WO2021228660A1 - Halbleiterlaserbauelement und verfahren zum betrieb zumindest eines halbleiterlasers - Google Patents

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semiconductor
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Markus Reinhard Horn
Jan Seidenfaden
Harald KÖNIG
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    • H01S5/305—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region characterised by the doping materials used in the laser structure

Definitions

  • An optoelectronic semiconductor laser component and a method for operating at least one semiconductor laser are specified.
  • the optoelectronic semiconductor laser component is set up in particular to generate electromagnetic radiation, for example light that is perceptible to the human eye.
  • One problem to be solved consists in specifying an optoelectronic semiconductor laser component which emits electromagnetic radiation with an increased spectral bandwidth.
  • the semiconductor laser component comprises a plurality of semiconductor lasers.
  • Each semiconductor laser is intended to emit coherent or at least partially coherent electromagnetic radiation.
  • Each semiconductor laser preferably comprises a p-conducting semiconductor region and an n-conducting semiconductor region as well as an active region which is provided for the emission of electromagnetic radiation.
  • the electromagnetic radiation emitted by the semiconductor lasers has essentially the same main emission wavelength.
  • the main emission wavelength of an electromagnetic emission spectrum is in doubt the wavelength at which the spectrum has a global intensity maximum.
  • the semiconductor laser component comprises a beam combiner which is set up to combine the electromagnetic radiation of the semiconductor lasers with one another.
  • the electromagnetic radiation of all semiconductor lasers is preferably superimposed.
  • the beam combiner has, for example, a plurality of coupling surfaces in order to couple electromagnetic radiation into the beam combiner and a plurality of waveguides in order to guide the coupled electromagnetic radiation and superimpose it on one another and a coupling out surface for coupling out the electromagnetic radiation.
  • the semiconductor lasers each emit primary electromagnetic radiation with a primary spectral bandwidth in the visible wavelength range.
  • the spectral range visible to humans extends in particular from 380 nm to 780 nm.
  • a “full width at half maximum” bandwidth (FWHM) is to be understood as the spectral bandwidth
  • the main emission wavelengths of the semiconductor lasers preferably differ by 0.5 nm to 3 nm and in particular by 1 nm to 2 nm.
  • the primary electromagnetic radiation of the semiconductor laser coupled into the beam combiner takes place in particular via a coupling surface of the beam combiner.
  • a secondary electromagnetic radiation is coupled out from the beam combiner, which is formed from a superposition of the primary electromagnetic radiation of the semiconductor laser.
  • Secondary radiation which is formed from a superposition of the primary radiation of all semiconductor lasers, is preferably coupled out from the combiner.
  • the secondary electromagnetic radiation is coupled out at a coupling-out surface of the beam combiner.
  • the secondary electromagnetic radiation has a secondary spectral bandwidth that is at least twice as large as a mean value of the primary spectral bandwidths.
  • the mean value is to be understood as an arithmetic mean of the bandwidths.
  • the semiconductor laser component comprises
  • a semiconductor laser component comprises a plurality of semiconductor lasers and a beam combiner which is configured to combine radiation emitted by the semiconductor lasers, wherein - the semiconductor lasers each emit primary electromagnetic radiation of a primary spectral bandwidth in the visible wavelength range,
  • a secondary electromagnetic radiation which is formed from a superposition of the primary electromagnetic radiation of the semiconductor laser, is decoupled from the beam combiner, and
  • the secondary electromagnetic radiation has a secondary spectral bandwidth which is at least twice as large as an average value of the primary spectral bandwidths.
  • a semiconductor laser component described here is based, inter alia, on the following considerations:
  • Laser components have a good beam quality, so that they are particularly suitable for use in display units or projection devices.
  • laser components also have a particularly small extent of an emission area, which corresponds approximately to a point light source. This results in an advantageously high luminance, which can contribute to the miniaturization of optical systems.
  • undesirable interference effects for example in the form of fat, are sometimes perceptible to a viewer. These interference effects lead to uneven lighting and disruptive patterns.
  • the use of diffractive optics together with electromagnetic radiation with a large coherence length is made more difficult by further undesirable interference effects.
  • the semiconductor laser component described here makes use, inter alia, of the idea of generating electromagnetic radiation with an increased spectral bandwidth and consequently with a reduced coherence length, which nevertheless has a sufficiently good beam quality.
  • a secondary electromagnetic radiation with an increased secondary spectral bandwidth can be generated by superimposing a plurality of primary electromagnetic radiations from a plurality of semiconductor lasers.
  • An increase in the spectral bandwidth results in a reduction in the coherence length.
  • Less coherent radiation advantageously reduces the intensity of undesired ones that occur
  • the secondary spectral bandwidth is between 5 nm and 10 nm.
  • a larger spectral bandwidth advantageously reduces or avoids the disruptive influence of optical interference effects.
  • the beam combiner is a monolithic component.
  • a monolithic component is characterized in particular by the fact that it is designed in one piece. The beam combiner can thus be adjusted particularly easily with respect to a plurality of semiconductor lasers or a subsequent optical element. Furthermore, a monolithic optical component advantageously achieves a high optical efficiency by avoiding jumps in the refractive index at material boundaries.
  • the semiconductor lasers have different resonator lengths.
  • a resonator comprises at least two reflective surfaces, between which an optically active medium is arranged. In an optical resonator, there is primarily an amplification of electromagnetic radiation, the wavelength of which fulfills a resonance condition of the resonator. The resonance wavelength of the resonator is determined, among other things, from the length of the resonator.
  • a different resonator length of a semiconductor laser consequently causes a different one
  • the resonator length of a semiconductor laser component preferably deviates from at least one further semiconductor laser component, in particular the semiconductor laser component whose resonator length comes closest to the resonator length of the first-mentioned semiconductor laser component, by at least 5% and by at most 100%, particularly preferably by at most 20%.
  • semiconductor laser components the semiconductor lasers are arranged on a common substrate. All semiconductor lasers are preferably arranged on a common substrate.
  • a common substrate can also simplify electrical contacting of the semiconductor lasers in that it functions as a common anode or cathode.
  • a particularly good cooling of the semiconductor laser results if one p-type semiconductor layer of the semiconductor laser is mounted facing the substrate.
  • the semiconductor laser component at least some of the semiconductor lasers are arranged on a separate substrate.
  • the arrangement of the semiconductor lasers on separate substrates enables the selection of different substrate materials, each with different properties.
  • the substrate materials differ in their thermal conductivity and / or in their electrical conductivity.
  • a different operating temperature of the semiconductor laser arranged thereon can be set by means of a different thermal conductivity. For example, when using a material with a lower thermal conductivity, a higher operating temperature of the semiconductor laser arranged thereon can be achieved. Furthermore, the different electrical properties can be used to influence the operating parameters of each semiconductor laser in a further targeted manner. A different electrical resistance leads, among other things, to different operating currents and / or to different operating temperatures of the device arranged thereon
  • an increased electrical resistance is responsible for further heating of the substrate and thus also for a higher operating temperature of the semiconductor laser mounted on it.
  • an insulating layer is arranged between at least one semiconductor laser and the substrate.
  • the insulating layer is suitable, for example, for producing a different thermal resistance and / or a different electrical resistance between a semiconductor laser and an associated substrate.
  • a different thermal resistance leads, among other things, to a different operating temperature of the semiconductor laser and thus influences the
  • Main emission wavelength of the associated semiconductor laser A different electrical resistance leads in particular to a different operating current and thus to a changed operating point of the associated semiconductor laser.
  • the insulating layer is formed with silicon oxide or silicon nitride. Silicon oxide and silicon nitride are advantageously particularly easy to deposit on a given substrate material and can be easily structured using conventional methods.
  • Semiconductor laser on a doping with a dopant that changes an emission wavelength of the semiconductor laser there is local doping with at least one of the following dopants: boron, zinc, carbon, silicon.
  • the semiconductor lasers are formed in a monolithic semiconductor body. All semiconductor lasers are preferably formed in a monolithic semiconductor body. In other words, the Semiconductor lasers are combined in what is known as a laser bar.
  • a laser bar facilitates an adjustment to a downstream optical element, such as a beam combiner. Furthermore, the arrangement of the semiconductor lasers in a laser bar enables a particularly compact design of the semiconductor laser component.
  • the semiconductor lasers are arranged at different lateral distances from one another. Different lateral distances can cause different operating temperatures of the individual semiconductor lasers. For example, a semiconductor laser mounted closer to a heat sink can operate at a lower operating temperature than a semiconductor laser mounted further away. Due to different operating temperatures, different main emission wavelengths of the individual semiconductor lasers can advantageously result.
  • an actuator generates a time-modulated mechanical tension in at least one semiconductor laser.
  • a variable mechanical stress varies, among other things, the main emission wavelength of the associated semiconductor laser.
  • the semiconductor lasers are assigned an actuator which in each case generates a time-modulated mechanical tensioning of the semiconductor lasers.
  • An actuator is preferably assigned to each semiconductor laser.
  • Different variations of the mechanical Bracing the semiconductor lasers can further contribute to an increase in the spectral bandwidth of the secondary electromagnetic radiation.
  • there is a different modulation of the semiconductor lasers which is not coordinated with one another. In other words, the modulation of the semiconductor lasers is advantageously not correlated with one another.
  • the actuator comprises a piezo element.
  • a piezo element can advantageously be activated particularly quickly and can generate a particularly high mechanical tension.
  • a gradient mirror is arranged on a coupling-out region of at least one semiconductor laser.
  • a gradient mirror is distinguished by a locally different reflectivity.
  • a different reflectivity which changes over several semiconductor lasers, in turn leads to a different operating point of the semiconductor lasers and thus generates different main emission wavelengths of the semiconductor lasers.
  • a dielectric mirror is arranged on a coupling-out region of at least one semiconductor laser.
  • a dielectric mirror in particular a distributed Bragg reflector (DBR mirror), has a high reflectivity at a resonance frequency and can therefore also produce a different main emission wavelength of the individual semiconductor lasers.
  • a DBR mirror comprises a plurality of layers with periodically alternating indices of refraction. The number of alternating layers of the dielectric mirror preferably varies from one semiconductor laser to another, which results in a variation in the reflectivity. For example, the resonance frequencies of the DBR mirrors of several semiconductor lasers differ by a few nm each.
  • an optical layer sequence is arranged within the resonator of at least one semiconductor laser, the refractive index of which can be changed by applying an external electrical voltage or an electrical current.
  • the optical layer sequence is preferably arranged within the resonator in the coupling-out region. A change in the optical and / or the actual length of the resonator can thus be generated by means of a time-variable refractive index. In particular, the resonator length is modulated. A resonator length that changes over time causes, among other things, an increased primary spectral bandwidth of the semiconductor laser.
  • the optical layer sequence is preferably electrically non-conductive.
  • Piezoelectric and / or ferroelectric substances are particularly suitable as materials for the optical layer sequence.
  • the optical layer sequence is typically formed with a material which has a perovskite structure.
  • the optical layer sequence is preferably formed with at least one of the following materials: quartz S1O2, aluminum nitride A1N, lithium niobate LiNb03, gallium orthophosphate GaP04, PZT (lead zirconate titanate) Pb (Zr x Tii- x) 0 3 , bismuth titanate Bi 4 Ti 3 0i 2 , bismuth Lanthanum titanate Bi (4-x) La x Ti 3 0i 2 , bismuth titanate niobate Bi 3 TiNb0 9, strontium titanate SrTiCL , barium strontium titanate Ba x Sr (ix) TiO.
  • the semiconductor lasers are mounted on the beam combiner.
  • a substrate can advantageously be dispensed with.
  • a particularly simple adjustment of the semiconductor laser to the coupling surfaces of the beam combiner is possible and a very compact design is achieved.
  • a method for operating at least one semiconductor laser is also specified.
  • the method for operating at least one semiconductor laser is particularly suitable for operating a semiconductor laser in a semiconductor laser component described here. That is to say that all of the features disclosed in connection with the semiconductor laser component are also disclosed for the method for operating at least one semiconductor laser, and vice versa.
  • each semiconductor laser has a characteristic curve of its optical output power over its operating time, which curve initially has a rise range and then a steady-state range.
  • Each semiconductor laser is preferably operated in a pulsed manner, so that operation takes place predominantly in its rising range.
  • a threshold for laser operation is exceeded in the increase range. As soon as the laser threshold is exceeded, more electromagnetic radiation from stimulated emission is emitted and the intensity decreases at a constant rate electric current too. In a short time window after the laser threshold has been exceeded, however, the resonator does not oscillate in a stable manner. In this time window, the spectral bandwidth of the semiconductor laser is higher.
  • the semiconductor laser thus does not yet have a stable operating point and emits electromagnetic radiation with a higher spectral bandwidth than in its stationary range.
  • Modulation of the semiconductor laser with short pulses for predominant operation in the unstable operating point consequently leads to the emission of electromagnetic radiation with an advantageously increased spectral bandwidth.
  • At least two semiconductor lasers are operated simultaneously in a pulsed manner in their rise region, or at least two semiconductor lasers are operated in a pulsed manner in their rise region.
  • Simultaneously here and below, means simultaneously within a tolerance period of milliseconds, in particular within a period that is imperceptible to the human eye.
  • a semiconductor laser component described here is particularly suitable for use in so-called “smart eyewear products” with which augmented reality (AR) or virtual reality (VR) units are implemented.
  • the semiconductor laser components described here can also be used in various projection systems for displaying image content, for example in glasses, close to the eye or for projecting an image directly into a human eye.
  • FIG. 1 shows a schematic plan view of a semiconductor laser component described here in accordance with a first exemplary embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic plan view of a semiconductor laser component described here in accordance with a second exemplary embodiment
  • FIG. 3 shows a schematic plan view of a semiconductor laser component described here in accordance with a third exemplary embodiment
  • FIG. 4 shows a schematic plan view of a semiconductor laser component described here in accordance with a fourth exemplary embodiment
  • FIG. 5 shows a schematic plan view of a semiconductor laser component described here in accordance with a fifth exemplary embodiment
  • FIG. 6 shows a diagram of a characteristic curve of the intensity of the emitted electromagnetic radiation of a semiconductor laser over time according to a first exemplary embodiment of a method described here for operating semiconductor lasers
  • FIG. 7 shows diagrams of characteristic curves of the intensity of the emitted electromagnetic radiation from a plurality of semiconductor lasers over time according to a second exemplary embodiment of a method described here for operating semiconductor lasers
  • FIG. 8 shows diagrams of characteristic curves of the intensity of the emitted electromagnetic radiation from a plurality of semiconductor lasers over time according to a third exemplary embodiment of a method described here for operating semiconductor lasers.
  • FIG. 9 shows a schematic sectional view of a semiconductor laser component described here in accordance with a sixth exemplary embodiment.
  • Identical, identical or identically acting elements are provided with the same reference symbols in the figures.
  • the figures and the proportions of the elements shown in the figures are not to be regarded as being to scale. Rather, individual elements can be shown exaggeratedly large for better displayability and / or for better understanding.
  • FIG. 1 shows a schematic plan view of a semiconductor laser component 1 described here in accordance with a first exemplary embodiment.
  • the semiconductor laser device 1 comprises a beam combiner 20 and a plurality of semiconductor lasers 10 on a common substrate 30.
  • the beam combiner 20 comprises a plurality of waveguides 21 which are embedded in the beam combiner 20.
  • the beam combiner 20 comprises a plurality of coupling-in surfaces 20A and one coupling-out surface 20B.
  • the beam combiner 20 is formed with a translucent or transparent material.
  • the waveguides 21 are preferably written into the material of the beam combiner 20 by means of a laser. Such waveguides 21 are distinguished by a particularly high optical efficiency.
  • the waveguides 21 are arranged in such a way that all electromagnetic radiation that is coupled in via the coupling-in surfaces 20A are combined with one another and are coupled out in the common coupling-out surface 20B.
  • the semiconductor lasers 10 are arranged on a common substrate 30 and each include a resonator 100.
  • the resonators 100 extend along the semiconductor laser 10 in each case up to a coupling-out region 60
  • a gradient mirror or a dielectric mirror is arranged, for example, outcoupling region 60.
  • an optical layer sequence 70 is arranged in the resonator 100 at the coupling-out region 60, the refractive index of which can be changed, for example, by applying an external electrical voltage or an electrical current.
  • a change in the optical and / or actual length of the resonator 100 can thus be generated by means of a refractive index which is variable over time.
  • the refractive index of the optical layer sequence 70 can be modulated by means of a time-variable electrical voltage.
  • a temporally modulated resonator length 100A causes, among other things, an increased primary spectral bandwidth of the semiconductor laser 10.
  • Each semiconductor laser 10 in each case emits primary electromagnetic radiation of a primary spectral bandwidth in a direction parallel to its resonator axis 100 and couples this primary electromagnetic radiation into the beam combiner 20.
  • these primary electromagnetic radiations are guided in the waveguides 21 and superimposed on one another and finally coupled out as secondary electromagnetic radiation at a coupling-out surface 20B of the beam combiner 20.
  • the secondary electromagnetic radiation coupled out from the beam combiner 20 has a secondary spectral bandwidth which is at least twice as large as the arithmetic mean of the respective primary spectral bandwidths of the electromagnetic radiation from the semiconductor laser 10.
  • An actuator 50 is arranged on the side of a semiconductor laser 10 opposite the coupling-out region 60.
  • the actuator 50 comprises a piezo element and is used for modulated mechanical tensioning of the semiconductor laser 10. This increases the primary spectral bandwidth of the primary electromagnetic radiation emitted by this semiconductor laser 10.
  • FIG. 2 shows a schematic plan view of a semiconductor laser component 1 described here in accordance with a second exemplary embodiment of a semiconductor laser component 1.
  • the second exemplary embodiment essentially corresponds to the first exemplary embodiment shown in FIG.
  • the semiconductor lasers 10 differ in the length of their resonators 100.
  • Each semiconductor laser 10 has a different resonator length 100A.
  • the different resonator lengths 100A result in different main emission wavelengths of the respective semiconductor lasers 10. This enables a further increase in the secondary spectral bandwidth of the secondary electromagnetic radiation.
  • FIG. 3 shows a schematic plan view of a semiconductor laser component 1 described here in accordance with a third exemplary embodiment.
  • the third exemplary embodiment shown in FIG. 3 essentially corresponds to the first exemplary embodiment of a semiconductor laser component 1 shown in FIG. 1.
  • each semiconductor laser 10 is arranged on a separate substrate 30.
  • the arrangement on separate substrates 30 enables a particularly simple influencing of a thermal resistance and / or an electrical resistance between a semiconductor laser 10 and the associated substrate 30.
  • each substrate 30 has a different material.
  • a different operating temperature and / or a different electrical behavior of each semiconductor laser 10 can thus be achieved. This leads to an advantageously increased secondary spectral bandwidth of the secondary electromagnetic radiation.
  • Some of the semiconductor lasers 10 are arranged on a substrate 30 which is formed with a material having a reduced thermal conductivity. These semiconductor lasers 10 can only with difficulty dissipate their waste heat generated during operation and thus reach an increased operating temperature and thus a changed main emission wavelength.
  • FIG. 4 shows a schematic plan view of a semiconductor laser component 1 described here in accordance with a fourth exemplary embodiment.
  • the fourth exemplary embodiment shows a monolithic semiconductor body 11 in which a plurality of semiconductor lasers 10 is formed.
  • Each semiconductor laser 10 comprises a resonator 100.
  • the resonators 100 are aligned parallel to one another.
  • the monolithic semiconductor body 11 is arranged on a substrate 30.
  • Semiconductor laser device can be realized.
  • different semiconductor lasers 10 have different doping in order to produce a different main emission wavelength in each case.
  • FIG. 5 shows a schematic plan view of a semiconductor laser component 1 described here in accordance with a fifth Embodiment.
  • the fifth exemplary embodiment essentially corresponds to the fourth exemplary embodiment shown in FIG.
  • the resonators 100 formed in the monolithic semiconductor body 11 have different lengths 100A.
  • the different lengths 100A of the resonators 100 are implemented by means of mesa flanks etched at different points. In this way, a plurality of different resonator lengths 100A can be implemented within the laser bar 11.
  • a different main emission wavelength of the different semiconductor lasers 10 can be generated particularly easily and at the same time a compact design is retained due to the arrangement in a monolithic semiconductor body 11.
  • Figure 6 shows a diagram of a characteristic curve of the intensity of the emitted electromagnetic radiation of a semiconductor laser 10 over time according to a first embodiment of a method described here for operating semiconductor lasers 10.
  • the Y-axis represents the intensity of the emitted primary electromagnetic radiation of a semiconductor laser 10.
  • the X-axis represents the time axis.
  • the intensity only begins to increase once the laser threshold is exceeded and increases steadily up to a certain limit value.
  • the limit value marks the transition from a rising range A and a subsequent stationary range B. After leaving the rising range A, the semiconductor laser 10 is in the stationary range B.
  • an increased primary spectral bandwidth with a reduced coherence length can be observed.
  • the operation of the semiconductor laser 10 in the stationary region B corresponds to a stable operating point and takes place with a significantly reduced primary spectral bandwidth and thus with an increased coherence length.
  • the operation of the laser within the slope region A thus advantageously has a short coherence length and a high primary spectral bandwidth.
  • the semiconductor laser 10 can be operated in a pulsed manner in order to achieve an exclusive operation in the slope region A.
  • the brightness of the semiconductor laser 10 results from the integral of the intensity over time. If the semiconductor lasers 10 are switched off again shortly after being switched on in order to achieve the largest possible spectral bandwidth, the value of the integrated brightness is low. As a result, for example, an image point generated by the semiconductor laser 10 also appears relatively dark.
  • FIG. 7 shows diagrams of characteristic curves of the intensity of the emitted electromagnetic radiation from a plurality of semiconductor lasers 10 over time according to a second exemplary embodiment of a method for operating semiconductor lasers 10 described here only work within the ascent range A.
  • a first semiconductor laser 10 is operated up to the rise range A and then switched off, while a further semiconductor laser 10 is operated immediately afterwards, which is also operated only in the rise range A and is then switched off.
  • a quasi-continuous operation of a plurality of semiconductor lasers 10 can be achieved by a further continuation of this series.
  • FIG. 8 shows diagrams of characteristic curves of the intensity of the emitted electromagnetic radiation from a plurality of semiconductor lasers 10 over time according to a third exemplary embodiment of a method described here for operating semiconductor lasers 10.
  • Simultaneous operation of a plurality of semiconductor lasers 10 is conceivable to increase the emitted intensity.
  • several semiconductor lasers 10 are operated only in their rising range A and thus in an operating mode with a high primary spectral bandwidth.
  • the simultaneous superimposition of the primary electromagnetic radiation increases the optical intensity of the primary electromagnetic radiation generated.
  • a combination of the operating modes according to the exemplary embodiment shown in FIG. 7 and the exemplary embodiment shown in FIG. 8 is also possible.
  • a sequential operation of a plurality of semiconductor lasers 10 can alternately take place in order to generate an emission that is as continuous as possible, and a simultaneous emission of a plurality of semiconductor lasers 10 for the highest possible intensity.
  • FIG. 9 shows a schematic sectional view of a semiconductor laser component 1 described here in accordance with a sixth exemplary embodiment.
  • the semiconductor laser component 1 shown here comprises a common substrate 30 on which three semiconductor lasers 10 are arranged. Between The semiconductor lasers 10 and the substrate 30 are each provided with an insulating layer 40.
  • the insulating layer 40 has different thicknesses and can thus produce different thermal and / or electrical resistances between the semiconductor lasers 10 and the substrate 30. Additionally or alternatively, the insulating layer 40 can be structured locally in order to further influence a thermal and / or electrical resistance. An operating temperature of each semiconductor laser 10 can thus be influenced in a targeted manner by means of the differently designed insulating layer 40. By operating temperatures that are as different as possible, a further reduction in the coherence length and thus an increase in the primary spectral bandwidth can be achieved.

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Abstract

Es wird ein Halbleiterlaserbauelement (1) angegeben, das eine Mehrzahl von Halbleiterlasern (10) und einen Strahl-Kombinierer (20) umfasst. Der Strahl-Kombinierer (20) ist dazu eingerichtet, von den Halbleiterlasern (10) emittierte Strahlung zu kombinieren. Die Halbleiterlaser (10) emittieren jeweils eine primäre elektromagnetische Strahlung einer primären spektralen Bandbreite im sichtbaren Wellenlängenbereich. Die primäre elektromagnetische Strahlung der Halbleiterlaser (10) wird in den Strahl-Kombinierer (20) eingekoppelt und aus dem Strahl-Kombinierer (20) wird eine sekundäre elektromagnetische Strahlung ausgekoppelt, die aus einer Überlagerung der primären elektromagnetischen Strahlung der Halbleiterlaser (10) gebildet ist. Die sekundäre elektromagnetische Strahlung weist eine sekundäre spektrale Bandbreite auf, die mindestens doppelt so groß ist wie ein Mittelwert der primären spektralen Bandbreiten. Ferner wird ein Verfahren zum Betrieb zumindest eines Halbleiterlasers (10) angegeben.

Description

Beschreibung
HALBLEITERLASERBAUELEMENT UND VERFAHREN ZUM BETRIEB ZUMINDEST
EINES HALBLEITERLASERS
Es werden ein optoelektronisches Halbleiterlaserbauelement und ein Verfahren zum Betrieb zumindest eines Halbleiterlasers angegeben.
Das optoelektronische Halbleiterlaserbauelement ist insbesondere zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise von für das menschliche Auge wahrnehmbarem Licht, eingerichtet.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein optoelektronisches Halbleiterlaserbauelement anzugeben, das eine elektromagnetische Strahlung mit einer erhöhten spektralen Bandbreite emittiert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Halbleiterlaserbauelement eine Mehrzahl von Halbleiterlasern. Jeder Halbleiterlaser ist zur Emission von kohärenter oder zumindest teilkohärenter elektromagnetischer Strahlung vorgesehen. Jeder Halbleiterlaser umfasst bevorzugt einen p- leitenden Halbleiterbereich und einen n-leitenden Halbleiterbereich sowie einen aktiven Bereich, der zur Emission von elektromagnetischer Strahlung vorgesehen ist.
Insbesondere weist die von den Halbleiterlasern emittierte elektromagnetische Strahlung eine im Wesentlichen gleiche Hauptemissionswellenlänge auf. Die Hauptemissionswellenlänge eines elektromagnetischen Emissionsspektrums ist im Zweifel die Wellenlänge, an der das Spektrum ein globales Intensitätsmaximum aufweist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Halbleiterlaserbauelement einen Strahl-Kombinierer, der dazu eingerichtet ist, die elektromagnetische Strahlung der Halbleiterlaser miteinander zu kombinieren. Vorzugsweise erfolgt eine Überlagerung der elektromagnetischen Strahlung aller Halbleiterlaser. Der Strahl-Kombinierer besitzt beispielsweise eine Mehrzahl von Einkoppelflächen, um elektromagnetische Strahlung in den Strahl-Kombinierer einzukoppeln und eine Mehrzahl von Wellenleitern, um die eingekoppelte elektromagnetische Strahlung zu führen und miteinander zu überlagern und eine Auskoppelfläche zur Auskopplung der elektromagnetischen Strahlung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des
Halbleiterlaserbauelements emittieren die Halbleiterlaser jeweils eine primäre elektromagnetische Strahlung mit einer primären spektralen Bandbreite im sichtbaren Wellenlängenbereich. Der für den Menschen sichtbare Spektralbereich erstreckt sich insbesondere von 380 nm bis 780 nm. Als spektrale Bandbreite ist hier und im Folgenden eine „Full width at half maximum"-Bandbreite (FWHM) zu verstehen. Jeder Halbleiterlaser emittiert beispielsweise eine primäre elektromagnetische Strahlung mit einer unterschiedlichen Hauptemissionswellenlänge. Bevorzugt unterscheiden sich die Hauptemissionswellenlängen der Halbleiterlaser um 0,5 nm bis 3 nm und insbesondere um 1 nm bis 2 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterlaserbauelements wird die primäre elektromagnetische Strahlung der Halbleiterlaser in den Strahl-Kombinierer eingekoppelt. Die Einkopplung in den Strahl-Kombinierer erfolgt insbesondere über eine Einkoppelfläche des Strahl-Kombinierers.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des
Halbleiterlaserbauelements wird aus dem Strahl-Kombinierer eine sekundäre elektromagnetische Strahlung ausgekoppelt, die aus einer Überlagerung der primären elektromagnetischen Strahlung der Halbleiterlaser gebildet ist. Vorzugsweise wird aus dem Kombinierer eine sekundäre Strahlung ausgekoppelt, die aus einer Überlagerung der primären Strahlung aller Halbleiterlaser gebildet ist. Beispielsweise koppelt die sekundäre elektromagnetische Strahlung an einer Auskoppelfläche des Strahl-Kombinierers aus.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterlaserbauelements weist die sekundäre elektromagnetische Strahlung eine sekundäre spektrale Bandbreite auf, die mindestens doppelt so groß ist wie ein Mittelwert der primären spektralen Bandbreiten. Als Mittelwert ist hier und im Folgenden ein arithmetisches Mittel der Bandbreiten zu verstehen. Eine vergrößerte spektrale Bandbreite führt zu einer vorteilhaft verminderten Kohärenzlänge .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterlaserbauelements, umfasst das
Halbleiterlaserbauelement eine Mehrzahl von Halbleiterlasern und einen Strahl-Kombinierer, der dazu eingerichtet ist, von den Halbleiterlasern emittierte Strahlung zu kombinieren, wobei - die Halbleiterlaser jeweils eine primäre elektromagnetische Strahlung einer primären spektralen Bandbreite im sichtbaren Wellenlängenbereich emittieren,
- die primäre elektromagnetische Strahlung der Halbleiterlaser in den Strahl-Kombinierer eingekoppelt wird,
- aus dem Strahl-Kombinierer wird eine sekundäre elektromagnetische Strahlung ausgekoppelt, die aus einer Überlagerung der primären elektromagnetischen Strahlung der Halbleiterlaser gebildet ist, und
- die sekundäre elektromagnetische Strahlung eine sekundäre spektrale Bandbreite aufweist, die mindestens doppelt so groß ist wie ein Mittelwert der primären spektralen Bandbreiten.
Einem hier beschriebenen Halbleiterlaserbauelement liegen unter anderem die folgenden Überlegungen zugrunde: Laserbauelemente weisen eine gute Strahlqualität auf, so dass sie sich besonders für einen Einsatz in Anzeigeeinheiten oder Projektionsvorrichtungen eignen. Neben der guten Strahlqualität weisen Laserbauelemente auch eine besonders geringe Ausdehnung eines Emissionsbereichs auf, der in Näherung eine Punktlichtquelle entspricht. Somit ergibt sich eine vorteilhaft hohe Leuchtdichte, die zu einer Miniaturisierung von optischen Systemen beitragen kann. Bei der Verwendung eines Laserbauelements in einem sichtbaren Wellenlängenbereich sind jedoch mitunter unerwünschte Interferenzeffekte, beispielsweise in Form von Speckein, für einen Betrachter wahrnehmbar. Diese Interferenzeffekte führen zu einer ungleichmäßigen Ausleuchtung und störenden Mustern. Ferner ist eine Verwendung von diffraktiven Optiken zusammen mit elektromagnetischer Strahlung mit einer großen Kohärenzlänge durch weitere unerwünschte Interferenzeffekte erschwert . Das hier beschriebene Halbleiterlaserbauelement macht unter anderem von der Idee Gebrauch, eine elektromagnetische Strahlung mit einer erhöhten spektralen Bandbreite und folglich mit einer verminderten Kohärenzlänge zu erzeugen, die dennoch eine hinreichend gute Strahlqualität aufweist. Dazu kann mittels einer Überlagerung einer Mehrzahl von primären elektromagnetischen Strahlungen einer Mehrzahl von Halbleiterlasern eine sekundäre elektromagnetische Strahlung mit einer erhöhten sekundären spektralen Bandbreite erzeugt werden. Durch eine Erhöhung der spektralen Bandbreite ist eine Verminderung der Kohärenzlänge einhergehend. Eine weniger kohärente Strahlung vermindert vorteilhaft die Intensität von auftretenden unerwünschten
Interferenzeffekten. Dadurch ist vorteilhaft eine Verwendung von diffraktiven Optiken erleichtert und ein Auftreten von Speckein ist vorteilhaft vermindert oder unterbunden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des
Halbleiterlaserbauelements beträgt die sekundäre spektrale Bandbreite zwischen 5 nm und 10 nm. Eine größere spektrale Bandbreite vermindert oder vermeidet vorteilhaft den störenden Einfluss von optischen Interferenzeffekten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des
Halbleiterlaserbauelements ist der Strahl-Kombinierer ein monolithisches Bauteil. Ein monolithisches Bauteil zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass es einstückig ausgebildet ist. Somit ist der Strahl-Kombinierer besonders einfach gegenüber einer Mehrzahl von Halbleiterlasern oder einem nachfolgenden optischen Element justierbar. Ferner erzielt ein monolithisches optisches Bauteil vorteilhaft eine hohe optische Effizienz durch die Vermeidung von Brechungsindexsprüngen an Materialgrenzen. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterlaserbauelements weisen die Halbleiterlaser unterschiedliche Resonatorlängen auf. Ein Resonator umfasst zumindest zwei reflektive Flächen, zwischen denen ein optisch aktives Medium angeordnet ist. In einem optischen Resonator erfolgt vor allem eine Verstärkung von elektromagnetischer Strahlung, dessen Wellenlänge eine Resonanzbedingung des Resonators erfüllt. Die Resonanzwellenlänge des Resonators bestimmt sich unter anderem aus der Länge des Resonators.
Eine unterschiedliche Resonatorlänge eines Halbleiterlasers bewirkt folglich eine unterschiedliche
Hauptemissionswellenlänge des zugehörigen Halbleiterlasers. Damit ist vorteilhaft eine erhöhte sekundäre spektrale Bandbreite erzielbar. Bevorzugt weicht die Resonatorlänge eines Halbleiterlaserbauelements von zumindest einem weiteren Halbleiterlaserbauelement, insbesondere dem Halbleiterlaserbauelement dessen Resonatorlänge der Resonatorlänge des erstgenannten Halbleiterlaserbauelements am nächsten kommt, um mindestens 5% und um höchstens 100%, besonders bevorzugt um höchstens 20% ab.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des
Halbleiterlaserbauelements sind die Halbleiterlaser auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet. Vorzugsweise sind alle Halbleiterlaser auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet.
Die Anordnung der Halbleiterlaser auf einem gemeinsamen Substrat erleichtert eine Justage der einzelnen Emitter, beispielsweise gegenüber einem Strahl-Kombinierer. Ein gemeinsames Substrat kann ferner eine elektrische Kontaktierung der Halbleiterlaser vereinfachen, indem es als gemeinsame Anode oder Kathode fungiert. Eine besonders gute Entwärmung der Halbleiterlaser ergibt sich, wenn jeweils eine p-leitende Halbleiterschicht des Halbleiterlasers dem Substrat zugewandt montiert ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterlaserbauelements ist zumindest ein Teil der Halbleiterlaser auf einem separaten Substrat angeordnet. Die Anordnung der Halbleiterlaser auf separaten Substraten ermöglicht die Auswahl von unterschiedlichen Substratmaterialien mit jeweils unterschiedlichen Eigenschaften. Zum Beispiel unterscheiden sich die Substratmaterialien in ihrer Wärmeleitfähigkeit und/oder in ihrer elektrischen Leitfähigkeit.
Durch eine unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit ist eine unterschiedliche Betriebstemperatur des darauf angeordneten Halbleiterlasers einstellbar. Beispielsweise ist bei Verwendung eines Materials mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit eine höhere Betriebstemperatur des darauf angeordneten Halbleiterlasers erzielbar. Ferner kann durch die unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften eine weitere gezielte Beeinflussung der Betriebsparameter jedes Halbleiterlasers erfolgen. Ein unterschiedlicher elektrischer Widerstand führt unter anderem zu unterschiedlichen Betriebsströmen und/oder zu unterschiedlichen Betriebstemperaturen des darauf angeordneten
Halbleiterlasers. Unter anderem ist ein erhöhter elektrischer Widerstand verantwortlich für eine weitere Erwärmung des Substrats und somit ebenfalls für eine höhere Betriebstemperatur des darauf montierten Halbleiterlasers.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des
Halbleiterlaserbauelements ist eine Isolierschicht zwischen zumindest einem Halbleiterlaser und dem Substrat angeordnet. Die Isolierschicht ist beispielsweise dazu geeignet, einen unterschiedlichen Wärmewiderstand und/oder einen unterschiedlichen elektrischen Widerstand zwischen einem Halbleiterlaser und einem zugeordneten Substrat herzustellen. Ein unterschiedlicher Wärmewiderstand führt unter anderem zu einer unterschiedlichen Betriebstemperatur des Halbleiterlasers und beeinflusst somit die
Hauptemissionswellenlänge des zugehörigen Halbleiterlasers. Ein unterschiedlicher elektrischer Widerstand führt insbesondere zu einem unterschiedlichen Betriebsstrom und damit zu einem veränderten Arbeitspunkt des zugehörigen Halbleiterlasers.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterlaserbauelements ist die Isolierschicht mit Siliziumoxid oder Siliziumnitrid gebildet. Siliziumoxid und Siliziumnitrid sind vorteilhaft besonders einfach auf einem vorgegebenen Substratmaterial abzuscheiden und sind mit herkömmlichen Verfahren einfach zu strukturieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterlaserbauelements weist zumindest ein
Halbleiterlaser eine Dotierung mit einem Dotierstoff auf, die eine Emissionswellenlänge des Halbleiterlasers verändert. Beispielsweise erfolgt eine lokale Dotierung mit zumindest einem der folgenden Dotierstoffe: Bor, Zink, Kohlenstoff, Silizium.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des
Halbleiterlaserbauelements sind die Halbleiterlaser in einem monolithischen Halbleiterkörper ausgebildet. Vorzugsweise sind alle Halbleiterlaser in einem monolithischen Halbleiterkörper ausgebildet. Mit anderen Worten, die Halbleiterlaser sind in einem sogenannten Laserbarren zusammengefasst. Ein Laserbarren erleichtert eine Justage zu einem nachgeordneten optischen Element, wie beispielsweise einem Strahl-Kombinierer. Ferner ermöglicht die Anordnung der Halbleiterlaser in einem Laserbarren eine besonders kompakte Bauform des Halbleiterlaserbauelements.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterlaserbauelements sind die Halbleiterlaser in unterschiedlichen lateralen Abständen zueinander angeordnet. Unterschiedliche laterale Abstände können unterschiedliche Betriebstemperaturen der einzelnen Halbleiterlaser hervorrufen. Zum Beispiel kann ein Halbleiterlaser, der näher an einer Wärmesenke montiert ist, mit einer niedrigeren Betriebstemperatur betrieben werden als ein weiter davon entfernt montierter Halbleiterlaser. Aufgrund von unterschiedlichen Betriebstemperaturen können sich vorteilhaft unterschiedliche Hauptemissionswellenlängen der einzelnen Halbleiterlaser ergeben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des
Halbleiterlaserbauelements erzeugt ein Aktuator eine zeitlich modulierte mechanische Verspannung bei zumindest einem Halbleiterlaser. Eine variable mechanische Verspannung variiert unter anderem die Hauptemissionswellenlänge des zugehörigen Halbleiterlasers.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterlaserbauelements ist den Halbleiterlasern ein Aktuator zugeordnet, der jeweils eine zeitlich modulierte mechanische Verspannung der Halbleiterlaser erzeugt. Vorzugsweise ist jedem Halbleiterlaser ein Aktuator zugeordnet. Unterschiedliche Variationen der mechanischen Verspannung der Halbleiterlaser können weiter zu einer Erhöhung der spektralen Bandbreite der sekundären elektromagnetischen Strahlung beitragen. Insbesondere erfolgt eine unterschiedliche Modulation der Halbleiterlaser, die nicht aufeinander abgestimmt ist. Mit anderen Worten, die Modulation der Halbleiterlaser ist vorteilhaft nicht miteinander korreliert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterlaserbauelements umfasst der Aktuator ein Piezoelement . Ein Piezoelement ist vorteilhaft besonders schnell ansteuerbar und kann eine besonders hohe mechanische Spannung erzeugen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterlaserbauelements ist an einem Auskoppelbereich zumindest eines Halbleiterlasers ein Gradientenspiegel angeordnet. Ein Gradientenspiegel zeichnet sich durch eine lokal unterschiedliche Reflektivität aus. Eine unterschiedliche Reflektivität, die sich über mehrere Halbleiterlaser verändert, führt wiederum zu einem unterschiedlichen Arbeitspunkt der Halbleiterlaser und erzeugt somit unterschiedliche Hauptemissionswellenlängen der Halbleiterlaser.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterlaserbauelements ist an einem Auskoppelbereich zumindest eines Halbleiterlasers ein dielektrischer Spiegel angeordnet. Ein dielektrischer Spiegel, insbesondere ein Distributed Bragg Reflector (DBR-Spiegel), weist eine hohe Reflektivität bei einer Resonanzfrequenz auf und kann daher ebenfalls eine unterschiedliche Hauptemissionswellenlänge der einzelnen Halbleiterlaser hervorrufen. Ein DBR-Spiegel umfasst eine Mehrzahl von Schichten mit periodisch alternierenden Brechungsindizes. Bevorzugt variiert die Anzahl der alternierenden Schichten des dielektrischen Spiegels von einem Halbleiterlaser zu einem anderen, wodurch sich eine Variation der Reflektivität ergibt. Beispielsweise unterscheiden sich die Resonanzfrequenzen der DBR-Spiegel von mehreren Halbleiterlasern jeweils um einige nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterlaserbauelements ist innerhalb des Resonators zumindest eines Halbleiterlasers eine optische Schichtabfolge angeordnet ist, deren Brechungsindex durch das Anlegen einer externen elektrischen Spannung oder eines elektrischen Stromes veränderbar ist. Bevorzugt ist die optische Schichtabfolge innerhalb des Resonators an dem Auskoppelbereich angeordnet. So kann mittels eines zeitlich variablen Brechungsindex eine Veränderung der optischen und/oder der tatsächlichen Länge des Resonators erzeugt werden. Insbesondere erfolgt eine Modulation der Resonatorlänge. Eine zeitlich veränderliche Resonatorlänge bewirkt unter anderem eine erhöhte primäre spektrale Bandbreite des Halbleiterlasers. Bevorzugt ist die optische Schichtabfolge elektrisch nichtleitend.
Insbesondere eignen sich piezoelektrische und/oder ferroelektrische Stoffe als Materialien für die optische Schichtabfolge. Typischerweise ist die optische Schichtabfolge mit einem Material gebildet, das eine Perowskit-Struktur aufweist. Die optische Schichtabfolge ist bevorzugt mit zumindest einem der folgenden Materialien gebildet: Quarz S1O2, Aluminiumnitrid A1N, Lithiumniobat LiNb03, Galliumorthophosphat GaP04, PZT (Blei-Zirkonat- Titanat) Pb (ZrxTii-x) 03, Bismuttitanat Bi4Ti30i2, Bismut- Lanthan-Titanat Bi(4-x)LaxTi30i2, Bismut-Titanat-Niobat Bi3TiNb09, Strontium-Titanat SrTiCL, Barium-Strontium-Titanat BaxSr(i-x)TiO.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des
Halbleiterlaserbauelements sind die Halbleiterlaser auf dem Strahl-Kombinierer montiert. Dadurch kann vorteilhaft auf ein Substrat verzichtet werden. Ferner ist eine besonders einfache Justage der Halbleiterlaser zu den Einkoppelflächen des Strahl-Kombinierers möglich und es wird eine sehr kompakte Bauform erzielt.
Es wird weiter ein Verfahren zum Betrieb zumindest eines Halbleiterlasers angegeben. Das Verfahren zum Betrieb zumindest eines Halbleiterlasers ist insbesondere zum Betreiben eines Halbleiterlasers in einem hier beschriebenen Halbleiterlaserbauelement geeignet. Das heißt, sämtliche im Zusammenhang mit dem Halbleiterlaserbauelement offenbarten Merkmale sind auch für das Verfahren zum Betrieb zumindest eines Halbleiterlasers offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betrieb zumindest eines Halbleiterlasers besitzt jeder Halbleiterlaser eine Kennlinie seiner optischen Ausgangsleistung über seiner Betriebszeit, die zunächst einen Anstiegsbereich und darauffolgend einen Stationärbereich aufweist. Jeder Halbleiterlaser wird bevorzugt gepulst betrieben, sodass ein Betrieb überwiegend in seinem Anstiegsbereich erfolgt. In dem Anstiegsbereich wird eine Schwelle zum Laserbetrieb überschritten. Sobald die Laserschwelle überschritten ist, wird vermehrt elektromagnetische Strahlung aus stimulierter Emission emittiert und die Intensität nimmt bei einem konstanten elektrischen Strom zu. In einem kurzen Zeitfenster nach dem Überschreiten der Laserschwelle schwingt der Resonator jedoch noch nicht stabil. In diesem Zeitfenster ist die spektrale Bandbreite des Halbleiterlasers höher. In dem Anstiegsbereich weist der Halbleiterlaser somit noch keinen stabilen Arbeitspunkt auf und emittiert elektromagnetische Strahlung mit einer höheren spektralen Bandbreite als in seinem Stationärbereich. Um diesen Effekt nutzen zu können, ist es notwendig den Halbleiterlaser abzuschalten bevor sich die Schwingungen im Resonator stabilisiert haben und dadurch die spektrale Bandbreite wieder abnimmt. Eine Modulation der Halbleiterlaser mit kurzen Pulsen zum überwiegenden Betrieb in dem nichtstabilen Arbeitspunkt führt folglich zur Emission von elektromagnetischer Strahlung mit einer vorteilhaft erhöhten spektralen Bandbreite.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betrieb einer Mehrzahl von Halbleiterlaserbauelementen werden zumindest zwei Halbleiterlaser zeitgleich gepulst in ihrem Anstiegsbereich betrieben, oder zumindest zwei Halbleiterlaser werden nacheinander gepulst in ihrem Anstiegsbereich betrieben. Zeitgleich meint hier und im Folgenden, gleichzeitig innerhalb eines Toleranzzeitraumes von Millisekunden, insbesondere innerhalb eines für ein menschliches Auge nicht wahrnehmbaren Zeitraumes. Mittels eines zeitgleichen gepulsten Betriebs oder eines nacheinander gepulsten Betriebs von mehreren Halbleiterlasern kann von einem Betrachter eine elektromagnetische Strahlung mit einer vorteilhaft erhöhten Intensität bei einer zudem vorteilhaft erhöhten spektralen Bandbreite wahrgenommen werden. Bei einem gepulsten Betrieb eines einzelnen Halbleiterlasers, zur Erhöhung seiner spektralen Bandbreite, wäre hingegen nachteilig eine Verminderung der Intensität der emittierten elektromagnetischen Strahlung unvermeidlich.
Ein hier beschriebenes Halbleiterlaserbauelement eignet sich insbesondere zum Einsatz in sogenannten "Smart Eyewear- Produkten", mit denen Augmented Reality (AR), beziehungsweise Virtual Reality (VR)-Einheiten, realisiert werden. Die hier beschriebenen Halbleiterlaserbauelemente sind auch in verschiedenen Projektionssystemen zur Anzeige von Bildinhalten, beispielsweise in einer Brille, nahe am Auge oder zur direkten Projektion eines Bildes in ein menschliches Auge verwendbar.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Halbleiterlaserbauelements ergeben sich aus den folgenden, im Zusammenhang mit den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Draufsicht auf ein hier beschriebenes Halbleiterlaserbauelement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Figur 2 eine schematische Draufsicht auf ein hier beschriebenes Halbleiterlaserbauelement gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
Figur 3 eine schematische Draufsicht auf ein hier beschriebenes Halbleiterlaserbauelement gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, Figur 4 eine schematische Draufsicht auf ein hier beschriebenes Halbleiterlaserbauelement gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel,
Figur 5 eine schematische Draufsicht auf ein hier beschriebenes Halbleiterlaserbauelement gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel,
Figur 6 ein Diagramm einer Kennlinie der Intensität der emittierten elektromagnetischen Strahlung eines Halbleiterlasers über der Zeit gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen Verfahrens zum Betrieb von Halbleiterlasern,
Figur 7 Diagramme von Kennlinien der Intensität der emittierten elektromagnetischen Strahlung von mehreren Halbleiterlasern über der Zeit gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen Verfahrens zum Betrieb von Halbleiterlasern,
Figur 8 Diagramme von Kennlinien der Intensität der emittierten elektromagnetischen Strahlung von mehreren Halbleiterlasern über der Zeit gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen Verfahrens zum Betrieb von Halbleiterlasern, und
Figur 9 eine schematische Schnittansicht eines hier beschriebenen Halbleiterlaserbauelement gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel. Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein.
Figur 1 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein hier beschriebenes Halbleiterlaserbauelement 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Das Halbleiterlaserbauelement 1 umfasst einen Strahl-Kombinierer 20 und eine Mehrzahl von Halbleiterlasern 10 auf einem gemeinsamen Substrat 30. Der Strahl-Kombinierer 20 umfasst eine Mehrzahl von Wellenleitern 21, die in dem Strahl-Kombinierer 20 eingebettet sind. Ferner umfasst der Strahl-Kombinierer 20 eine Mehrzahl von Einkoppelflächen 20A und eine Auskoppelfläche 20B.
Der Strahl-Kombinierer 20 ist mit einem transluzenten oder transparenten Material gebildet. Vorzugsweise sind die Wellenleiter 21 mittels eines Lasers in das Material des Strahl-Kombinierers 20 eingeschrieben. Derartige Wellenleiter 21 zeichnen sich durch eine besonders hohe optische Effizienz aus. Die Wellenleiter 21 sind derart angeordnet, dass sämtliche elektromagnetische Strahlung, die über die Einkoppelflächen 20A eingekoppelt werden, miteinander kombiniert werden und in der gemeinsamen Auskoppelfläche 20B ausgekoppelt werden.
Die Halbleiterlaser 10 sind auf einem gemeinsamen Substrat 30 angeordnet und umfassen jeweils einen Resonator 100. Die Resonatoren 100 erstrecken sich längs der Halbleiterlaser 10 jeweils bis zu einem Auskoppelbereich 60. An dem Auskoppelbereich 60 ist beispielsweise ein Gradientenspiegel oder ein dielektrischer Spiegel angeordnet. Insbesondere ist in dem Resonator 100 an dem Auskoppelbereich 60 eine optische Schichtabfolge 70 angeordnet, deren Brechungsindex sich beispielsweise durch das Anlegen einer externen elektrischen Spannung oder eines elektrischen Stromes verändern lässt. So kann mittels eines zeitlich variablen Brechungsindex eine Veränderung der optischen und/oder tatsächlichen Länge des Resonators 100 erzeugt werden. Mittels einer zeitlich variablen elektrischen Spannung kann der Brechungsindex der optischen Schichtabfolge 70 moduliert werden. Eine zeitlich modulierte Resonatorlänge 100A bewirkt unter anderem eine erhöhte primäre spektrale Bandbreite des Halbleiterlasers 10.
Jeder Halbleiterlaser 10 emittiert jeweils eine primäre elektromagnetische Strahlung einer primären spektralen Bandbreite in Richtung parallel zu seiner Resonatorachse 100 und koppelt diese primäre elektromagnetische Strahlung in den Strahl-Kombinierer 20 ein. In dem Strahl-Kombinierer 20 werden diese primären elektromagnetischen Strahlungen in den Wellenleitern 21 geführt und miteinander überlagert und schließlich als eine sekundäre elektromagnetische Strahlung an einer Auskoppelfläche 20B des Strahl-Kombinierers 20 ausgekoppelt. Die ausgekoppelte sekundäre elektromagnetische Strahlung aus dem Strahl-Kombinierer 20 weist eine sekundäre spektrale Bandbreite auf, die mindestens doppelt so groß ist wie der arithmetische Mittelwert der jeweiligen primären spektralen Bandbreiten der elektromagnetischen Strahlungen der Halbleiterlaser 10.
An der dem Auskoppelbereich 60 gegenüberliegenden Seite eines Halbleiterlasers 10 ist ein Aktuator 50 angeordnet. Der Aktuator 50 umfasst ein Piezoelement und dient der modulierten mechanischen Verspannung des Halbleiterlasers 10. Dadurch erhöht sich die primäre spektrale Bandbreite der von diesem Halbleiterlaser 10 emittierten primären elektromagnetischen Strahlung.
Figur 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein hier beschriebenes Halbleiterlaserbauelement 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel eines Halbleiterlaserbauelements 1. Das zweite Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem in Figur 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel. Die Halbleiterlaser 10 unterscheiden sich jedoch in der Länge ihrer Resonatoren 100. Jeder Halbleiterlaser 10 weist eine unterschiedliche Resonatorlänge 100A auf.
Durch die unterschiedlichen Resonatorlängen 100A ergeben sich unterschiedliche Hauptemissionswellenlängen der jeweiligen Halbleiterlaser 10. Dadurch ist eine weitere Steigerung der sekundären spektralen Bandbreite der sekundären elektromagnetischen Strahlung möglich.
Figur 3 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein hier beschriebenes Halbleiterlaserbauelement 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Das in der Figur 3 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem in Figur 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel eines Halbleiterlaserbauelements 1.
Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel ist jeder Halbleiterlaser 10 auf einem separaten Substrat 30 angeordnet. Die Anordnung auf separaten Substraten 30 ermöglicht eine besonders einfache Beeinflussung eines Wärmewiderstands und/oder eines elektrischen Widerstands zwischen einem Halbleiterlaser 10 und dem dazugehörigen Substrat 30.
Beispielsweise weist jedes Substrat 30 ein unterschiedliches Material auf. Somit kann eine unterschiedliche Betriebstemperatur und/oder ein unterschiedliches elektrisches Verhalten jedes Halbleiterlasers 10 erreicht werden. Dies führt zu einer vorteilhaft erhöhten sekundären spektralen Bandbreite der sekundären elektromagnetischen Strahlung. Einige der Halbleiterlaser 10 sind auf einem Substrat 30 angeordnet, das mit einem Material mit einer verminderten Wärmeleitfähigkeit gebildet ist. Diese Halbleiterlaser 10 können ihre im Betrieb entstehende Abwärme nur schwer abführen und erreichen so eine erhöhte Betriebstemperatur und damit eine veränderte Hauptemissionswellenlänge .
Figur 4 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein hier beschriebenes Halbleiterlaserbauelement 1 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel. Das vierte Ausführungsbeispiel zeigt einen monolithischen Halbleiterkörper 11, in dem eine Mehrzahl von Halbleiterlasern 10 ausgebildet ist. Jeder Halbleiterlaser 10 umfasst einen Resonator 100. Die Resonatoren 100 sind parallel zueinander ausgerichtet. Der monolithische Halbleiterkörper 11 ist auf einem Substrat 30 angeordnet. Mittels eines monolithischen Halbleiterkörpers 11 kann eine besonders kompakte Bauweise des
Halbleiterlaserbauelements realisiert werden. Beispielsweise weisen unterschiedliche Halbleiterlaser 10 eine unterschiedliche Dotierung auf, um jeweils eine unterschiedliche Hauptemissionswellenlänge hervorzurufen.
Figur 5 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein hier beschriebenes Halbleiterlaserbauelement 1 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel. Das fünfte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem in Figur 4 gezeigten vierten Ausführungsbeispiel .
Im Unterschied zum vierten Ausführungsbeispiel weisen die in dem monolithischen Halbleiterkörper 11 ausgebildeten Resonatoren 100 unterschiedliche Längen 100A auf. Die unterschiedlichen Längen 100A der Resonatoren 100 sind mittels an unterschiedlichen Stellen geätzter Mesa-Flanken realisiert. So kann innerhalb des Laserbarrens 11 eine Mehrzahl von unterschiedlichen Resonatorlängen 100A realisiert werden. Mittels der unterschiedlichen Resonatorlängen 100A kann besonders einfach eine unterschiedliche Hauptemissionswellenlänge der unterschiedlichen Halbleiterlaser 10 erzeugt werden und gleichzeitig bleibt eine kompakte Bauform aufgrund der Anordnung in einem monolithischen Halbleiterkörper 11 erhalten .
Figur 6 zeigt ein Diagramm einer Kennlinie der Intensität der emittierten elektromagnetischen Strahlung eines Halbleiterlasers 10 über der Zeit gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen Verfahrens zum Betrieb von Halbleiterlasern 10. Die Y-Achse repräsentiert die Intensität der emittierten primären elektromagnetischen Strahlung eines Halbleiterlasers 10. Die X-Achse repräsentiert die Zeitachse. Die Intensität beginnt erst ab dem Überschreiten der Laserschwelle anzusteigen und nimmt bis zu einem bestimmten Grenzwert stetig zu. Der Grenzwert markiert den Übergang von einem Anstiegsbereich A und einem nachfolgenden Stationärbereich B. Nach dem Verlassen des Anstiegsbereichs A befindet sich der Halbleiterlaser 10 in dem Stationärbereich B. Während der Emission von elektromagnetischer Strahlung in dem Anstiegsbereich A ist eine erhöhte primäre spektrale Bandbreite mit einer verminderten Kohärenzlänge zu beobachten. Der Betrieb des Halbleiterlasers 10 in dem Stationärbereich B entspricht einem stabilen Arbeitspunkt und erfolgt mit einer wesentlich verringerten primären spektralen Bandbreite und somit mit einer erhöhten Kohärenzlänge. Der Betrieb des Lasers innerhalb des Anstiegsbereichs A hat somit vorteilhaft eine geringe Kohärenzlänge und eine hohe primäre spektrale Bandbreite. Beispielsweise kann der Halbleiterlaser 10 gepulst betrieben werden, um einen ausschließlichen Betrieb in dem Anstiegsbereich A zu erreichen. Die Helligkeit der Halbleiterlaser 10 ergibt sich aus dem Integral der Intensität über die Zeit. Wenn die Halbleiterlaser 10 kurz nach dem Einschalten schon wieder abgeschaltet werden, um eine möglichst große spektrale Bandbreite zu erzielen, ist der Wert der integrierten Helligkeit gering. Demzufolge erscheint beispielsweise auch ein von dem Halbleiterlaser 10 erzeugter Bildpunkt relativ dunkel.
Figur 7 zeigt Diagramme von Kennlinien der Intensität der emittierten elektromagnetischen Strahlung von mehreren Halbleiterlasern 10 über der Zeit gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen Verfahrens zum Betrieb von Halbleiterlasern 10. Zum Erreichen eines quasi kontinuierlichen Dauerbetriebs der Halbleiterlaser 10 können mehrere Halbleiterlaser 10 hintereinander betrieben werden und jeweils nur innerhalb des Anstiegsbereichs A arbeiten.
Ein erster Halbleiterlaser 10 wird bis zum Anstiegsbereich A betrieben und danach ausgeschaltet, während direkt anschließend der Betrieb eines weiteren Halbleiterlasers 10 erfolgt, der ebenfalls nur im Anstiegsbereich A betrieben und anschließend ausgeschaltet wird. Durch eine weitere Fortsetzung dieser Reihe lässt sich ein quasi kontinuierlicher Betrieb einer Mehrzahl von Halbleiterlasern 10 erreichen.
Figur 8 zeigt Diagramme von Kennlinien der Intensität der emittierten elektromagnetischen Strahlung von mehreren Halbleiterlasern 10 über der Zeit gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen Verfahrens zum Betrieb von Halbleiterlasern 10. Zur Erhöhung der abgestrahlten Intensität ist ein gleichzeitiger Betrieb einer Mehrzahl von Halbleiterlasern 10 denkbar. Beispielsweise werden mehrere Halbleiterlaser 10 nur in ihrem Anstiegsbereich A betrieben und somit in einem Betriebsmodus mit einer hohen primären spektralen Bandbreite. Durch die gleichzeitige Überlagerung der primären elektromagnetischen Strahlung erhöht sich die optische Intensität der erzeugten primären elektromagnetischen Strahlung.
Alternativ ist auch eine Kombination der Betriebsmodi gemäß dem in der Figur 7 gezeigten Ausführungsbeispiel und dem in der Figur 8 gezeigten Ausführungsbeispiel möglich. So kann abwechselnd ein sequentieller Betrieb von mehreren Halbleiterlasern 10 erfolgen, um eine möglichst kontinuierliche Emission zu erzeugen, und eine gleichzeitige Emission von mehreren Halbleiterlasern 10 für eine möglichst hohe Intensität zu erzeugen.
Figur 9 zeigt eine schematische Schnittansicht eines hier beschriebenen Halbleiterlaserbauelements 1 gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel. Das hier gezeigte Halbleiterlaserbauelement 1 umfasst ein gemeinsames Substrat 30, auf dem drei Halbleiterlaser 10 angeordnet sind. Zwischen den Halbleiterlasern 10 und dem Substrat 30 ist jeweils eine Isolierschicht 40 angeordnet.
Die Isolierschicht 40 weist unterschiedliche Dicken auf und kann so unterschiedliche Wärme- und/oder elektrische Widerstände zwischen den Halbleiterlasern 10 und dem Substrat 30 hervorrufen. Zusätzlich oder alternativ kann die Isolierschicht 40 lokal strukturiert sein, um einen Wärme- und/oder elektrischen Widerstand weiter zu beeinflussen. Mittels der unterschiedlich ausgeführten Isolierschicht 40 kann somit eine Betriebstemperatur jedes Halbleiterlasers 10 gezielt beeinflusst werden. Durch möglichst unterschiedliche Betriebstemperaturen kann eine weitere Verminderung der Kohärenzlänge und somit eine Erhöhung der primären spektralen Bandbreite erreicht werden.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 102020112806.1, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. Bezugszeichenliste
I Halbleiterlaserbauelement
10 Halbleiterlaser
II Halbleiterkörper
100 Resonator
100A Resonatorlänge
20 Strahl-Kombinierer
20A Einkoppelflächen
20B Auskoppelfläche
21 Wellenleiter
30 Substrat
40 Isolierschicht
50 Aktuator
60 Auskoppelbereich
70 optische Schichtabfolge
A Anstiegsbereich
B Stationärbereich

Claims

Patentansprüche
1. Halbleiterlaserbauelement (1) umfassend eine Mehrzahl von Halbleiterlasern (10) und einen Strahl-Kombinierer (20), der dazu eingerichtet ist, von den Halbleiterlasern (10) emittierte Strahlung zu kombinieren, wobei
- die Halbleiterlaser (10) jeweils eine primäre elektromagnetische Strahlung einer primären spektralen Bandbreite im sichtbaren Wellenlängenbereich emittieren,
- die primäre elektromagnetische Strahlung der Halbleiterlaser (10) in den Strahl-Kombinierer (20) eingekoppelt wird,
- aus dem Strahl-Kombinierer (20) eine sekundäre elektromagnetische Strahlung ausgekoppelt wird, die aus einer Überlagerung der primären elektromagnetischen Strahlung der Halbleiterlaser (10) gebildet ist, und
- die sekundäre elektromagnetische Strahlung eine sekundäre spektrale Bandbreite aufweist, die mindestens doppelt so groß ist wie ein Mittelwert der primären spektralen Bandbreiten.
2. Halbleiterlaserbauelement (1) gemäß Anspruch 1, bei dem die sekundäre spektrale Bandbreite zwischen 5 nm und 10 nm beträgt.
3. Halbleiterlaserbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Strahl-Kombinierer (20) ein monolithisches Bauteil ist.
4. Halbleiterlaserbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Halbleiterlaser (10) unterschiedliche Resonatorlängen (100A) aufweisen.
5. Halbleiterlaserbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Halbleiterlaser (10) auf einem gemeinsamen Substrat (30) angeordnet sind.
6. Halbleiterlaserbauelement (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem zumindest ein Teil der Halbleiterlaser (10) auf einem separaten Substrat (30) angeordnet ist.
7. Halbleiterlaserbauelement (1) gemäß einem der Ansprüche 5 oder 6, bei dem eine thermische Isolierschicht (40) zwischen zumindest einem Halbleiterlaser (10) und dem Substrat (30) angeordnet ist.
8. Halbleiterlaserbauelement (1) gemäß Anspruch 7, bei dem die Isolierschicht mit Siliziumoxid oder Siliziumnitrid gebildet ist.
9. Halbleiterlaserbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest ein Halbleiterlaser (10) eine Dotierung mit einem Dotierstoff aufweist, die eine Hauptemissionswellenlänge des Halbleiterlasers (10) verändert.
10. Halbleiterlaserbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Halbleiterlaser (10) in einem monolithischen Halbleiterkörper (11) ausgebildet sind.
11. Halbleiterlaserbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Halbleiterlaser (10) in unterschiedlichen lateralen Abständen zueinander angeordnet sind.
12. Halbleiterlaserbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Aktuator (50) eine zeitlich modulierte mechanische Verspannung bei zumindest einem Halbleiterlaser (10) erzeugt.
13. Halbleiterlaserbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem den Halbleiterlasern (10) ein Aktuator (50) zugeordnet ist, der jeweils eine zeitlich modulierte mechanische Verspannung der Halbleiterlaser (10) erzeugt.
14. Halbleiterlaserbauelement (1) gemäß einem der Ansprüche 12 oder 13, bei dem der Aktuator (50) ein Piezo-Element umfasst.
15. Halbleiterlaserbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem an einem Auskoppelbereich (60) zumindest eines Halbleiterlasers (10) ein Gradientenspiegel angeordnet ist.
16. Halbleiterlaserbauelement (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem an einem Auskoppelbereich (60) zumindest eines Halbleiterlasers (10) ein dielektrischer Spiegel angeordnet ist.
17. Halbleiterlaserbauelement (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem innerhalb des Resonators (100) zumindest eines Halbleiterlasers (10) eine optische Schichtabfolge (70) angeordnet ist, deren Brechungsindex durch das Anlegen einer externen elektrischen Spannung oder eines elektrischen Stromes veränderbar ist.
18. Halbleiterlaserbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Halbleiterlaser (10) auf dem Strahl-Kombinierer (20) montiert sind.
19. Verfahren zum Betrieb zumindest eines Halbleiterlasers (10), wobei
- jeder Halbleiterlaser (10) eine Kennlinie seiner optischen Ausgangsleistung über seiner Betriebszeit besitzt, die zunächst einen Anstiegsbereich (A) und darauffolgend einen Stationärbereich (B) aufweist, wobei jeder Halbleiterlaser (10) gepulst betrieben wird, sodass ein Betrieb überwiegend in seinem Anstiegsbereich (A) erfolgt.
20. Verfahren zum Betrieb einer Mehrzahl von Halbleiterlasern (10) gemäß Anspruch 19, wobei
- zumindest zwei Halbleiterlaser (10) zeitgleich gepulst in ihrem Anstiegsbereich (A) betrieben werden, oder
- zumindest zwei Halbleiterlaser (10) nacheinander gepulst in ihrem Anstiegsbereich (A) betrieben werden.
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