschicht 1 ist die Vorderseite IV bereichsweise von den Laserkörpern 2 bedeckt und bereichsweise von den Laserkörpern 2 unbedeckt. An den unbedeckten Bereichen kann die Vorderseite IV der Wellenleiterschicht 1 frei zugänglich sein .
Die Laseranordnung 10 weist auf der Rückseite IR der
Wellenleiterschicht 1 eine Koppelschicht 3 auf. Die
Koppelschicht 3 weist eine Mehrzahl von Koppelstrukturen 30 auf. Insbesondere sind die Koppelstrukturen 30 lokale
vertikale Erhebungen der Koppelschicht 3, die sich in die gemeinsame Wellenleiterschicht 1 hinein erstrecken. Die
Koppelstrukturen 30 können strahlungsreflektierend
ausgebildet sein. Zur Erhöhung der Reflektivität der
Koppelstrukturen 30 können diese jeweils mit einer
strahlungsreflektierenden Deckschicht 31 versehen werden. Die Deckschicht 31 kann aus einem hochreflektierenden Material, etwa aus Aluminium, Silber, Palladium oder aus Platin, gebildet sein. Ist die Koppelschicht 3 aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet, kann die Koppelschicht 3 gleichzeitig als Kontaktschicht, insbesondere als zweite Elektrode 62 oder dritte Elektrode 63 der Laseranordnung 10, dienen . Alternativ ist es möglich, dass die Deckschicht 31 nicht als elektrische Kontaktschicht ausgeführt ist. Die Deckschicht 31 ist insbesondere eine optisch wirksame Schicht, die einen Teil der horizontal laufenden Mode in den Laserkörper 2 oder in die Laserkörper 2 einkoppelt. Die Deckschicht 31 und die Wellenleiterschicht 1 weisen insbesondere unterschiedliche Brechungsindizes auf.
Insbesondere grenzt die Koppelschicht 3 oder die zweite
Kontaktschicht 62 beziehungsweise die dritte Elektrode 63 zumindest bereichsweise unmittelbar an die
Wellenleiterschicht 1 an. In den Bereichen der
Koppelstrukturen 30 kann die Deckschicht 31 in der vertikalen Richtung zwischen der Wellenleiterschicht 1 und der
zugehörigen Koppelstruktur 30 angeordnet sein.
Ist die Deckschicht 31 als elektrische Kontaktschicht
ausgeführt, kann ein elektrischer Kontaktwiderstand zwischen der Wellenleiterschicht 1 und der Deckschicht 31 geringer als ein elektrischer Widerstand zwischen der Wellenleiterschicht 1 und der Koppelschicht 3. Dadurch kann erzielt werden, dass Ladungsträger bevorzugt über die Deckschicht 31 in die
Wellenleiterschicht 1 und somit zentral in die Laserkörper 2 eingeprägt werden. Es ist möglich, dass die Deckschicht 31 zur elektrischen Kontaktierung aktiver Elemente 1A ausgeführt sind, die zum Beispiel in der Wellenleiterschicht 1
integriert oder ausgebildet sind.
In Draufsicht können die Laserkörper 2 jeweils zumindest eine Koppelstruktur 30 bedecken, insbesondere vollständig
bedecken. Es ist möglich, dass die Koppelschicht 3 keine Koppelstruktur 30 aufweist, die in Draufsicht nicht von einem der Laserkörper 2 bedeckt ist. Auch ist es möglich, dass die Laserkörper 2 in Draufsicht jeweils eine einzige Koppelstruktur 30 bedecken.
Gemäß Figur 2A ist die gemeinsame Wellenleiterschicht 1 als einzige Schicht ausgeführt. Insbesondere weist die gemeinsame Wellenleiterschicht 1 überall die gleiche
Materialzusammensetzung auf. Die Wellenleiterschicht 1 ist weiterhin als einzige Schicht ausgeführt, wenn diese als Schichtenfolge mehrerer Schichten ausgeführt ist, die die gleiche Materialzusammensetzung aufweisen.
Gemäß Figur 2A weist die Laseranordnung 10 einen gemeinsamen Träger 9 auf. Die gemeinsame Wellenleiterschicht 1 befindet sich insbesondere in der vertikalen Richtung zwischen dem gemeinsamen Träger 9 und den Laserkörpern 2. Der gemeinsame Träger 9 dient insbesondere als mechanisch stabilisierende Trägerschicht der Laseranordnung 10. Der gemeinsame Träger 9 kann aus einem elektrisch isolierenden oder aus einem
elektrisch leitfähigen Material gebildet sein. Gemäß Figur 2A weist die Laseranordnung 10 eine rückseitige Deckschicht 90 auf, die auf einer rückseitigen Oberfläche des Trägers 9 angeordnet ist. Die rückseitige Deckschicht 90 kann aus einem elektrisch isolierenden oder aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet sein. In Anwesenheit der Deckschicht 90 ist eine Rückseite 10R der Laseranordnung durch freiliegende Oberfläche der rückseitigen Deckschicht 90 gebildet.
Gemäß Figur 2A sind die Laserkörper 2 derart zueinander angeordnet, dass sie zueinander phasengekoppelt ausgeführt, etwa sinnvoll zueinander phasengekoppelt sind. Zum Beispiel ist ein lateraler Abstand L zwischen zwei benachbarten
Laserkörpern 2 ein Vielfaches der Wellenlänge der in die Wellenleiterschicht 1 eingekoppelten Strahlung S. An einer Seitenfläche IS der Wellenleiterschicht oder an allen
Seitenflächen IS der Wellenleiterschicht kann eine
strahlungsundurchlässige Schicht 4 angeordnet sein. Ist die strahlungsundurchlässige Schicht 4 elektrisch leitfähig ausgebildet, kann in der lateralen Richtung eine
Isolierungsschicht zwischen der Wellenleiterschicht 1 und der Schicht 4 angeordnet sein. Die strahlungsundurchlässige
Schicht 4 kann eine Spiegelschicht 41 oder eine
Absorberschicht 42 sein. Sind Spiegelschichten 41 an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen IS der Wellenleiterschicht angeordnet, kann sich ein Stehwellenfeld in der gemeinsamen Wellenleiterschicht 1 ausbilden. Durch die Bildung eines Stehwellenfeldes in der Wellenleiterschicht 1 kann eine
Phasenkopplung der Laserkörper 2 eingestellt werden.
Bevorzugt ist die Koppelstruktur 30 mittig unterhalb eines ihr zugehörigen Laserkörpers 2 angeordnet. Wird in der aktiven Zone 23 elektromagnetische Strahlung S erzeugt, kann diese in die Wellenleiterschicht 1 eingekoppelt und an der zugehörigen Koppelstruktur in laterale Richtungen umgelenkt werden. Die Geometrie der Koppelstruktur 30 kann derart gewählt sein, dass die eingekoppelte elektromagnetische
Strahlung S in eine gewünschte laterale Richtung umgelenkt wird. Zum Beispiel weist die Koppelstruktur 30 die Form einer Pyramide oder die Form eines Kegels auf. Gemäß Figur 2A weist die Koppelstruktur 30 einen lateralen Querschnitt auf, der mit zunehmendem vertikalem Abstand zu dem zugehörigen
Laserkörper 2 zunimmt.
Das in der Figur 2B dargestellte Ausführungsbeispiel
entspricht im Wesentlichen dem in der Figur 2A dargestellten Ausführungsbeispiel für eine Laseranordnung 10. Im
Unterschied hierzu ist in der Figur 2B dargestellt, dass die gemeinsame Wellenleiterschicht 1 eine aktive Region 13 aufweist. Außerdem weist die gemeinsame Wellenleiterschicht 1 eine den Laserkörpern 2 zugewandte erste Teilschicht 11 und eine den Laserkörpern 2 abgewandte zweite Teilschicht 12 auf. Insbesondere sind die erste Teilschicht 11, die zweite
Teilschicht 12 und die aktive Region 13 der
Wellenleiterschicht 1 Halbleiterschichten. Die
Halbleiterschichten 11, 12 und/oder 13 können
unterschiedliche Materialzusammensetzungen aufweisen. Die Koppelstrukturen 30 erstrecken sich von der Rückseite IR der Wellenleiterschicht 1 in die zweite Teilschicht 12 hinein. Insbesondere enden die Koppelstrukturen 30 vor der aktiven Region 13.
Mit der aktiven Region 13 dient die gemeinsame
Wellenleiterschicht 1 insbesondere zusätzlich als optischer Verstärker. Mit der aktiven Region 13 und den Teilschichten 11 und 12 weist die Wellenleiterschicht 1 insbesondere eine Diodenstruktur auf, die im Betrieb der Laseranordnung 10 insbesondere zur Erzeugung oder zur Verstärkung
elektromagnetischer Strahlung eingerichtet ist. Gemäß Figur 2B sind Spiegelschichten 41 an beiden gegenüberliegenden Seitenflächen IS der Wellenleiterschicht 1 angeordnet. Werden elektromagnetische Strahlungen von den Laserkörpern 2 in die Wellenleiterschicht 1 eingekoppelt, werden diese an den
Koppelstrukturen 30 oder an den Deckschichten 31 zu den
Spiegelschichten 41 hin reflektiert. An den Spiegelschichten 41 werden die elektromagnetischen Strahlungen
zurückreflektiert, wodurch sich in der Wellenleiterschicht 1 ein Stehwellenfeld ausbildet, welches für eine definierte Phasenkopplung der Laserkörper 2, insbesondere aller
Laserkörper 2 der Laseranordnung 10 sorgt. Das in der Figur 3A dargestellte Ausführungsbeispiel
entspricht im Wesentlichen dem in der Figur 2B dargestellten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu weist die
Laseranordnung 10 eine Elektrode 62 auf, die insbesondere auf der Vorderseite IV, insbesondere unmittelbar auf der
Vorderseite IV, der Wellenleiterschicht 1 angeordnet ist. Die auf der Rückseite IR der Wellenleiterschicht 1 angeordnete Elektrode dient nun als dritte Elektrode 63 der
Laseranordnung 10. Die erste Elektrode 61 und die dritte Elektrode 63 sind insbesondere der gleichen elektrischen Polarität der Laseranordnung 10 zugeordnet. Zum Beispiel sind die erste Elektrode 61 und die dritte Elektrode 63 zur p- seitigen Kontaktierung der Laserkörper 2 und/oder der
Wellenleiterschicht 1 eingerichtet. Die zweite Elektrode 62 ist etwa zur elektrischen Kontaktierung der Laserkörper 2 und der Wellenleiterschicht 1 eingerichtet. Die zweite Elektrode 62 ist somit als gemeinsame Elektrode der Laserkörper 2 und der Wellenleiterschicht 1 ausgeführt. Zum Beispiel dient die zweite Elektrode 62 der n-seitigen Kontaktierung der
Laserkörper 2 und der Wellenleiterschicht 1.
Die zweite Elektrode 62 kann eine zusammenhängende
Kontaktschicht 62 aufweisen, die insbesondere in den
Freibereichen Z entlang lateraler Richtungen zwischen den Laserkörpern 2 angeordnet ist. Es ist möglich, dass die zweite Elektrode 62 eine Mehrzahl von lateral beabstandeten Kontaktschichten 62 aufweist, wobei die Kontaktschichten 62 einzeln kontaktierbar ausgeführt sind. Mittels der zweiten Elektrode 62 kann das in der Wellenleiterschicht 1 gebildete Stehwellenfeld elektrisch verstärkt werden. Alternativ oder ergänzend ist es möglich, dass der Brechungsindex,
insbesondere der lokale Brechungsindex, der
Wellenleiterschicht 1 durch gezieltes Anlegen einer elektrischen Spannung an der zweiten Elektrode 62, die insbesondere eine Mehrzahl von einzeln kontaktierbaren
Kontaktschichten 62 aufweist, verändert werden kann.
Als weiterer Unterschied zur Figur 2B weisen die Laserkörper 2 jeweils eine seitliche Passivierungsschicht 82 oder eine zweite Isolierungsschicht 82 auf. Insbesondere sind die zweiten Isolierungsschichten 82 zur elektrischen Isolierung der Kontaktschichten der zweiten Elektrode 62 eingerichtet. Die zweite Isolierungsschicht 82 kann sich bezüglich ihrer Materialzusammensetzung von der ersten Isolierungsschicht 81 unterscheiden. Es ist jedoch möglich, dass die erste
Isolierungsschicht 81 und die zweite Isolierungsschicht 82 aus dem gleichen Material gebildet sind. In diesem Fall können die Isolierungsschichten 81 und 82 in einem
gemeinsamen Prozess hergestellt werden.
Das in der Figur 3B dargestellte Ausführungsbeispiel
entspricht im Wesentlichen dem in der Figur 3A dargestellten Ausführungsbeispiel für eine Laseranordnung 10. Im
Unterschied hierzu ist in der Figur 3B schematisch
dargestellt, dass aktive Elemente 1A in der
Wellenleiterschicht 1 integriert beziehungsweise ausgebildet sind. Durch die Integration von aktiven Elementen 1A, insbesondere zur Brechungsindexkontrolle oder zur
Brechungsindexanpassung innerhalb der Wellenleiterschicht 1, kann die Phasenbeziehung der einzelnen Laserkörper 2
untereinander und damit die Auskoppelrichtung gesteuert werden. Die aktiven Elemente 1A können als Wannier-Stark- Modulatoren ausgeführt sein. Die aktiven Elemente 1A dienen insbesondere als Phasenschieber im Koppelweg. Die aktive Region 13 bildet zum Beispiel zumindest eine
QuantentopfSchicht oder mehrere Quantentopfschichten der aktiven Elemente 1A. Insbesondere über die zweite Elektrode 62, die bevorzugt eine Mehrzahl von individuell ansteuerbaren Kontaktschichten 62 aufweist, können die aktiven Elemente 1A individuell angesteuert werden.
Im Gegensatz zur Figur 3A sind in der Figur 3B
Spiegelschichten 41 dargestellt, die an den Seitenflächen IS der Wellenleiterschicht 1 angebracht sind. Abweichend von der Figur 3A ist es möglich, dass strahlungsundurchlässige
Schichten 4, etwa Spiegelschichten 41 oder Absorberschichten 42, an den Seitenflächen IS angeordnet sind.
Das in der Figur 4 dargestellte Ausführungsbeispiel
entspricht im Wesentlichen dem in der Figur 3B dargestellten Ausführungsbeispiel für eine Laseranordnung 10. Im
Unterschied hierzu weist die Laseranordnung 10 zumindest einen Leitlaserkörper 2L auf. Der Leitlaserkörper 2L weist an der Vorderseite 10V der Laseranordnung 10 keine
strahlungsdurchlässige Apertur 60 auf. Insbesondere ist der Leitlaserkörper 2L in Draufsicht von einer ersten
Kontaktschicht 61 bedeckt, etwa vollständig bedeckt, die insbesondere strahlungsundurchlässig ausgeführt ist. Die in der aktiven Zone 23 des Leitlaserkörpers 2L erzeugte
elektromagnetische Strahlung S wird somit ausschließlich in die Wellenleiterschicht 1 eingekoppelt.
Die Koppelschicht 3 weist insbesondere eine
Leitkoppelstruktur 30L auf, die in Draufsicht von dem
Leitlaserkörper 2L überdeckt, insbesondere vollständig überdeckt ist. Im Unterschied zu den anderen Koppelstrukturen 30 weist die Leitkoppelstruktur 30L eine größere vertikale Höhe und einen größeren Querschnitt auf. Insbesondere kann sich die Leitkoppelstruktur 30L durch die zweite Teilschicht 12 und die aktive Region 13 der Wellenleiterschicht 1
hindurch erstrecken. Bevorzugt ist die Leitkoppelstruktur 30L derart eingerichtet, dass diese die eingekoppelte Strahlung S nicht in zwei gegenüberliegende laterale Richtungen sondern lediglich in eine laterale Richtung umlenkt. Zum Beispiel ist die Leitkörperstruktur 30L nicht mittig unterhalb des
Leitlaserkörpers 2L, sondern zu einer Zentralachse des
Leitlaserkörpers 2L versetzt angeordnet, sodass die von dem Leitlaserkörper 2L erzeugte Strahlung gezielt in eine
laterale Richtung umgelenkt wird.
Im Unterschied zur Figur 3B weist die in der Figur 4
dargestellte Laseranordnung 10 eine Absorberschicht 42 an zumindest einer Seitenfläche IS oder an mehreren
Seitenflächen IS der Wellenleiterschicht 1 auf. An der
Absorberschicht 42 wird elektromagnetische Strahlung nicht reflektiert, sondern absorbiert. Es entsteht somit kein
Stehwellenfeld innerhalb der Wellenleiterschicht 1. Die
Phasenkopplung wird stattdessen durch den oberseitig
verspiegelten Leitlaserkörper 2L hergestellt. Durch die
Integration von aktiven Elementen 1A, insbesondere von
Wannier-Stark-Modulatoren, können die Phasenbeziehung der einzelnen Laserkörper 2 untereinander und damit die
Auskoppelrichtung oder die Abstrahlrichtung gesteuert werden.
In Figur 5 ist die Laseranordnung 10 in Draufsicht
dargestellt. Das in der Figur 5 dargestellte
Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem in der Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel. Die
Wellenleiterschicht 1 kann einen ersten Teilbereich IX und einen zweiten Teilbereich 1Y aufweisen. Zum Beispiel
erstreckt sich der erste Teilbereich IX entlang einer ersten lateralen Richtung, etwa entlang der longitudinalen lateralen Richtung. Der zweite Teilbereich 1Y erstreckt sich entlang einer zweiten lateralen Richtung, etwa entlang der
transversalen lateralen Richtung. Gemäß Figur 5 weist die Wellenleiterschicht 1 eine Mehrzahl von ersten Teilbereichen IX auf. Auf dem zweiten Teilbereich 1Y sind mehrere
Leitlaserkörper 2L angeordnet, die insbesondere eine Spalte aus Leitlaserkörpern 2L der Laseranordnung 10 bilden. Auf jedem der ersten Teilbereiche IX sind mehrere Laserkörper jeweils mit einer Apertur 60 angeordnet. An zwei
aneinanderreihenden Seitenflächen IS der Wellenleiterschicht 1 ist die Absorberschicht 42 angeordnet.
Das im Zusammenhang mit der Figur 4 erläuterte Konzept wird gemäß Figur 5 auf zwei Dimensionen umgesetzt. Die Umsetzung erfolgt insbesondere mit zwei unterschiedlich ansteuerbaren, bezüglich des Brechungsindexes veränderbaren Teilbereichen IX und 1Y. Dadurch kann die Abstrahlrichtung eines
Beugungsbildes unabhängig voneinander in zwei lateralen Richtungen gesteuert werden.
Durch die Verwendung einer phasengekoppelten, monolithisch integrierten und insbesondere monomodig ausgeführten
Laseranordnung kann die Abstrahlrichtung oder die
Auskoppelrichtung der Laseranordnung aus einer Mehrzahl von Laserkörpern durch elektrische Signale gesteuert werden, wodurch eine dynamische Steuerung von geometrischen Mustern erzielbar ist. Insbesondere ist die Laseranordnung als einzelner Halbleiterchip ohne Optik mit optionaler Steuerung der Periodizität eines abzubildenden Musters und/oder mit optionaler Steuerung seiner Abstrahlrichtung durch
elektrische Signale ohne Verwendung von beweglichen Teilen, etwa ohne Verwendung von beweglichen optischen Teilen. Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung DE 10 2018 123 320.5, deren
Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung der Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Die Erfindung umfasst vielmehr jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Ansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Ansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste
10 Laseranordnung
10V Vorderseite der Laseranordnung
10R Rückseite der Laseranordnung
1 gemeinsame Wellenleiterschicht
11 erste Teilschicht der Wellenleiterschicht
12 zweite Teilschicht der Wellenleiterschicht
13 aktive Region der Wellenleiterschicht
1A aktives Element
IV Vorderseite der Wellenleiterschicht
IR Rückseite der Wellenleiterschicht
IS Seitenfläche der Wellenleiterschicht
IX erster Teilbereich der Wellenleiterschicht 1Y zweiter Teilbereich der Wellenleiterschicht
2 Laserkörper
21 erste Halbleiterschicht
22 zweite Halbleiterschicht
23 aktive Zone
24 Teilschicht des Laserkörpers
2H Halbleiterkörper des Laserkörpers
2L Leitlaserkörper
3 Koppelschicht
30 Koppelstruktur
30L Leitkoppelstruktur
31 reflektierende Deckschicht
4 strahlungsundurchlässige Schicht
41 Spiegelschicht 42 Absorberschicht
6 Strahlungsdurchtrittsbereich
60 Apertur
61 erste Elektrode/ erste Kontaktschicht
62 zweite Elektrode/ zweite Kontaktschicht
63 dritte Elektrode/ dritte Kontaktschicht
7 Laserresonator
71 erste Spiegelanordnung
72 zweite Spiegelanordnung
8 Isolierungsschicht
81 erste Isolierungsschicht
82 zweite Isolierungsschicht/ Passivierungsschicht
9 gemeinsamer Träger
90 rückseitige Deckschicht
H Helligkeit
L lateraler Abstand zwischen benachbarten Laserkörpern
S Strahlung
W Winkel
Z Zwischenbereich

Claims

Patentansprüche
1. Laseranordnung (10) mit einer gemeinsamen
Wellenleiterschicht (1) und einer Mehrzahl von Laserkörpern (2 ) , wobei
- die Laserkörper jeweils eine aktive Zone (23) aufweisen, die zur Erzeugung kohärenter elektromagnetischer Strahlung eingerichtet ist,
- die Laserkörper nebeneinander auf der gemeinsamen
Wellenleiterschicht angeordnet sind,
- die Laserkörper unmittelbar an die gemeinsame
Wellenleiterschicht angrenzen, und
- die Laserkörper im Betrieb der Laseranordnung über die
Wellenleiterschicht miteinander phasengekoppelt ausgeführt sind .
2. Laseranordnung (10) nach dem vorherigen Anspruch,
bei der die Laserkörper (2) und die gemeinsame
Wellenleiterschicht (1) monolithisch ausgeführt sind.
3. Laseranordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Laserkörper (2) jeweils eine unmittelbar an die gemeinsame Wellenleiterschicht (1) angrenzende Teilschicht (24) aufweist, wobei die Teilschichten und die gemeinsame Wellenleiterschicht zumindest an ihrem Übergangsbereich aus demselben Material gebildet sind.
4. Laseranordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, die eine Koppelschicht (3) mit einer Mehrzahl von
Koppelstrukturen (30) aufweist, wobei die Koppelschicht auf einer den Laserkörpern (2) abgewandten Rückseite (IR) der gemeinsamen Wellenleiterschicht (1) angeordnet ist und die Koppelstrukturen in Draufsicht auf die gemeinsame Wellenleiterschicht von den Laserkörpern bedeckt sind.
5. Laseranordnung (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei der sich die Koppelstrukturen (30) in die gemeinsame Wellenleiterschicht (1) hinein erstrecken und für die im Betrieb der Laseranordnung von den Laserkörpern (2) erzeugten elektromagnetischen Strahlungen strahlungsreflektierend ausgeführt sind.
6. Laseranordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei im Betrieb der Laseranordnung ein lateraler Abstand (L) zwischen benachbarten Laserkörpern (2) m-l/h ist, wobei m eine ganze Zahl, l die Wellenlänge der in die gemeinsame Wellenleiterschicht (1) eingekoppelten Strahlung und n der Brechungsindex der gemeinsamen Wellenleiterschicht ist.
7. Laseranordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der elektrisch ansteuerbare aktive Elemente (1A) in der gemeinsamen Wellenleiterschicht (1) integriert oder
ausgebildet sind, wobei die aktiven Elemente zur lokalen Anpassung des Brechungsindexes der gemeinsamen
Wellenleiterschicht eingerichtet sind.
8. Laseranordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Wellenleiterschicht (1) eine erste Teilschicht (11), eine zweite Teilschicht (12) und eine dazwischen liegende aktive Region (13) aufweist, wobei sich die aktive Region im Koppelweg der Wellenleiterschicht befindet.
9. Laseranordnung (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei der die aktive Region (13) zur Erzeugung
elektromagnetischer Strahlung eingerichtet ist und die gemeinsame Wellenleiterschicht (1) zusätzlich als optischer Verstärker dient.
10. Laseranordnung (10) nach Anspruch 8,
bei der die gemeinsame Wellenleiterschicht (1) eine aktive Region (13) aufweist, wobei die aktive Region als aktive QuantentopfSchicht eines Wannier-Stark-Modulators ausgeführt ist, der im Betrieb der Laseranordnung aufgrund eines angelegten elektrischen Feldes eine Änderung des
Brechungsindexes der gemeinsamen Wellenleiterschicht (1) bewirkt .
11. Laseranordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Laserkörper (2) zumindest in einer Reihe auf der gemeinsamen Wellenleiterschicht (1) angeordnet sind, wobei die Reihe einen randseitig angeordneten Leitlaserkörper (2L) aufweist, der derart eingerichtet ist, dass die von dem
Leitlaserkörper emittierte elektromagnetische Strahlung (S) ausschließlich in Richtung der gemeinsamen
Wellenleiterschicht hin aus dem Leitlaserkörper ausgekoppelt ist, sich entlang der gemeinsamen Wellenleiterschicht
ausbreitet und die anderen Laserkörper (2) zur Emission von phasengekoppelten elektromagnetischen Strahlungen anregt.
12. Laseranordnung (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei der der randseitig angeordnete Leitlaserkörper (2L) die Phase der von den Laserkörpern (2) derselben Reihe oder Spalte emittierten Strahlungen vorgibt, wobei der
Leitlaserkörper auf seiner der gemeinsamen
Wellenleiterschicht (1) abgewandten Oberfläche frei von einer strahlungsdurchlässigen Apertur (60) ist.
13. Laseranordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Laserkörper (2) mehrere Reihen und Spalten von Laserkörpern auf der gemeinsamen Wellenleiterschicht (1) bilden, wobei die Laserkörper derselben Reihe oder Spalte höchstens bis auf einen randseitig angeordneten Laserkörper (2L) jeweils eine der gemeinsamen Wellenleiterschicht abgewandte strahlungsdurchlässige Apertur (60) aufweisen.
14. Laseranordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, die eine erste Elektrode (61), eine dritte Elektrode (63) und eine zwischen der ersten Elektrode und der dritten Elektrode angeordnete zweite Elektrode (62) aufweist, wobei
- die erste Elektrode und die dritte Elektrode einer ersten elektrischen Polarität der Laseranordnung zugeordnet sind,
- die zweite Elektrode einer von der ersten Polarität
verschiedenen zweiten elektrischen Polarität zugeordnet ist,
- die erste Elektrode und die zweite Elektrode zur
elektrischen Kontaktierung der Laserkörper (2)
eingerichtet sind, und
- die zweite Elektrode und die dritte Elektrode zur
elektrischen Kontaktierung der gemeinsamen
Wellenleiterschicht (1) eingerichtet sind.
15. Laseranordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die gemeinsame Wellenleiterschicht (1) zumindest eine Seitenfläche (IS) aufweist, die mit einer
strahlungsreflektierenden Spiegelschicht (41) versehen ist.
16. Laseranordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die gemeinsame Wellenleiterschicht (1) zumindest eine Seitenfläche (IS) aufweist, die mit einer
strahlungsabsorbierenden Absorberschicht (42) versehen ist.
17. Laseranordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, die einen gemeinsamen Träger (9) aufweist, wobei sich die gemeinsame Wellenleiterschicht (1) in vertikaler Richtung zwischen dem gemeinsamen Träger (9) und den Laserkörpern (2) befindet.
18. Verfahren zur Herstellung einer Laseranordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem
- die gemeinsame Wellenleiterschicht (1) bereitgestellt
wird,
- ein zusammenhängender Laserkörperverbund unmittelbar auf der gemeinsamen Wellenleiterschicht gebildet wird, und
- der zusammenhängende Laserkörperverbund in eine Mehrzahl von lateral beabstandeten Laserkörpern (2) auf der gemeinsamen Wellenleiterschicht strukturiert wird.
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