WO2021214174A1 - Halbleiterlaser und lidar-system sowie laser-system mit dem halbleiterlaser - Google Patents

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wavelength
reflectivity
semiconductor laser
laser
resonator mirror
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Peter Fuchs
Bruno JENTZSCH
Hubert Halbritter
Martin Rudolf Behringer
Alvaro Gomez-Iglesias
Christian Lauer
Dean Maximilian SCHOKE
Tomasz Swietlik
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities

Definitions

  • LIDAR systems are increasingly being used in vehicles, for example for autonomous driving. For example, they are used to measure distances or to recognize objects.
  • a narrow window for the wavelength used is usually very favorable, because in this case the sunlight can be effectively suppressed as an interference signal with a narrow-band filter. Since the emission wavelength of conventional edge-emitting semiconductor lasers changes by more than 0.2 nm / K, concepts are being investigated with which the wavelength hardly changes even with changing temperatures, i.e. with which increased temperature stability is guaranteed.
  • the present invention is based on the object of providing an improved semiconductor laser and an improved LIDAR system.
  • a semiconductor laser comprises a semiconductor layer arrangement which has an active zone for generating radiation.
  • the semiconductor laser also has a first th resonator mirror, a second resonator mirror and an optical resonator which is arranged between the first and the second resonator mirror and which extends in a direction parallel to a main surface of the semiconductor layer arrangement.
  • a reflectivity R1 of the first resonator mirror is wavelength-dependent, so that R1 or a product R of R1 and the reflectivity R2 of the second resonator mirror in a wavelength range from a target wavelength ⁇ 0 of the laser to ⁇ 0 + ⁇ of a value R0 decreases, where ⁇ is selected as a function of a temperature-dependent shift of an emission wavelength.
  • k can also be less than or equal to -0.2% or less than or equal to -0.5%.
  • ⁇ can be in a range greater than 5 nm.
  • ⁇ can be greater than 10 or greater than 30 nm.
  • ⁇ can be smaller than 100 nm, for example smaller than 80 nm.
  • R or R1 can rise to the value R0 at a wavelength smaller than ⁇ 0.
  • the second resonator mirror can also have a wavelength-dependent reflectivity which increases to a local maximum value for wavelengths smaller than ⁇ 0.
  • a sum of intrinsic losses of the semiconductor laser and the mirror losses caused by the first and the second resonator mirror for wavelengths ⁇ can increase in a range of ⁇ 0 ⁇ ⁇ 0 + ⁇ in the semiconductor laser.
  • the sum of the intrinsic losses of the semiconductor laser and the mirror losses can rise at least half as steeply as a curve that corresponds to the product of the confinement factor ⁇ ( ⁇ , T) and the wavelength-dependent gain g ( ⁇ , T).
  • the sum of the intrinsic losses of the semiconductor laser and the mirror losses can rise more steeply than a curve which corresponds to the product of the confinement factor ⁇ ( ⁇ , T) and the wavelength-dependent gain g ( ⁇ , T).
  • At least one of the following relationships can apply:
  • the first resonator mirror can be implemented as a Bragg mirror.
  • the sequence, composition and layer thickness of the respective layers are selected in such a way that a desired reflectivity is achieved.
  • the Bragg mirror can have epitaxially grown semiconductor layers, for example.
  • At least one of the semiconductor layers of the Bragg mirror can be suitable for absorbing electromagnetic radiation with a wavelength range that is smaller than ⁇ 0.
  • the reflectivity R1 of the first resonator mirror or the product R in a range of the target wavelength can be less than 8%.
  • the active zone exclusively has a single quantum well structure.
  • the active zone has a multiple quantum well structure with quantum wells that are detuned from one another.
  • a charge carrier density in the active zone at the laser threshold can increase by more than 25%.
  • the emission wavelength of the semiconductor laser decreases with the temperature at an ambient temperature greater than 100 ° C. or also at a temperature greater than 60 ° C.
  • the semiconductor layer arrangement of the semiconductor laser can have a multiplicity of laser elements which are arranged one above the other and are connected to one another via connecting layers.
  • lateral boundaries of the semiconductor layer arrangement are beveled so that generated electromagnetic radiation is emitted via a first main surface of the semiconductor layer arrangement.
  • a LIDAR system includes the semiconductor laser as described above.
  • FIG. 1A illustrates elements of an edge emitting semiconductor laser in accordance with embodiments.
  • 1B illustrates components of an edge emitting semiconductor laser in accordance with further embodiments.
  • 1C illustrates the structure of a semiconductor laser, in which emission takes place via a main surface, according to embodiments.
  • 1D illustrates the structure of a semiconductor laser in which an emission takes place via a main surface, according to further embodiments.
  • FIG. 2A illustrates a wavelength characteristic of a reflectivity of a resonator mirror according to embodiments.
  • 2B illustrates the wavelength characteristic of the reflectivity of a resonator mirror according to further embodiments.
  • 3A illustrates combined reflection properties of resonator mirrors according to further embodiments.
  • 3B illustrates reflection properties of a resonator mirror according to further embodiments.
  • 3C illustrates reflection properties of a resonator mirror according to further embodiments.
  • FIG. 3D shows the course of the emission wavelength as a function of the temperature in the case of semiconductor lasers according to embodiments.
  • 4A illustrates reflection properties of a resonator mirror according to further embodiments.
  • 4B shows a cross-sectional view of a semiconductor laser according to further embodiments.
  • 4C shows a cross-sectional view of a semiconductor laser according to further embodiments.
  • 5A illustrates reflection properties of a resonator mirror according to further embodiments.
  • 5B illustrates reflection properties of a resonator mirror according to further embodiments.
  • 5C illustrates combined reflection properties of resonator mirrors according to further embodiments.
  • 6A illustrates various properties of a first resonator mirror.
  • 6B illustrates the losses and gains of a laser at different temperatures when using a resonator mirror with an approximately constant reflectivity.
  • 6C illustrates the losses and gains of a laser at different temperatures when using a resonator mirror with a sharply falling reflectivity.
  • Figure 6D illustrates the losses and gains of a laser at various temperatures and currents.
  • Figure 6E illustrates the losses and gains of a laser at various temperatures and currents.
  • Figure 6F illustrates the losses and gains of a laser at various temperatures and currents.
  • 6G illustrates reflection properties of a resonator mirror according to further embodiments.
  • 6H illustrates reflection properties of a resonator mirror according to further embodiments.
  • 6I illustrates the combination of reflection properties of resonator mirrors according to further embodiments.
  • 6K illustrates the combination of reflection properties of resonator mirrors according to further embodiments.
  • FIG. 7A shows a cross-sectional view of a semiconductor laser in accordance with embodiments.
  • FIG. 7B shows the reflectivity of a second resonator mirror according to embodiments.
  • FIG. 7C shows the reflectivity of a first resonator mirror according to embodiments.
  • 7D shows the reflectivity of the first resonator mirror according to embodiments.
  • FIG. 8A illustrates a charge carrier density in the active zone at the lasing threshold for different semiconductor lasers according to embodiments.
  • 8B illustrates the optical gain for different semiconductor lasers according to embodiments.
  • 8C illustrates the differential gain for different semiconductor lasers according to embodiments.
  • 9A illustrates the course of the emission wavelength with the temperature for different semiconductor lasers according to embodiments.
  • 9B illustrates the course of the reflectivity with the temperature for different semiconductor lasers according to embodiments.
  • 9C illustrates the course of the power with the temperature for different semiconductor lasers according to embodiments.
  • 9D shows the differences in the temperature curves of the emission wavelength from different semiconductor lasers.
  • 9E shows the emission intensity for various semiconductor lasers as a function of the temperature.
  • Figure 9F shows a detail of an active zone.
  • FIG. 10A illustrates a lidar system in accordance with embodiments.
  • FIG. 10B illustrates a laser system in accordance with embodiments.
  • Wafer semiconductor-based structure that has a semiconductor surface.
  • Wafer and structure are to be understood as including doped and undoped semiconductors, epitaxial semiconductor layers, possibly supported by a base substrate, and further semiconductor structures.
  • a layer made of a first semiconductor material can be grown on a growth substrate made of a second semiconductor material, for example a GaAs substrate, a GaN substrate or a Si substrate or made of an insulating material, for example on a sapphire substrate.
  • the semiconductor can be based on a direct or an indirect semiconductor material.
  • semiconductor materials particularly suitable for generating electromagnetic radiation include in particular Nitride semiconductor compounds, which can be used to generate ultraviolet, blue or longer-wave light, such as GaN, InGaN, A1N, AlGaN, AlGalnN, Al-GalnBN, phosphide semiconductor compounds, which generate green or longer-wave light, for example can, such as GaAsP, AlGalnP, GaP, AlGaP, and other semiconductor materials such as GaAs, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, AlGaAsP, InGaAsP, SiC, ZnSe, ZnO, Ga 2 O 3 , diamond, hexagonal BN and combinations of the mentioned materials.
  • the stoichiometric ratio of the compound semiconductor materials can vary.
  • Other examples of semiconductor materials can include silicon, silicon germanium, and germanium. In the context of the present description, the term “semiconiton
  • substrate generally includes insulating, conductive or semiconductor substrates.
  • lateral and horizontal are intended to describe an orientation or alignment which runs essentially parallel to a first surface of a substrate or semiconductor body. This can be, for example, the surface of a wafer or a chip (die).
  • the horizontal direction can, for example, lie in a plane perpendicular to a direction of growth when layers are grown on.
  • vertical is intended to describe an orientation which is essentially perpendicular to the first surface of a substrate or semiconductor body.
  • the vertical direction can be for example correspond to a growth direction when growing layers.
  • the semiconductor laser 10 comprises a semiconductor layer arrangement 112.
  • the semiconductor layer arrangement 112 has an active zone 115 for generating radiation.
  • the semiconductor laser 10 furthermore has a first resonator mirror 125, a second resonator mirror 130 and a resonator 131 arranged between the first and the second resonator mirror 125, 130.
  • the resonator 131 extends in a direction parallel to a main surface 111 of the semiconductor layer arrangement 112.
  • the first resonator mirror 125 has a wavelength-dependent reflectivity. The wavelength-dependent reflectivity will be explained in more detail later.
  • the second resonator mirror 130 can, for example, have a lower reflectivity than the first resonator mirror 125.
  • the second resonator mirror 130 can likewise have a wavelength-dependent reflectivity.
  • the generated laser radiation 135 can be coupled out via the second resonator mirror 130.
  • the first resonator mirror 125 can have a lower reflectivity than the second resonator mirror 130.
  • the generated laser radiation 135 can also be coupled out via the first resonator mirror 125.
  • the semiconductor layer arrangement 112 comprises a first semiconductor layer 110 of a first conductivity type, for example of the p-type, and a second semiconductor layer 120 of a second conductivity type, for example of the n-type. Further semiconductor layers can be arranged between the substrate 100 and the first semiconductor layer 110. For example, additional electrical contact elements can be provided in order to apply an electrical voltage to the semiconductor laser. application. Furthermore, additional semiconductor layers and / or insulating layers can be arranged over the second semiconductor layer 120.
  • the substrate 100 can be insulating or comprise a semiconductor material.
  • the semiconductor layers can be grown epitaxially over the substrate 100, for example.
  • An active zone 115 can be arranged between first and second semiconductor layers 110, 120.
  • the active zone 115 can, for example, have a pn junction, a double heterostructure, a single quantum well structure (SQW, single quantum well) or a multiple quantum well structure (MQW, multi quantum well) for generating radiation.
  • Quantum well structure has no meaning here with regard to the dimensionality of the quantization. It thus includes, among other things, quantum wells, quantum wires and quantum dots as well as any combination of these layers.
  • the active zone 115 is provided by a layer or layer sequence, the main surface of which runs perpendicular to a direction in which the optical resonator 131 extends.
  • a semiconductor laser is generally referred to as an edge-emitting semiconductor laser.
  • each of the individual laser elements has a first semiconductor layer 110, a second semiconductor layer 120 and an active zone 115.
  • the first semiconductor layers can again each be of the first conductivity type, and the second semiconductor layers 120 are each of the second conductivity type.
  • the individual laser elements 127 1 , 127 2 and 127 3 are each connected to one another via connecting layers 128 1 , 128 2.
  • the connection layers 128 1 , 128 2 can each be tunnel junctions so that an electrical connection is made possible. It goes without saying that more than 3 laser elements 127 1 , 127 2 and 127 3 can also be stacked.
  • the term “tunnel junction” generally includes a sequence of very highly doped semiconductor layers of a first and a second conductivity type.
  • a first highly doped layer of the first conductivity type can be adjacent and in contact with the first semiconductor layer 110 of the first conductivity type of the laser element 127 1 , 127 2 , 127 3.
  • a second highly doped layer of the second conductivity type can be arranged adjacent to and in contact with the second semiconductor layer 120 of the second conductivity type of the laser element 127 1 , 127 2 be arranged 127. 3 can optionally additionally intermediate layers may be disposed between the highly doped layer.
  • the sequence of very highly doped layers of first and second conductivity type and optionally the intermediate layer constitute a tunnel-emitting diode. using these tunnel diodes, the respective laser elements 127 1 , 127 2 and 127 3 can be connected in series.
  • a first resonator mirror 125 and a second resonator mirror 130 are also provided here. Similar to FIG. 1A, the first resonator mirror 125 has a special wave-dependent reflectivity. The electromagnetic radiation 135 generated can be coupled out via the second resonator mirror 130. According to further embodiments, the second resonator mirror 130 can also have a greater reflectivity than the first resonator mirror. For example the generated electromagnetic radiation 135 can be coupled out via the first resonator mirror 125. According to further embodiments, the second resonator mirror 130 can additionally have a special wavelength-dependent reflectivity.
  • FIG. 1C shows a surface-emitting semiconductor laser with an optical resonator 131 running parallel to the main surface 111 according to embodiments.
  • the end faces of the semiconductor layer arrangement 112 are etched at an angle of 45 °.
  • a dielectric layer 138 can be applied adjacent to the obliquely etched side flanks.
  • a dielectric carrier substrate 100 can also directly adjoin the obliquely etched side flanks. Due to the difference in refractive index between the semiconductor material of the semiconductor layer arrangement 112 and the dielectric layer 138, total reflection takes place at the side flanks. As a result, the inclined flanks of the semiconductor layer arrangement 112 act as reflective side flanks 137.
  • a first and a second resonator mirror 125, 130 are each arranged above the first main surface 111 of the semiconductor layer arrangement 112.
  • the generated laser light is reflected by the first resonator mirror 125 and the second resonator mirror 130 into the semiconductor layer arrangement with the active zone 115.
  • FIG. 1C several laser elements 127 1 , 127 2 and 127 3 are stacked on top of one another and connected to one another via connecting layers 128 1 , 128 2 .
  • the connecting layers can in turn be tunnel junctions.
  • the carrier substrate 100 is structured in accordance with the shape of the semiconductor layer arrangement.
  • the second resonator mirror 130 has, for example, a lower reflectivity than the first resonator mirror 125.
  • electromagnetic radiation 135 generated is coupled out via the first main surface 111 at the position of the second resonator mirror 130.
  • the material of the first and second semiconductor layers 110, 120 and of the active zone can be based on the AlGaAs or GaAs material system and contain AlGaAs or GaAs semiconductor layers.
  • the connecting layers 128 1 , 128 2 can have a tunnel junction which contains highly doped AlGaAs: Te / C.
  • the tunnel junction can contain AlGaAs doped with tellurium or carbon or GaAs doped with tellurium or carbon.
  • the layer thickness of the tunnel junction can, for example, be less than ⁇ / 2, where ⁇ corresponds to the effective wavelength in the corresponding propagation medium.
  • the first resonator mirror 125 can also have a lower reflectivity than the second resonator mirror 130.
  • the generated electromagnetic radiation 135 can be emitted via the first main surface 111 at the position of the first resonator mirror 125.
  • Further components of the semiconductor laser in FIG. 1D are similar or identical to those which have been described with reference to FIG. 1C.
  • the semiconductor lasers described in the context of the present disclosure can generally be based on the AlGaAs, InAlGaAsP or InAlGaN material system, for example.
  • charge carrier pairs are injected into the active zone through the flow of electrical current.
  • the charge carrier density in the active zone increases and with it in turn the maximum of the spectrum of the optical amplification for the laser light circulating in the resonator of the laser diode.
  • the associated injection current is the threshold current.
  • the charge carrier density there remains approximately constant at a constant temperature of the active zone because of the strongly stimulated recombination.
  • the temperature of the laser diode increases when the ambient temperature rises and, because of the power loss of the laser, also when the current rises.
  • the optical gain usually decreases with the temperature, so that the laser threshold (threshold current, threshold carrier density) increases with increasing temperature.
  • the increase in temperature and the increased carrier density usually reduce the band gap of semiconductors, caused by the increased interaction of the charge carriers and the changed lattice constant of the semiconductor crystal.
  • the spectral position of the profit maximum and thus the emission wavelength shifts to longer wavelengths.
  • the material system is selected according to the emission wavelength to be achieved. Correspondingly, there is a connection between the shift in the emission wavelength with the temperature and the material system used. For emission wavelengths in a range from 900 to 1000 nm, this is approx. 0.25 to 0.32 nm / K.
  • the AlGalnAs material system is usually used for such emission wavelengths. For wavelengths around 400 nm, the degree of shift in the emission wavelength is 0.05 nm / K.
  • the InAlGaN material system is usually used for such emission wavelengths. For wavelengths around 1250 nm, the degree of shift in the emission wavelength is 0.5 nm / K.
  • the InAlGaAsP material system is usually used for this wavelength.
  • FIG. 2A schematically illustrates the wavelength-dependent reflectivity R1 of the first resonator mirror 125.
  • the reflectivity R1 falls in a wavelength range from a target wavelength ⁇ 0 to ⁇ 0 + ⁇ from a value R0.
  • ⁇ 0 denotes the target wavelength of the semiconductor laser
  • ⁇ is a measure of the variation of the wavelength over an observed temperature fluctuation.
  • the target wavelength of the semiconductor laser at the emission wavelength is T 1 , for example 20 ° C.
  • the semiconductor laser is in a temperature range from T 1 (20 ° C.) to T 2 , for example 60 ° C., laser light of constant wavelength emitted
  • ⁇ corresponds to 0 the wavelength at T 1 (20 ° C).
  • ⁇ corresponds to the difference between the emission wavelength at T 2 (60 ° C) and the emission wavelength at T 1 (20 ° C).
  • R1 ( ⁇ ) the reflectivity
  • k can be less than or equal to -0.2% or less than or equal to -0.5%.
  • the reflectivity for wavelengths smaller than ⁇ 0 can be approximately constant in a range in the vicinity of ⁇ 0.
  • the first resonator mirror can also have the reflectivity shown in FIG. 2B.
  • the wavelength-dependent reflectivity can first increase and then decrease again. More precisely, the wavelength-dependent reflectivity - unlike in FIG. 2A - is not constant up to the wavelength ⁇ 0 , but rather it initially increases up to a maximum value R0.
  • the wavelength ⁇ at which the reflectivity R1 has a local maximum value corresponds to the target wavelength ⁇ 0 of the laser. For a wavelength greater than ⁇ 0 , the reflectivity of the resonator mirror falls from its local maximum value R max .
  • the reflectivity of the resonator mirror it is not necessary for the reflectivity of the resonator mirror to decrease in a strictly monotonous manner.
  • the emission wavelength of a laser shifts with increasing temperature at a rate of 0.3 nm / K depending on the emission wavelength. This is illustrated in FIG. 2A with the arrow labeled v 0.
  • the target wavelength that is to say that wavelength, the wavelength to be reached by the laser, is denoted by ⁇ 0 in FIGS. 2A and 2B.
  • ⁇ 0 the wavelength at which the reflectivity R1 has a kink.
  • R0 can be greater than 10%.
  • R0 can be greater than 30 or 40%.
  • the reflectivity decreases at larger wavelengths
  • the corresponding mode is suppressed for electromagnetic radiation with larger wavelengths, so that the mode is most intensified at ⁇ 0. In this way, temperature stability of the laser can be ensured.
  • the reflectivity for wavelengths smaller than ⁇ 0 can increase with the wavelength.
  • that laser mode with maximum reflectivity is particularly preferred, so that the emission wavelength is stabilized. Due to the special characteristic which is shown in FIG. 2B, the emission wavelength can be stabilized in spite of the increasing temperature and temperature drift of the wavelength.
  • the reflectivity of the first mirror can decrease linearly with a certain steepness from its maximum value R0.
  • the reflectivity can also decrease non-linearly. This will be discussed in more detail in particular in FIGS. 3C and 3D. In this way, the reflectivity is limited, which increases the threshold for the generation of laser radiation at these wavelengths.
  • the reflectivity shown in FIGS. 2A and 2B can be the reflectivity of the first resonator mirror 125. According to further embodiments, the reflectivity shown in FIGS. 2A and 2B can also be the combined reflectivity and correspond to the product of the reflectivity R1 of the first resonator mirror 125 and the reflectivity R2 of the second resonator mirror 130.
  • FIG. 3A illustrates further embodiments in which, for example, the first resonator mirror has an increasing reflectivity R1 up to a first local maximum value and the second resonator mirror has an initially constant and later decreasing reflectivity.
  • the upper figure in the left part of FIG. 3A illustrates the course of the reflectivity R1 of the first resonator mirror 125 as a function of the wavelength.
  • the reflectivity initially increases so that the maximum has not yet been reached at ⁇ 3.
  • the maximum reflectivity is reached at ⁇ 4.
  • the reflectivity is constant for wavelengths greater than ⁇ 4.
  • FIG. 3A shows the course of the reflectivity R2 of the second resonator mirror as a function of the wavelength.
  • the reflectivity is initially constant and drops at a wavelength between ⁇ 3 and ⁇ 4 .
  • the reflectivity is designed in such a way that for both resonator mirrors the areas between ⁇ 3 and ⁇ 4 , in which the first and the second reflectivity each have a local maximum, overlap with one another.
  • the result for the overall system is the reflectivity shown in the right part of FIG. 3A.
  • the reflectivity R of the combination of the first and second resonator mirror is such that the maximum of the reflectivity R0 is present at the target wavelength ⁇ 0.
  • the wavelength of the semiconductor laser is stabilized in this way.
  • the reflectivity R of the combination of the first and second resonator mirror corresponds to the product of the reflectivity R 1 of the first resonator mirror 125 and the second reflectivity R of the second resonator mirror 130.
  • the first or the second resonator mirror 125, 130 can each be the decoupling mirror be.
  • FIG. 3B shows an example of a reflectivity of a first resonator mirror 125 in a semiconductor laser 10 according to further embodiments.
  • the reflectivity drops locally from a local maximum between 910 and 925 nm to a minimum between 940 and 950 nm.
  • the emission wavelength of the semiconductor laser is in the range between 910 and 925 nm stabilized.
  • the reflectivity in the area under consideration is less than 1%.
  • the first resonator mirror 125 represents the coupling-out mirror here. As also shown in FIG.
  • the reflectivity of the first resonator mirror is greater, for example, for 1000 nm or for 850 nm than in the wavelength range between 910 and 925 nm
  • the maximum gain in the observed temperature range is in the wavelength range between 900 and 950 nm, the greater reflectivity lying outside this wavelength range does not affect the emission wavelength of the semiconductor laser. The relationship between wavelength-dependent gain and reflectivity will be described in more detail later.
  • the reflection properties shown can be the reflectivity of the first resonator mirror or the combined reflectivity of both resonator mirrors within the resonator.
  • the reflectivity decreases in particular in a range from the target wavelength ⁇ 0 to a wavelength ⁇ 0 + ⁇ .
  • ⁇ depends on the material system used.
  • ⁇ can be 20 nm or 30 nm for the GaAs material system. As discussed earlier, it is not necessary that the reflectivity decrease strictly monotonically.
  • the gradient of a tangent in the range of the target wavelength i.e. dR / d ⁇ ( ⁇ 0 ) ⁇ -0.03 / nm
  • the gradient can therefore be greater than 3%.
  • the following can apply: dR / d ⁇ ( ⁇ 0 ) ⁇ -0.05 / nm or dR / d ⁇ ( ⁇ 0 ) ⁇ -0.07 / nm.
  • the gradient can therefore be greater than 5% or even greater than 7%.
  • the observed wavelength range around the target wavelength ⁇ 0 + ⁇ depends on the target wavelength. More precisely, can be used as a material parameter for each material system
  • the wavelength shift of the amplification as a function of the temperature can be used as a basis in order to obtain the maximum wavelength shift of the emission wavelength at an assumed temperature difference, for example 80 K. From this, ⁇ can then be determined.
  • a wavelength shift of around 0.3 nm / K is used as a basis for edge-emitting semiconductor lasers.
  • a temperature change of 80 K leads to a wavelength shift of 24 nm, so that ⁇ is in the range from 20 to 30 nm.
  • these laser diodes can be based on the AlGalnAs material system.
  • edge-emitting semiconductor lasers are based on a wavelength shift of 0.05 nm / K.
  • a temperature change of 80 K leads to a wavelength shift of 4 nm.
  • ⁇ can be in a range from 5 to 10 nm.
  • these laser diodes can be based on the InGaN material system.
  • a wavelength shift of 0.5 nm / K is used as a basis for edge-emitting semiconductor lasers.
  • a temperature shift of 80 K leads to a wavelength shift of 40 nm.
  • ⁇ can be in a range from 40 to 50 nm.
  • these laser diodes can be based on the InP material system.
  • the mirror with the wavelength-dependent reflectivity can be implemented by a Bragg mirror which has a multiplicity of thin dielectric or semiconductor layers.
  • the term “Bragg mirror” encompasses any arrangement that reflects incident electromagnetic radiation and has dielectric or semiconductor layers.
  • the Bragg mirror can be composed of dielectric or semiconductor layers. According to further embodiments, it can have additional metal layers -Mirrors can be formed by a sequence of very thin dielectric or semiconductor layers, each with different refractive indices. A mixture of dielectric and semiconductor layers is also possible.
  • the layers can alternately have a high refractive index (for example n> 1.7) and have a low refractive index (for example n ⁇ 1.7).
  • the layer thickness of a layer pair can be ⁇ / 4, where ⁇ indicates the wavelength of the light to be reflected in the respective medium first seen layer can be a gr have a larger layer thickness, for example 3 ⁇ / 4. Due to the small layer thickness and the difference in the respective refractive indices, the Bragg mirror provides a high, wavelength-dependent reflectivity.
  • a Bragg mirror can have 2 to 50 dielectric or semiconductor layers, for example.
  • a typical layer thickness of the individual layers can be around 30 to 90 nm, for example around 50 nm.
  • the layer stack can still have one or contain two or more layers that are thicker than about 180 nm, for example thicker than 200 nm.
  • the layers of the Bragg mirror can also be implemented by epitaxial semiconductor layers and optionally with additional metal layers.
  • Materials of the resonator mirror with wavelength-dependent reflectivity can contain, for example, A10, TaO, SiO, TiO, AlN, SiN, Si, NbO, ITO, ZnO, Ag and Al as well as InAlGaAsP, InAlGaN, ZnSe as semiconductor materials.
  • the sequence, composition and layer thickness of the respective layers are selected in such a way that a desired reflectivity is achieved.
  • the second resonator mirror 130 can also be implemented as a Bragg mirror.
  • the composition, sequence and layer thickness of the individual layers of the second resonator mirror can be selected in such a way that the second resonator mirror also has a wavelength-dependent reflectivity.
  • the composition, sequence and layer thickness of the individual layers of the second resonator mirror can also be selected such that the second resonator mirror does not have a wavelength-dependent reflectivity.
  • an improved temperature stability of the emission wavelength can be achieved through a special design of the reflectivity of the first and optionally the second resonator mirror. For example, it can make sense for the reflectivity to drop steeply in a certain wavelength range.
  • 4A shows a schematic illustration of the course of the combined reflectivity R, which can correspond to the product of the reflectivity of the first resonator mirror 125 and the second resonator mirror 130. Assuming that the reflectivity of the second resonator mirror is essentially constant, the combined reflectivity R can also correspond to the reflectivity of the first resonator mirror. As can be seen, the reflectivity increases sharply at wavelength ⁇ 5 and drops sharply at wavelength ⁇ 6 . The strong decrease in the reflectivity at wavelength ⁇ 6 can be caused, for example, by a corresponding design of the first resonator mirror as a Bragg mirror.
  • the first resonator mirror 125 can be designed as a Bragg mirror and have at least one epitaxially grown semiconductor layer.
  • This semiconductor layer can be suitable for absorbing electromagnetic radiation with a wavelength range which is smaller than the target wavelength ⁇ 0 of the semiconductor laser.
  • the semiconductor layer can thus be an absorbing layer 129. In this way, the steep flank of the reflectivity can be realized on the side of smaller wavelengths.
  • the generated electromagnetic radiation 135 is emitted via the first main surface 111 of the semiconductor layer arrangement.
  • the first resonator mirror 125 is designed as a Bragg mirror, the Bragg mirror containing at least one absorbing layer 129, which is an epitaxially grown semiconductor layer having.
  • the first resonator mirror 125 can contain a plurality of absorbing layers 129. These can contain the same or different semiconductor materials.
  • the second resonator mirror 130 can be constructed in the same way or differently.
  • the electromagnetic radiation 135 generated can be coupled out via the first or the second resonator mirror 125, 130.
  • the first and optionally the second resonator mirror 125, 130 can be designed as a Bragg mirror.
  • the first and optionally the second resonator mirror 125, 130 can additionally contain an absorbing layer 129 which has an epitaxially grown semiconductor layer.
  • the first resonator mirror 125 can contain a plurality of absorbing layers 129. These can contain the same or different semiconductor materials.
  • the second resonator mirror 130 can be constructed in the same way or differently.
  • the electromagnetic radiation 135 generated can be coupled out via the first or the second resonator mirror 125, 130.
  • the semiconductor material of the absorbing layer 129 can for example comprise a III-V semiconductor material, for example the AlGalnP or the AlInGaAs material system.
  • the band gap and thus the absorbed wavelength range can be adjusted by adjusting the composition ratio.
  • the absorbent layer 129 can also contain GaSb.
  • the absorbing layer can be designed as a quantum well layer, for example as a single or multiple quantum well layer.
  • the absorbent layer 129 also contain bulk semiconductor material.
  • every second layer of the Bragg mirror can contain a semiconductor material and be implemented as an absorbing layer 129.
  • that layer of the Bragg mirror that is arranged on the side of the semiconductor layer arrangement 112 can be an absorbing layer 129.
  • the semiconductor layer can be doped or undoped.
  • the Bragg mirror can contain both doped and undoped semiconductor layers.
  • the refractive index of the semiconductor layers can be changed further by doping the semiconductor layers, so that refractive index differences of the semiconductor layers can be adjusted in accordance with the properties of the Bragg mirror to be achieved.
  • a layer thickness of the absorbent layer may be about ⁇ 0/4 correspond, 0 wherein ⁇ of the target of the semiconductor laser may correspond to wavelength.
  • the layer thickness of the absorbing layer can be in a range from ( ⁇ 0 _ ⁇ ) / 4 to ( ⁇ 0 + ⁇ ) / 4, where ⁇ corresponds to the change in the emission wavelength in the temperature range under consideration can.
  • the first resonator mirror 125 can be designed as a Bragg mirror with the special reflection behavior without an absorbing layer 129.
  • the second resonator mirror 130 can be designed as a Bragg mirror and contain an absorbing layer 129. In this case, the effect can result that the second resonator mirror 130 also exhibits a wavelength-dependent reflectivity. Due to the presence of the absorbing layer 129, however, the non-reflected part of the radiation is absorbed by the second resonator mirror 130 and, for example, not in the housing of the semiconductor laser.
  • 5A shows an example of the reflectivity of a resonator mirror as a function of the wavelength.
  • the resonator mirror is designed as a Bragg mirror with 9 Bragg pairs and a dielectric material with a refractive index of 3.5 and 3.0 for adjacent layers.
  • FIG. 5B shows an example of the reflectivity of a resonator mirror which is designed as a Bragg mirror and has an absorbing layer 129 as described above. If the resonator mirror, the reflectivity of which is shown in FIG. 5A, is now combined in a semiconductor laser with the resonator mirror, the reflectivity of which is shown in FIG. 5B, the reflectivity shown in FIG. 5C results.
  • g (th) denotes the material gain at the laser threshold, ⁇ the confinement factor, ⁇ i the intrinsic losses and ⁇ m the mirror losses '
  • the loss curve may also be temperature-dependent.
  • FIG. 6A illustrates the reflectivity of a resonator mirror, which depends only to a small extent on the wavelength.
  • Curve (2) shows the reflectivity of a resonator mirror, which drops sharply with increasing wavelength.
  • FIG. 6B illustrates with a solid line the losses of a laser with the reflectivity designated by (1) in FIG. 6A. Since this only decreases slightly with increasing wavelength, the losses increase only slightly with increasing wavelength.
  • the dotted line shows the product ⁇ * g ( ⁇ , T) for different temperatures and almost constant current strength. represents. With increasing temperature, the gain curve including the gain peak shifts to larger wavelengths. At the laser threshold, the product ⁇ * g ( ⁇ , T) takes on the value ⁇ i + ⁇ m .
  • Curves (1) to (3) in FIG. 6B show the product ⁇ * g ( ⁇ , T) in each case for increasing temperatures.
  • the laser condition is achieved for different wavelengths in each case.
  • the emission wavelength shifts strongly with increasing temperature.
  • FIG. 6C illustrates with a solid line the losses of a laser with the reflectivity designated by (2) in FIG. 6A. Since this drops very sharply with increasing wavelength, the losses increase very sharply with increasing wavelength.
  • the dotted line shows the product ⁇ * g ( ⁇ , T) for different temperatures and currents (ie charge carrier densities). With increasing temperature, the gain curve including the gain peak shifts to larger wavelengths.
  • the product ⁇ * g ( ⁇ , T) takes on the value ⁇ i + ⁇ m .
  • the laser threshold is fulfilled when the dashed curve indicating the product ⁇ * g ( ⁇ , T) touches the loss curve ⁇ i + ⁇ m.
  • Curves (1) to (3) in FIG. 6C show the product ⁇ * g ( ⁇ , T) in each case for increasing temperatures.
  • the laser condition is achieved for different wavelengths in each case.
  • the laser threshold is already reached at smaller wavelengths than the wavelength at which the gain peak is present. Accordingly, the emission wavelength shifts less strongly with increasing temperature than is shown in FIG. 6B.
  • Fig. 6D illustrates the losses of a laser with a solid line. The losses have a minimum in the wavelength range from ⁇ 6 to ⁇ 7. These are due to corresponding maximum values of the reflectivity of the first and second resonator mirror.
  • the dotted line shows the product ⁇ * g ( ⁇ , T) for different temperatures and currents (ie charge carrier densities). With increasing temperature, the gain curve including the gain peak shifts to larger wavelengths.
  • the product ⁇ * g ( ⁇ , T) takes on the value ⁇ i + ⁇ m .
  • Curves (1) to (5) in FIG. 6D show the product ⁇ * g ( ⁇ , T) for increasing temperatures and currents.
  • the laser threshold has not yet been reached in curve (1) at temperature T 1 and in curve (2) at temperature T 2.
  • the emission wavelength remains stable as long as the loss curve ( ⁇ i + ⁇ m ) ( ⁇ , T) rises more sharply than the gain curve ⁇ * g ( ⁇ , T).
  • the threshold condition is not necessarily at the wavelength of the gain peak. which is stabilized at ⁇ 0.
  • curve (5) at temperature T 5 the emission wavelength remains stable.
  • the gain spectrum is narrower, the gain peak is higher at a lower charge carrier density and the threshold is reached at a lower current intensity.
  • the gain peak is higher at a lower charge carrier density and the threshold is reached at a lower current intensity.
  • the semiconductor laser has a first resonator mirror with the same reflectivity as the reflectivity of the resonator mirror of the semiconductor laser, the properties of which have been discussed with reference to FIG. 6D.
  • the first resonator mirror that was used for FIG. 6D and the first resonator mirror that was used for FIG. 6E are assumed here.
  • Curves (1) to (5) in FIG. 6E also show the product ⁇ * g ( ⁇ , T) for increasing temperatures and currents.
  • the laser threshold has not yet been reached in curve (1) at temperature T 1 and in curve (2) at temperature T2.
  • the temperature now rises further to T 4 it takes place, as shown by curve (4), due to the special shape of the curve from ⁇ * g ( ⁇ , T4) the emission is now at a wavelength ⁇ > ⁇ 7 . Since the loss curve ( ⁇ i + ⁇ m ) ( ⁇ , T) increases less than the gain curve ⁇ * g ( ⁇ , T), the emission wavelength shifts to longer wavelengths.
  • the threshold condition becomes in the direction of the wavelength of the gain peak, i.e. of maximum profit postponed.
  • curve (5) at temperature T 5, laser emission takes place at a significantly greater wavelength. Due to the narrower gain bandwidth, the wavelength stabilization only takes effect in a smaller temperature range than in FIG. 6D.
  • the emission wavelength always remains close to the gain peak wavelength regardless of the loss curve. As a result the emission wavelength changes more strongly with the temperature.
  • FIG. 6F shows a representation in which the curve of ⁇ i + ⁇ m represented by a solid line has less steep edges due to a different behavior of the reflectivity of the first resonator mirror.
  • the losses have a minimum in the wavelength range from ⁇ 6 to ⁇ 7. These can be traced back to corresponding maximum values of the reflectivity of the first and second resonator mirrors.
  • Curves (1) to (3) show the product ⁇ * g ( ⁇ , T) for increasing temperatures and currents with a dashed line. With increasing temperature, ⁇ * g ( ⁇ , T) shifts to longer wavelengths.
  • the laser threshold has not yet been reached in curve (1) at temperature T 1.
  • the steepness of the loss curve in comparison to the gain curve must also be taken into account for stabilizing the lasing wavelength while changing the temperature.
  • a sum of intrinsic losses of the semiconductor laser and the mirror losses caused by the first and the second resonator mirror for wavelengths ⁇ can increase in a range of ⁇ 0 ⁇ ⁇ 0 + ⁇ in the semiconductor laser.
  • the sum of the intrinsic losses of the semiconductor laser and the mirror losses can rise at least half as steeply as a curve that corresponds to the product of the confinement factor ⁇ ( ⁇ , T) and the wavelength-dependent gain g ( ⁇ , T).
  • the sum of the intrinsic losses of the semiconductor laser and the mirror losses can rise more steeply than a curve which corresponds to the product of the confinement factor ⁇ ( ⁇ , T) and the wavelength-dependent gain g ( ⁇ , T).
  • the emission wavelength can be kept stable in a wider temperature range, for example -40.degree. C. to 140.degree.
  • a comparatively broad gain spectrum and thus also a less steep increase in the product of the confinement factor ⁇ ( ⁇ , T) and the wavelength-dependent gain g ( ⁇ , T) can be achieved if the active zone has a smaller number of quantum well structures.
  • a broader gain spectrum can also be achieved through a shorter resonator length, for example less than 1.5 mm, a low reflectivity of the second and / or the first resonator mirror and a high charge carrier density at the laser threshold.
  • a broad profit spectrum can be achieved at or above the laser threshold.
  • 6G shows the course of the reflectivity R, for example of the first resonator mirror 125, or as the product of the reflectivity of the first and second resonator mirror for a semiconductor laser according to embodiments.
  • R0 can be in a range from 0.05 to 0.15.
  • the width that is to say for example the difference between ⁇ 7 and ⁇ 8 , for example, can correspond to the width of the target wavelength spectrum.
  • FIG. 6H shows the course of the reflectivity R, for example of the first resonator mirror 125, or as the product of the reflectivity of the first and second resonator mirrors for a semiconductor laser according to further embodiments.
  • the reflectivity is at a relatively high level over a narrow wavelength range.
  • R0 can range from 0.05 to 0.15.
  • the width that is to say for example the difference between ⁇ 7 and ⁇ 8, can for example correspond to the width of the target wavelength spectrum.
  • the reflectivity for wavelengths less than ⁇ 7 or greater than ⁇ 8 in a range in which the gain of the laser is still greater than 0 is comparatively low, for example less than 0.01 or than 0.005.
  • the course of the reflectivity shown in FIG. 6G can be achieved by a suitable combination of the reflectivity of the first and second resonator mirror.
  • FIG. 6I the reflectivity R1 of the first resonator mirror is in the upper part shown, in the lower part the reflectivity R2 of the second resonator mirror.
  • Both R1 and R2 initially have a steep increase to a maximum at wavelength ⁇ 7 and a decrease at ⁇ 8.
  • ⁇ 7 and ⁇ 8 local maxima occur with a reflectivity that differs from zero, but is low in each case.
  • These are arranged at different wavelength ranges for R1 and R2, and the reflectivity falls to 0 in each case in the ranges between the local maxima.
  • the combined reflectivity is now formed as the product of R1 and R2, this has the value 0 for wavelengths smaller than ⁇ 7 and larger than ⁇ 8.
  • the combined reflectivity increases to a higher value than with R1 or R2.
  • the combined reflectivity drops back to 0, as shown in Fig. 6G.
  • the course of the reflectivity shown in FIG. 6H can be achieved by a suitable combination of the reflectivity of the first and second resonator mirror, as is illustrated in FIG. 6K.
  • the left part of FIG. 6K shows the reflectivity R1 of the first resonator mirror, the right part the reflectivity R2 of the second resonator mirror.
  • R1 initially increases starting at wavelength ⁇ 7.
  • R2 is at a maximum constant level.
  • the maximum of the reflectivity R1 and also of the combined reflectivity is at wavelength ⁇ 9.
  • the reflectivity R1 runs at a maximum constant level and drops again at ⁇ 8 .
  • the reflectivity R2 of the second resonator mirror falls to the value 0 at ⁇ 8 .
  • the combined reflectivity drops from ⁇ 9 and reaches zero at ⁇ 8.
  • steep gradients of the reflectivity can be realized by incorporating absorbing layers in the Bragg mirror, as explained with reference to FIGS. 4 to 5C.
  • the semiconductor laser 10 has a first semiconductor layer 110 of a first conductivity type, for example p-conductive, and a second semiconductor layer 120 of a second conductivity type - for example n-conductive.
  • the semiconductor laser further comprises an active zone 15 arranged between the first and the second semiconductor layer.
  • the semiconductor laser 10 is based on the AlGalnAs / GaAs material system.
  • the active zone can contain several, for example 3, laser elements with double quantum well structures arranged one above the other, through which, for example, a wavelength of 905 nm can be emitted.
  • the optical resonator 131 is arranged between the first resonator mirror 125 and the second resonator mirror 130.
  • the optical resonator 131 extends in a direction parallel to a first main surface 111 of the semiconductor layer arrangement 112.
  • the length of the optical resonator 131 can be less than 1.5 mm, for example less than 1200 ⁇ m, for example approximately 600 ⁇ m.
  • a first contact element 117 is arranged in electrical contact with the first semiconductor layer 110.
  • a second contact element 118 is arranged in electrical contact with the second semiconductor layer 120.
  • the first resonator mirror 125 has a structure and a reflectivity which will be described below with reference to FIG.
  • the embodiments described here are based on the observation that with a low reflectivity of the first resonator mirror 125 of less than 10%, for example less than 1%, a blue shift of the emission wavelength can occur. This blue shift is due to the fact that the higher the temperature, the higher the charge carrier density at the laser threshold. This is due to the decrease in profit with increasing temperature. As a result, the profit maximum is shifted to smaller wavelengths with increasing temperature. According to the embodiments described here, this effect is combined with a suitably set reflection behavior as a function of the wavelength in such a way that the emission wavelength of the semiconductor laser is stabilized.
  • the second resonator mirror 130 can, for example, have a reflectivity which is greater than 96% in the wavelength range under consideration.
  • the second resonator mirror 130 can be designed as a Bragg mirror and contain more than 2 layer pairs, for example 3 layer pairs.
  • the layers of the second resonator mirror 130 can contain a suitable dielectric material and silicon.
  • 7B shows the reflectivity of the second resonator mirror 130 as a function of the wavelength. As can be seen, the reflectivity of around 96% initially increases with increasing wavelength and then remains at a value of around 98.5%. This value is reached at around 905 nm.
  • Fig. 7C shows the reflectivity as a function of the wavelength for different mirrors.
  • the reflectivity shown with (1) falls linearly from about 12% at about 880 nm to about 7.3% at 960 nm.
  • the reflectivity shown with (2) is approximately constant at about 1% in the observed wavelength range between 880 nm and 960 nm.
  • the mirror showing the reflection behavior shown with (2) can have several pairs of AlO / TaO layers - point.
  • the reflectivity shown with (3) falls from a value of about 5% at 880 nm to a value of 1% at 905 nm and remains below 1% in the wavelength range up to 960 nm.
  • a first characteristic value for characterizing the reflectivity is the so-called base point ⁇ F , ie the wavelength at which the reflectivity has dropped to 1%. With a reflectivity of 1%, the effect of the blue shift of the wavelength becomes clearly recognizable, as will also be explained later.
  • the base point ⁇ F3 for curve (3) is 905 nm here.
  • Another characteristic value is the negative slope, which is achieved, for example, between a reflectivity of 1% and 2%, i.e.
  • the first resonator mirror with the reflectivity shown in curve (3) is constructed as a Bragg mirror with a suitable combination of a large number of thin layers, so that this special wavelength-dependent reflectivity results.
  • the reflectivity shown with (4) falls from a value of about 9.8% at 880 nm to a value of 1% at 920 nm and remains below 1% in the wavelength range up to 960 nm.
  • the base point ⁇ F4 for curve (4) is 920 nm here.
  • the first resonator mirror with the reflectivity shown in curve (4) is constructed as a Bragg mirror with a suitable combination of a large number of thin layers, so that this special wavelength-dependent reflectivity results.
  • the reflectivity shown with (5) falls from a value of about 11.3% at 890 nm to a value of 1% at 935 nm and remains below 1% in the wavelength range up to 960 nm.
  • the base point ⁇ F5 for curve (5) is 935 nm here.
  • the first resonator mirror with the reflectivity shown in curve (5) is constructed as a Bragg mirror with a suitable combination of a large number of thin layers, so that this special wavelength-dependent reflectivity results.
  • wavelength stabilization is achieved via effects other than, for example, embodiments in which the reflectivity of the first resonator mirror exhibits the behavior shown in FIGS. 2A and 2B.
  • the reflection behavior of the first resonator mirror is kept at low values, so that a blue shift in the emission wavelength compensates for the red shift with the temperature.
  • the reflectivity of the first resonator mirror 125 in the range of the target wavelength of the semiconductor laser 10 is less than 10%, according to further embodiments, less than 5%.
  • FIG. 7D illustrates the reflectivity of the first resonator mirror 125, each with a different structure as discussed above, over a larger wavelength range between 850 nm and 1000 nm.
  • the reflectivity can increase again for larger wavelengths.
  • the reflectivity should run in such a way that a sufficiently wide "blocking range" of the first resonator mirror is ensured.
  • the wavelength at which the reflectivity is> 1% can be selected according to the gain bandwidth of the active zone so that, for example, this wavelength lies in a range with very low gain. is caused.
  • the numbering of the reflectivity refers to the same resonator mirror whose reflectivity is shown in FIG. 7C.
  • 8A shows the calculated charge carrier density at the laser threshold Nth as a function of the temperature for semiconductor lasers with the structure shown in FIG.
  • the first resonator mirror 125 with the reflectivity as illustrated in curve (1) in FIG. 7C has the lowest charge carrier density Nth at the lasing threshold and the lowest dependence of the charge carrier density Nth on the temperature. This can be attributed to the fact that low mirror losses occur due to the high reflectivity of the first resonator mirror, which is not dependent on the wavelength.
  • the charge carrier density Nth at the laser threshold increases with increasing temperature. This is due to the decrease in profit with increasing temperature.
  • the reflectivity at a wavelength of 905 nm already reaches the comparatively low reflectivity of 1% temperature 50 ° C lower than curve (2) but higher than curves (1), (4) and (5).
  • the charge carrier density at the laser threshold is higher than in curve (2) and also higher than in curves (1), (4) and (5).
  • the charge carrier density at the laser threshold increases by more than 25%, for example more than 30% or 35%.
  • the aim is to increase the charge carrier density Nth at the laser threshold so that the resulting blue shift compensates for the red shift caused by the band gap reduction, so that the emission wavelength can be stabilized in a wide temperature range .
  • the increase in the charge carrier density at the laser threshold which is caused by a decrease in profit caused by an increase in temperature, can be greater the lower the differential gain dg / dN.
  • the output threshold carrier density denotes the threshold carrier density at a suitable reference temperature, for example room temperature or the lower limit of the temperature range under consideration, e.g. -40 ° C.
  • the wavelength-stabilized laser diode described here is designed according to embodiments in such a way that it has an increased charge carrier density at the laser threshold compared to conventional laser diodes and therefore only has a low differential gain.
  • a stabilization of the wavelength is bought with the resulting loss of efficiency.
  • the loss of efficiency can be limited by a suitable design and optimization.
  • the active zone can exclusively have a single quantum well structure.
  • 8B shows a plot of the optical gain as a function of the charge carrier density for a semiconductor laser with a single quantum well structure (curve (1)), a double quantum well structure (curve (2)) and a triple quantum well structure (curve (3)) .
  • 8C shows a plot of the differential gain as a function of the charge carrier density for the semiconductor laser with a single quantum well structure (curve (1)), a double quantum well structure (curve (2)) and a triple quantum well structure (curve (3)).
  • the differential gain decreases for a smaller number of quantum films, that is to say for the single quantum well structure compared to the multiple quantum well structure.
  • a low number of quantum films or quantum well structures is favorable for wavelength stabilization.
  • the optical gain can be increased by a higher number of quantum films, whereby the efficiency can be increased.
  • the temperature stability can be increased by using a single quantum well structure.
  • FIG. 9A shows experimental data of the emission wavelength of a pulsed laser as a function of the temperature of a heat sink of the pulsed laser in a temperature range from -40.degree. C. to 120.degree.
  • the layer structure of the semiconductor laser and the active zone are designed in such a way that, for example, at 20 ° C., an emission wavelength is 905 nm.
  • the semiconductor laser has a plurality of laser elements stacked one on top of the other, as shown in FIG. 1B.
  • the active zone of the semiconductor laser has, for example, a multiple quantum well structure. For example, 3 laser elements are stacked one on top of the other, as shown in FIG. 1B, each with double quantum well structures.
  • a current strength of 40 A was impressed in the semiconductor laser, for example by applying a corresponding voltage to the first and second contact elements 117, 118.
  • Figure 9A shows five different curves in each of which semiconductor lasers with the properties and layer structure discussed with reference to FIG. 7C were used.
  • Curve (1) shows the wavelength of a semiconductor laser with a first resonator mirror 125, the reflectivity of which falls linearly from 880 nm from 12% to about 7.2% at 960 nm.
  • the emitted wavelength of this semiconductor laser increases almost linearly from a value of approx. 892 nm at -40 ° C to a value of approx. 935 nm at 120 ° C.
  • areas 1 and 2 between -40 ° C and 60 ° C this corresponds to the expected redshift of around 0.27 nm / K due to the decrease in the band gap with temperature.
  • area 3 between 80 ° C and 120 ° C this effect is covered to a small extent by a blue shift.
  • the blue shift results from an increased charge carrier density Nth at the laser threshold, as also shown in FIG. 8A.
  • Curve (2) shows the wavelength of a semiconductor laser with a first resonator mirror 125 whose reflectivity in the range from 880 to 960 nm is approximately constant at 1%.
  • the emitted wavelength of this semiconductor laser increases continuously from a value of about 888 nm at -40 ° C to a value of about 913 nm at 100 ° C.
  • this increase corresponds to a redshift of around 0.27 nm / K. This is due to the band gap, which decreases with the increase in temperature.
  • area 2 between 20 and 60 ° C, this red shift is compensated to a small extent by a blue shift. This results from the increased charge carrier density Nth at the laser threshold as shown in FIG.
  • Curve (3) shows the wavelength of a semiconductor laser with a first resonator mirror 125, the reflectivity of which behaves as explained in FIG. 7C.
  • the emitted wavelength of this semiconductor laser increases only slightly in the range from 1 to -40 ° C and 0 ° C, the increase corresponding to about 0.1 nm / K. This results from the steep negative flank of the reflectivity with the wavelength in a low wavelength range below 905 nm.
  • area 2 between 20 and 60 ° C there is a reduced red shift due to the special reflectivity of the mirror.
  • the maximum emission wavelength is already reached. From a temperature of 60 ° C and in range 3 between 80 and 120 ° C, the wavelength decreases significantly due to the blue shift of the gain. This in turn results from the increased charge carrier density Nth at the laser threshold.
  • Curve (4) shows the wavelength of a semiconductor laser with a first resonator mirror 125, the reflectivity of which behaves as explained in FIG. 7C.
  • the emitted wavelength of this semiconductor laser initially increases in the range 1 -40 ° C and 0 ° C, the increase corresponding to the redshift of around 0.27 nm / K. This in turn results from the band gap, which decreases with the increase in temperature.
  • the special reflectivity of the first resonator mirror results in a reduced red shift of 0.067 nm / K.
  • area 3 between 80 and 120 ° C, the wavelength decreases due to the blue shift of the gain. This results from the increased charge carrier density Nth at the laser threshold.
  • Curve (5) shows the wavelength of a semiconductor laser with a first resonator mirror 125, the reflectivity of which behaves as explained in FIG. 7C.
  • the emitted wavelength of this semiconductor laser initially increases in the range 1 -40 ° C and 0 ° C, the increase corresponding to the redshift of around 0.27 nm / K. This in turn results from the band gap, which decreases with the increase in temperature.
  • the special reflectivity of the first resonator mirror results in a reduced red shift of 0.067 nm / K.
  • area 3 between 80 and 120 ° C, the wavelength decreases due to the blue shift of the gain. This results from the increased charge carrier density Nth at the laser threshold.
  • the semiconductor laser should emit a stable wavelength in a temperature range of 0 to 60 ° C, for example, it can be seen that the semiconductor laser with a first resonator mirror 125 with the reflectivity according to curve (3), ( 4) or (5) as shown in Fig. 7C gives good results.
  • FIG. 9B illustrates the reflectivity of the first resonator mirror as a function of the temperature.
  • the reflectivity is determined from the first resonator mirror with the properties and layer structure discussed with reference to FIG. 7C.
  • the reflectivity represents the reflectivity at the operating wavelength associated with the respective temperature.
  • the reflectivity falls in range 1 between -40 and 0 ° C.
  • the wavelength approaches the respective base point of the resonator mirror.
  • the reflectivity is constant.
  • the wavelength changes in the same way as the mirror redshift.
  • the reflectivity increases due to the blue shift, which is caused by the high charge carrier density Nth at the laser threshold.
  • the resonator mirrors according to curves (3) to (5) have a reflectivity which increases in area 3 as a result of the blue shift, these resonator mirrors are suitable for achieving good optical efficiency data.
  • FIG. 9C illustrates the optical output power of the semiconductor laser with the different first resonator mirrors 125, as explained with reference to FIG. 7C.
  • the output powers were determined at 60 ° C and a uniform current.
  • the optical output peak power is somewhat reduced when using the first resonator mirror according to curves (3) to (5) compared to the resonator mirror according to curve (1). It is also clear that the resonator mirror according to curve (2) with a constantly low reflectivity has the lowest efficiency. It follows from this that the resonator mirrors according to curves (3) to (5) can produce a wavelength stability of the semiconductor laser without any significant loss of efficiency.
  • 9D shows a plot of the change in emission wavelength with temperature for semiconductor lasers with different first resonator mirrors 125.
  • the first resonator mirrors 125 with the properties and layer structure discussed with reference to FIG. 7C were used.
  • the change in emission wavelength with temperature corresponds to the quotient of the difference between the emission wavelength at 25 ° C and at 80 ° C and the temperature at an output power of 10W.
  • the resonator mirror according to variant zero is a resonator mirror, the reflectivity of which is shown in curve (1) in FIG. 7C.
  • the resonator mirror according to variant 1 is a resonator mirror whose reflectivity is constant at 7%.
  • the resonator mirror according to variant 2 is a resonator mirror whose reflectivity is constant at 5%
  • the resonator mirror according to variant 3 is a resonator mirror whose reflectivity is constant at 3% lies.
  • the resonator mirror according to variant four is a resonator mirror whose reflectivity is shown in curve (2) in FIG. 7C and is constant at 1%.
  • the resonator mirror according to variant five is a resonator mirror, the reflectivity of which is shown in curve (5) in FIG. 7C.
  • the resonator mirror according to variant six is a resonator mirror, the reflectivity of which is shown in curve (4) in FIG. 7C.
  • the resonator mirror according to variant seven is a resonator mirror, the reflectivity of which is shown in curve (3) in FIG. 7C.
  • the change in emission wavelength with temperature for variant 1 is the highest at around 0.27 nm / K and decreases up to variant 7 with a value of around 0.
  • the change in emission wavelength for variant 1 corresponds to the change in the band gap with temperature.
  • the first resonator mirror 125 As has been described above, by using the first resonator mirror 125 with the properties shown, an increased temperature stability of the emission wavelength can be achieved. Accordingly, it is possible to implement the first resonator mirror by means of a special facet coating, which is a component of the edge-emitting semiconductor laser anyway. As a result, the increased temperature stability can be achieved without cost and effort.
  • the emission spectrum is compressed on the long-wave side.
  • the long-wave declining one The edge is steeper and the line width of the spectrum is therefore smaller.
  • the bandwidth of the emission can be reduced by more than 15%. This effect is more pronounced especially at higher temperatures.
  • FIG. 9E shows the emission spectrum of a semiconductor laser with the first resonator mirror according to curve (3) in FIG. 7C at 20 ° C. (solid line) and at 85 ° C. (dashed line).
  • the lower part shows the emission spectrum of a semiconductor laser with the first resonator mirror according to curve (1) in FIG. 7C at 20 ° C. (solid line) and at 85 ° C. (dashed line).
  • the half-width line width at intensity 0.5
  • the half-width of the spectrum at 85 ° C. of the spectrum is 7 nm in the upper range and 8.5 nm in the lower range.
  • this semiconductor laser 10 can be used for optically pumping a solid-state laser.
  • Nd: YAG or Yb: YAG fiber lasers can increase the pumping efficiency.
  • the reduced bandwidth of the emission of the sources can also be advantageous in LIDAR systems with sources, filters and detectors.
  • the mirror losses rise rapidly with an increase in temperature and thus in wavelength and greatly increase the threshold carrier density, which again leads to a blue shift and a ner quasi self-adjusted compensation of the wavelength shift in a whole temperature range leads.
  • the effective reflectivity remains almost constant, and the emission wavelength virtually follows the temperature-dependent spectral position of the reflectivity of the first resonator mirror 125 (approx. 0.07 nm / K).
  • the robustness and manufacturability of the semiconductor laser is greater than with approaches that are dependent on specific resonance conditions or the like.
  • the emission wavelength does not leave a given corridor over a given temperature range (for example 0 to 85 ° C or -40 ° C to 120 ° C).
  • a given temperature range for example 0 to 85 ° C or -40 ° C to 120 ° C.
  • the effect of overcompensation of the red shift made possible by the measures described can even produce a blue shift at high temperatures with a corresponding design, which makes the usable temperature range of the wavelength stabilization particularly large.
  • the change in wavelength with temperature will be positive at low temperatures, negative at high temperatures, and the emission wavelength will have a maximum at medium temperatures.
  • the reduction in the wavelength at high temperatures due to the low-pass shape of the reflectivity as a function of the wavelength leads to an increase in the reflectivity of the first resonator mirror.
  • This in turn increases the efficiency of the laser, especially at high temperatures, compared to a laser with a flat characteristic of the reflectivity of the first resonator mirror.
  • the wavelength stabilization by setting the reflectivity of the first resonator mirror is achieved by modifying the facet with a lower reflectivity. As a result, it also works for semiconductor lasers with any number of stacked laser elements 127 1 , 127 2 , .... As has been described with reference to FIGS.
  • the reflectivity of the first resonator mirror 125 is dependent on the wavelength and is less than 10% or less than 8% in a range of the target wavelength.
  • the reflectivity of the second resonator mirror 130 is, for example, more than 95%.
  • the reflectivity of the second resonator mirror 130 is not dependent on the wavelength or is only dependent to a small extent on the wavelength. In this way, the coupling-out of usable optical output power at the second resonator mirror 130 is suppressed as far as possible. Furthermore, uncontrolled or harmful absorption of optical output power in the housing can be avoided.
  • a length of the optical resonator 131 can be less than 1 mm, for example less than 700 ⁇ m. In this way, the mirror losses can be increased compared to the length of the resonator 131 in which amplification occurs.
  • further features can be implemented in order to increase the effect of the blue shift of the wavelength with increasing temperature.
  • additional features can have the effect that a low differential gain is achieved.
  • features can be realized in order to broaden the profit and thus reduce the profit maximum.
  • the active zone can have a multiple quantum well structure with quantum wells that are detuned from one another.
  • FIG. 9F shows an example of a course of conduction and valence bands in the active zone of a semiconductor laser according to FIG Embodiments, for example in a horizontal direction perpendicular to the direction of extent of the optical resonator 131.
  • three quantum wells are contained in the associated active zone.
  • the composition and / or layer thickness of the individual layers are selected in such a way that the energy differences between the corresponding energy levels in the conduction and valence bands differ slightly in each case.
  • the illustrated quantum wells can each be assigned transition energies E1, E2, E3.
  • the transition energies E1, E2, E3 are each slightly different.
  • the respectively emitted wavelength can differ by more than 5 nm, for example by more than 10 nm.
  • the wavelength-dependent gain can be broadened. Furthermore, the maximum profit can be reduced. As a result, the blue shift is increased. Accordingly, the temperature stability of the semiconductor laser can be further improved. Furthermore, the manufacture and the yield of the semiconductor laser can be improved.
  • additional measures can be taken in order to increase the optical losses alpha_i.
  • the charge carrier density Nth at the laser threshold can be increased further.
  • FIG. 10A shows a schematic arrangement of a LIDAR system 150 in which the semiconductor laser 10 described can be used.
  • the typically pulsed laser radiation emitted by the semiconductor laser 10 is emitted, for example, through collimator optics 157 and a deflection / scanning unit 154.
  • the object beam 153 is radiated onto an object 156 and is reflected by it. This creates the reflected beam 155.
  • the reflected beam 155 is fed to a detector 160 by receiving optics 152.
  • the distance to the object 156 can be determined from the time difference between the emission of the laser pulse and the reception of the laser pulse.
  • the semiconductor laser can also be operated at variable temperatures at a stable wavelength, it is possible to use a narrowband detector.
  • the detector can use a narrow wavelength window smaller than 10 nm or than 5 nm or even smaller than 1 nm.
  • the influence of solar radiation can be reduced and the signal-to-noise ratio can be increased.
  • lower powers are required from the laser, for example to measure the same distances.
  • the overall performance of the system is increased.
  • the laser can be operated with less power in order to carry out the same measurements with a constant signal-to-noise ratio. As a result, the energy consumption is reduced.
  • the semiconductor laser described can be manufactured in a simple manner.
  • the 10B shows a laser system 164 with the semiconductor laser 10 as described above and a further laser 165, the further laser 165 being optical through the semiconductor laser 10 is pumpable.
  • the further laser 165 can be a solid-state laser or a fiber laser.
  • these lasers can have a very narrow absorption spectrum.
  • the semiconductor laser 10 according to embodiments is wavelength-stable over a wide temperature range, it can be used to optically pump lasers with a very narrow absorption spectrum.
  • the semiconductor laser described can also be used for laser welding or laser cutting.

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Abstract

Gemäß Ausführungsformen umfasst ein Halbleiterlaser (10) eine Halbleiterschichtanordnung (112), die eine aktive Zone (115) zur Strahlungserzeugung aufweist. Der Halbleiterlaser (10) weist ferner einen ersten Resonatorspiegel (125), einen zweiten Resonatorspiegel (130) und einen zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel (125, 130) angeordneten optischen Resonator (131) auf, der sich in einer Richtung parallel zu einer Hauptoberfläche (111) der Halbleiterschichtanordnung (112) erstreckt. Ein Reflexionsvermögen R1 des ersten Resonatorspiegels ist wellenlängenabhängig, so dass R1 oder ein Produkt R aus R1 und dem Reflexionsvermögen R2 des zweiten Resonatorspiegels in einem Wellenlängenbereich von einer Zielwellenlänge λ0 des Lasers bis λ0 + ∆λ von einem Wert R0 abnimmt, wobei ∆λ in Abhängigkeit von einer temperaturabhängigen Verschiebung einer Emissionswellenlänge ausgewählt wird.

Description

HALBLEITERLASER UND LIDAR-SYSTEM SOWIE LASER-SYSTEM MIT DEM
HALBLEITERLASER
BESCHREIBUNG
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung DE 102020 205 254.9, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
LIDAR-Systeme werden in zunehmendem Maße in Fahrzeugen, bei- spielsweise zum autonomen Fahren, eingesetzt. Beispielsweise werden sie eingesetzt, um Abstände zu messen oder um Gegen- stände zu erkennen. Bei LIDAR-Systemen ist üblicherweise ein enges Fenster für die verwendete Wellenlänge sehr günstig, weil in diesem Fall mit einem schmalbandigen Filter das Son- nenlicht als Störsignal effektiv unterdrückt werden kann. Da sich bei üblichen kantenemittierenden Halbleiterlasern die Emissionswellenlänge mit mehr als 0,2 nm/K verändert, werden Konzepte untersucht, mit denen sich die Wellenlänge auch bei veränderlichen Temperaturen kaum verändert, d.h. bei denen ei- ne erhöhte Temperaturstabilität gewährleistet ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Halbleiterlaser sowie ein verbessertes LIDAR- System zur Verfügung zu stellen.
Gemäß Ausführungsformen wird die Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiter- entwicklungen sind in den abhängigen Patentansprüchen defi- niert.
Gemäß Ausführungsformen umfasst ein Halbleiterlaser eine Halb- leiterschichtanordnung, die eine aktive Zone zur Strahlungser- zeugung aufweist. Der Halbleiterlaser weist ferner einen ers- ten Resonatorspiegel, einen zweiten Resonatorspiegel und einen zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel angeord- neten optischen Resonator auf, der sich in einer Richtung pa- rallel zu einer Hauptoberfläche der Halbleiterschichtanordnung erstreckt. Ein Reflexionsvermögen R1 des ersten Resonatorspie- gels ist wellenlängenabhängig, so dass R1 oder ein Produkt R aus R1 und dem Reflexionsvermögen R2 des zweiten Resonator- spiegels in einem Wellenlängenbereich von einer Zielwellenlän- ge λ0 des Lasers bis λ0 + Δλ von einem Wert R0 abnimmt, wobei Δλ in Abhängigkeit von einer temperaturabhängigen Verschiebung einer Emissionswellenlänge ausgewählt wird. Für R gilt mindes- tens eine der folgenden Beziehungen:
(i) R(λ) < 0,3 * R0 für mindestens eine Wellenlänge λ mit λ0 < λ < λ0 + Δλ;
(ii) dR/dλ < k/nm für λ = λ0 mit k ≤ -0,1% .
Alternativ oder gleichzeitig gilt für R1 mindestens eine der folgenden Beziehungen:
(iii) R1(λ) < 0,3 * R0 für mindestens eine Wellenlänge λ mit λ0 < λ < λ0 + Δλ;
(iv) dRl/dλ < k/nm für λ = λ0 mit k ≤-0,1%.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann k auch kleiner oder gleich -0,2% oder kleiner oder gleich -0,5% sein.
Beispielsweise kann Δλ in einem Bereich größer als 5 nm liegen. Beispielsweise kann Δλ größer als 10 oder größer als 30 nm sein. Beispielsweise kann Δλ kleiner als 100 nm, beispielsweise kleiner als 80 nm sein.
Beispielsweise kann R oder R1 bei einer Wellenlänge kleiner als λ0 auf den Wert R0 ansteigen. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann auch der zweite Resona- torspiegel ein wellenlängenabhängiges Reflexionsvermögen ha- ben, welches für Wellenlängen kleiner als λ0 auf einen lokalen Maximalwert ansteigt.
Gemäß Ausführungsformen kann bei dem Halbleiterlaser eine Sum- me von intrinsischen Verlusten des Halbleiterlasers und durch den ersten und den zweiten Resonatorspiegel verursachten Spie- gelverlusten für Wellenlängen λ in einem Bereich von λ0 < λ < λ0 + Δλ ansteigen.
Beispielsweise kann die Summe der intrinsischen Verluste des Halbleiterlasers und der Spiegelverluste mindestens halb so steil wie eine Kurve ansteigen, die dem Produkt aus Confine- ment-Faktor Γ(λ,T) und Wellenlängenabhängigem Gewinn g(λ,T) entspricht.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Summe der intrinsi- schen Verluste des Halbleiterlasers und der Spiegelverluste steiler als eine Kurve ansteigen, die dem Produkt aus Confine- ment-Faktor Γ(λ,T) und Wellenlängenabhängigem Gewinn g(λ,T) entspricht.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann mindestens eine der fol- genden Beziehungen gelten:
(v) dR/dλ < -g * R(λ)/nm für λ0 < λ < λ0 + Δλ;
(vi) dRl/dλ < -g * Rl(λ)/nm für λ0 < λ < λ0 + Δλ; mit g ≥ 0,03.
Beispielsweise kann der erste Resonatorspiegel als Bragg- Spiegel realisiert sein. Beispielsweise können die einzelnen Schichten des Bragg-Spiegels A10, TaO, SiO, TiO, A1N, SiN, Si, NbO, ITO, ZnO, Ag und Al sowie InAlGaAsP, InAlGaN, ZnSe als Halbleitermaterialien enthalten. Dabei werden Abfolge, Zusam- mensetzung und Schichtdicke der jeweiligen Schichten derart ausgewählt, dass ein gewünschtes Reflexionsvermögen realisiert wird.
Der Bragg-Spiegel kann beispielsweise epitaktisch gewachsene Halbleiterschichten aufweisen.
Gemäß Ausführungsformen kann mindestens eine der Halbleiter- schichten des Bragg-Spiegels geeignet sein, elektromagnetische Strahlung mit einem Wellenlängenbereich, der kleiner als λ0 ist, zu absorbieren.
Beispielsweise kann das Reflexionsvermögen R1 des ersten Re- sonatorspiegels oder das Produkt R in einem Bereich der Ziel- wellenlänge kleiner als 8 % sein.
Gemäß Ausführungsformen weist die aktive Zone ausschließlich eine Einfachquantentopfstruktur auf.
Gemäß weiteren Ausführungsformen weist die aktive Zone eine Mehrfachquantentopfstruktur mit zueinander verstimmten Quan- tentöpfen auf.
Beispielsweise kann in einem Temperaturbereich von 0° bis 60°C eine Ladungsträgerdichte in der aktiven Zone an der Laser- schwelle um mehr als 25% zunehmen.
Gemäß Ausführungsformen nimmt die Emissionswellenlänge des Halbleiterlasers bei einer Umgebungs-Temperatur größer als 100°C oder auch bei einer Temperatur größer als 60°C mit der Temperatur ab. Die Halbleiterschichtanordnung des Halbleiterlasers kann eine Vielzahl von Laserelementen aufweisen, die übereinander ange- ordnet und über Verbindungsschichten miteinander verbunden sind.
Beispielsweise sind seitliche Begrenzungen der Halbleiter- schichtanordnung angeschrägt, so dass eine Emission von er- zeugter elektromagnetischer Strahlung über eine erste Haupt- oberfläche der Halbleiterschichtanordnung erfolgt.
Ein LIDAR-System umfasst den Halbleiterlaser wie vorstehend beschrieben.
Weitere Ausführungsformen betreffen ein Laser-System mit dem Halbleiterlaser wie vorstehend beschrieben und einem weiteren Laser, wobei der weitere Laser durch den Halbleiterlaser op- tisch pumpbar ist.
Die begleitenden Zeichnungen dienen dem Verständnis von Aus- führungsbeispielen der Erfindung. Die Zeichnungen veranschau- lichen Ausführungsbeispiele und dienen zusammen mit der Be- schreibung deren Erläuterung. Weitere Ausführungsbeispiele und zahlreiche der beabsichtigten Vorteile ergeben sich unmittel- bar aus der nachfolgenden Detailbeschreibung. Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente und Strukturen sind nicht not- wendigerweise maßstabsgetreu zueinander dargestellt. Gleiche Bezugszeichen verweisen auf gleiche oder einander entsprechen- de Elemente und Strukturen.
Fig. 1A veranschaulicht Elemente eines kantenemittierenden Halbleiterlasers gemäß Ausführungsformen.
Fig. 1B veranschaulicht Komponenten eines kantenemittierenden Halbleiterlasers gemäß weiteren Ausführungsformen. Fig. 1C veranschaulicht den Aufbau eines Halbleiterlasers, bei dem Emission über eine Hauptoberfläche erfolgt, gemäß Ausfüh- rungsformen.
Fig. 1D veranschaulicht den Aufbau eines Halbleiterlasers, bei dem eine Emission über eine Hauptoberfläche erfolgt, gemäß weiteren Ausführungsformen.
Fig. 2A veranschaulicht eine Wellenlängencharakteristik eines Reflexionsvermögens eines Resonatorspiegels gemäß Ausführungs- formen.
Fig. 2B veranschaulicht die Wellenlängencharakteristik des Re- flexionsvermögens eines Resonatorspiegels gemäß weiteren Aus- führungsformen.
Fig. 3A veranschaulicht kombinierte Reflexionseigenschaften von Resonatorspiegeln gemäß weiteren Ausführungsformen.
Fig. 3B veranschaulicht Reflexionseigenschaften eines Resona- torspiegels gemäß weiteren Ausführungsformen.
Fig. 3C veranschaulicht Reflexionseigenschaften eines Resona- torspiegels gemäß weiteren Ausführungsformen.
Fig. 3D zeigt den Verlauf der Emissionswellenlänge in Abhän- gigkeit von der Temperatur bei Halbleiterlasern gemäß Ausfüh- rungsformen.
Fig. 4A veranschaulicht Reflexionseigenschaften eines Resona- torspiegels gemäß weiteren Ausführungsformen. Fig. 4B zeigt eine Querschnittsansicht eines Halbleiterlasers gemäß weiteren Ausführungsformen.
Fig. 4C zeigt eine Querschnittsansicht eines Halbleiterlasers gemäß weiteren Ausführungsformen.
Fig. 5A veranschaulicht Reflexionseigenschaften eines Resona- torspiegels gemäß weiteren Ausführungsformen.
Fig. 5B veranschaulicht Reflexionseigenschaften eines Resona- torspiegels gemäß weiteren Ausführungsformen.
Fig. 5C veranschaulicht kombinierte Reflexionseigenschaften von Resonatorspiegeln gemäß weiteren Ausführungsformen.
Fig. 6A veranschaulicht verschiedene Eigenschaften eines ers- ten Resonatorspiegels.
Fig. 6B veranschaulicht die Verluste und Gewinn eines Lasers bei verschiedenen Temperaturen bei Verwendung eines Resonator- spiegels mit annähernd konstantem Reflexionsvermögen.
Fig. 6C veranschaulicht die Verluste und Gewinn eines Lasers bei verschiedenen Temperaturen bei Verwendung eines Resonator- spiegels mit stark abfallendem Reflexionsvermögen.
Fig. 6D veranschaulicht die Verluste und Gewinn eines Lasers bei verschiedenen Temperaturen und Stromstärken.
Fig. 6E veranschaulicht die Verluste und Gewinn eines Lasers bei verschiedenen Temperaturen und Stromstärken.
Fig. 6F veranschaulicht die Verluste und Gewinn eines Lasers bei verschiedenen Temperaturen und Stromstärken. Fig. 6G veranschaulicht Reflexionseigenschaften eines Resona- torspiegels gemäß weiteren Ausführungsformen.
Fig. 6H veranschaulicht Reflexionseigenschaften eines Resona- torspiegels gemäß weiteren Ausführungsformen.
Fig. 6I veranschaulicht die Kombination von Reflexionseigen- schaften von Resonatorspiegeln gemäß weiteren Ausführungsfor- men.
Fig. 6K veranschaulicht die Kombination von Reflexionseigen- schaften von Resonatorspiegeln gemäß weiteren Ausführungsfor- men.
Fig. 7A zeigt eine Querschnittsansicht eines Halbleiterlasers gemäß Ausführungsformen.
Fig. 7B zeigt das Reflexionsvermögen eines zweiten Resonator- spiegels gemäß Ausführungsformen.
Fig. 7C zeigt das Reflexionsvermögen eines ersten Resonator- spiegels gemäß Ausführungsformen.
Fig. 7D zeigt das Reflexionsvermögen des ersten Resonatorspie- gels gemäß Ausführungsformen.
Fig. 8A veranschaulicht eine Ladungsträgerdichte in der akti- ven Zone an der Laserschwelle für unterschiedliche Halbleiter- laser gemäß Ausführungsformen.
Fig. 8B veranschaulicht den optischen Gewinn für unterschied- liche Halbleiterlaser gemäß Ausführungsformen. Fig. 8C veranschaulicht den differenziellen Gewinn für unter- schiedliche Halbleiterlaser gemäß Ausführungsformen.
Fig. 9A veranschaulicht den Verlauf der Emissionswellenlänge mit der Temperatur für unterschiedliche Halbleiterlaser gemäß Ausführungsformen .
Fig. 9B veranschaulicht den Verlauf des Reflexionsvermögens mit der Temperatur für unterschiedliche Halbleiterlaser gemäß Ausführungsformen .
Fig. 9C veranschaulicht den Verlauf der Leistung mit der Tem- peratur für unterschiedliche Halbleiterlaser gemäß Ausfüh- rungsformen.
Fig. 9D stellt die Unterschiede der Temperatur-Gänge der Emis- sionswellenlänge von verschiedenen Halbleiterlasern dar.
Fig. 9E stellt die Emissionsintensität für verschiedene Halb- leiterlaser in Abhängigkeit von der Temperatur dar.
Fig. 9F zeigt ein Detail einer aktiven Zone.
Fig. 10A stellt ein LIDAR-System gemäß Ausführungsformen dar.
Fig. 10B veranschaulicht ein Laser-System gemäß Ausführungs- formen.
In der folgenden Detailbeschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen zu Veranschaulichungszwecken spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind. In diesem Zusammenhang wird eine Richtungsterminologie wie "Oberseite", "Boden", "Vorder- seite", "Rückseite", "über", "auf", "vor", "hinter", "vorne", "hinten" usw. auf die Ausrichtung der gerade beschriebenen Fi- guren bezogen. Da die Komponenten der Ausführungsbeispiele in unterschiedlichen Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie nur der Erläuterung und ist in keiner Weise einschränkend.
Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist nicht einschrän- kend, da auch andere Ausführungsbeispiele existieren und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne dass dabei vom durch die Patentansprüche definierten Be- reich abgewichen wird. Insbesondere können Elemente von im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen mit Elementen von anderen der beschriebenen Ausführungsbeispiele kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt.
Die hier beschriebenen Laser basieren auf Halbleitermateria- lien. Generell können die Begriffe "Wafer", "Halbleiter" oder "Halbleitermaterial", die in der folgenden Beschreibung ver- wendet sind, jegliche auf Halbleiter beruhende Struktur umfas- sen, die eine Halbleiteroberfläche hat. Wafer und Struktur sind so zu verstehen, dass sie dotierte und undotierte Halb- leiter, epitaktische Halbleiterschichten, gegebenenfalls ge- tragen durch eine Basisunterlage, und weitere Halbleiterstruk- turen einschließen. Beispielsweise kann eine Schicht aus einem ersten Halbleitermaterial auf einem Wachstumssubstrat aus ei- nem zweiten Halbleitermaterial, beispielsweise einem GaAs- Substrat, einem GaN-Substrat oder einem Si-Substrat oder aus einem isolierenden Material, beispielsweise auf einem Sa- phirsubstrat, gewachsen sein.
Je nach Verwendungszweck kann der Halbleiter auf einem direk- ten oder einem indirekten Halbleitermaterial basieren. Bei- spiele für zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung beson- ders geeignete Halbleitermaterialien umfassen insbesondere Nitrid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise ultra- violettes, blaues oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaN, InGaN, A1N, AlGaN, AlGalnN, Al- GalnBN, Phosphid-Halbleiterverbindungen, durch die beispiels- weise grünes oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaAsP, AlGalnP, GaP, AlGaP, sowie weitere Halbleitermaterialien wie GaAs, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, Al- GaAsP InGaAsP, SiC, ZnSe, ZnO, Ga2O3, Diamant, hexagonales BN und Kombinationen der genannten Materialien. Das stöchiometri- sche Verhältnis der Verbindungshalbleitermaterialien kann va- riieren. Weitere Beispiele für Halbleitermaterialien können Silizium, Silizium-Germanium und Germanium umfassen. Im Kon- text der vorliegenden Beschreibung schließt der Begriff „Halb- leiter" auch organische Halbleitermaterialien ein.
Der Begriff „Substrat" umfasst generell isolierende, leitende oder Halbleitersubstrate.
Die Begriffe "lateral" und "horizontal", wie in dieser Be- schreibung verwendet, sollen eine Orientierung oder Ausrich- tung beschreiben, die im Wesentlichen parallel zu einer ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Dies kann beispielsweise die Oberfläche eines Wafers oder ei- nes Chips (Die) sein.
Die horizontale Richtung kann beispielsweise in einer Ebene senkrecht zu einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten liegen.
Der Begriff "vertikal", wie er in dieser Beschreibung verwen- det wird, soll eine Orientierung beschreiben, die im Wesentli- chen senkrecht zu der ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Die vertikale Richtung kann bei- spielsweise einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten entsprechen.
Fig. 1A zeigt Komponenten eines Halbleiterlasers 10 gemäß Aus- führungsformen. Der Halbleiterlaser 10 umfasst eine Halb- leiterschichtanordnung 112. Die Halbleiterschichtanordnung 112 weist eine aktive Zone 115 zur Strahlungserzeugung auf. Der Halbleiterlaser 10 weist ferner einen ersten Resonatorspiegel 125, einen zweiten Resonatorspiegel 130 und einen zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel 125, 130 angeordneten Resonator 131 auf. Der Resonator 131 erstreckt sich in einer Richtung parallel zu einer Hauptoberfläche 111 der Halbleiter- schichtanordnung 112. Wie im Folgenden erklärt werden wird, hat der erste Resonatorspiegel 125 ein wellenlängenabhängiges Reflexionsvermögen. Das wellenlängenabhängige Reflexionsvermö- gen wird später näher erläutert werden. Der zweite Resonator- spiegel 130 kann beispielsweise ein geringeres Reflexionsver- mögen aufweisen als der erste Resonatorspiegel 125. Der zweite Resonatorspiegel 130 kann ebenfalls ein wellenlängenabhängiges Reflexionsvermögen haben. Die erzeugte Laserstrahlung 135 kann über den zweiten Resonatorspiegel 130 ausgekoppelt werden. Al- ternativ kann der erste Resonatorspiegel 125 ein geringeres Reflexionsvermögen aufweisen als der zweite Resonatorspiegel 130. Beispielsweise kann die erzeugte Laserstrahlung 135 auch über den ersten Resonatorspiegel 125 ausgekoppelt werden.
Die Halbleiterschichtanordnung 112 umfasst eine erste Halb- leiterschicht 110 von einem ersten Leitfähigkeitstyp, bei- spielsweise vom p-Typ, sowie eine zweite Halbleiterschicht 120 von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise vom n-Typ. Weitere Halbleiterschichten können zwischen dem Substrat 100 und der ersten Halbleiterschicht 110 angeordnet sein. Bei- spielsweise können zusätzlich elektrische Kontaktelemente vor- gesehen sein, um an den Halbleiterlaser eine elektrische Span- nung anzulegen. Weiterhin können zusätzliche Halbleiterschich- ten und/oder isolierende Schichten über der zweiten Halb- leiterschicht 120 angeordnet sein.
Das Substrat 100 kann isolierend sein oder ein Halbleitermate- rial aufweisen. Die Halbleiterschichten können beispielsweise epitaktisch über dem Substrat 100 gewachsen werden. Eine akti- ve Zone 115 kann zwischen erster und zweiter Halbleiterschicht 110, 120 angeordnet sein. Die aktive Zone 115 kann beispiels- weise einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Ein- fach-Quantentopf-Struktur (SQW, single quantum well) oder eine Mehrfach-Quantentopf-Struktur (MQW, multi quantum well) zur Strahlungserzeugung aufweisen. Die Bezeichnung „Quantentopf- Struktur" entfaltet hierbei keine Bedeutung hinsichtlich der Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter an- derem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte sowie jede Kombination dieser Schichten.
Die aktive Zone 115 wird durch eine Schicht oder Schichtenfol- ge bereitgestellt, deren Hauptoberfläche senkrecht zu einer Erstreckungsrichtung des optischen Resonators 131 verläuft. Generell wird ein derartiger Halbleiterlaser als kantenemit- tierender Halbleiterlaser bezeichnet. Allerdings ist, wie spä- ter unter Bezugnahme auf die Figuren 5A bis 7C erläutert wer- den wird, auch bei einer derartigen Figuration möglich, elekt- romagnetische Strahlung über eine Hauptoberfläche 111 der Halbleiterschichtanordnung 112 zu emittieren.
Bei der in Fig. 1B gezeigten Anordnung sind drei Laserelemente 1271, 1212, 1273 übereinander angeordnet. Jedes der einzelnen Laserelemente weist eine erste Halbleiterschicht 110, eine zweite Halbleiterschicht 120 sowie eine aktive Zone 115 auf.
Die ersten Halbleiterschichten können dabei wieder jeweils vom ersten Leitfähigkeitstyp sein, und die zweiten Halbleiter- schichten 120 sind jeweils vom zweiten Leitfähigkeitstyp. Die einzelnen Laserelemente 1271, 1272 und 1273 sind jeweils über Verbindungsschichten 1281, 1282 miteinander verbunden. Die Ver- bindungsschichten 1281, 1282 können jeweils Tunnelübergänge sein, so dass eine elektrische Verbindung ermöglicht wird. Es ist selbstverständlich, dass auch mehr als 3 Laserelemente 1271, 1272 und 1273 gestapelt werden können.
Generell umfasst im Rahmen der vorliegenden Anmeldung der Be- griff „Tunnelübergang" eine Abfolge sehr hoch dotierter Halb- leiterschichten von einem ersten und einem zweiten Leitfähig- keitstyp. Beispielsweise kann eine erste hochdotierte Schicht des ersten Leitfähigkeitstyps angrenzend und in Kontakt mit der ersten Halbleiterschicht 110 des ersten Leitfähigkeitstyps des Laserelements 1271, 1272, 1273 angeordnet sein. Weiterhin kann eine zweite hochdotierte Schicht des zweiten Leitfähig- keitstyps angrenzend und in Kontakt mit der zweiten Halb- leiterschicht 120 des zweiten Leitfähigkeitstyps des Laserele- ments 1271, 1272, 1273 angeordnet sein. Optional können zusätz- lich Zwischenschichten zwischen den hochdotierten Schichten angeordnet sein. Die Abfolge von sehr hoch dotierten Schichten des ersten und zweiten Leitfähigkeitstyps sowie optional die Zwischenschicht stellen eine Tunneldiode dar. Unter Verwendung dieser Tunneldioden können die jeweiligen Laserelemente 1271, 1272 und 1273 in Reihe geschaltet werden.
Wie in Fig. 1A sind auch hier ein erster Resonatorspiegel 125 und ein zweiter Resonatorspiegel 130 vorgesehen. Ähnlich wie in Fig. 1A hat der erste Resonatorspiegel 125 ein spezielles wellenabhängiges Reflexionsvermögen. Die erzeugte elektromag- netische Strahlung 135 kann über den zweiten Resonatorspiegel 130 ausgekoppelt werden. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann der zweite Resonatorspiegel 130 auch ein größeres Reflexions- vermögen als der erste Resonatorspiegel haben. Beispielsweise kann die erzeugte elektromagnetische Strahlung 135 über den ersten Resonatorspiegel 125 ausgekoppelt werden. Gemäß weite- ren Ausführungsformen kann zusätzlich der zweite Resonator- spiegel 130 ein spezielles wellenlängenabhängiges Reflexions- vermögen haben.
Die im Rahmen der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Konzep- te sind auch auf Halbleiterlaser anwendbar, bei denen sich zu- mindest ein Teil des optischen Resonators 131 in einer Rich- tung parallel zu einer Hauptoberfläche 111 der Halbleiter- schichtanordnung 112 erstreckt, bei dem jedoch eine Emission der Strahlung 135 über die erste Hauptoberfläche 111 der Halb- leiterschichtanordnung 112 erfolgt.
Fig. 1C zeigt einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser mit einem parallel zur Hauptoberfläche 111 verlaufenden opti- schen Resonator 131 gemäß Ausführungsformen. Wie in Fig. 1C gezeigt ist, sind die Endflächen der Halbleiterschichtanord- nung 112 unter einem Winkel von 45° geätzt. Eine dielektrische Schicht 138 kann angrenzend an die schräg geätzten Seitenflan- ken aufgebracht sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann auch ein dielektrisches Trägersubstrat 100 direkt an die schräg geätzten Seitenflanken angrenzen. Aufgrund des Bre- chungsindexunterschiedes zwischen dem Halbleitermaterial der Halbleiterschichtanordnung 112 und der dielektrischen Schicht 138 findet an den Seitenflanken jeweils Totalreflexion statt. Als Ergebnis wirken die schrägen Flanken der Halbleiter- schichtanordnung 112 als spiegelnde Seitenflanken 137.
Ein erster und ein zweiter Resonatorspiegel 125, 130 sind je- weils über der ersten Hauptoberfläche 111 der Halbleiter- schichtanordnung 112 angeordnet. Das erzeugte Laserlicht wird jeweils durch den ersten Resona- torspiegel 125 und den zweiten Resonatorspiegel 130 in die Halbleiterschichtanordnung mit der aktiven Zone 115 reflek- tiert. In Fig. 1C sind mehrere Laserelemente 1271, 1272 und 1273 übereinandergestapelt und über Verbindungsschichten 1281, 1282 miteinander verbunden. Die Verbindungsschichten können wiederum Tunnelübergänge sein. Das Trägersubstrat 100 ist ent- sprechend der Form der Halbleiterschichtanordnung struktu- riert. Der zweite Resonatorspiegel 130 hat beispielsweise ein geringes Reflexionsvermögen als der erste Resonatorspiegel 125. In entsprechender Weise wird erzeugte elektromagnetische Strahlung 135 über die erste Hauptoberfläche 111 an der Posi- tion des zweiten Resonatorspiegels 130 ausgekoppelt.
Beispielsweise kann das Material der ersten und der zweiten Halbleiterschicht 110, 120 sowie der aktiven Zone auf dem AlGaAs- oder GaAs-Materialsystem basieren und AlGaAs- oder GaAs-Halbleiterschichten enthalten. In diesem Fall können die Verbindungsschichten 1281, 1282 einen Tunnelübergang, welcher hochdotiertes AlGaAs:Te/C enthält, aufweisen. Beispielsweise kann der Tunnelübergang mit Tellur oder mit Kohlenstoff do- tiertes AlGaAs oder mit Tellur oder mit Kohlenstoff dotiertes GaAs enthalten. Die Schichtdicke des Tunnelübergangs kann bei- spielsweise kleiner als λ/2 sein, wobei λ der effektiven Wel- lenlänge in dem entsprechenden Ausbreitungsmedium entspricht.
Gemäß Ausführungsformen, die in Fig. 1D veranschaulicht sind, kann auch der erste Resonatorspiegel 125 ein geringeres Refle- xionsvermögen als der zweite Resonatorspiegel 130 haben. Die erzeugte elektromagnetische Strahlung 135 kann über die erste Hauptoberfläche 111 an der Position des ersten Resonatorspie- gel 125 emittiert werden. Weitere Komponenten des Halbleiter- lasers in Fig. 1D sind ähnlich oder identisch zu denen, die unter Bezugnahme auf Fig. 1C beschrieben worden sind. Die im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beschriebenen Halb- leiterlaser können generell beispielsweise auf dem AlGaAs-, dem InAlGaAsP- oder dem InAlGaN-Materialsystem basieren.
Generell werden bei Halbleiter-Laserdioden durch elektrischen Stromfluss Ladungsträgerpaare in die aktive Zone injiziert.
Mit steigendem Strom steigt die Ladungsträgerdichte in der ak- tiven Zone und mit ihr wiederum das Maximum des Spektrums der optischen Verstärkung für das im Resonator der Laserdiode um- laufende Laserlicht. Die Laserschwelle wird erreicht, wenn der modale optische Gewinn im Maximum des Gewinnspektrums (Γ*gpeak) die internen Verluste αi und die Spiegel-Verluste αm kompen- siert: Γ*gpeak,th =αi+αm.
Der zugehörige Injektionsstrom ist der Schwellenstrom. Bei Strömen oberhalb der Laserschwelle bleibt bei konstanter Tem- peratur der aktiven Zone die Ladungsträgerdichte dort wegen der starken stimulierten Rekombination näherungsweise kon- stant. Allerdings erhöht sich die Temperatur der Laserdiode bei steigender Umgebungstemperatur und wegen der Verlustleis- tung des Lasers auch bei steigendem Strom. Üblicherweise sinkt der optische Gewinn bei gegebener Trägerdichte mit der Tempe- ratur ab, so dass sich die Laserschwelle (Schwellenstrom, Schwellenträgerdichte) mit steigender Temperatur erhöht.
Durch die Temperaturerhöhung und die erhöhte Trägerdichte ver- ringert sich üblicherweise die Bandlücke von Halbleitern, ver- ursacht durch verstärkte Wechselwirkung der Ladungsträger und veränderte Gitterkonstante des Halbleiterkristalls. Die spekt- rale Position des Gewinn-Maximums und damit die Emissionswel- lenlänge verschiebt sich dadurch zu größeren Wellenlängen. Der Grad der Verschiebung der Emissionswellenlänge mit der Temperatur hängt dabei von der Emissionswellenlänge oder Pho- tonenenergie ab. Beispielsweise gelten folgende Beziehungen für die Veränderung der Bandlücke oder der Emissionswellenlän- ge mit der Temperatur: dEg/dT=-0,4 meV/K. Damit ergibt sich über E=hc/λ dann dλ/dT=- λ2 /hc*dEg/dT.
Das Materialsystem wird entsprechend der zu erzielenden Emis- sionswellenlänge ausgewählt. Entsprechend ergibt sich ein Zu- sammenhang zwischen der Verschiebung der Emissionswellenlänge mit der Temperatur und dem verwendeten Materialsystem. Für Emissionswellenlängen in einem Bereich von 900 bis 1000 nm be- trägt dieser ca. 0,25 bis 0,32 nm/K. Üblicherweise wird für derartige Emissionswellenlängen das AlGalnAs-Materialsystem verwendet. Für Wellenlängen bei etwa 400 nm beträgt der Grad der Verschiebung der Emissionswellenlänge 0,05 nm/K. Üblicher- weise wird für derartige Emissionswellenlängen das InAlGaN- Materialsystem verwendet. Für Wellenlängen bei etwa 1250 nm beträgt der Grad der Verschiebung der Emissionswellenlänge 0,5 nm/K. Üblicherweise wird für diese Wellenlänge das InAlGaAsP- Materialsystem verwendet.
Fig. 2A veranschaulicht schematisch das wellenlängenabhängige Reflexionsvermögen R1 des ersten Resonatorspiegels 125. Wie in Fig. 2A veranschaulicht ist, fällt das Reflexionsvermögen R1 in einem Wellenlängenbereich von einer Zielwellenlänge λ0 bis λ0 + Δλ von einem Wert R0 ab. Dabei bezeichnet λ0 die Zielwel- lenlänge des Halbleiterlasers, und Δλ ist ein Maß für die Vari- ation der Wellenlänge über eine betrachtete Temperaturschwan- kung. Ist beispielsweise beabsichtigt, dass die Zielwellenlän- ge des Halbleiterlasers bei der Emissionswellenlänge bei T1, beispielsweise 20°C, liegt und der Halbleiterlaser in einem Temperaturbereich von T1 (20°C) bis T2, beispielsweise 60°C, Laserlicht konstanter Wellenlänge emittiert, so entspricht λ0 der Wellenlänge bei T1 (20°C). Δλ entspricht dem Unterschied zwischen der Emissionswellenlänge bei T2 (60°C) und der Emissi- onswellenlänge bei T1 (20°C). Weiterhin gilt für das Reflexi- onsvermögen R1(λ) mindestens eine der beiden folgenden Bezie- hungen:
(iii) R1(λ) < 0,3 * R0 für λ0 < λ < λ0 + Δλ ;
(iv) dRl/dλ < k /nm für λ = λ0 mit k ≤ -0,1%.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann k kleiner oder gleich -0,2% oder kleiner oder gleich -0,5 % sein.
In Fig. 2A ist beispielsweise die Beziehung (iv) realisiert, d.h. das Reflexionsvermögen R1 fällt bei λ0 steil ab.
Beispielsweise kann das Reflexionsvermögen für Wellenlängen kleiner λ0 in einem Bereich in der Nähe von λ0 ungefähr konstant sein. Gemäß Ausführungsformen kann das Reflexionsvermögen R0 = R1(λ0) ein lokales Maximum darstellen. Gemäß weiteren Ausfüh- rungsformen kann R0 = R1(λ0) auch einen Sattelpunkt darstellen oder ein beliebiger Punkt des Verlaufs des Reflexionsvermögens R1 sein, beispielsweise in einer Abwärtsflanke des Reflexions- vermögens R1 liegen.
Gemäß Ausführungsformen kann der erste Resonatorspiegel auch das in Fig. 2B dargestellte Reflexionsvermögen haben. Bei- spielsweise kann das wellenlängenabhängige Reflexionsvermögen zunächst ansteigen und sodann wieder abfallen. Genauer gesagt ist das wellenlängenabhängige Reflexionsvermögen - anders als in Fig. 2A gezeigt - nicht konstant bis zur Wellenlänge λ0, son- dern es steigt zunächst bis zu einem Maximalwert R0 an. Die Wellenlänge λ, bei der das Reflexionsvermögen R1 einen lokalen Maximalwert hat, entspricht der Zielwellenlänge λ0 des Lasers. Für eine Wellenlänge größer als λ0 fällt das Reflexionsvermögen des Resonatorspiegels von seinem lokalen Maximalwert Rmax ab.
Wie später noch ausführlicher erläutert werden wird, ist es nicht erforderlich, dass das Reflexionsvermögen des Resonator- spiegels streng monoton abnimmt. Beispielsweise schiebt die Emissionswellenlänge eines Lasers bei zunehmender Temperatur mit einer Rate von 0,3 nm/K in Abhängigkeit von der Emissions- wellenlänge. Dies ist in Fig. 2A mit dem mit v0 bezeichneten Pfeil veranschaulicht. Die Zielwellenlänge, also diejenige Wellenlänge, die von dem Laser zu erreichende Wellenlänge, ist in den Fig. 2A und 2B mit λ0 bezeichnet. Diese entspricht ide- alerweise der Wellenlänge, bei der das Reflexionsvermögen R1 einen Knick hat. Beispielsweise kann R0 größer als 10 % sein. Beispielsweise kann R0 größer als 30 oder 40 % sein.
Dadurch, dass im Fall der Fig. 2A beispielsweise das Reflexi- onsvermögen bei größeren Wellenlängen abnimmt, wird für elekt- romagnetische Strahlung mit größeren Wellenlängen die entspre- chende Mode unterdrückt, so dass die Mode bei λ0 am meisten verstärkt wird. Auf diese Weise lässt sich eine Temperatursta- bilität des Lasers sicherstellen.
In analoger Weise kann gemäß Fig. 2B das Reflexionsvermögen für Wellenlängen kleiner als λ0 mit der Wellenlänge zunehmen. Auch bei dieser Ausgestaltung des Reflexionsvermögens wird insbesondere diejenige Lasermode mit maximalem Reflexionsver- mögen bevorzugt, so dass eine Stabilisierung der Emissionswel- lenlänge stattfindet. Aufgrund der speziellen Charakteristik, die in Fig. 2B dargestellt ist, kann trotz zunehmender Tempe- ratur und Temperaturdrift der Wellenlänge die Emissionswellen- länge stabilisiert werden. Wie in den Fig. 2A und 2B gezeigt ist, kann das Reflexionsver- mögen des ersten Spiegels linear mit einer gewissen Steilheit von seinem Maximalwert R0 abfallen. Gemäß weiteren Ausfüh- rungsformen kann das Reflexionsvermögen auch nicht-linear ab- fallen. Dies wird insbesondere in den Figuren 3C und 3D noch genauer diskutiert werden. Auf diese Weise wird eine Begren- zung des Reflexionsvermögens bewirkt, durch die bei diesen Wellenlängen die Schwelle für die Entstehung von Laserstrah- lung erhöht wird.
Gemäß Ausführungsformen kann das in Fig. 2A und 2B dargestell- te Reflexionsvermögen das Reflexionsvermögen des ersten Re- sonatorspiegels 125 sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das in den Fig. 2A und 2B dargestellte Reflexionsvermögen auch das kombinierte Reflexionsvermögen sein und dem Produkt des Reflexionsvermögens R1 des ersten Resonatorspiegels 125 und des Reflexionsvermögens R2 des zweiten Resonatorspiegels 130 entsprechen.
Fig. 3A veranschaulicht weitere Ausführungsformen, bei denen beispielsweise der erste Resonatorspiegel ein ansteigendes Re- flexionsvermögen R1 bis zu einem ersten lokalen Maximalwert hat und der zweite Resonatorspiegel ein zunächst konstantes und später abfallendes Reflexionsvermögen aufweist. Die obere Figur im linken Teil von Fig. 3A veranschaulicht den Verlauf des Reflexionsvermögens R1 des ersten Resonatorspiegels 125 in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Das Reflexionsvermögen steigt zunächst an, so dass bei λ3 noch nicht das Maximum er- reicht ist. Bei λ4 ist das Maximum des Reflexionsvermögens er- reicht. Für Wellenlängen größer als λ4 ist das Reflexionsvermö- gen konstant.
Der untere Teil von Fig. 3A zeigt den Verlauf des Reflexions- vermögens R2 des zweiten Resonatorspiegels in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Hier ist das Reflexionsvermögen zunächst kon- stant und fällt bei einer Wellenlänge, die zwischen λ3 und λ4 liegt, ab. Das Reflexionsvermögen ist jeweils derart gestal- tet, dass für beide Resonatorspiegel die Bereiche zwischen λ3 und λ4, in dem das erste und das zweite Reflexionsvermögen je- weils ein lokales Maximum haben, miteinander überlappen.
Als Ergebnis ergibt sich für das Gesamtsystem das im rechten Teil der Fig. 3A dargestellte Reflexionsvermögen. Das Reflexi- onsvermögen R der Kombination aus erstem und zweitem Resona- torspiegel ist derart beschaffen, dass bei der Zielwellenlänge λ0 das Maximum des Reflexionsvermögens R0 vorliegt. In ähnli- cher Weise wie unter Bezugnahme auf Fig. 2B beschrieben, wird auf diese Weise die Wellenlänge des Halbleiterlasers stabili- siert. Das Reflexionsvermögen R der Kombination aus erstem und zweitem Resonatorspiegel entspricht dem Produkt des Reflexi- onsvermögens R1 des ersten Resonatorspiegels 125 und des zwei- ten Reflexionsvermögens R des zweiten Resonatorspiegels 130. Der erste oder der zweite Resonatorspiegel 125, 130 kann je- weils der Auskoppelspiegel sein.
Fig. 3B zeigt ein Beispiel eines Reflexionsvermögens eines ersten Resonatorspiegels 125 in einem Halbleiterlaser 10 gemäß weiteren Ausführungsformen. Wie zu sehen ist, fällt das Refle- xionsvermögen von einem lokalen Maximum zwischen 910 und 925 nm lokal stark ab bis zu einem Minimum zwischen 940 und 950 nm. Auf diese Weise wird die Emissionswellenlänge des Halb- leiterlasers in dem Bereich zwischen 910 und 925 nm stabili- siert. Das Reflexionsvermögen in dem betrachteten Bereich ist kleiner als 1 %. Entsprechend stellt der erste Resonatorspie- gel 125 hier den Auskoppelspiegel dar. Wie weiterhin in Fig.
3B zu sehen ist, ist das Reflexionsvermögen des ersten Resona- torspiegels beispielsweise für 1000 nm oder für 850 nm größer als in dem Wellenlängenbereich zwischen 910 und 925 nm. Da das Maximum des Gewinns allerdings in dem betrachteten Temperatur- bereich in dem Wellenlängenbereich zwischen 900 und 950 nm liegt, beeinflusst das in den außerhalb dieses Wellenlängenbe- reich liegende größere Reflexionsvermögen die Emissionswellen- länge des Halbleiterlasers nicht. Der Zusammenhang von wellen- längenabhängigem Gewinn und Reflexionsvermögen wird später de- taillierter beschrieben werden.
Fig. 3C veranschaulicht Reflexionseigenschaften von Resonator- spiegeln gemäß weiteren Ausführungsformen. Die dargestellten Reflexionseigenschaften können dabei das Reflexionsvermögen des ersten Resonatorspiegels oder aber auch das kombinierte Reflexionsvermögen beider Resonatorspiegel innerhalb des Re- sonators sein. Beispielsweise kann das Reflexionsvermögen das Produkt der Reflexionsvermögen beider Resonatorspiegel sein, also R = R1 oder R = R1 * R2. An der Zielwellenlänge gilt, dass die Ableitung des Reflexionsvermögens R nach der Wellenlänge kleiner als 0 ist, d.h. dass das Reflexionsvermögen für Wel- lenlängen, die größer als die Zielwellenlänge sind, zumindest vorübergehend abnimmt. Das Reflexionsvermögen nimmt insbeson- dere in einem Bereich von der Zielwellenlänge λ0 bis zu einer Wellenlänge λ0 + Δλ ab. Beispielsweise gilt R(λ0) > R(λ0+Δλ). Δλ hängt dabei vom verwendeten Materialsystem ab. Beispielsweise kann für das GaAs-Materialsystem Δλ 20 nm oder 30 nm sein. Wie zuvor diskutiert, ist es nicht erforderlich, dass das Reflexi- onsvermögen streng monoton abnimmt.
Beispielsweise kann die Steigung einer Tangente im Bereich der Zielwellenlänge, also dR/dλ (λ0) < -0,03/nm sein, das Gefälle kann also größer als 3 % sein. Gemäß weiteren Ausführungsfor- men kann gelten: dR/dλ (λ0) < -0,05/nm oder dR/dλ (λ0) < -0,07/nm. Das Gefälle kann also größer als 5 % oder sogar größer als 7 % sein.
Zusätzlich kann der Verlauf des Reflexionsvermögens in einem Bereich von λ0 bis λ0 + Δλ unterhalb eines der beiden folgenden Verläufe für R liegen. a) R (λ) < 0,3 * R0 für λ0 < λ < λ0 + Δλ ; b) dR/dλ < -g * R(λ)/nm für λ = λ0 wobei g ≥ 0,03, beispielsweise g ≥ 0,05 oder g ≥ 0,07.
Beispielsweise kann in Fig. 3C das kombinierte Reflexionsver- mögen R = R1*R2 oder auch R = R1 betrachtet werden, und R0 kann größer als 8 %, beispielsweise größer oder gleich 10 % sein.
In Fig. 3C sind diese Obergrenzen a), b) des Reflexionsvermö- gens als Beispiele für Verläufe des wellenlängenabhängigen Re- flexionsvermögens für verschiedene Werte von g dargestellt.
Generell wirkt sich ein sehr starkes Gefälle an der Zielwel- lenlänge sehr positiv auf die Temperaturstabilität aus. Ein Verlauf des Reflexionsvermögens, der der Sprung- oder Stufen- funktion an der Stelle λ = λ0 möglichst stark angenähert ist, führt zu einer großen Temperaturstabilität der Emissionswel- lenlänge. Auf diese Weise wird die Reflexion und damit die Ausbreitung von Licht mit Wellenlängen größer als λ0 stark un- terdrückt. Als Folge kann die Wellenlänge besonders wirkungs- voll stabilisiert werden.
Wie angedeutet, hängt der betrachtete Wellenlängenbereich um die Zielwellenlänge λ0 + Δλ von der Zielwellenlänge ab. Genauer gesagt, kann für jedes Materialsystem als Materialparameter die Wellenlängenverschiebung der Verstärkung in Abhängigkeit von der Temperatur zugrunde gelegt werden, um die maximale Wellenlängenverschiebung der Emissionswellenlänge bei einer angenommenen Temperaturdifferenz, beispielsweise 80 K, zu er- halten. Hieraus lässt sich dann Δλ ermitteln.
Für Laserdioden, die beispielsweise im roten bis nahen Infra- rotbereich emittieren, wird bei kantenemittierenden Halblei- ter-Lasern beispielsweise eine Wellenlängenverschiebung von etwa 0,3 nm/K zugrunde gelegt. Entsprechend führt eine Tempe- raturveränderung von 80 K zu einer Wellenlängenverschiebung von 24 nm, so dass Δλ im Bereich von 20 bis 30 nm liegt. Bei- spielsweise können diese Laserdioden auf dem AlGalnAs- Materialsystem basieren.
Für Laserdioden, die im grünen oder blauen Wellenlängenbereich emittieren, wird bei kantenemittierenden Halbleiter-Lasern ei- ne Wellenlängenverschiebung von 0,05 nm/K zugrunde gelegt. Entsprechend führt eine Temperaturveränderung von 80 K zu ei- ner Wellenlängenverschiebung von 4 nm. Hier kann Δλ in einem Bereich von 5 bis 10 nm liegen. Beispielsweise können diese Laserdioden auf dem InGaN-Materialsystem basieren.
Für Laserdioden, die im nahen bis mittlere Infrarotbereich, beispielsweise bis etwa 1550 nm emittieren, wird bei kanten- emittierenden Halbleiter-Lasern eine Wellenlängenverschiebung von 0,5 nm/K zugrunde gelegt. Entsprechend führt eine Tempera- turverschiebung von 80 K zu einer Wellenlängenverschiebung von 40 nm. Hier kann Δλ in einem Bereich von 40 bis 50 nm liegen. Beispielsweise können diese Laserdioden auf dem InP- Materialsystem basieren.
Fig. 3D zeigt den Verlauf der Emissionswellenlänge in Abhän- gigkeit von der Temperatur. Wie hier gezeigt ist, führt ein besonders großer Wert von g, d.h. ein besonders starkes Gefäl- le an der Stelle λ = λ0 zu einer geringeren Schwankung der Emissionswellenlänge mit der Temperatur.
Gemäß Ausführungsformen kann der Spiegel mit dem wellenlängen- abhängigen Reflexionsvermögen durch einen Bragg-Spiegel, der eine Vielzahl von dünnen dielektrischen oder Halbleiterschich- ten aufweist, realisiert werden.
Generell umfasst der Begriff „Bragg-Spiegel" jegliche Anord- nung, die einfallende elektromagnetische Strahlung reflektiert und dielektrische oder Halbleiterschichten aufweist. Der Bragg-Spiegel kann aus dielektrischen oder Halbleiterschichten zusammengesetzt sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann er zusätzliche Metallschichten aufweisen. Beispielsweise kann der Bragg-Spiegel durch eine Abfolge von sehr dünnen dielektri- schen oder Halbleiterschichten mit jeweils unterschiedlichen Brechungsindizes ausgebildet werden. Auch eine Mischung aus dielektrischen und Halbleiterschichten ist möglich. Beispiels- weise können die Schichten abwechselnd einen hohen Brechungs- index (beispielsweise n>1,7) und einen niedrigen Brechungsin- dex (beispielsweise n<1,7) haben. Beispielsweise kann die Schichtdicke eines Schichtpaars λ/4 betragen, wobei λ die Wel- lenlänge des zu reflektierenden Lichts in dem jeweiligen Medi- um angibt. Die vom einfallenden Licht her zuerst gesehene Schicht kann eine größere Schichtdicke, beispielsweise 3λ/4 ha- ben. Aufgrund der geringen Schichtdicke und des Unterschieds der jeweiligen Brechungsindizes stellt der Bragg-Spiegel ein hohes wellenlängenabhängiges Reflexionsvermögen bereit. Ein Bragg-Spiegel kann beispielsweise 2 bis 50 dielektrische oder Halbleiterschichten aufweisen. Eine typische Schichtdicke der einzelnen Schichten kann etwa 30 bis 90 nm, beispielsweise et- wa 50 nm betragen. Der Schichtstapel kann weiterhin eine oder zwei oder mehrere Schichten enthalten, die dicker als etwa 180 nm, beispielsweise dicker als 200 nm sind.
Gemäß weiteren Ausführungsformen können die Schichten des Bragg-Spiegels auch durch epitaktische Halbleiterschichten und gegebenenfalls mit zusätzlichen Metallschichten realisiert sein.
Materialien des Resonatorspiegels mit wellenlängenabhängigem Reflexionsvermögen können beispielsweise A10, TaO, SiO, TiO, A1N, SiN, Si, NbO, ITO, ZnO, Ag und Al sowie InAlGaAsP, InAl- GaN, ZnSe als Halbleitermaterialien enthalten. Dabei werden Abfolge, Zusammensetzung und Schichtdicke der jeweiligen Schichten derart ausgewählt, dass ein gewünschtes Reflexions- vermögen realisiert wird.
Gemäß Ausführungsformen kann auch der zweite Resonatorspiegel 130 als Bragg-Spiegel realisiert sein. Zusammensetzung, Abfol- ge und Schichtdicke der einzelnen Schichten des zweiten Re- sonatorspiegels können derart ausgewählt sein, dass auch der zweite Resonatorspiegel ein wellenlängenabhängiges Reflexions- vermögen hat. Gemäß weiteren Ausführungsformen können Zusam- mensetzung, Abfolge und Schichtdicke der einzelnen Schichten des zweiten Resonatorspiegels auch so ausgewählt sein, dass der zweite Resonatorspiegel kein wellenlängenabhängiges Refle- xionsvermögen hat.
Wie vorstehend beschrieben worden ist, kann durch eine spezi- elle Ausgestaltung des Reflexionsvermögens des ersten und ge- gebenenfalls zweiten Resonatorspiegels eine verbesserte Tempe- raturstabilität der Emissionswellenlänge erreicht werden. Bei- spielsweise kann es sinnvoll sein, dass das Reflexionsvermögen in einem bestimmten Wellenlängenbereich steil abfällt. Fig. 4A zeigt eine schematische Darstellung des Verlaufs des kombinierten Reflexionsvermögens R, das dem Produkt des Refle- xionsvermögens des ersten Resonatorspiegels 125 und des zwei- ten Resonatorspiegels 130 entsprechen kann. Unter der Annahme, dass das Reflexionsvermögen des zweiten Resonatorspiegels im Wesentlichen konstant ist, kann das kombinierte Reflexionsver- mögen R auch dem Reflexionsvermögen des ersten Resonatorspie- gels entsprechen. Wie zu sehen ist, nimmt das Reflexionsvermö- gen bei der Wellenlänge λ5 stark zu und fällt bei der Wellen- länge λ6 stark ab. Die starke Abnahme des Reflexionsvermögens bei der Wellenlänge λ6 kann beispielsweise durch eine entspre- chende Ausgestaltung des ersten Resonatorspiegels als Bragg- Spiegel verursacht werden.
Gemäß Ausführungsformen kann der erste Resonatorspiegel 125 als Bragg-Spiegel ausgeführt sein und mindestens eine epitak- tisch gewachsene Halbleiterschicht aufweisen.
Diese Halbleiterschicht kann geeignet sein, elektromagnetische Strahlung mit einem Wellenlängenbereich, der kleiner als die Zielwellenlänge λ0 des Halbleiterlasers ist, zu absorbieren. Die Halbleiterschicht kann somit eine absorbierende Schicht 129 sein. Auf diese Weise lässt sich die steile Flanke des Re- flexionsvermögens auf der Seite kleinerer Wellenlängen reali- sieren.
Fig. 4B zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Halbleiterlasers 10 mit horizontalem Resonator. Bei dem Halb- leiterlaser 10 erfolgt eine Emission der erzeugten elektromag- netischen Strahlung 135 über die erste Hauptoberfläche 111 der Halbleiterschichtanordnung . Wie zu sehen ist, ist der erste Resonatorspiegel 125 als Bragg-Spiegel ausgeführt, wobei der Bragg-Spiegel mindestens eine absorbierende Schicht 129 ent- hält, welche eine epitaktisch gewachsene Halbleiterschicht aufweist. Der erste Resonatorspiegel 125 kann mehrere absor- bierende Schichten 129 enthalten. Diese können dasselbe oder jeweils unterschiedliche Halbleitermaterialien enthalten. Der zweite Resonatorspiegel 130 kann in derselben Weise oder an- ders aufgebaut sein. Die erzeugte elektromagnetische Strahlung 135 kann über den ersten oder den zweiten Resonatorspiegel 125, 130 ausgekoppelt werden.
Fig. 4C zeigt ein Beispiel eines Halbleiterlasers 10, bei dem eine Emission der erzeugten elektromagnetischen Strahlung 135 über Seitenflächen 116 der Halbleiterschichtanordnung 112 er- folgt. Auch in diesem Fall kann der erste und gegebenenfalls der zweite Resonatorspiegel 125, 130 als Bragg-Spiegel ausge- führt sein. Der erste und gegebenenfalls der zweite Resonator- spiegel 125, 130 kann zusätzlich eine absorbierende Schicht 129 enthalten, welche eine epitaktisch gewachsene Halbleiter- schicht aufweist. Der erste Resonatorspiegel 125 kann mehrere absorbierende Schichten 129 enthalten. Diese können dasselbe oder jeweils unterschiedliche Halbleitermaterialien enthalten. Der zweite Resonatorspiegel 130 kann in derselben Weise oder anders aufgebaut sein. Die erzeugte elektromagnetische Strah- lung 135 kann über den ersten oder den zweiten Resonatorspie- gel 125, 130 ausgekoppelt werden.
Bei den beschriebenen Ausführungsformen kann das Halbleiterma- terial der absorbierenden Schicht 129 beispielsweise ein III- V-Halbleitermaterial, beispielsweise des AlGalnP- oder des AlInGaAs-Materialsystems umfassen. Durch Einstellen des Zusam- mensetzungsverhältnisses lassen sich die Bandlücke und damit der absorbierte Wellenlängenbereich einstellen. Gemäß weiteren Ausrührungsformen kann die absorbierende Schicht 129 auch GaSb enthalten. Die absorbierende Schicht kann als Quantentopf- Schicht, beispielsweise als Einzel- oder Mehrfachquantentopf- schicht ausgeführt sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die absorbierende Schicht 129 auch Volumen-Halbleitermaterial enthalten. Beispielsweise kann jede zweite Schicht des Bragg- Spiegels ein Halbleitermaterial enthalten und als absorbieren- de Schicht 129 realisiert sein. Beispielsweise kann diejenige Schicht des Bragg-Spiegels, die auf der Seite der Halbleiter- schichtanordnung 112 angeordnet ist, eine absorbierende Schicht 129 sein. Gemäß den beschriebenen Ausführungsformen kann die Halbleiterschicht dotiert oder undotiert sein. Gemäß Ausführungsformen kann der Bragg-Spiegel sowohl dotierte als auch undotierte Halbleiterschichten enthalten. Beispielsweise kann durch Dotieren der Halbleiterschichten der Brechungsindex der Halbleiterschichten weiter verändert werden, so dass Bre- chungsindexunterschiede der Halbleiterschichten entsprechend den zu erzielenden Eigenschaften des Bragg-Spiegels einstell- bar sind. Gemäß Ausführungsformen kann eine Schichtdicke der absorbierenden Schicht etwa λ0/4 entsprechen, wobei λ0 der Ziel- wellenlänge des Halbleiterlasers entsprechen kann. Gemäß wei- teren Ausführungsformen kann die Schichtdicke der absorbieren- den Schicht in einem Bereich von (λ0 _Δλ)/4 bis (λ0+Δλ)/4 lie- gen, wobei Δλ der Veränderung der Emissionswellenlänge im be- trachteten Temperaturbereich entsprechen kann.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann der erste Resonatorspie- gel 125 als Bragg-Spiegel mit dem speziellen Reflexionsverhal- ten ohne absorbierende Schicht 129 ausgeführt sein. Weiterhin kann der zweite Resonatorspiegel 130 als Bragg-Spiegel ausge- führt sein und eine absorbierende Schicht 129 enthalten. In diesem Fall kann sich der Effekt ergeben, dass der zweite Re- sonatorspiegel 130 ebenfalls ein wellenlängenabhängiges Refle- xionsvermögen zeigt. Durch Anwesenheit der absorbierenden Schicht 129 wird jedoch der nicht reflektierte Teil der Strah- lung durch den zweiten Resonatorspiegel 130 absorbiert und beispielsweise nicht im Gehäuse des Halbleiterlasers. Fig. 5A zeigt ein Beispiel eines Reflexionsvermögens eines Re- sonatorspiegels in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Wie zu sehen ist, gibt es einen Wellenlängenbereich 161, in dem das Reflexionsvermögen so groß ist, dass ein Laserbetrieb des zu- gehörigen Halbleiterlasers möglich ist. Der Resonatorspiegel ist als Bragg-Spiegel mit 9 Bragg-Paaren und einem dielektri- schen Material mit einem Brechungsindex von 3,5 und 3,0 für benachbarte Schichten ausgeführt.
Fig. 5B zeigt ein Beispiel des Reflexionsvermögens eines Re- sonatorspiegels, der als Bragg-Spiegel ausgeführt ist und eine absorbierende Schicht 129 wie vorstehend beschrieben aufweist. Werden nun der Resonatorspiegel, dessen Reflexionsvermögen in Fig. 5A gezeigt ist, mit dem Resonatorspiegel, dessen Reflexi- onsvermögen in Fig. 5B gezeigt ist, in einem Halbleiterlaser kombiniert, so ergibt sich das in Fig. 5C gezeigte Reflexions- vermögen.
Wie zu sehen ist, wird elektromagnetische Strahlung der Wel- lenlänge kleiner als λ3 absorbiert. Als Ergebnis wird ein Re- flexionsvermögen erhalten mit einem relativ kleinen Wellenlän- genbereich, in dem das Reflexionsvermögen für den Laserbetrieb ausreichend ist. Als Ergebnis kann die Emissionswellenlänge des Halbleiterlasers besonders wirksam begrenzt werden.
Als Ergebnis lässt sich ein schmales und sehr definiertes wel- lenlängenabhängiges Reflexionsvermögen realisieren. Dadurch lässt sich ein Laser-Betrieb in einem vorgegebenen Wellenlän- genbereich erzielen.
Wie beschrieben worden ist, ist es möglich, mit einem Resona- torspiegel, der ein wellenabhängiges Reflexionsvermögen auf- weist, einen Halbleiterlaser stabil auf eine Zielwellenlänge einzustellen. Wie im Folgenden erläutert werden wird, können verschiedene Halbleiterlaser mit demselben Reflexionsvermögen des ersten Resonatorspiegels unterschiedliche Ergebnisse hervorbringen, die auf das unterschiedliche Zusammenspiel zwischen Gewinn- spektrum und Reflexionsvermögen zurückzuführen sind.
Generell gilt an der Laser-Schwelle mit Lasingemissionswellen- länge λlase folgende Bedingung:
Γ (λlase,T)*g(λlase,T)(th) = αi(λlase,T)+ α m(λlase,T)
Hier bezeichnet g(th) den Material-Gewinn an der Laser- Schwelle, Γ den Confinement-Faktor, αi die intrinsischen Ver- luste und αm die Spiegelverluste mit
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Die Verlustkurve ist gegebenenfalls auch temperaturabhängig.
Da diese Änderung in der Regel aber vergleichbar niedrig ist wird sie für die folgende Erklärung vernachlässigt.
Fig. 6A veranschaulicht in Kurve (1) das Reflexionsvermögen eines Resonatorspiegels, welches in nur geringem Maße von der Wellenlänge abhängt. Kurve (2) zeigt das Reflexionsvermögen eines Resonatorspiegels, welches stark mit zunehmender Wellen- länge abfällt.
Fig. 6B veranschaulicht mit durchgezogener Linie die Verluste eines Lasers mit dem mit (1) in Fig. 6A bezeichneten Reflexi- onsvermögen. Da dieses nur geringfügig mit zunehmender Wellen- länge abnimmt, nehmen die Verluste mit zunehmender Wellenlänge nur geringfügig zu.
Mit gestrichelter Linie ist das Produkt Γ*g(λ,T) für verschie- dene Temperaturen und fast gleichbleibender Stromstärke darge- stellt. Mit zunehmender Temperatur schiebt die Gainkurve samt Gainpeak zu größeren Wellenlängen. An der Laserschwelle nimmt das Produkt Γ*g(λ,T) den Wert αi+ αm an.
Die Kurven (1) bis (3) in Fig. 6B zeigen das Produkt Γ*g(λ,T) jeweils für zunehmende Temperaturen. Bei den dargestellten Kurven wird die Laserbedingung für jeweils unterschiedliche Wellenlängen erreicht. Wie zu sehen ist, schiebt die Emissi- onswellenlänge mit zunehmender Temperatur stark.
Fig. 6C veranschaulicht mit durchgezogener Linie die Verluste eines Lasers mit dem mit (2) in Fig. 6A bezeichneten Reflexi- onsvermögen. Da dieses mit zunehmender Wellenlänge sehr stark abfällt, nehmen die Verluste mit zunehmender Wellenlänge sehr stark zu.
Mit gestrichelter Linie ist das Produkt Γ*g(λ,T) für verschie- dene Temperaturen und Ströme (also Ladungsträgerdichten) dar- gestellt. Mit zunehmender Temperatur schiebt die Gainkurve samt Gainpeak zu größeren Wellenlängen. An der Laserschwelle nimmt das Produkt Γ*g(λ,T) den Wert αi+ αm an. Die Laserschwel- le ist erfüllt, wenn die gestrichelte Kurve, die Produkt Γ*g(λ,T) angibt, die Verlustkurve αi+ αm berührt.
Die Kurven (1) bis (3) in Fig. 6C zeigen das Produkt Γ*g(λ,T) jeweils für zunehmende Temperaturen. Bei den dargestellten Kurven wird die Laserbedingung für jeweils unterschiedliche Wellenlängen erreicht. Da jedoch die Verluste mit zunehmender Wellenlänge stark zunehmen, wird die Laserschwelle bereits bei kleineren Wellenlängen als derjenigen Wellenlänge, an der der Gainpeak vorliegt erreicht. Entsprechend schiebt die Emissi- onswellenlänge mit zunehmender Temperatur weniger stark als in Fig. 6B dargestellt. Fig. 6D veranschaulicht mit durchgezogener Linie die Verluste eines Lasers. Die Verluste haben im Wellenlängenbereich von λ6 bis λ7 ein Minimum. Diese sind auf entsprechende Maximalwerte des Reflexionsvermögens des ersten und zweiten Resonatorspie- gels zurückzuführen. Mit gestrichelter Linie ist das Produkt Γ*g(λ,T) für verschiedene Temperaturen und Ströme (also La- dungsträgerdichten) dargestellt. Mit zunehmender Temperatur schiebt die Gainkurve samt Gainpeak zu größeren Wellenlängen.
An der Laserschwelle nimmt das Produkt Γ*g(λ,T) den Wert αi+ αm an.
Die Kurven (1) bis (5) in Fig. 6D zeigen das Produkt Γ*g(λ,T) jeweils für zunehmende Temperaturen und Ströme. In Fig. 6D ist in Kurve (1) bei Temperatur T1 und in Kurve (2) bei Temperatur T2 die Laserschwelle noch nicht erreicht. In Kurve (3) bei Tem- peratur T3 erfolgt eine Laseremission bei der Wellenlänge λ0 = λ7. Steigt die Temperatur nun weiter auf T4 an, so erfolgt, wie durch Kurve (4) dargestellt aufgrund der speziellen Form des Verlaufs von Γ*g(λ,T4) die Emission weiterhin bei der Wel- lenlänge λ0 = λ7. Insbesondere bleibt die Emissionswellenlänge stabil sofern die Verlustkurve ( αi+ αm )(λ,T) stärker ansteigt als die Gainkurve Γ*g(λ,T).Als Ergebnis wird die Schwellbedin- gung nicht zwangsläufig bei der Wellenlänge des Gainpeaks son- dern bei λ0 stabilisiert. Auch gemäß Kurve (5) bei Temperatur T5 bleibt die Emissionswellenlänge stabil.
Je breiter das Gainspektrum, desto eher wird also die Schwell- bedingung (unabhängig von der Temperatur) abseits des Gain- peaks und in der Nähe oder an der Zielwellenlänge erreicht.
Ist hingegen das Gainspektrum schmäler, so ist der Gainpeak bei einer niedrigeren Ladungsträgerdichte zwar höher und die Schwelle wird bei einer niedrigeren Stromstärke erreicht. Um- gekehrt erfährt dadurch aber auch nur ein schmälerer Spektral- bereich Verstärkung.
Dies ist in Fig. 6E veranschaulicht. Hier ist angenommen, dass der Halbleiterlaser einen ersten Resonatorspiegel mit demsel- ben Reflexionsvermögen wie dem Reflexionsvermögen des Resona- torspiegels des Halbleiterlasers, dessen Eigenschaften unter Bezugnahme auf Fig. 6D diskutiert worden sind, aufweist. Bei- spielsweise sind der erste Resonatorspiegel, der für Fig. 6D verwendet wurde, und der erste Resonatorspiegel, der für Fig.
6E verwendet wurde, identisch. Anders als in dem bei Fig. 6D diskutierten Fall weist hier der Halbleiterlaser ein schmale- res Gainspektrum auf.
Die Kurven (1) bis (5) in Fig. 6E zeigen ebenfalls das Produkt Γ*g(λ,T) jeweils für zunehmende Temperaturen und Ströme. In Fig. 6E ist in Kurve (1) bei Temperatur T1 und in Kurve (2) bei Temperatur T2 die Laserschwelle noch nicht erreicht. In Kurve (3) bei Temperatur T3 erfolgt eine Laseremission bei der Wel- lenlänge λ0 = λ7 · Steigt die Temperatur nun weiter auf T4 an, so erfolgt, wie durch Kurve (4) dargestellt aufgrund der speziel- len Form des Verlaufs von Γ*g(λ,T4) die Emission nunmehr bei einer Wellenlänge λ > λ7. Da die Verlustkurve ( αi+ αm )(λ,T) weniger stark ansteigt als die Gainkurve Γ*g(λ,T), schiebt die Emissionswellenlänge zu größeren Wellenlängen.Als Ergebnis wird die Schwellbedingung in Richtung der Wellenlänge des Gainpeaks, d.h. des maximalen Gewinns verschoben. Gemäß Kurve (5) findet bei Temperatur T5 Laseremission bei deutlich größe- ren Wellenlänge statt. Die Wellenlängenstabilisierung greift durch die schmalere Gewinnnbandbreite nur in einem kleineren Temperaturbereich als in Fig. 6D.
Als Folge bleibt die Emissionswellenlänge unabhängig von der Verlustkurve immer nahe der Gainpeakwellenlänge. Als Ergebnis V erändert sich die Emissionswellenlänge stärker mit der Tempe- ratur.
Zum Vergleich zeigt Fig. 6F eine Darstellung, bei der die durch eine durchgezogene Linie dargestellte Kurve von αi+ αm aufgrund eines anderen Verhaltens des Reflexionsvermögens des ersten Resonatorspiegels weniger steile Flanken hat. Die Ver- luste haben im Wellenlängenbereich von λ6 bis λ7 ein Minimum. Diese sind wieder auf entsprechende Maximalwerte des Reflexi- onsvermögens des ersten und zweiten Resonatorspiegels zurück- zuführen. Mit gestrichelter Linie zeigen die Kurven (1) bis (3) das Produkt Γ*g(λ,T) für jeweils zunehmende Temperaturen und Ströme dargestellt. Mit zunehmender Temperatur schiebt Γ*g(λ,T) zu größeren Wellenlängen. In Fig. 6F ist in Kurve (1) bei Temperatur T1 die Laserschwelle noch nicht erreicht. In Kurve (2) bei Temperatur T2 ist die Laserschwelle erreicht, und das Produkt Γ*g(λ,T) nimmt den Wert αi+ αman.DaΓ*g(λ,T) für nachfolgende Temperaturen weiter in den langwelligen Bereich schiebt und die Steigung des Gewinnverlaufs steiler als die Steigung des Verlusts αi+ αm ist, nimmt die Emissionswellen- länge mit zunehmender Temperatur trotzdem zu.
Daher ist gemäß Ausführungsformen zusätzlich die Steilheit der Verlustkurve im Vergleich zur Gainkurve für eine Stabilisie- rung der Lasingwellenlänge unter Veränderung der Temperatur zu berücksichtigen .
Gemäß Ausführungsformen kann bei dem Halbleiterlaser eine Sum- me von intrinsischen Verlusten des Halbleiterlasers und durch den ersten und den zweiten Resonatorspiegel verursachten Spie- gelverlusten für Wellenlängen λ in einem Bereich von λ0 < λ < λ0 + Δλ ansteigen. Beispielsweise kann die Summe der intrinsischen Verluste des Halbleiterlasers und der Spiegelverluste mindestens halb so steil wie eine Kurve ansteigen, die dem Produkt aus Confine- ment-Faktor Γ(λ,T) und Wellenlängenabhängigem Gewinn g(λ,T) entspricht.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Summe der intrinsi- schen Verluste des Halbleiterlasers und der Spiegelverluste steiler als eine Kurve ansteigen, die dem Produkt aus Confine- ment-Faktor Γ(λ,T) und Wellenlängenabhängigem Gewinn g(λ,T) entspricht.
Wie vorstehend unter Bezugnahme auf Fig. 6D, 6E und 6F erläu- tert worden ist, kann in diesem Fall die Emissionswellenlänge in einem breiteren Temperaturbereich, beispielsweise -40°C bis 140°C, stabil gehalten werden.
Beispielsweise kann ein vergleichsweise breites Gewinnspektrum und damit auch ein weniger steiler Anstieg des Produkts aus Confinement-Faktor Γ(λ,T) und wellenlängenabhängigem Gewinn g(λ,T) erreicht werden, indem die aktive Zone eine geringere Anzahl an Quantentopfstrukturen aufweist. Ein breiteres Ge- winnspektrum kann auch durch eine kürzere Resonatorlänge, bei- spielsweise kleiner als 1,5 mm, ein niedriges Reflexionsvermö- gen des zweiten und/oder des ersten Resonatorspiegels sowie durch eine hohe Ladungsträgerdichte an der Laserschwelle er- reicht werden. Als Ergebnis kann beispielsweise ein breites Gewinnspektrum an oder oberhalb der Laserschwelle erzielt wer- den.
Im Folgenden werden Beispiele für die Einstellung des Reflexi- onsvermögens des ersten und gegebenenfalls des zweiten Resona- torspiegels erläutert. Fig. 6G zeigt den Verlauf des Reflexionsvermögens R, bei- spielsweise des ersten Resonatorspiegels 125, oder als Produkt des Reflexionsvermögens von erstem und zweitem Resonatorspie- gel für einen Halbleiterlaser gemäß Ausführungsformen. Wie zu erkennen ist, ist auch hier das Reflexionsvermögen über einen breiten Wellenlängenbereich auf einem relativ hohen Niveau. Beispielsweise kann R0 in einem Bereich von 0,05 bis 0,15 lie- gen. Die Breite, also beispielsweise die Differenz zwischen λ7 und λ8 kann beispielsweise der Breite des Zielwellenlängenspek- trums entsprechen.
Fig. 6H zeigt den Verlauf des Reflexionsvermögens R, bei- spielsweise des ersten Resonatorspiegels 125, oder als Produkt des Reflexionsvermögens von erstem und zweitem Resonatorspie- gel für einen Halbleiterlaser gemäß weiteren Ausführungsfor- men. Wie zu erkennen ist, ist auch hier das Reflexionsvermögen über einen schmalen Wellenlängenbereich auf einem relativ ho- hen Niveau. Beispielsweise kann R0 in einem Bereich von 0,05 bis 0,15 liegen. Die Breite, also beispielsweise die Differenz zwischen λ7 und λ8 kann beispielsweise der Breite des Zielwel- lenlängenspektrums entsprechen.
In den Fig. 6G und 6H ist das Reflexionsvermögen für Wellen- längen kleiner als λ7 oder größer alsλ8 in einem Bereich, in dem der Gewinn des Lasers noch größer als 0 ist, vergleichs- weise niedrig, beispielsweise kleiner als 0,01 oder als 0,005.
Beispielsweise kann der in Fig. 6G dargestellte Verlauf des Reflexionsvermögens durch eine geeignete Kombination des Re- flexionsvermögens von erstem und zweitem Resonatorspiegel er- reicht werden.
Dies ist in Fig. 6I veranschaulicht. In Fig. 6I ist im oberen Teil das Reflexionsvermögen R1 des ersten Resonatorspiegels gezeigt, im unteren Teil das Reflexionsvermögen R2 des zweiten Resonatorspiegels . Sowohl R1 als auch R2 haben bei der Wellen- länge λ7 zunächst einen steilen Anstieg auf ein Maximum und bei λ8 einen Abfall. Im Wellenlängenbereich kleiner als λ7 und grö- ßer als λ8 treten lokale Maxima mit einem von Null verschiede- nen, jedoch jeweils geringem Reflexionsvermögen auf. Diese sind für R1 und R2 an unterschiedlichen Wellenlängenbereichen angeordnet, und in den Bereichen zwischen den lokalen Maxima fällt das Reflexionsvermögen jeweils auf 0 ab. Bildet man nun das kombinierte Reflexionsvermögen als Produkt aus R1 und R2, so hat dieses für Wellenlängen kleiner als λ7 und größer alsλ8 den Wert 0. Bei λ7 steigt das kombinierte Reflexionsvermögen auf einen höheren Wert als bei R1 oder R2 an. Bei λ8 fällt das kombinierte Reflexionsvermögen wieder auf 0 ab, wie in Fig. 6G dargestellt ist.
Beispielsweise kann der in Fig. 6H dargestellte Verlauf des Reflexionsvermögens durch eine geeignete Kombination des Re- flexionsvermögens von erstem und zweitem Resonatorspiegel er- reicht werden, wie in Fig. 6K veranschaulicht ist.
Der linke Teil der Fig. 6K zeigt das Reflexionsvermögen R1 des ersten Resonatorspiegels, der rechte Teil das Reflexionsvermö- gen R2 des zweiten Resonatorspiegels. R1 steigt beginnend bei der Wellenlänge λ7 zunächst an. In diesem Bereich ist R2 auf einem maximalen konstanten Niveau. Als Folge steigt in diesem Bereich das kombinierte Reflexionsvermögen an. Bei Wellenlänge λ9 liegt das Maximum des Reflexionsvermögens R1 und auch des kombinierten Reflexionsvermögens. Ab Wellenlänge λ9 verläuft das Reflexionsvermögen R1 auf einem maximalen konstanten Ni- veau und fällt bei λ8wieder ab. Ab Wellenlänge λ9 fällt das Re- flexionsvermögen R2 des zweiten Resonatorspiegels auf den Wert 0 bei λ8 ab. Als Folge fällt das kombinierte Reflexionsvermögen von λ9 ab und erreicht bei λ8 den Wert Null.
Gemäß weiteren Ausführungsformen können steile Verläufe des Reflexionsvermögens durch Einbau von absorbierenden Schichten in dem Bragg-Spiegel wie unter Bezugnahme auf die Figuren 4 bis 5C erläutert realisiert werden.
Fig. 7A veranschaulicht eine schematische Querschnittsansicht eines Halbleiterlasers gemäß Ausführungsformen, bei denen der erste Resonatorspiegel 125 mit wellenlängenabhängigem Reflexi- onsvermögen ein geringeres Reflexionsvermögen als der zweite Resonatorspiegel 130 hat. Der erste Resonatorspiegel 125 stellt somit den Auskoppelspiegel zum Auskoppeln der erzeugten elektromagnetischen Strahlung 135 dar. Der Halbleiterlaser 10 weist eine erste Halbleiterschicht 110 von einem ersten Leit- fähigkeitstyp, beispielsweise p-leitend, und eine zweite Halb- leiterschicht 120 von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, bei- spielsweise n-leitend auf. Der Halbleiterlaser umfasst ferner eine zwischen der ersten und der zweiten Halbleiterschicht an- geordnete aktive Zone 15. Der Halbleiterlaser 10 basiert auf dem AlGalnAs/GaAs-Materialsystem. Beispielsweise kann die ak- tive Zone mehrere, beispielsweise 3 übereinander angeordnete Laserelemente mit DoppelquantentopfStrukturen enthalten, durch die beispielsweise eine Wellenlänge von 905 nm emittierbar ist. Der optische Resonator 131 ist zwischen dem ersten Re- sonatorspiegel 125 und dem zweiten Resonatorspiegel 130 ange- ordnet. Der optische Resonator 131 erstreckt sich in einer Richtung parallel zu einer ersten Hauptoberfläche 111 der Halbleiterschichtanordnung 112. Beispielsweise kann die Länge des optischen Resonators 131 kleiner als 1,5 mm, beispielswei- se kleiner als 1200 μm, beispielsweise etwa 600 μm sein. Ein erstes Kontaktelement 117 ist in elektrischem Kontakt mit der ersten Halbleiterschicht 110 angeordnet. Ein zweites Kon- taktelement 118 ist in elektrischem Kontakt mit der zweiten Halbleiterschicht 120 angeordnet.
Der erste Resonatorspiegel 125 hat einen Aufbau und ein Refle- xionsvermögen, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig.
7C näher erläutert werden wird.
Die hier beschriebenen Ausführungsformen basieren auf der Be- obachtung, dass bei einem geringen Reflexionsvermögen des ers- ten Resonatorspiegels 125 von kleiner 10%, beispielsweise kleiner 1% eine Blauverschiebung der Emissionswellenlänge auf- treten kann. Diese Blauverschiebung ist darauf zurück zu füh- ren, dass mit steigender Temperatur eine Ladungsträgerdichte an der Laserschwelle erhöht wird. Dies ist auf den mit zuneh- mender Temperatur abnehmenden Gewinn zurückzuführen. Als Folge wird das Gewinnmaximum mit steigender Temperatur zu kleineren Wellenlängen verschoben. Gemäß den hier beschriebenen Ausfüh- rungsformen wird dieser Effekt mit einem geeignet eingestell- ten Reflexionsverhalten in Abhängigkeit von der Wellenlänge derart kombiniert, dass die Emissionswellenlänge des Halb- leiterlasers stabilisiert wird.
Der zweite Resonatorspiegel 130 kann beispielsweise ein Refle- xionsvermögen haben, welches größer als 96 % in dem betrachte- ten Wellenlängenbereich ist. Beispielsweise kann der zweite Resonatorspiegel 130 als Bragg-Spiegel ausgeführt sein und mehr als 2 Schichtpaare, beispielsweise 3 Schichtpaare enthal- ten. Beispielsweise können die Schichten des zweiten Resona- torspiegels 130 ein geeignetes dielektrisches Material und Si- lizium enthalten. Fig. 7B zeigt das Reflexionsvermögen des zweiten Resonator- spiegels 130 in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Wie zu sehen ist, steigt das Reflexionsvermögen von etwa 96% mit zunehmen- der Wellenlänge zunächst an und verbleibt dann auf einem Wert von etwa 98,5 %. Dieser Wert ist bei etwa 905 nm erreicht.
Fig. 7C zeigt das Reflexionsvermögen in Abhängigkeit von der Wellenlänge für verschiedene Spiegel. Das mit (1) dargestellte Reflexionsvermögen fällt von etwa 12 % bei etwa 880 nm linear auf etwa 7,3 % bei 960 nm ab. Das mit (2) dargestellte Refle- xionsvermögen ist ungefähr gleichbleibend bei etwa 1 % im be- trachteten Wellenlängenbereich zwischen 880 nm und 960 nm. Beispielsweise kann der Spiegel, der das mit (2) dargestellte Reflexionsverhalten zeigt, mehrere AlO/TaO-Schichtenpaare auf- weisen.
Das mit (3) dargestellte Reflexionsvermögen fällt von einem Wert von etwa 5 % bei 880 nm auf einen Wert von 1 % bei 905 nm ab und verbleibt in dem Wellenlängenbereich bis 960 nm unter- halb von 1 %. Ein erster charakteristischer Wert zur Charakte- risierung des Reflexionsvermögens ist hier der sogenannte Fuß- punkt λF, d.h. die Wellenlänge, bei der das Reflexionsvermögen auf 1% abgefallen ist. Bei einem Reflexionsvermögen von 1% wird der Effekt der Blauverschiebung der Wellenlänge deutlich erkennbar, wie auch später noch dargelegt werden wird. Der Fußpunkt λF3 für Kurve (3) beträgt hier 905 nm. Ein weiterer charakteristischer Wert ist die negative Steigung, die bei- spielsweise zwischen einem Reflexionsvermögen von 1% und 2% erreicht wird, also Δ3 = ΔR%/Δλ3 ~ 0,11%/nm. Der erste Resona- torspiegel mit dem in Kurve (3) dargestellten Reflexionsvermö- gen ist als Bragg-Spiegel mit einer geeigneten Kombination ei- ner Vielzahl von dünnen Schichten aufgebaut, so dass sich die- ses spezielle wellenlängenabhängige Reflexionsvermögen ergibt. Das mit (4) dargestellte Reflexionsvermögen fällt von einem Wert von etwa 9,8 % bei 880 nm auf einen Wert von 1 % bei 920 nm ab und verbleibt in dem Wellenlängenbereich bis 960 nm un- terhalb von 1 %. Der Fußpunkt λF4 für Kurve (4) beträgt hier so- mit 920 nm. Die negative Steigung zwischen dem Reflexionsver- mögen von 1% und 2% beträgt Δ4 = ΔR%/Δλ4 ~ 0,19%/nm. Der erste Resonatorspiegel mit dem in Kurve (4) dargestellten Reflexi- onsvermögen ist als Bragg-Spiegel mit einer geeigneten Kombi- nation einer Vielzahl von dünnen Schichten aufgebaut, so dass sich dieses spezielle wellenlängenabhängige Reflexionsvermögen ergibt.
Das mit (5) dargestellte Reflexionsvermögen fällt von einem Wert von etwa 11,3 % bei 890 nm auf einen Wert von 1 % bei 935 nm ab und verbleibt in dem Wellenlängenbereich bis 960 nm un- terhalb von 1 %. Der Fußpunkt λF5 für Kurve (5) beträgt hier 935 nm. Die negative Steigung zwischen dem Reflexionsvermögen von 1% und 2% beträgt Δ5 = ΔR%/Δλ5 ~ 0,16%/nm. Der erste Re- sonatorspiegel mit dem in Kurve (5) dargestellten Reflexions- vermögen ist als Bragg-Spiegel mit einer geeigneten Kombinati- on einer Vielzahl von dünnen Schichten aufgebaut, so dass sich dieses spezielle wellenlängenabhängige Reflexionsvermögen ergibt.
Für das Reflexionsvermögen des ersten Resonatorspiegels gilt hier im Bereich der Zielwellenlänge λ0 : dR/dλ < k /nm für λ = λ0 mit k ≤ -0,1%. Anders als beispielsweise in Fig. 2A oder 2B dargestellt, fällt das Reflexionsvermögen bei λ = λ0 hier nicht von einem lokalen Maximum ab, sondern das Reflexionsvermögen fällt bereits für Wellenlängen kleiner als λ0 deutlich ab. Die- ses deutlich andere Verhalten des Reflexionsvermögens mit der Wellenlänge ist darauf zurückzuführen, dass das Reflexionsver- mögen in einem Bereich kleiner als 12 % betrachtet wird. Bei einem Halbleiterlaser mit einem Reflexionsvermögen des ersten Resonatorspiegels in diesem Bereich wird eine Wellenlängensta- bilisierung über andere Effekte als beispielsweise bei Ausfüh- rungsformen, bei denen das Reflexionsvermögen des ersten Re- sonatorspiegels das in den Figuren 2A und 2B gezeigte Verhal- ten zeigt, erreicht. Bei den hier beschriebenen Ausführungs- formen wird das Reflexionsverhalten des ersten Resonatorspie- gels auf geringen Werten gehalten, so dass eine Blauverschie- bung der Emissionswellenlänge die Rotverschiebung mit der Tem- peratur kompensiert.
Generell ist beispielsweise das Reflexionsvermögen des ersten Resonatorspiegels 125 im Bereich der Zielwellenlänge des Halb- leiterlasers 10 kleiner als 10%, gemäß weiteren Ausführungs- formen kleiner als 5%.
Weitere Eigenschaften des Halbleiterlasers 10 mit dem in Fig. 7A gezeigten Aufbau, bei dem der erste Resonatorspiegel 125 jeweils den in Bezug auf Fig. 7C diskutierten Aufbau hat, wer- den nachfolgend erläutert werden.
Fig. 7D veranschaulicht das Reflexionsvermögen des ersten Re- sonatorspiegels 125 mit jeweils unterschiedlichem Aufbau wie vorstehend diskutiert, über einen größeren Wellenlängenbereich zwischen 850 nm und 1000 nm. Wie zu sehen ist, kann das Refle- xionsvermögen für größere Wellenlängen wieder zunehmen. Aller- dings sollte das Reflexionsvermögen derart verlaufen, dass ein ausreichend breiter „Sperrbereich" des ersten Resonatorspie- gels sichergestellt ist. Beispielsweise kann diejenige Wellen- länge, bei der das Reflexionsvermögen > 1% wird, entsprechend der Gewinn-Bandbreite der aktiven Zone ausgewählt werden, so dass beispielsweise diese Wellenlänge in einem Bereich mit sehr niedrigem Gewinn liegt. Dadurch kann vermieden werden, dass Laseremission in diesem höheren Wellenlängenbereich ver- ursacht wird. In Fig. 7D bezeichnen die Nummerierungen des Re- flexionsvermögens sich auf dieselben Resonatorspiegel, deren Reflexionsvermögen in Fig. 7C gezeigt ist.
Fig. 8A zeigt die berechnete Ladungsträgerdichte an der Laser- schwelle Nth in Abhängigkeit von der Temperatur für Halb- leiterlaser mit dem in Fig. 7A gezeigten Aufbau, bei denen der erste Resonatorspiegel jeweils die unter Bezugnahme auf Fig.
7C beschriebenen Eigenschaften und den zugehörigen Aufbau hat. Wie zu sehen ist, hat der erste Resonatorspiegel 125 mit dem Reflexionsvermögen wie in Kurve (1) in Fig. 7C erläutert, die niedrigste Ladungsträgerdichte Nth an der Laserschwelle und die geringste Abhängigkeit der Ladungsträgerdichte Nth von der Temperatur. Dies ist darauf zurückzuführen, dass aufgrund des hohen und wenig wellenlängenabhängigen Reflexionsvermögens des ersten Resonatorspiegels geringe Spiegelverluste auftreten.
Als Folge tritt ein niedriger Schwellengewinn auf, was zu ei- ner vergleichsweise niedrigen Trägerdichte führt. Generell nimmt die Ladungsträgerdichte Nth an der Laserschwelle mit zu- nehmender Temperatur zu. Dies ist auf den mit zunehmender Tem- peratur abnehmenden Gewinn zurückzuführen.
Bei dem ersten Resonatorspiegel mit dem durch Kurve (2) ge- kennzeichneten Reflexionsvermögen verweilt dieses nahezu kon- stant auf einem ziemlich niedrigen Wert. Hier ist die Anzahl an Ladungsträgern an der Laserschwelle im Bereich von -40°C bis +40°C größer als bei den ersten Resonatorspiegeln mit den in den Kurven (3) bis (5) gezeigten Reflexionsvermögen.
Bei dem ersten Resonatorspiegel mit dem durch Kurve (3) ge- kennzeichneten Reflexionsvermögen erreicht das Reflexionsver- mögen bei einer Wellenlänge von 905 nm bereits das vergleichs- weise niedrige Reflexionsvermögen von 1%.Hier ist die Ladungs- trägerdichte Nth an der Laserschwelle bis zu einer Temperatur von etwa 50°C niedriger als bei Kurve (2) aber höher als bei den Kurven (1), (4) und (5). In einem Temperaturbereich größer als etwa 50°C ist die Ladungsträgerdichte an der Laserschwelle höher als bei Kurve (2) und auch höher als bei den Kurven (1), (4) und (5).
Wie sich insgesamt aus einem Vergleich der Kurven (1) bis (5) ergibt, ist die Abhängigkeit der Ladungsträgerdichte Nth an der Laserschwelle mit dem Temperatur größer gemäß den Kurven (2) bis (5) im Vergleich zu Kurve (1). Entsprechend ist diese Abhängigkeit größer für die ersten Resonatorspiegel mit einem Aufbau, der zu einem Reflexionsvermögen gemäß den Kurven (2) bis (5) in Fig. 7C führt, als für den Resonatorspiegel gemäß Kurve (1).
Generell nimmt bei den Kurven (3) bis (5) in einem Temperatur- bereich von 0° bis 60°C die Ladungsträgerdichte an der Laser- schwelle um mehr als 25%, beispielsweise mehr als 30% oder 35% zu.
Aufgrund der Zunahme der Ladungsträgerdichte Nth an der Laser- schwelle mit der Temperatur findet für Resonatorspiegel gemäß den Kurven (2) bis (5) eine deutliche Blauverschiebung mit der Temperatur im Vergleich zu den Resonatorspiegel gemäß Kurve (1) statt.
Generell wird angestrebt, die Erhöhung der Ladungsträgerdichte Nth an der Laserschwelle so groß zu machen, dass die sich dar- aus ergebende Blauverschiebung die durch die Bandlücken- Verringerung hervorgerufene Rot-Verschiebung ausgleicht, so dass die Emissionswellenlänge in einem breiten Temperaturbe- reich stabilisiert werden kann. Die Erhöhung der Ladungsträgerdichte an der Laserschwelle, die durch eine durch eine Temperaturerhöhung hervorgerufene Ge- winnverringerung verursacht wird, kann dabei umso stärker sein, je geringer der differentielle Gewinn dg/dN ist. Das spektrale Gewinnmaximum in Abhängigkeit von der Trägerdichte folgt in etwa der empirischen Formel g = gO * ln (N/Ntr) mit dem Gewinn-Koeffizienten gO und der Transparenzträgerdichte Ntr. Der differentielle Gewinn ergibt sich als dg/dN = gO/N.
Er nimmt mit steigender Trägerdichte schnell ab. Die Ladungs- trägerdichte-Änderung an der Laserschwelle mit der Temperatur nimmt also mit der Ausgangsschwellenträgerdichte schnell zu. Die Ausgangsschwellenträgerdichte bezeichnet in diesem Zusam- menhang die Schwellenträgerdichte bei einer geeigneten Refe- renz-Temperatur, beispielsweise der Raumtemperatur oder der Untergrenze des betrachteten Temperaturbereichs, z.B. -40°C.
Bei herkömmlichen Laserdioden werden zur Erreichung großer Ef- fizienz üblicherweise der Gewinn und der differentielle Gewinn möglichst maximiert. Die hier beschriebene wellenlängenstabi- lisierte Laserdiode wird gemäß Ausführungsformen so gestaltet, dass sie eine im Vergleich zu herkömmlichen Laserdioden erhöh- te Ladungsträgerdichte an der Laserschwelle und dadurch nur einen geringen differentiellen Gewinn aufweist. Mit dem sich ergebenden Effizienzverlust wird eine Stabilisierung der Wel- lenlänge erkauft. Der Effizienzverlust kann durch eine geeig- nete Auslegung und Optimierung begrenzt werden.
Gemäß Ausführungsformen kann beispielsweise die aktive Zone ausschließlich eine Einfachquantentopfstruktur aufweisen. Fig. 8B zeigt eine Auftragung des optischen Gewinns in Abhängigkeit von der Ladungsträgerdichte für einen Halbleiterlaser mit ei- ner Einfachquantentopfstruktur (Kurve (1)), einer Zweifach- quantentopfstruktur (Kurve (2)) und einer Dreifachquantentopf- struktur (Kurve (3)). Fig. 8C zeigt eine Auftragung des differentiellen Gewinns in Abhängigkeit von der Ladungsträgerdichte für den Halbleiterla- ser mit einer Einfachquantentopfstruktur (Kurve (1)), einer Zweifachquantentopfstruktur (Kurve (2)) und einer Dreifach- quantentopfstruktur (Kurve (3)).
Wie zu sehen ist, sinkt der differentielle Gewinn für eine ge- ringere Anzahl an Quantenfilmen, das heißt für die Einfach- quantentopfstruktur im Vergleich zur Mehrfachquantentopfstruk- tur. Entsprechend ist eine niedrige Anzahl an Quantenfilmen oder Quantentopfstrukturen günstig für die Wellenlängenstabi- lisierung.
Üblicherweise lässt sich durch eine höhere Anzahl an Quanten- filmen der optische Gewinn erhöhen, wodurch die Effizienz ge- steigert werden kann. Umgekehrt lässt sich, wie hier beschrie- ben, durch Verwendung einer Einfachquantentopfstruktur die Temperaturstabilität erhöhen.
Fig. 9A zeigt experimentelle Daten der Emissionswellenlänge eines Pulslasers in Abhängigkeit von der Temperatur einer Wär- mesenke des Pulslasers in einem Temperaturbereich von -40°C bis 120°C. Der Schichtaufbau des Halbleiterlasers und der ak- tiven Zone sind derart ausgestaltet, dass beispielsweise bei 20°C eine Emissionswellenlänge 905 nm beträgt. Der Halbleiter- laser weist mehrere übereinander gestapelte Laserelemente wie in Fig. 1B gezeigt auf. Die aktive Zone des Halbleiterlasers weist beispielsweise eine Mehrfachquantentopfstruktur auf. Beispielsweise sind 3 Laserelemente wie in Fig. 1B dargestellt mit jeweils Doppelquantentopfstrukturen übereinandergestapelt. In den Halbleiterlaser wurde, beispielsweise durch Anlegen ei- ner entsprechenden Spannung an das erste und zweite Kontakte- lement 117, 118 eine Stromstärke von 40 A eingeprägt. Fig. 9A zeigt fünf verschiedene Kurven, bei denen jeweils Halbleiter- laser mit den unter Bezugnahme auf Fig. 7C diskutierten Eigen- schaften und Schichtaufbau verwendet wurden.
Kurve (1) zeigt die Wellenlänge eines Halbleiterlasers mit ei- nem ersten Resonatorspiegel 125, dessen Reflexionsvermögen von 880 nm linear von 12% auf etwa 7,2% bei 960 nm abfällt. Die emittierte Wellenlänge dieses Halbleiterlasers steigt von ei- nem Wert von etwa 892 nm bei -40°C bis zu einem Wert von etwa 935 nm bei 120°C annähernd linear an. In den Bereichen 1 und 2 zwischen -40°C und 60°C entspricht dies der zu erwartenden Rotverschiebung mit etwa 0,27 nm/K aufgrund der Verringerung der Bandlücke mit der Temperatur. Im Bereich 3 zwischen 80°C und 120°C wird dieser Effekt in geringem Maße von einer Blau- Verschiebung überdeckt. Die Blau-Verschiebung ergibt sich durch eine erhöhte Ladungsträgerdichte Nth an der Laserschwel- le, wie auch in Fig. 8A dargestellt.
Kurve (2) zeigt die Wellenlänge eines Halbleiterlasers mit ei- nem ersten Resonatorspiegel 125, dessen Reflexionsvermögen in dem Bereich von 880 bis 960 nm annähernd konstant bei 1% liegt. Die emittierte Wellenlänge dieses Halbleiterlasers steigt kontinuierlich von einem Wert von etwa 888 nm bei -40°C bis zu einem Wert von etwa 913 nm bei 100°C an. Im Bereich 1 zwischen -40°C und 0°C entspricht diese Erhöhung einer Rotver- schiebung mit etwa 0,27 nm/K. Diese ergibt sich aufgrund der mit der Temperaturerhöhung verringerten Bandlücke. Im Bereich 2 zwischen 20 und 60°C wird diese Rotverschiebung in geringem Maße durch eine Blauverschiebung kompensiert. Diese ergibt sich durch die erhöhte Ladungsträgerdichte Nth an der Laser- schwelle wie in Fig. 8 gezeigt. Im Bereich 3 zwischen 80°C und 120°C nimmt die Wellenlänge aufgrund der Blau-Verschiebung der Verstärkung (Gain)in geringem Maß ab. Diese ergibt sich durch die erhöhte Ladungsträgerdichte Nth an der Laserschwelle. Die Kurve (3) zeigt die Wellenlänge eines Halbleiterlasers mit einem ersten Resonatorspiegel 125, dessen Reflexionsvermögen sich wie in Fig. 7C erläutert verhält. Die emittierte Wellen- länge dieses Halbleiterlasers steigt im Bereich 1 sehen -40°C und 0°C in nur geringem Maße an, wobei die Erhö- hung etwa 0,1 nm/K entspricht. Diese ergibt sich durch die steil negative Flanke des Reflexionsvermögens mit der Wellen- länge in einem niedrigen Wellenlängenbereich unter 905 nm. Im Bereich 2 zwischen 20 und 60°C ergibt sich aufgrund des spezi- ellen Reflexionsvermögens des Spiegels eine verringerte Rot- Verschiebung. Im Bereich 2 wird bereits die maximale Emissi- onswellenlänge erreicht. Ab einer Temperatur von 60°C und im Bereich 3 zwischen 80 und 120°C nimmt die Wellenlänge aufgrund der Blau-Verschiebung des Gewinns (Gain) deutlich ab. Diese ergibt sich wiederum durch die erhöhte Ladungsträgerdichte Nth an der Laserschwelle.
Die Kurve (4) zeigt die Wellenlänge eines Halbleiterlasers mit einem ersten Resonatorspiegel 125, dessen Reflexionsvermögen sich wie in Fig. 7C erläutert verhält. Die emittierte Wellen- länge dieses Halbleiterlasers steigt im Bereich 1 sehen -40°C und 0°C zunächst an, wobei die Erhöhung der Rot- verschiebung mit etwa 0,27 nm/K entspricht. Diese ergibt sich wiederum aufgrund der mit der Temperaturerhöhung verringerten Bandlücke. Im Bereich 2 zwischen 20 und 60°C ergibt sich auf- grund des speziellen Reflexionsvermögens des ersten Resonator- spiegels eine verringerte Rot-Verschiebung mit 0,067 nm/K. Im Bereich 3 zwischen 80 und 120°C nimmt die Wellenlänge aufgrund der Blau-Verschiebung des Gewinns (Gain) ab. Diese ergibt sich durch die erhöhte Ladungsträgerdichte Nth an der Laserschwel- le. Die Kurve (5) zeigt die Wellenlänge eines Halbleiterlasers mit einem ersten Resonatorspiegel 125, dessen Reflexionsvermögen sich wie in Fig. 7C erläutert verhält. Die emittierte Wellen- länge dieses Halbleiterlasers steigt im Bereich 1 sehen -40°C und 0°C zunächst an, wobei die Erhöhung der Rot- verschiebung mit etwa 0,27 nm/K entspricht. Diese ergibt sich wiederum aufgrund der mit der Temperaturerhöhung verringerten Bandlücke. Im Bereich 2 zwischen 20 und 60°C ergibt sich auf- grund des speziellen Reflexionsvermögens des ersten Resonator- spiegels eine verringerte Rot-Verschiebung mit 0,067 nm/K. Im Bereich 3 zwischen 80 und 120°C nimmt die Wellenlänge aufgrund der Blau-Verschiebung des Gewinns (Gain) ab. Diese ergibt sich durch die erhöhte Ladungsträgerdichte Nth an der Laserschwel- le.
Geht man davon aus, dass der Halbleiterlaser beispielsweise in einem Temperaturbereich von 0 bis 60°C eine stabile Wellenlän- ge emittieren soll, so ist erkennbar, dass die Halbleiterlaser mit einem ersten Resonatorspiegel 125 mit dem Reflexionsvermö- gen gemäß Kurve (3), (4) oder (5) wie in Fig. 7C dargestellt, zu guten Ergebnissen führt.
Fig. 9B veranschaulicht das Reflexionsvermögen des ersten Re- sonatorspiegels in Abhängigkeit der Temperatur. Das Reflexi- onsvermögen ist den ersten Resonatorspiegel mit den unter Be- zugnahme auf Fig. 7C diskutierten Eigenschaften und Schicht- aufbau ermittelt. Das Reflexionsvermögen stellt dabei das Re- flexionsvermögen bei der zur jeweiligen Temperatur gehörenden Betriebswellenlänge dar.
Wie aus Kurve (1) ersichtlich, nimmt bei dem Resonatorspiegel 125, dessen Reflexionsvermögen von 880 nm linear von 12% auf etwa 7,2% bei 960 nm abfällt, das Reflexionsvermögen mit zu- nehmender Temperatur leicht ab, aufgrund der Rot-Verschiebung der Verstärkung.
Aufgrund des Aufbaus des Resonatorspiegels gemäß Kurve (2) (näherungsweise konstantes Reflexionsvermögen mit der Wellen- länge) ist sein Reflexionsvermögen auch näherungsweise unab- hängig von der Temperatur.
Für die Resonatorspiegel gemäß den Kurven (4) und (5) fällt das Reflexionsvermögen im Bereich 1 zwischen -40 und 0°C. Die Wellenlänge nähert sich dem jeweiligen Fußpunkt des Resonator- spiegels an. Im Bereich 2 zwischen 20 und 60°C ist das Refle- xionsvermögen konstant. Dabei verändert sich die Wellenlänge analog zur Spiegel-Rotverschiebung. Im Bereich 3 zwischen 80 und 120°C steigt das Reflexionsvermögen aufgrund der Blau- Verschiebung, die durch die hohe Ladungsträgerdichte Nth an der Laserschwelle verursacht wird.
Für den Resonatorspiegel gemäß Kurve (3) ist das Reflexions- vermögen in den Bereichen 1 und 2 ungefähr konstant. Hier ist die große negative Steigung Δ3 wie unter Bezugnahme auf Fig. 7C diskutiert, erkennbar. Es findet lediglich eine geringfügige Rotverschiebung statt.
Da die Resonatorspiegel gemäß den Kurven (3) bis (5) ein Re- flexionsvermögen haben, das im Bereich 3 infolge der Blau- Verschiebung ansteigt, sind diese Resonatorspiegel für die Er- zielung guter optischer Effizienzdaten geeignet.
Falls eine geringe Empfindlichkeit für optisches Feedback ge- wünscht ist, ist das hohe Reflexionsvermögen des Resonator- spiegels gemäß Kurve (5) günstig. Fig. 9C veranschaulicht die optische Ausgangs-Leistung des Halbleiterlasers mit den unterschiedlichen ersten Resonator- spiegeln 125, wie unter Bezugnahme auf Fig. 7C erläutert. Die Ausgangs-Leistungen wurden bei 60°C und einheitlichem Strom ermittelt.
Wie sich aus dem Vergleich ergibt, ist die optische Ausgangs- Spitzenleistung bei Verwendung des ersten Resonatorspiegels gemäß den Kurven (3) bis (5) gegenüber dem Resonatorspiegel gemäß Kurve (1) etwas verringert. Deutlich wird auch, dass der Resonatorspiegel gemäß Kurve (2) mit konstant niedrigem Refle- xionsvermögen die geringste Effizienz hat. Daraus ergibt sich, dass die Resonatorspiegel gemäß den Kurven (3) bis (5) eine Wellenlängenstabilität des Halbleiterlasers ohne nennenswerte Effizienzeinbuße hervorrufen können.
Fig. 9D zeigt eine Auftragung der Emissionswellenlängenände- rung mit der Temperatur für Halbleiterlaser mit verschiedenen ersten Resonatorspiegeln 125. Dabei wurden einerseits die ers- ten Resonatorspiegel 125 mit den unter Bezugnahme auf Fig. 7C diskutierten Eigenschaften und Schichtaufbau verwendet. Die Emissionswellenlängenänderung mit der Temperatur entspricht dem Quotienten der Differenz der Emissionswellenlänge bei 25°C und bei 80°C und der Temperatur bei einer Ausgangsleistung von 10W.
Der Resonatorspiegel gemäß Variante Null ist ein Resonator- spiegel, dessen Reflexionsvermögen in Kurve (1) in Fig. 7C dargestellt ist. Zusätzlich ist der Resonatorspiegel gemäß Va- riante 1 ein Resonatorspiegel, dessen Reflexionsvermögen kon- stant bei 7 % liegt. Der Resonatorspiegel gemäß Variante 2 ist ein Resonatorspiegel, dessen Reflexionsvermögen konstant bei 5 % liegt, und der Resonatorspiegel gemäß Variante 3 ist ein Resonatorspiegel, dessen Reflexionsvermögen konstant bei 3 % liegt. Der Resonatorspiegel gemäß Variante Vier ist ein Re- sonatorspiegel, dessen Reflexionsvermögen in Kurve (2) in Fig. 7C dargestellt ist und konstant bei 1 % liegt. Der Resonator- spiegel gemäß Variante Fünf ist ein Resonatorspiegel, dessen Reflexionsvermögen in Kurve (5) in Fig. 7C dargestellt ist.
Der Resonatorspiegel gemäß Variante Sechs ist ein Resonator- spiegel, dessen Reflexionsvermögen in Kurve (4) in Fig. 7C dargestellt ist. Der Resonatorspiegel gemäß Variante Sieben ist ein Resonatorspiegel, dessen Reflexionsvermögen in Kurve (3) in Fig. 7C dargestellt ist.
Wie zu erkennen ist, ist die Emissionswellenlängenänderung mit der Temperatur für Variante 1 am höchsten mit etwa 0,27 nm/K und nimmt ab bis Variante 7 mit einem Wert um 0. Die Emissi- onswellenlängenänderung für Variante 1 entspricht der Verände- rung der Bandlücke mit der Temperatur.
Wie vorstehend beschrieben worden ist, lässt sich durch Ver- wendung des ersten Resonatorspiegels 125 mit den dargestellten Eigenschaften eine erhöhte Temperaturstabilität der Emissions- wellenlänge erreichen. Entsprechend ist es möglich, den ersten Resonatorspiegel durch eine spezielle Facettenbeschichtung, die ohnehin ein Bestandteil des kantenemittierenden Halb- leiterlasers ist, zu realisieren. Als Folge kann die erhöhte Temperaturstabilität kosten- und aufwandsneutral erzielt wer- den.
Weiterhin wird bei Verwendung des ersten Resonatorspiegels mit stark abfallender Flanke zu größeren Wellenlängen beispiels- weise gemäß Kurve (3) bis (5) wie in Fig. 7C veranschaulicht, das Emissions-Spektrum auf der langewelligen Seite kompri- miert. Beispielsweise wird also im Vergleich zum Emissions- Spektrum eines Lasers mit einem Reflexionsvermögen des ersten Resonatorspiegels gemäß Kurve (1) die langwellige abfallende Flanke steiler und die Linienbreite des Spektrums dadurch ge- ringer. Beispielsweise kann die Bandbreite der Emission um mehr als 15 % verringert werden. Dieser Effekt ist insbesonde- re bei höheren Temperaturen stärker ausgeprägt.
Fig. 9E zeigt im oberen Bereich das Emissionsspektrum eines Halbleiterlasers mit dem ersten Resonatorspiegel gemäß Kurve (3) in Fig. 7C bei 20°C (durchgezogene Linie) und bei 85°C (gestrichelte Linie). Der untere Teil zeigt zum Vergleich das Emissionsspektrum eines Halbleiterlasers mit dem ersten Re- sonatorspiegel gemäß Kurve (1) in Fig. 7C bei 20°C (durchgezo- gene Linie) und bei 85°C (gestrichelte Linie). Wie zu sehen ist, findet im oberen Bereich von Fig. 9E eine geringfügige Wellenlängenverschiebung des Spektrums (< 5 nm) zu niedrigeren Wellenlängen hin statt als im unteren Bereich von Fig. 9E. Weiterhin ist die Halbwertsbreite (Linienbreite bei Intensität 0,5) um mehr als 15 % reduziert. Beispielsweise beträgt die Halbwertsbreite des Spektrums bei 85°C des Spektrums im oberen Bereich 7 nm und im unteren Bereich 8,5 nm.
Die verringerte Bandbreite der Emission kann in manchen Anwen- dungen zu einer weiterhin verbesserten Performance führen. Beispielsweise kann dieser Halbleiterlaser 10 zum optischen Pumpen eines Festkörperlasers verwendet werden. Dabei kann beim Pumpen der schmalen Absorptionslinie beispielsweise von Nd:YAG- oder Yb:YAG-Faserlasern die Pumpeffizienz vergrößert werden. Auch bei LIDAR-Systemen mit Quellen, Filtern und De- tektoren kann die verringerte Bandbreite der Emission der Quellen vorteilhaft sein.
Wie beschrieben worden ist, steigen durch die Flankenform des Kantenfilters bei Temperatur- und damit Wellenlängen-Erhöhung die Spiegelverluste schnell an und erhöhen stark die Schwel- lenträgerdichte, was wieder zu einer Blau-Verschiebung und ei- ner quasi selbstjustierten Kompensation der Wellenlängenver- schiebung in einem ganzen Temperaturbereich führt. In diesem Bereich bleibt das effektive Reflexionsvermögen nahezu kon- stant, und die Emissionswellenlänge folgt quasi der tempera- turabhängigen spektralen Position des Reflexionsvermögens des ersten Resonatorspiegels 125 (ca. 0,07 nm/K). Dadurch ist die Robustheit und Fertigbarkeit des Halbleiterlasers größer als bei Ansätzen, die auf konkrete Resonanzbedingungen oder ähnli- ches angewiesen sind. In der Anwendung der Laserdiode ist oft gefordert, dass die Emissionswellenlänge über einen vorgegebe- nen Temperaturberiech (beispielsweise 0 bis 85°C oder -40°C bis 120°C) einen vorgegebenen Korridor nicht verlässt. Der durch die beschriebenen Maßnahmen zusätzlich ermöglichte Ef- fekt der Überkompensation der Rot-Verschiebung kann bei ent- sprechender Auslegung bei hohen Temperaturen sogar eine Blau- Verschiebung erzeugen, die den nutzbaren Temperaturbereich der Wellenlängenstabilisierung besonders groß macht. Die Wellen- längenänderung mit der Temperatur wird bei kleinen Temperatu- ren positiv sein, bei großen negativ, und die Emissions- Wellenlänge wird bei mittleren Temperaturen ein Maximum auf- weisen. Neben der Vergrößerung des für die Wellenlängenstabi- lisierung nutzbaren Temperaturbereichs führt die Reduktion der Wellenlänge bei hohen Temperaturen durch die tiefpass-artige Form des Reflexionsvermögens in Abhängigkeit von der Wellen- länge zu einer Vergrößerung des Reflexionsvermögens des ersten Resonatorspiegels . Dadurch wird wiederum die Effizienz des La- sers gerade bei hohen Temperaturen im Vergleich zu einem Laser mit einer flachen Charakteristik des Reflexionsvermögens des ersten Resonatorspiegels erhöht. Die Wellenlängenstabilisie- rung über Einstellung des Reflexionsvermögens des ersten Re- sonatorspiegels wird durch eine Modifikation an der Facette mit niedrigerem Reflexionsvermögen erreicht. Als Folge funkti- oniert sie auch für Halbleiterlaser mit beliebig vielen über- einander gestapelten Laserelementen 1271, 1272,... . Wie unter Bezugnahme auf die Figuren 7A bis 9E beschrieben worden ist, ist das Reflexionsvermögen des ersten Resonator- spiegels 125 wellenlängenabhängig und in einem Bereich der Zielwellenlänge kleiner 10% oder kleiner als 8%. Das Reflexi- onsvermögen des zweiten Resonatorspiegels 130 beträgt bei- spielsweise mehr als 95 %. Beispielsweise ist das Reflexions- vermögen des zweiten Resonatorspiegels 130 gemäß Ausführungs- formen nicht oder nur in geringem Umfang wellenlängenabhängig. Auf diese Weise wird die Auskopplung von nutzbarer optischer Ausgangleistung am zweiten Resonatorspiegel 130 möglichst un- terdrückt. Weiterhin kann eine unkontrollierte oder schädliche Absorption von optischer Ausgangsleistung im Gehäuse vermieden werden.
Gemäß Ausführungsformen kann eine Länge des optischen Resona- tors 131 kleiner als 1 mm, beispielsweise kleiner als 700 μm sein. Auf diese Weise können die Spiegelverluste im Vergleich zur Länge des Resonators 131, in dem Verstärkung auftritt, er- höht werden.
Gemäß Ausführungsformen können weitere Merkmale verwirklicht werden, um den Effekt der Blauverschiebung der Wellenlänge mit zunehmender Temperatur zu vergrößern. Beispielsweise können zusätzliche Merkmale bewirken, dass ein geringer differenziel- ler Gewinn erreicht wird. Weiterhin können Merkmale verwirk- lich zu werden, um den Gewinn zu verbreitern und damit das Ge- winn-Maximum zu reduzieren.
Beispielsweise kann die aktive Zone eine Mehrfachquantentopf- struktur mit zueinander verstimmten Quantentöpfen aufweisen.
Fig. 9F zeigt ein Beispiel eines Verlaufs von Leitungs- und Valenzband in der aktiven Zone eines Halbleiterlasers gemäß Ausführungsformen, beispielsweise in einer horizontalen Rich- tung senkrecht zur Erstreckungsrichtung des optischen Resona- tors 131. Beispielsweise sind in der zugehörigen aktiven Zone drei Quantentöpfe enthalten. Die Zusammensetzung und/oder Schichtdicke der einzelnen Schichten sind derart ausgewählt, dass sich die Energieunterschiede zwischen den entsprechenden Energieniveaus in Leitungs- und Valenzband jeweils geringfügig unterscheiden. Beispielsweise können den dargestellten Quan- tentöpfen jeweils Übergangsenergien E1, E2, E3 zugeordnet sein. Dabei sind die Übergangsenergien E1, E2, E3 jeweils leicht unterschiedlich. Beispielsweise kann sich die jeweils emittierte Wellenlänge um mehr als 5 nm, beispielsweise mehr als 10 nm unterscheiden.
Auf diese Weise kann der wellenlängenabhängige Gewinn verbrei- tert werden. Weiterhin kann das Gewinn-Maximum reduziert wer- den. Als Folge wird die Blauverschiebung erhöht. Entsprechend kann die Temperaturstabilität des Halbleiterlasers weiter ver- bessert werden. Weiterhin können Herstellung und Ausbeute des Halbleiterlasers verbessert werden.
Gemäß weiteren Ausführungsformen können zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden, um die optischen Verluste alpha_i zu vergrö- ßern. Dadurch kann die Ladungsträgerdichte Nth an der Laser- schwelle weiter erhöht werden.
Auch wenn die Beschreibung von Merkmalen des Halbleiterlasers der Figuren 7B bis 9F anhand des in Fig. 7A gezeigten Halb- leiterlasers erfolgt ist, ist offensichtlich, dass die be- schriebenen Merkmale und Konzepte auch auf den Halbleiterla- ser, der beispielsweise in den Figuren 1B, 1C und 1D darge- stellt ist, anwendbar sind. Weiterhin können die beschriebenen Konzepte auch auf Halbleiterlaser eines anderen Materialsys- tems angewendet werden. Fig. 10A zeigt eine schematische Anordnung eines LIDAR-Systems 150, in dem der beschriebene Halbleiterlaser 10 eingesetzt werden kann. Die von dem Halbleiterlaser 10 emittierte, typi- scherweise gepulste, Laserstrahlung wird beispielsweise durch eine Kollimatoroptik 157 und eine Ablenk-/Scanneinheit 154 ausgesandt. Der Objektstrahl 153 wird auf ein Objekt 156 ein- gestrahlt und von diesem reflektiert. Dabei entsteht der re- flektierte Strahl 155. Der reflektierte Strahl 155 wird durch eine Empfangsoptik 152 einem Detektor 160 zugeführt. Aus der zeitlichen Differenz zwischen dem Aussenden des Laserpulses und dem Empfang des Laserpulses kann die Entfernung des Ob- jekts 156 bestimmt werden.
Dadurch, dass der Halbleiterlaser auch bei variablen Tempera- turen bei einer stabilen Wellenlänge betrieben werden kann, ist es möglich, einen schmalbandigen Detektor zu verwenden. Beispielsweise kann der Detektor ein enges Wellenlängenfenster kleiner als 10 nm oder als 5 nm oder sogar kleiner als 1 nm verwenden. Als Ergebnis kann der Einfluss der Sonneneinstrah- lung reduziert werden und das Signal-Rausch-Verhältnis kann erhöht werden. Als Ergebnis werden geringere Leistungen aus dem Laser benötigt, um beispielsweise die gleichen Entfernun- gen zu messen. Als Ergebnis wird insgesamt die Performance des Systems erhöht. Weiterhin kann der Laser mit weniger Leistung betrieben werden, um die gleichen Messungen mit einem gleich- bleibenden Signal-Rausch-Verhältnis durchzuführen. Als Ergeb- nis wird der Energieverbrauch reduziert. Weiterhin kann der beschriebene Halbleiterlaser in einfacher Weise hergestellt werden.
Fig. 10B zeigt ein Laser-System 164 mit dem Halbleiterlaser 10 wie vorstehend beschrieben und einem weiteren Laser 165, wobei der weitere Laser 165 durch den Halbleiterlaser 10 optisch pumpbar ist. Beispielsweise kann der weitere Laser 165 ein Festkörperlaser oder ein Faserlaser sein. Beispielsweise kön- nen diese Laser ein sehr schmales Absorptionsspektrum haben. Dadurch, dass, wie vorstehend beschrieben worden ist, der Halbleiterlaser 10 gemäß Ausführungsformen über einen großen Temperaturbereich wellenlängenstabil ist, kann er verwendet werden, um Laser mit einem sehr schmalen Absorptionsspektrum optisch zu pumpen. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann der beschriebene Halb- leiterlaser auch zum Laserschweißen oder Laserschneiden einge- setzt werden.
Obwohl hierin spezifische Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben worden sind, werden Fachleute erkennen, dass die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen durch eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Ausgestaltungen ersetzt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Die Anmeldung soll jegliche Anpas- sungen oder Variationen der hierin diskutierten spezifischen Ausführungsformen abdecken. Daher wird die Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt.
BEZUGSZEICHENLISTE
10 Halbleiterlaser
100 Trägersubstrat
110 erste Halbleiterschicht
111 erste Hauptoberfläche
112 Halbleiterschichtanordnung
115 aktive Zone
116 Seitenfläche
117 erstes Kontaktelement
118 zweites Kontaktelement
120 zweite Halbleiterschicht
125 erster Resonatorspiegel
1271 erstes Laserelement
1272 zweites Laserelement
1273 drittes Laserelement
1281 erste Verbindungsschicht
1282 zweite Verbindungsschicht
129 absorbierende Schicht
130 zweiter Resonatorspiegel
131 Resonator
135 emittierte Laserstrahlung
137 spiegelnde Seitenflanke
138 dielektrische Schicht
140 Absorberelement
141 transparente Isolatorschicht
142 transparente dielektrische Schicht
143 Absorberschicht
144 erstes Resonatorspiegel
146 zweites Resonatorspiegel
150 LIDAR-System
151 Strahlteiler
152 Empfangsoptik
153 Objektstrahl 154 Ablenk-/Scaneinheit
155 Reflektierter Strahl
156 Objekt
157 Kollimatoroptik 160 Detektor
161 Wellenlängenbereich mit ausreichendem Reflexionsvermö- gen
164 Lasersystem
165 weiterer Laser

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Halbleiterlaser (10) mit einer Halbleiterschichtanordnung (112), die eine aktive Zone (115) zur Strahlungserzeugung aufweist, einem ersten Resonatorspiegel (125), einem zweiten Re- sonatorspiegel (130) und einem zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel (125, 130) angeordneten optischen Re- sonator (131), der sich in einer Richtung parallel zu einer Hauptoberfläche (111) der Halbleiterschichtanordnung (112) er- streckt, wobei ein Reflexionsvermögen R1 des ersten Resonator- spiegels (125) wellenlängenabhängig ist, so dass R1 oder ein Produkt R aus R1 und dem Reflexionsvermögen R2 des zweiten Re- sonatorspiegels (130) in einem Wellenlängenbereich von einer Zielwellenlänge λ0 des Lasers bis λ0 + Δλ von einem Wert R0 ab- nimmt, wobei Δλ in Abhängigkeit von einer temperaturabhängigen Verschiebung einer Emissionswellenlänge ausgewählt wird, und wobei für R mindestens eine der folgenden Beziehungen gilt:
(i) R(λ) < 0,3 * R0 für mindestens eine Wellenlänge λ mit λ0 < λ < λ0 + Δλ;
(ii) dR/dλ < k/nm für λ = λ0 mit k ≤ -0,1% oder für R1 mindestens eine der folgenden Beziehungen gilt:
(iii) R1(λ) < 0,3 * R0 für mindestens eine Wellenlänge λ mit λ0 < λ < λ0 + Δλ;
(iv) dR1/dλ < k/nm für λ = λ0 mit k ≤ -0,1%.
2. Halbleiterlaser (10) nach Anspruch 1, bei dem R oder R1 bei einer Wellenlänge kleiner als λ0 auf den Wert R0 ansteigt.
3. Halbleiterlaser (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der zweite Resonatorspiegel (130) ein wellenlängenabhängiges Reflexionsvermögen hat, welches für Wellenlängen kleiner als λ0 auf einen lokalen Maximalwert ansteigt.
4. Halbleiterlaser (10) nach einem der vorhergehenden An- sprüche, bei dem gilt: k ≤ -0,2%.
5. Halbleiterlaser (10) nach einem der vorhergehenden An- sprüche, bei dem mindestens eine der folgenden Beziehungen gilt (v) dR/dλ < -g * R(λ)/nm für λ0 < λ < λ0 + Δλ;
(vi) dR1/dλ < -g * R1(λ)/nm für λ0 < λ < λ0 + Δλ; mit g ≥ 0,03.
6. Halbleiterlaser (10) nach einem der vorhergehenden An- sprüche, bei dem eine Summe von intrinsischen Verlusten des Halbleiterlasers und durch den ersten und den zweiten Resona- torspiegel verursachten Spiegelverlusten für Wellenlängen λ in einem Bereich von λ0 < λ < λ0 + Δλ ansteigt.
7. Halbleiterlaser (10) nach Anspruch 6, bei dem die Summe der intrinsischen Verluste des Halbleiterlasers und der durch den ersten und den zweiten Resonatorspiegel verursachten Spie- gelverluste für Wellenlängen λ in dem Bereich von λ0 < λ < λ0 + Δλ mindestens halb so steil ist wie eine Kurve, die dem Produkt aus Confinement-Faktor Γ(λ,T) und Wellenlängenabhängigem Gewinn g(λ,T) entspricht.
8. Halbleiterlaser (10) nach Anspruch 7, bei dem die Summe der intrinsischen Verluste des Halbleiterlasers und der durch den ersten und den zweiten Resonatorspiegel verursachten Spie- gelverluste für Wellenlängen λ in dem Bereich von λ0 < λ < λ0 + Δλ steiler als eine Kurve ist, die dem Produkt aus Confinement- Faktor Γ(λ,T) und Wellenlängenabhängigem Gewinn g(λ,T) ent- spricht.
9. Halbleiterlaser (10) nach einem der vorhergehenden An- sprüche, bei dem der erste Resonatorspiegel (125) als Bragg- Spiegel realisiert ist.
10. Halbleiterlaser (10) nach Anspruch 9, bei dem der Bragg-Spiegel epitaktisch gewachsene Halbleiterschichten auf- weist.
11. Halbleiterlaser (10) nach Anspruch 10, bei dem mindes- tens eine der Halbleiterschichten des Bragg-Spiegels geeignet ist, elektromagnetische Strahlung mit einem Wellenlängenbe- reich, der kleiner als λ0 ist, zu absorbieren.
12. Halbleiterlaser (10) nach einem der vorhergehenden An- sprüche, bei dem das Reflexionsvermögen R1 des ersten Resona- torspiegels oder das Produkt R in einem Bereich der Zielwel- lenlänge kleiner als 8 % ist.
13. Halbleiterlaser (10) nach einem der vorhergehenden An- sprüche, bei dem die aktive Zone (115) ausschließlich eine EinfachquantentopfStruktur aufweist.
14. Halbleiterlaser (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die aktive Zone eine Mehrfachquantentopfstruktur mit zueinander verstimmten Quantentöpfen aufweist.
15. Halbleiterlaser (10) nach einem der vorhergehenden An- sprüche, bei dem in einem Temperaturbereich von 0° bis 60°C eine Ladungsträgerdichte an der Laserschwelle um mehr als 25% zunimmt.
16. Halbleiterlaser (10) nach einem der vorhergehenden An- sprüche, dessen Emissionswellenlänge bei einer Temperatur grö- ßer als 100°C mit der Temperatur abnimmt.
17. Halbleiterlaser (10) nach Anspruch 16, dessen Emissi- onswellenlänge bei einer Temperatur größer als 60°C mit der Temperatur abnimmt.
18. Halbleiterlaser (10) nach einem der vorhergehenden An- sprüche, bei dem die Halbleiterschichtanordnung (112) eine Vielzahl von Laserelementen (1271, 1272, 1273) aufweist, die übereinander angeordnet und über Verbindungsschichten (1281, 1282) miteinander verbunden sind.
19. Halbleiterlaser (10) nach einem der vorhergehenden An- sprüche, bei dem seitliche Begrenzungen der Halbleiterschicht- anordnung angeschrägt sind, so dass eine Emission von erzeug- ter elektromagnetischer Strahlung (135) über eine erste Haupt- oberfläche (111) der Halbleiterschichtanordnung (112) erfolgt.
20. LIDAR-System (150) mit dem Halbleiterlaser (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
21. Laser-System (164) mit dem Halbleiterlaser (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 19 und einem weiteren Laser (165), wobei der weitere Laser (165) durch den Halbleiterlaser (10) optisch pumpbar ist.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11757254B2 (en) * 2020-01-14 2023-09-12 Osram Opto Semiconductors Gmbh Optoelectronic semiconductor device and method of manufacturing an optoelectronic semiconductor device

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4839901A (en) * 1987-08-25 1989-06-13 Alcatel N.V. Semiconductor laser with constant differential quantum efficiency or constant optical power output
DE10323860A1 (de) * 2003-03-28 2004-11-11 Osram Opto Semiconductors Gmbh Halbleiterlaservorrichtung und Herstellungsverfahren
US20080240198A1 (en) * 2007-03-28 2008-10-02 Mitsubishi Electric Corporation Semiconductor laser having fabry-perot resonator
US20090097519A1 (en) * 2007-09-28 2009-04-16 Osram Opto Semiconductor Gmbh Semiconductor Laser and Method for Producing the Semiconductor Laser
WO2010147035A1 (ja) * 2009-06-19 2010-12-23 株式会社Ｑｄレーザ 半導体レーザ及びそれを用いた光モジュール

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003031900A (ja) 2001-05-11 2003-01-31 Furukawa Electric Co Ltd:The 半導体レーザ装置、半導体レーザモジュールおよびこれを用いたラマン増幅器
JP2004087815A (ja) 2002-08-27 2004-03-18 Mitsubishi Electric Corp 半導体レーザ装置
US6819702B2 (en) 2002-09-11 2004-11-16 Bookham Technology Plc Pump laser diode with improved wavelength stability
JP4439199B2 (ja) 2003-03-20 2010-03-24 株式会社リコー 垂直共振器型面発光半導体レーザ装置、およびそれを用いた光論理演算装置、波長変換装置、光パルス波形整形装置、ならびに光伝送システム
WO2009046717A2 (en) 2007-10-09 2009-04-16 Danmarks Tekniske Universitet Coherent lidar system based on a semiconductor laser and amplifier

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4839901A (en) * 1987-08-25 1989-06-13 Alcatel N.V. Semiconductor laser with constant differential quantum efficiency or constant optical power output
DE10323860A1 (de) * 2003-03-28 2004-11-11 Osram Opto Semiconductors Gmbh Halbleiterlaservorrichtung und Herstellungsverfahren
US20080240198A1 (en) * 2007-03-28 2008-10-02 Mitsubishi Electric Corporation Semiconductor laser having fabry-perot resonator
US20090097519A1 (en) * 2007-09-28 2009-04-16 Osram Opto Semiconductor Gmbh Semiconductor Laser and Method for Producing the Semiconductor Laser
WO2010147035A1 (ja) * 2009-06-19 2010-12-23 株式会社Ｑｄレーザ 半導体レーザ及びそれを用いた光モジュール

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11757254B2 (en) * 2020-01-14 2023-09-12 Osram Opto Semiconductors Gmbh Optoelectronic semiconductor device and method of manufacturing an optoelectronic semiconductor device

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