WO2020094473A1 - Laserdiode und verfahren zur erzeugung von laserstrahlung mindestens zweier frequenzen - Google Patents

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Jens Ebbecke
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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Definitions

  • the application relates to a laser diode which is suitable for generating laser radiation of at least two frequencies, and a method for generating laser radiation
  • Laser radiation of at least two different frequencies which is emitted by a single laser system, has a wide range of applications, for example in
  • Laser systems of this type which are suitable for generating laser radiation of two different frequencies are, however, generally comparatively complex and are therefore expensive
  • the invention is based on the object
  • Specify laser light source that is suitable for the simultaneous emission of laser radiation of two different frequencies and is comparatively simple and inexpensive to manufacture. Furthermore, a method for generating
  • Laser radiation can be specified with the laser diode.
  • the laser diode comprises a semiconductor body with a rib waveguide.
  • the semiconductor body has a semiconductor layer sequence, which in particular is an n-type semiconductor region, a p-type
  • the semiconductor region and the active layer can each comprise one or more semiconductor layers.
  • the p-type semiconductor region and the active layer can each comprise one or more semiconductor layers.
  • Semiconductor region contains one or more p-doped
  • Semiconductor layers and the n-doped semiconductor region one or more n-doped semiconductor layers. It is also possible for the p-type semiconductor region and / or the n-type semiconductor region to undode one or more
  • the active layer can be designed, for example, as a pn junction, as a double heterostructure, as a single quantum well structure or as a multiple quantum well structure.
  • Designation quantum well structure includes any
  • Quantum well structure no information about the dimensionality of the quantization. It includes quantum wells, quantum wires and quantum dots and any combination of these structures.
  • the semiconductor layer sequence can in particular be grown epitaxially on a substrate.
  • the n-type semiconductor region faces the substrate and the p-type semiconductor region faces away from the substrate.
  • the laser diode is in particular one
  • Edge emitter laser diode which has a laser resonator, the resonator axis of which runs parallel to the layer plane of the active layer.
  • the laser resonator is formed by two laser facets, which are side flanks of the semiconductor body. It is possible that at least one or both
  • the laser diode has a ridge waveguide, which is formed, for example, in the p-type semiconductor region.
  • the rib waveguide can be produced, for example, by an etching process in which the semiconductor body is from the surface
  • the rib waveguide is in particular formed by a web which extends in the direction of the
  • Resonator axis for example, can be between 1 ym and 10 ym.
  • Ribbed waveguide has a DFB structure (Distributed feedback, in German: distributed feedback) or a DBR structure (Distributed Bragg Reflection, in German: distributed Bragg reflection).
  • the laser diode is in particular a so-called DFB laser or DBR laser.
  • the DFB or DBR structure can be a structure which is generated on the surface of the rib waveguide, in particular at least in some areas periodically, by means of which a modulation of the refractive index of the semiconductor material is generated along the resonator axis.
  • the DFB or DBR structure is formed, for example, by a series of elevations and depressions along the resonator axis in the rib waveguide.
  • the piezoelectric element is suitable for exerting a mechanical force by applying an electrical voltage and in this way a mechanical voltage in the
  • the piezoelectric element is in particular a layer made of a piezoelectric material arranged between two electrodes.
  • Piezoelectric materials are characterized by the fact that an electrical voltage is generated by the action of pressure, and that conversely the application of an electrical voltage can cause deformation. This inverse
  • Laser diode used to exert a force on the rib waveguide by applying an electrical voltage, which leads to a mechanical tension in the rib waveguide.
  • the mechanical tension causes, in particular, the rib waveguide in the region of the piezoelectric
  • the laser diode described here makes the idea
  • the laser diode is thus particularly suitable for simultaneously emitting laser radiation of a first frequency and laser radiation of a second frequency different from the first frequency when an electrical voltage is applied to the piezoelectric element.
  • the ridge waveguide loses its double-talk
  • the laser diode can therefore be advantageous depending on the electrical voltage applied
  • the frequency difference between the first frequency and the second frequency can advantageously be varied by the amount of the electrical voltage that is applied to the piezoelectric element.
  • the frequency difference between the first frequency and the second frequency can advantageously be varied by the amount of the electrical voltage that is applied to the piezoelectric element.
  • the DC voltage can have a positive or negative sign.
  • the DC voltage points for example, an absolute value between 0.1 V and 300 V, preferably between 10 V and 100 V.
  • Frequency difference between the first frequency and the second frequency between 1 kHz and 1 THz, preferably in the range from 1 MHz to 1 GHz.
  • the achievable frequency difference depends in particular on the electrical voltage applied to the piezoelectric element, the material of the
  • Rib waveguide and it the size of the double-calculated area of the rib waveguide, which is defined by the size of the piezoelectric element.
  • Arsenic compound semiconductors based on an arsenide compound semiconductor” means that the semiconductor layer sequence, in particular the active layer, comprises an arsenide compound semiconductor material, preferably Al n Ga m Ini nm As, where 0 ⁇ n ⁇ 1, 0 ⁇ m ⁇
  • This material does not necessarily have to have a mathematically exact composition according to the above formula. Rather, it can have one or more dopants and additional constituents that form the
  • the laser diode can, for example, emit radiation in the red or infrared spectral range.
  • Semiconductor body has a different semiconductor material and / or emits in a different spectral range.
  • Nitride compound semiconductor material based and especially radiation in the ultraviolet, blue or green
  • the semiconductor body Emit spectral range. It is also possible for the semiconductor body to be, for example
  • a laser diode is used in the method
  • Ribbed waveguide a DFB or DBR structure in the
  • Ribbed waveguide and a piezoelectric element arranged on the ribbed waveguide.
  • an electrical voltage is applied to the piezoelectric element to generate a mechanical voltage in the ridge waveguide.
  • the mechanical tension causes the rib waveguide in particular gets a birefringent property. In this way it is achieved that the laser diode at the same time
  • Laser radiation of a first frequency and a second frequency different from the first frequency is emitted.
  • the laser radiation of the first frequency and the second frequency is emitted in particular simultaneously from a laser facet of the laser diode.
  • the laser radiation of two different frequencies is advantageously generated within the laser diode.
  • no optical structure outside the laser diode is required to generate the two different frequencies, as is the case, for example, in fiber-optic systems for generating different frequencies.
  • the laser diode is therefore particularly suitable for compact sensors in which laser radiation of two different frequencies is used.
  • the frequency difference between the first frequency and the second frequency can advantageously be regulated by the electrical voltage applied to the piezoelectric element.
  • the frequency difference is therefore
  • the electrical voltage is preferably a DC voltage with an absolute value in the range from 0.1 V to 10 V, particularly preferably from 10 V to 100 V.
  • Figure 1 shows a schematic perspective view of an embodiment of the laser diode.
  • the laser diode 10 shown schematically in FIG. 1 has a semiconductor body 1.
  • the semiconductor body 1 contains a semiconductor layer sequence, in particular an n-type semiconductor region, an active layer and a p-type
  • Semiconductor layer sequence on a p-contact and an n-contact The individual layers of the semiconductor layer sequence and their contacts are not shown here for the sake of simplicity.
  • the semiconductor layer sequence can be based, for example, on an arsenide compound semiconductor.
  • Rib waveguide 2 formed.
  • the rib waveguide 2 is formed by a web, which can be produced, for example, by an etching process in the p-type semiconductor region.
  • the rib waveguide 2 runs in the direction of
  • Laser facet 11 and a second laser facet 12 The length of the laser resonator, i.e. the distance between the first laser facet 11 and the second laser facet 12 is, for example, between 0.5 mm and 5 mm.
  • a DFB structure 3 is formed on the surface of the rib waveguide 2.
  • the DFB structure 3 is special is formed by a sequence of elevations and depressions in the ribbed waveguide 2 and can be produced, for example, by an etching process in the ribbed waveguide 2.
  • the elevations and depressions are formed in particular in the p-type semiconductor region of the laser diode 10.
  • the DFB structure is periodic, at least in certain areas. As can be seen in Figure 1, the periodicity
  • Top of the laser diode 10 can be an electrical
  • the electrical insulating layer and a p-contact can be arranged above, the electrical insulating layer having an opening on the top of the ribbed waveguide 2, so that the p-contact only contacts the top of the ribbed waveguide.
  • the electrically insulating layer and the p-contact are not shown in FIG. 1, so that the DFB structure 3 is visible.
  • the n-contact also not shown, can be arranged on a rear side of the laser diode 10.
  • the laser diode can have a DBR structure.
  • a piezoelectric element 4 is arranged on the rib waveguide 2 with the DFB structure 3 in the laser diode 10.
  • the piezoelectric element 4 covers only a part of the fin waveguide 2, which is preferably arranged in the vicinity of the second laser facet 12 provided for coupling out the radiation.
  • the piezoelectric element 4 can have an extension between 50 ⁇ m and 1 mm, preferably between 100 ⁇ m and 200 ⁇ m, in the longitudinal direction of the rib waveguide 2, for example. In the direction across
  • Rib wave width 2 covers the piezoelectric element 4, the rib waveguide 2, its side flanks and at least partly also the surface of the laser diode 10 next to the ridge waveguide 2.
  • the laser diode 10 is in the piezoelectric range
  • the p-contact of the laser diode 10 is preferably arranged only outside the piezoelectric element 4.
  • the area of the laser resonator, which is located below the piezoelectric element 4, is therefore not electrically pumped.
  • the piezoelectric element 4 has a first electrode 41, a second electrode 42 and one between the first
  • Electrode 41 and the second electrode 42 arranged layer 43 made of a piezoelectric material.
  • the layer 43 can in particular be a ceramic with piezoelectric
  • Layer 43 can have, for example, A1N, ZnO, PZT, LiNbCg, KNbCg or LiTaCg.
  • Voltage can be generated in the fin waveguide 2.
  • the mechanical tension generated in this way causes the ribbed waveguide 2 in the region of the
  • the piezoelectric element 4 gets a birefringent property.
  • the electrical voltage is, for example, a DC voltage with an absolute value in the range from 0.1 V to 300 V, particularly preferably in the range from 10 V to 100 V.
  • Characteristic of the rib waveguide 2 can be achieved that in the laser resonator between the first
  • the two laser modes differ from each other in their polarization and their frequency.
  • the laser diode 10 therefore emits from the second
  • Laser facet 12 which in the exemplary embodiment
  • Auskoppelfacette is simultaneously a first laser radiation 21 with a first frequency fi and a second
  • Laser radiation 22 with a second frequency f 2 The
  • the frequency difference Af between the first frequency fi and the second frequency f 2 can be between 1 kHz and 1 THz, preferably in the range from 1 MHz to 1 GHz.
  • An advantage of the laser diode 10 is in particular that the laser radiation 21, 22 of two different ones
  • Frequencies f lr f 2 are generated directly in the laser diode 10 without the need for additional optical elements outside the laser diode 10.
  • the laser diode 10 described herein therefore becomes a laser light source
  • a possible application of the laser diode 10 is therefore sensors that have a laser light source with two as the light source
  • the invention is not limited by the description based on the exemplary embodiments. Rather, it includes

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Abstract

Es wird eine Laserdiode (10) zur Erzeugung von Laserstrahlung (21, 22) mindestens zweier Frequenzen (f1, f2) beschrieben, umfassend einen Halbleiterkörper (1) mit einem Rippenwellenleiter (2), eine DFB-Struktur (3) oder DBR-Struktur in dem Rippenwellenleiter (2) und ein auf dem Rippenwellenleiter (2) angeordnetes piezoelektrisches Element (4) zur Erzeugung einer mechanischen Spannung in dem Rippenwellenleiter (2). Weiterhin wird ein Verfahren zur Erzeugung von Laserstrahlung (21, 22) mindestens zweier Frequenzen (f1, f2) mit der Laserdiode (10) beschrieben.

Description

Beschreibung
LASERDIODE UND VERFAHREN ZUR ERZEUGUNG VON LASERSTRAHLUNG MINDESTENS ZWEIER FREQUENZEN
Die Anmeldung betrifft eine Laserdiode, die zur Erzeugung von Laserstrahlung mindestens zweier Frequenzen geeignet ist, sowie ein Verfahren zur Erzeugung von Laserstrahlung
mindestens zweier Frequenzen mit der Laserdiode.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2018 127 760.1, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Laserstrahlung mindestens zweier verschiedener Frequenzen, die von einem einzigen Lasersystem emittiert wird, hat vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, zum Beispiel in
Sensoren, in Atomuhren oder in der Spektroskopie. Solche Lasersysteme, die zur Erzeugung von Laserstrahlung zweier verschiedener Frequenzen geeignet sind, sind allerdings in der Regel vergleichsweise aufwändig und deshalb zur
Verwendung in Massenprodukten nicht ohne weiteres geeignet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine
Laserlichtquelle anzugeben, die zur gleichzeitigen Emission von Laserstrahlung zweier verschiedener Frequenzen geeignet ist und vergleichsweise einfach und kostengünstig herstellbar ist. Weiterhin soll ein Verfahren zur Erzeugung von
Laserstrahlung mit der Laserdiode angegeben werden.
Diese Aufgaben werden durch eine Laserdiode und durch ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der
Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung umfasst die Laserdiode einen Halbleiterkörper mit einem Rippenwellenleiter. Der Halbleiterkörper weist eine Halbleiterschichtenfolge auf, die insbesondere einen n-Typ Halbleiterbereich, einen p-Typ
Halbleiterbereich sowie eine zwischen dem n-Typ
Halbleiterbereich und p-Typ Halbleiterbereich angeordnete aktive Schicht aufweist, die zur Emission von Laserstrahlung geeignet ist. Der p-Typ Halbleiterbereich, der n-Typ
Halbleiterbereich und die aktive Schicht können jeweils eine oder mehrere Halbleiterschichten umfassen. Der p-Typ
Halbleiterbereich enthält eine oder mehrere p-dotierte
Halbleiterschichten und der n-dotierte Halbleiterbereich eine oder mehrere n-dotierte Halbleiterschichten. Es ist auch möglich, dass der p-Typ Halbleiterbereich und/oder der n-Typ Halbleiterbereich eine oder mehrere undotierte
Halbleiterschichten enthalten.
Die aktive Schicht kann zum Beispiel als pn-Übergang, als Doppelheterostruktur, als Einfach-QuantentopfStruktur oder Mehrfach-QuantentopfStruktur ausgebildet sein. Die
Bezeichnung QuantentopfStruktur umfasst dabei jegliche
Struktur, bei der Ladungsträger durch Einschluss
(Confinement) eine Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren. Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung
QuantentopfStruktur keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen . Die Halbleiterschichtenfolge kann insbesondere epitaktisch auf einem Substrat aufgewachsen sein. Bei der Laserdiode ist beispielsweise der n-Typ Halbleiterbereich dem Substrat zugewandt und der p-Typ Halbleiterbereich vom Substrat abgewandt. Die Laserdiode ist insbesondere eine
Kantenemitter-Laserdiode, die einen Laserresonator aufweist, dessen Resonatorachse parallel zur Schichtebene der aktiven Schicht verläuft. Bei einer solchen Kantenemitter-Laserdiode wird der Laserresonator durch zwei Laserfacetten gebildet, bei denen es sich um Seitenflanken des Halbleiterkörpers handelt. Es ist möglich, dass zumindest eine oder beide
Seitenflanken des Halbleiterkörpers, welche die Laserfacetten ausbilden, mit einer reflexionserhöhenden Beschichtung versehen sind.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung weist die Laserdiode einen Rippenwellenleiter auf, der beispielsweise in dem p-Typ Halbleiterbereich ausgebildet ist. Der Rippenwellenleiter kann beispielsweise durch einen Ätzprozess erzeugt werden, bei dem der Halbleiterkörper von der Oberfläche her
insbesondere im Bereich des p-Typ Halbleiterbereichs zu einem Steg verengt wird. Der Rippenwellenleiter ist insbesondere durch einen Steg gebildet, der in der Richtung des
Laserresonators der Laserdiode verläuft. Die Breite des Rippenwellenleiters, d.h. die Ausdehnung senkrecht zur
Resonatorachse, kann beispielsweise zwischen 1 ym und 10 ym betragen .
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung weist der
Rippenwellenleiter eine DFB-Struktur (Distributed feedback, zu Deutsch: verteilte Rückkopplung) oder eine DBR-Struktur (Distributed Bragg Reflection, zu Deutsch: verteilte Bragg- Reflexion) auf. Die Laserdiode ist insbesondere ein sogenannter DFB-Laser oder DBR-Laser. Die DFB- oder DBR- Struktur kann eine an der Oberfläche des Rippenwellenleiters erzeugte, insbesondere zumindest bereichsweise periodische Struktur sein, durch die eine Modulation des Brechungsindex des Halbleitermaterials entlang der Resonatorachse erzeugt wird. Die DFB- oder DBR-Struktur ist beispielsweise durch eine Abfolge von Erhebungen und Vertiefungen entlang der Resonatorachse in dem Rippenwellenleiter gebildet.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung ist auf dem
Rippenwellenleiter ein piezoelektrisches Element angeordnet. Das piezoelektrische Element ist dazu geeignet, durch Anlegen einer elektrischen Spannung eine mechanische Kraft auszuüben und auf diese Weise eine mechanische Spannung in dem
Rippenwellenleiter zu erzeugen. Das piezoelektrische Element ist insbesondere eine zwischen zwei Elektroden angeordnete Schicht aus einem piezoelektrischen Material.
Piezoelektrische Materialien zeichnen sich dadurch aus, dass durch Druckeinwirkung eine elektrische Spannung erzeugt wird, und dass umgekehrt das Anlegen einer elektrischen Spannung eine Verformung bewirkt werden kann. Dieser inverse
piezoelektrische Effekt wird bei der hier beschriebenen
Laserdiode dazu ausgenutzt, durch Anlegen einer elektrischen Spannung eine Kraft auf den Rippenwellenleiter auszuüben, die zu einer mechanischen Spannung in dem Rippenwellenleiter führt. Die mechanische Spannung bewirkt insbesondere, dass der Rippenwellenleiter im Bereich des piezoelektrischen
Elements eine doppelbrechende Eigenschaft bekommt.
Die hierin beschriebene Laserdiode macht von der Idee
Gebrauch, dass die in dem Rippenwellenleiter durch das piezoelektrische Element erzeugte mechanische Spannung dazu führt, dass das Halbleitermaterial doppelbrechend wird. Mit anderen Worten wird der Brechungsindex in dem
Halbleitermaterial abhängig von der Polarisationsrichtung der Strahlung. Dies führt dazu, dass beim Betrieb der Laserdiode in dem Laserresonator zwei verschiedene Lasermoden mit unterschiedlicher Polarisationsrichtung entstehen, die zwei verschiedene Frequenzen aufweisen.
Die Laserdiode ist somit insbesondere dazu geeignet, beim Anlegen einer elektrischen Spannung an das piezoelektrische Element gleichzeitig Laserstrahlung einer ersten Frequenz und Laserstrahlung einer von der ersten Frequenz verschiedenen zweiten Frequenz zu emittieren. Beim Ausschalten der
elektrischen Spannung an dem piezoelektrischen Element verliert der Rippenwellenleiter seine doppelsprechende
Eigenschaft, so dass Laserstrahlung einer einzigen Frequenz emittiert wird. Die Laserdiode kann daher vorteilhaft in Abhängigkeit von der angelegten elektrischen Spannung
entweder Strahlung zweier Frequenzen oder Strahlung einer einzigen Frequenz emittieren.
Die Frequenzdifferenz zwischen der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz kann vorteilhaft durch den Betrag der elektrischen Spannung, die an das piezoelektrische Element angelegt wird, variiert werden. Insbesondere ist die
mechanische Spannung in den Rippenwellenleiter umso größer und somit seine doppelbrechende Eigenschaft umso stärker, je größer die elektrische Spannung an dem piezoelektrischen Element ist.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung ist die an das
piezoelektrische Element angelegte Spannung eine
Gleichspannung. Die Gleichspannung kann ein positives oder negatives Vorzeichen aufweisen. Die Gleichspannung weist beispielsweise einen Absolutwert zwischen 0,1 V und 300 V, bevorzugt zwischen 10 V und 100 V, auf.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung beträgt eine
Frequenzdifferenz zwischen der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz zwischen 1 kHz und 1 THz, vorzugsweise im Bereich von 1 MHz bis 1 GHz. Die erzielbare Frequenzdifferenz hängt insbesondere von der an das piezoelektrische Element angelegten elektrischen Spannung, dem Material des
piezoelektrische Elements, dem Halbleitermaterial des
Rippenwellenleiters sowie er der Größe des doppelberechnen Bereichs des Rippenwellenleiters, der durch die Größe des piezoelektrischen Elements definiert wird, ab.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung weist das
piezoelektrische Element A1N, ZnO, PZT (Blei-Zirkonat- Titanat) , LiNb03, KNb03 oder LiTa03 auf. Diese Materialien zeichnen sich durch ihre piezoelektrische Eigenschaft aus und sind gut dazu geeignet, eine mechanische Spannung in dem Rippenwellenleiter zu erzeugen.
Gemäß zumindest dann Ausgestaltung basiert der
Halbleiterkörper der Laserdiode auf einem
Arsenidverbindungshalbleiter . „Auf einem Arsenid- Verbindungshalbleiter basierend" bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die Halbleiterschichtenfolge, insbesondere die aktive Schicht, ein Arsenidverbindungshalbleitermaterial , vorzugsweise AlnGamIni-n-mAs umfasst, wobei 0 < n < 1, 0 < m <
1 und n + m < 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die
charakteristischen physikalischen Eigenschaften des AlnGamIni-n-mAs-Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In,
As) , auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können. Wenn der Halbleiterkörper auf einem Arsenidverbindungshalbleitermaterial basiert, kann die Laserdiode beispielsweise Strahlung im roten oder infraroten Spektralbereich emittieren.
Alternativ ist es aber auch möglich, dass der
Halbleiterkörper ein anderes Halbleitermaterial aufweist und/oder in einem anderen Spektralbereich emittiert.
Beispielsweise kann der Halbleiterkörper auf einem
Nitridverbindungshalbleitermaterial basieren und insbesondere Strahlung im ultravioletten, blauen oder grünen
Spektralbereich emittieren. Es ist weiterhin möglich, dass der Halbleiterkörper beispielsweise ein
Phosphidverbindungshalbleitermaterial aufweist und sichtbare Strahlung im grünen, gelben oder roten Spektralbereich emittiert .
Es wird weiterhin ein Verfahren zur Erzeugung von
Laserstrahlung mindestens zweier Frequenzen mit der zuvor beschriebenen Laserdiode angegeben. Gemäß zumindest einer Ausgestaltung wird bei dem Verfahren eine Laserdiode
betrieben, die einen Halbleiterkörper mit einem
Rippenwellenleiter, einer DFB- oder DBR-Struktur in dem
Rippenwellenleiter und ein auf dem Rippenwellenleiter angeordnetes piezoelektrisches Element aufweist.
Bei dem Verfahren wird eine elektrische Spannung an das piezoelektrische Element zur Erzeugung einer mechanischen Spannung in dem Rippenwellenleiter angelegt. Die mechanische Spannung bewirkt insbesondere, dass der Rippenwellenleiter eine doppelbrechende Eigenschaft bekommt. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Laserdiode gleichzeitig
Laserstrahlung einer ersten Frequenz und einer von der ersten Frequenz verschiedenen zweiten Frequenz emittiert.
Bei dem Verfahren wird die Laserstrahlung der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz insbesondere gleichzeitig aus einer Laserfacette der Laserdiode emittiert. Die Laserstrahlung zweier verschiedener Frequenzen wird bei dem Verfahren vorteilhaft innerhalb der Laserdiode generiert. Zur Erzeugung der beiden verschiedenen Frequenzen ist insbesondere kein optischer Aufbau außerhalb der Laserdiode erforderlich, wie es beispielsweise bei faseroptischen Systemen zur Erzeugung verschiedener Frequenzen der Fall ist. Die Laserdiode ist daher insbesondere für kompakte Sensoren geeignet, in denen Laserstrahlung zweier verschiedener Frequenzen verwendet wird .
Bei dem Verfahren ist die Frequenzdifferenz zwischen der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz vorteilhaft durch die an das piezoelektrische Element angelegte elektrische Spannung regelbar. Die Frequenzdifferenz ist daher
vergleichsweise einfach einstellbar. Die elektrische Spannung ist vorzugsweise eine Gleichspannung mit einem Absolutwert im Bereich von 0,1 V bis 10 V, besonders bevorzugt von 10 V bis 100 V.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus der Beschreibung der Laserdiode und umgekehrt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines
Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Figur 1 näher erläutert . Figur 1 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Laserdiode.
Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen .
Die in Figur 1 schematisch dargestellte Laserdiode 10 weist einen Halbleiterkörper 1 auf. Der Halbleiterkörper 1 enthält eine Halbleiterschichtenfolge, die insbesondere einen n-Typ Halbleiterbereich, eine aktive Schicht und einen p-Typ
Halbleiterbereich aufweist. Weiterhin weist der
Halbleiterkörper 1 zur elektrischen Kontaktierung der
Halbleiterschichtenfolge einen p-Kontakt und einen n-Kontakt auf. Die einzelnen Schichten der Halbleiterschichtenfolge sowie deren Kontakte sind hier zur Vereinfachung nicht dargestellt. Die Halbleiterschichtenfolge kann beispielsweise auf einem Arsenidverbindungshalbleiter basieren.
An der Oberseite des Halbleiterkörpers 1 ist ein
Rippenwellenleiter 2 ausgebildet. Der Rippenwellenleiter 2 ist durch einen Steg gebildet, der beispielsweise durch einen Ätzprozess in den p-Typ Halbleiterbereich erzeugt sein kann. Der Rippenwellenleiter 2 verläuft in Richtung der
Resonatorachse der Laserdiode 10 zwischen einer ersten
Laserfacette 11 und einer zweiten Laserfacette 12. Der Länge des Laserresonators, d.h. der Abstand zwischen der ersten Laserfacette 11 und der zweiten Laserfacette 12, beträgt beispielsweise zwischen 0,5 mm und 5 mm.
An der Oberfläche des Rippenwellenleiters 2 ist eine DFB- Struktur 3 ausgebildet. Die DFB-Struktur 3 ist insbesondere durch eine Abfolge von Erhebungen und Vertiefungen in dem Rippenwellenleiter 2 gebildet und kann beispielsweise durch einen Ätzprozess in dem Rippenwellenleiter 2 erzeugt werden. Die Erhebungen und Vertiefungen sind insbesondere im p-Typ Halbleiterbereich der Laserdiode 10 ausgebildet. Die DFB- Struktur ist insbesondere zumindest bereichsweise periodisch. Wie in der Figur 1 zu sehen, kann die Periodizität
beispielsweise in der Mitte des Laserresonators unterbrochen sein, um dort einen Phasensprung zu erzeugen. Auf der
Oberseite der Laserdiode 10 können eine elektrisch
isolierende Schicht und darüber ein p-Kontakt angeordnet sein, wobei die elektrische isolierende Schicht eine Öffnung an der Oberseite des Rippenwellenleiters 2 aufweist, so dass der p-Kontakt nur die Oberseite des Rippenwellenleiters kontaktiert. Die elektrisch isolierende Schicht sowie der p- Kontakt sind in Fig. 1 nicht dargestellt, so dass die DFB- Struktur 3 sichtbar ist. Der ebenfalls nicht dargestellte n- Kontakt kann an einer Rückseite der Laserdiode 10 angeordnet sein. Alternativ zu einer DFB-Struktur 3 kann die Laserdiode eine DBR-Struktur aufweisen.
Auf dem Rippenwellenleiter 2 mit der DFB-Struktur 3 ist bei der Laserdiode 10 ein piezoelektrisches Element 4 angeordnet. Das piezoelektrische Element 4 bedeckt nur einen Teil des Rippenwellenleiters 2, der bevorzugt in der Nähe der zur Strahlungsauskopplung vorgesehenen zweiten Laserfacette 12 angeordnet ist. Das piezoelektrische Element 4 kann in der Längsrichtung des Rippenwellenleiters 2 beispielsweise eine Ausdehnung zwischen 50 ym und 1 mm, bevorzugt zwischen 100 ym und 200 ym, aufweisen. In der Richtung quer zum
Rippenwellenbreiter 2 bedeckt das piezoelektrische Element 4 den Rippenwellenleiter 2, dessen Seitenflanken und zumindest teilweise auch die Oberfläche der Laserdiode 10 neben dem Rippenwellenleiter 2.
Die Laserdiode 10 ist im Bereich des piezoelektrischen
Elements 4 vorzugsweise nicht elektrisch kontaktiert,
insbesondere ist der p-Kontakt der Laserdiode 10 vorzugsweise nur außerhalb des piezoelektrischen Elements 4 angeordnet.
Der Bereich des Laserresonators, der sich unterhalb des piezoelektrischen Elements 4 befindet, wird also nicht elektrisch gepumpt.
Das piezoelektrische Element 4 weist eine erste Elektrode 41, eine zweite Elektrode 42 und eine zwischen der ersten
Elektrode 41 und der zweiten Elektrode 42 angeordnete Schicht 43 aus einem piezoelektrischen Material auf. Die Schicht 43 kann insbesondere eine Keramik mit piezoelektrischen
Eigenschaften aufweisen. Die Schicht 43 kann beispielsweise A1N, ZnO, PZT, LiNbCg, KNbCg oder LiTaCg aufweisen. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden 41, 42 kann bei der Laserdiode 10 vorteilhaft eine mechanische
Spannung in dem Rippenwellenleiter 2 erzeugt werden. Durch die auf diese Weise erzeugte mechanische Spannung wird bewirkt, dass der Rippenwellenleiter 2 im Bereich des
piezoelektrischen Elements 4 eine doppelbrechende Eigenschaft bekommt. Die elektrische Spannung ist beispielsweise eine Gleichspannung mit einem Absolutwert im Bereich von 0,1 V bis 300 V, besonders bevorzugt im Bereich von 10 V bis 100 V.
Mittels der auf diese Weise erzeugten doppelbrechenden
Eigenschaft des Rippenwellenleiters 2 kann erreicht werden, dass sich in dem Laserresonator zwischen der ersten
Laserfacette 11 und der zweiten Laserfacette 12 zwei
Lasermoden mit zwei unterschiedlichen Frequenzen ausbreiten. Die beiden Lasermoden unterscheiden sich voneinander in ihrer Polarisation und ihrer Frequenz.
Die Laserdiode 10 emittiert daher aus der zweiten
Laserfacette 12, die bei dem Ausführungsbeispiel die
Auskoppelfacette ist, gleichzeitig eine erste Laserstrahlung 21 mit einer ersten Frequenz fi und eine zweite
Laserstrahlung 22 mit einer zweiten Frequenz f2. Die
Differenz zwischen der ersten Frequenz fi und der zweiten Frequenz f2 kann vorteilhaft durch die an die Elektroden 41,
42 angelegte elektrische Spannung gezielt eingestellt werden. Beispielsweise kann die Frequenzdifferenz Af zwischen der ersten Frequenz fi und der zweiten Frequenz f2 zwischen 1 kHz und 1 THz, vorzugsweise im Bereich von 1 MHz bis 1 GHz betragen .
Ein Vorteil der Laserdiode 10 besteht insbesondere darin, dass die Laserstrahlung 21, 22 zweier verschiedener
Frequenzen flr f2 unmittelbar in der Laserdiode 10 erzeugt wird, ohne dass dazu weitere optische Elemente außerhalb der Laserdiode 10 erforderlich sind. Mit der hierin beschriebenen Laserdiode 10 wird daher eine Laserlichtquelle
bereitgestellt, die insbesondere für Anwendungen geeignet ist, bei der Laserstrahlung zweier verschiedener Frequenzen in einem kompakten Aufbau eingesetzt werden soll. Eine mögliche Anwendung der Laserdiode 10 sind deshalb Sensoren, die als Lichtquelle eine Laserlichtquelle mit zwei
verschiedenen Frequenzen benötigen.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die
Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von
Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den
Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste
1 Halbleiterkörper
2 Rippenwellenleiter
3 DFB-Struktur
4 piezoelektrisches Element
10 Laserdiode
11 erste Laserfacette
12 zweite Laserfacette
21 erste Laserstrahlung
22 zweite Laserstrahlung
41 erste Elektrode
42 zweite Elektrode
43 Schicht aus piezoelektrischem Material fi erste Frequenz
f2 zweite Frequenz

Claims

Patentansprüche
1. Laserdiode (10) zur Erzeugung von Laserstrahlung (21,
22) mindestens zweier Frequenzen (fi, f2) ,
umfassend
- einen Halbleiterkörper (1) mit einem
Rippenwellenleiter (2),
- eine DFB-Struktur (3) oder DBR-Struktur in dem
Rippenwellenleiter (2), und
- ein auf dem Rippenwellenleiter (2) angeordnetes piezoelektrisches Element (4) zur Erzeugung einer mechanischen Spannung in dem Rippenwellenleiter (2).
2. Laserdiode nach Anspruch 1,
wobei die mechanische Spannung bewirkt, dass der
Rippenwellenleiter (2) im Bereich des piezoelektrischen Elements (4) eine doppelbrechende Eigenschaft bekommt.
3. Laserdiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Laserdiode (10) dazu geeignet ist, beim
Anlegen einer elektrischen Spannung an das
piezoelektrische Element (4) gleichzeitig eine erste Laserstrahlung (21) einer ersten Frequenz (fi) und eine zweite Laserstrahlung (22) mit einer von der ersten Frequenz (fi) verschiedenen zweiten Frequenz (f2) zu emittieren .
4. Laserdiode nach Anspruch 3,
wobei die elektrische Spannung eine Gleichspannung ist.
5. Laserdiode nach Anspruch 3 oder 4,
wobei der Absolutwert der elektrischen Spannung zwischen 0,1 V und 300 V beträgt.
6. Laserdiode nach Anspruch 5,
wobei der Absolutwert der elektrischen Spannung zwischen 10 V und 300 V beträgt.
7. Laserdiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei eine Frequenzdifferenz zwischen der ersten
Frequenz (fi) und der zweiten Frequenz (f2) zwischen 1 kHz und 1 THz beträgt.
8. Laserdiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das piezoelektrische Element (4) A1N, ZnO, PZT, LiNbCg, KNbCg oder LiTaCg aufweist.
9. Laserdiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Halbleiterkörper (1) auf einem
Arsenidverbindungshalbleiter basiert .
10. Verfahren zur Erzeugung von Laserstrahlung (21, 22)
mindestens zweier Frequenzen (fi, f2 mit einer Laserdiode (10), die einen Halbleiterkörper (1) mit einem
Rippenwellenleiter (2), eine DFB-Struktur (3) oder DBR- Struktur in dem Rippenwellenleiter (2) und ein auf dem Rippenwellenleiter (2) angeordnetes piezoelektrisches Element (4) aufweist,
wobei eine elektrische Spannung an das piezoelektrische Element (4) zur Erzeugung einer mechanischen Spannung in dem Rippenwellenleiter (2) angelegt wird, und wobei die Laserdiode (10) gleichzeitig eine erste Laserstrahlung (21) einer ersten Frequenz (fi) und eine zweite
Laserstrahlung (12) mit einer von der ersten Frequenz (fi) verschiedenen zweiten Frequenz (f2) emittiert.
11. Verfahren nach Anspruch 10,
wobei die erste Laserstrahlung (21) und die zweite Laserstrahlung (12) gleichzeitig aus einer Laserfacette (12) der Laserdiode (10) emittiert werden.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11,
wobei eine Frequenzdifferenz eine Frequenzdifferenz zwischen der ersten Frequenz (fi) und der zweiten
Frequenz (f2) durch die an das piezoelektrische Element (4) angelegte elektrische Spannung regelbar ist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12,
wobei die elektrische Spannung eine Gleichspannung mit einem Absolutwert zwischen 0,1 V und 300 V ist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13,
wobei die die mechanische Spannung bewirkt, dass der Rippenwellenleiter (2) im Bereich des piezoelektrischen Elements (4) eine doppelbrechende Eigenschaft bekommt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13,
wobei eine Frequenzdifferenz eine Frequenzdifferenz zwischen der ersten Frequenz (fi) und der zweiten
Frequenz (f2) zwischen 1 MHz und 1 THz beträgt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14,
wobei das piezoelektrische Element (4) A1N, ZnO, PZT, LiNbCt, KNbCt oder LiTaCt aufweist.
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