WO2022253946A1 - Laserbarren mit verringerter lateraler fernfelddivergenz - Google Patents

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laser
emitter
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Mathias M. KAROW
Paul Crump
Mohammad Jarez MIAH
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Ferdinand-Braun-Institut Ggmbh Leibniz-Institut Für Höchstfrequenztechnik
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Definitions

  • the present invention relates to a laser bar with reduced lateral far-field divergence, and more particularly to a laser bar with a uniform temperature profile in the lateral direction to reduce lateral far-field divergence.
  • Laser bars typically consist of several broad-area diode lasers (BALs), which are arranged side by side in the lateral direction on a common substrate. This means that a total output power of 1500 W and more can be achieved.
  • the number of broad area lasers arranged in a laser bar can vary, typical values for this are between 5 and 200.
  • the lateral stripe width of the broad area laser is typically between 5 pm and 100 pm, but can also be significantly larger, such as 1200 pm.
  • the individual laser elements are usually formed as separate emitter structures in a common layer structure, the charge carrier supply usually being structured to separate the emitter structures, in particular by structuring the p-contact layer opposite an n-substrate and the associated p-contacts.
  • Charge carriers are injected via the p and n contacts into the active zone formed between the two contacts within the layer structure. Since the injected charge carriers mainly move directly in the direction of the active zone without lateral current widening, the generation of radiation within the active zone can also be correspondingly structured in the lateral direction by means of appropriate separating structures in the charge carrier feed.
  • impurities or foreign atoms are usually implanted in the p-contact layer, trenches are formed or dielectric sections are locally introduced (e.g. produced by filling trenches with a dielectric material).
  • a variation of the temperature profile in the lateral direction should result in an adaptation of the temperature of the outer emitter structures to a temperature of the inner emitter structures enclosed by the outer emitter structures.
  • the lateral temperature distributions within the outer emitters can be adjusted so that they are as close as possible to those of the inner emitters by means of new bar constructions and arrangements. In this way, the formation of an asymmetrical temperature profile and the occurrence of a broadening of the lateral far-field divergence caused by this can be avoided.
  • a laser bar according to the invention comprises a layer system made of a semiconductor material with an active layer, the layer system having an n-contact and p-contact for injecting charge carriers into the active layer, with structuring of the layer system forming a multiplicity of emitter structures arranged parallel to one another is, wherein the emitter structures extend in the longitudinal direction between a front facet and a rear facet and in the lateral direction from a first side to a second side and for structuring the emitter structures are each separated from one another by a separating structure extending in the longitudinal direction.
  • the dissipated thermal power of the outer emitter structures facing the first side and the second side is adapted in relation to the inner emitter structures enclosed by the outer emitter structures.
  • a largely homogeneous temperature profile with regard to the maximum temperature of the individual emitter structures during operation of the laser bar can be achieved by the adaptation in the lateral direction.
  • the layer system of a laser bar according to the invention can, for example, have an n-contact (e.g. designed as a metallic contact surface); an n-substrate, the n-substrate being arranged on the n-contact; an n-cladding layer, the n-cladding layer being disposed on the n-substrate; an n-waveguide layer, the n-waveguide layer being disposed on the n-cladding layer; an active layer, the active layer being disposed on the n-waveguide layer; a p-waveguide layer, the p-waveguide layer being disposed on the active layer; a p-cladding layer, the p-cladding layer being disposed on the p-waveguide layer; a structured p-contact layer, the p-contact layer being arranged on the p-cladding layer and forming a multiplicity of emitter structures arranged parallel next to one another as a result of the structuring, the regions between the emitter structures being separated from one another
  • the idea of the invention is therefore to provide a laser bar with reduced lateral far field divergence available, in which the temperature profile is varied in the lateral direction by adapting the dissipated thermal power (local heat) of the first side and the second Side facing outer emitter structures is made opposite the inner emitter structures enclosed by the outer emitter structures.
  • the individual emitter elements are not designed identically to one another, but to reduce the lateral far field divergence, some of the emitter elements can be modified by suitable measures in such a way that their dissipated thermal power is adjusted.
  • the temperature profile can be varied in the lateral direction in order to adapt the temperature of the outer emitter structures to a temperature of the inner emitter structures enclosed by the outer emitter structures.
  • the dissipated thermal power of the outer emitter structures is preferably adapted gradually over a plurality of outer emitter structures lying next to one another.
  • the inventors were able to show that just adjusting the dissipated thermal power of the respective outermost emitter elements of a laser bar can lead to a significant adjustment of the temperature profile in the lateral direction.
  • an improved adaptation can be achieved in that, in addition to the outermost emitter structures in each case, the dissipated thermal power is also adapted accordingly in neighboring emitter structures.
  • the strength of the adaptation particularly preferably decreases in the direction of the inner emitter structures.
  • a gradual adaptation of the dissipated thermal power of the outer emitter structures across a plurality of outer emitter structures lying next to one another can specifically take place, for example, via three or four or more of the outer emitter elements in each case.
  • the electrical and/or optical properties of the outer emitter structures are preferably adapted in relation to the inner emitter structures.
  • the dissipated thermal power can be increased in particular by increasing the losses within the outer emitter structures.
  • essentially optical (ie relating to the radiation guidance) essentially electrical (ie relating to the current guidance) or mixed (ie relating to the radiation guidance and the current guidance) adjustments can be made.
  • An effective way of adjusting the electrical and/or optical properties of the emitters and thereby increasing the thermal power dissipated is to modify the outer emitter structures (ie the optical resonator formed within the emitter structures).
  • the outer emitter structures for adaptation, higher optical power can be enclosed within the outer emitter structures for adaptation, the heat dissipation from the outer emitter structures can be deteriorated, additional internal optical losses (e.g. scattering losses) can be introduced in the outer emitter structures, the effectiveness of the active areas of the outer emitter structures can be deteriorated and/or high-impedance structures are introduced into the emitter structures (in particular into the inner emitter structures).
  • additional internal optical losses e.g. scattering losses
  • the facet reflectivity of the outer emitter structures is preferably increased compared to the facet reflectivity of the inner emitter structures. It could be shown that an effective way to adapt the thermal power output of the emitter elements is to change the facet reflectivity of the emitter structures (i.e. the optical resonator formed within the emitter structures). In this case, a higher facet reflectivity leads to an increase in the optical power stored in the emitter structures, which in turn leads to an increase in the internal resonator losses and thus also to an increase in the temperature of the respective emitter structures.
  • the facet reflectivity of the emitter structures can be adjusted by reflectors by integrating distributed Bragg gratings (distributed Bragg reflector, DBR), in particular front-side DBR and/or rear-side DBR, or by applying dielectric mirror layers to the front facets and/or the rear facets is.
  • DBR distributed Bragg reflector
  • the facet reflectivity can be adjusted via the reflectivity of the reflector elements. Adjusting the optical properties of a resonator by adjusting the reflectivities at the ends is known per se to a person skilled in the art, but this dependency is used here for targeted adjustment of the temperature of individual emitter elements of a laser bar to reduce lateral far-field divergence.
  • the intensity of the light enclosed in the emitter structures can be controlled.
  • their mirror losses decrease, more optical energy is stored in the emitter structures and thus the heat input inside the emitter also increases emitter structures. Due to an increased heat input, the temperature of the outer emitter structures also increases.
  • the reflectivity of a front reflector (Ri) of the outer emitter structures is preferably between 1% and 30%, particularly preferably between 1% and 12%. For typical laser bars, this value range results from the measured temperature drop in the outer emitter structures. With these values for the reflectivity, an increase in temperature in the range of up to 10 K can typically be achieved compared to emitter structures without additional reflectors.
  • the length of the pumped area in the outer emitter structures is preferably shortened compared to the length of the pumped area of the inner emitter structures by forming non-pumped areas. It could be shown that another effective way of adapting the thermal power output of the emitter elements is to change the thermal resistance of the emitter structures.
  • An increased thermal resistance reduces the heat dissipation from the emitter structures and can therefore also lead to an increase in the temperature of the respective emitter structures.
  • the pumped region length of the outer emitter structures is between 90% and 20%, more preferably between 80% and 35%, compared to the pumped region length of the inner emitter structures.
  • a typical length for the pumped region of an internal emitter structure is 4 mm and corresponds to the length of the resonator.
  • the length of the pumped region of the outer emitter structures can then be shortened to 1.4 mm, for example, for a temperature increase that is typically required for these emitter structures.
  • the heat dissipation ability of the outer emitter structures can be reduced.
  • the electrical series resistance and the thermal resistance increase.
  • the increased electrical series resistance reduces the maximum current through the outer emitter structures (at a constant voltage supplied) and thus the heat output of the emitter structures. Through the too strong However, increased thermal resistance increases the overall temperature within these emitter structures.
  • non-pumped regions are formed adjacent to the front facet and the rear facet.
  • a symmetrical arrangement of the non-pumped areas is preferred.
  • the position of the pumped areas along the longitudinal axis of the emitter structures can be chosen freely and determined individually for different emitter structures.
  • inert ions are preferably implanted in the non-pumped passive regions by means of deep ion implantation. It could be shown that the non-pumped areas can be formed more effectively by implanting inert ions. In this case, the depth of the implantation can be limited to an implantation down into the p-contact layer. However, the implantation can also extend beyond the p-contact layer into the p-waveguide layer. The conductivity of the highly p-doped contact, cladding and waveguide layers is eliminated by the ion implantation or the deep ion implantation. On the one hand, the flow of charge carriers to the pumped areas can be restricted by an ion implantation. On the other hand, this also prevents the charge carriers from diffusing into the non-pumped areas.
  • Loss elements are preferably formed in the outer emitter structures in order to increase the internal optical losses (cr int ).
  • the effect of an increase in internal resonator losses has already been explained above.
  • These loss elements can be achieved by introducing 1-, 2- or 3-dimensional loss centers via local changes in the refractive index or by etching wavy structures along the longitudinal direction of the laser resonator or by locally increasing the charge carrier density, e.g. B. be generated by diffusing dopants into the crystal structure. Such structures cause additional scattering and absorption losses through interaction with the laser light.
  • the resulting reduced transconductance efficiency ⁇ s ⁇ o P e) of the emitter increases the power loss and thus causes the temperature within the emitter structures to rise.
  • the internal optical losses (cr int ) of the outer emitter structures are preferably between 0.6 cm 1 and 1.5 cm 1 , more preferably between 1 cm 1 and 1.5 cm 1 , and even more preferably between 1.2 cm 1 and 1 5 cm 1 .
  • the internal optical losses in the epitaxial materials typically used for high-power laser diodes is between about 0.3 cm 1 and 0.4 cm 1 .
  • inert ions are preferably implanted at least in sections in the direction of the active layer in the outer emitter structures to increase the radiationless recombination and thus to reduce the internal quantum efficiency ⁇ h ih i).
  • the internal quantum efficiency in these emitter structures can be reduced, as a result of which the conversion efficiency (PCE) of the outer emitter structures is impaired.
  • PCE conversion efficiency
  • the emitter structure can be implemented as an arrangement of implanted and non-implanted regions.
  • a symmetrical arrangement of the implanted and non-implanted areas is preferred; in particular, the individual areas can each have the same lengths.
  • the position and length of the implanted and non-implanted areas along the longitudinal axis of the emitter structures can be chosen freely and determined individually for different emitter structures.
  • the depth of the implant preferably extends from the p-contact layer through the p-cladding layer, p-waveguide layer and the active layer down to the n-waveguide layer.
  • the outer emitter structures Preferably, sufficient defects are introduced into the outer emitter structures such that the internal quantum efficiencies ( ⁇ nt ) of the outer emitter structures are between 50% and 92%, more preferably between 84% and 92%.
  • the typically achievable internal quantum efficiency in epitaxial materials commonly used for high-power laser diodes is approximately between 95% and 100%.
  • inert ions are preferably implanted at least in sections in the direction of the active layer. By increasing the series resistance of the inner emitter structures, a higher current flow can be forced through the outer emitters, thereby causing additional heating of the outer emitter structures.
  • parts of the semiconductor materials e.g. B.
  • the contact area are implanted with inert ions.
  • a symmetrical arrangement of the implanted and non-implanted areas is preferred here, in particular the individual areas can each have the same lengths.
  • the emitter structure may be an array of implanted and non-implanted regions, or the implanted region may extend the entire length of an emitter structure.
  • a symmetrical arrangement of the implanted and non-implanted areas is preferred; in particular, the individual areas can each have the same lengths.
  • the position and length of the implanted and non-implanted areas along the longitudinal axis of the emitter structures can be chosen freely and determined individually for different emitter structures.
  • the depth of the implant can range from an implant only into the p-contact layer to an implant extending from the p-contact layer into the p-waveguide layer.
  • the specific series resistance of the inner emitter structures is preferably increased by a factor of 1.2 to 1.6 compared to the outer emitter structures.
  • the tables on the left side show the thermal resistance R ih in K/W, the maximum temperatures of the inner and outer emitter structures 7j and T a for a conventional high-power laser diode and the resulting difference dT between the respective maximum temperatures of the emitter structures .
  • the tables on the right side each show the corresponding variation parameter and its effects in an adaptation according to the invention.
  • the temperature change dT achieved by the variation, a resulting change in the conversion efficiency ⁇ PCE and a factor P d iSS , by which the dissipated thermal power in the outer emitter structures is increased by the adjustments made, are given.
  • Table 1 shows that a corresponding adaptation of the temperatures can be achieved with an increased degree of reflection R f of 12% or 29% of the front facet of the outer emitter structures.
  • the optical properties of the outer emitter structures can be changed by an increased degree of reflection R f of the front facet and the optical power stored in the emitter structures can thus be increased. This also increases the losses that occur and thus also the temperature of the emitters.
  • Table 2 shows that a corresponding adaptation of the temperatures can be achieved by shortening the length of the pumped region Lgain in the outer emitter structures compared to the length of the pumped region Lga in the inner emitter structures.
  • the length of the pumped region L ga in the inner emitter structure corresponded to the resonator length of 4000 pm.
  • Table 3 shows that the temperatures can be adjusted accordingly by increasing the internal optical losses cr int of the outer emitters.
  • the internal optical losses can be increased in particular by introducing lossy elements into the emitter structures.
  • the loss elements can be created by introducing 1-, 2- or 3-dimensional loss centers into the crystal structure.
  • Table 4 shows that a corresponding adaptation of the temperatures can be achieved by reducing the internal quantum efficiency h ⁇ ih ⁇ of the outer emitter structures.
  • the internal quantum efficiency h ⁇ ih i can in particular via an amplification the non-radiative recombination of injected charge carriers (ie electrons and holes).
  • Table 5 shows that by increasing the specific series resistance p s of the inner emitter structures (e.g. through implanted inert ions) by a factor of 1.2 to 1.6 compared to the specific series resistance p s o of the outer emitter structures (ie those not with inert ions implanted emitter) a corresponding adjustment of the temperatures can be achieved.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an exemplary conventional laser bar structure in a) oblique view, b) side view and c) top view;
  • 3a shows a schematic representation of a first embodiment of a laser bar structure according to the invention in a combined plan view and oblique view;
  • Fig. 4 is a schematic representation of a second embodiment of a laser bar structure according to the invention in combined up and down
  • Fig. 5 is a schematic representation of a third embodiment of a laser bar structure according to the invention in combined up and down
  • Fig. 6 is a schematic representation of a fourth embodiment of a laser bar structure according to the invention in combined up and down
  • Fig. 7 is a schematic representation of a fifth embodiment of a laser bar structure according to the invention in combined up and down
  • Fig. 8 is a schematic representation of a sixth embodiment of a laser bar structure according to the invention in combined up and down
  • Fig. 9 is a schematic representation of a seventh embodiment of a laser bar structure according to the invention in combined up and down
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an exemplary conventional laser bar structure in a) an oblique view, b) a side view and c) a top view.
  • the laser bar 1 comprises an n-contact 4 (embodied, for example, as a metallic contact surface); an n-substrate 3, the n-substrate 3 being disposed on the n-contact 4; an n-cladding layer 6, the n-cladding layer 6 being disposed on the n-substrate 3; an n-waveguide layer 8, the n-waveguide layer 8 being disposed on the n-cladding layer 6; an active layer 2, the active layer 2 being arranged on the n-waveguide layer 8; a p-waveguide layer 9, the p-waveguide layer 9 being disposed on the active layer 2; a p-cladding layer 7, the p-cladding layer 7 being disposed on the p-waveguide layer 9; a structured p-contact layer 10, the p-contact layer 10 being arranged
  • a second side e.g. right
  • a plurality of p-contacts 5 e.g. in the form of metallic contact elements, the p-contacts 5 resting on the structures of the p-contact layer 10 and enabling charge carriers to be injected into the respective emitter structures.
  • the end of the two outer sides of the laser bar 1 typically forms a non-active dummy emitter 12, which can be designed in particular as a simple dielectric region, as a trench or as a non-radiative emitter.
  • the dummy emitters 12 serve in particular to protect the laser bar 1 on the side surfaces.
  • the area in the middle of the laser bar 1 was only indicated for the sake of a better overview, but it is a simple continuation of the structures shown adjacent.
  • the layer structure can deviate from that shown, in particular the n and p sides can be interchanged with regard to the substrate (p substrate).
  • the individual laser elements are formed in a common layer structure, the p-contact layer 10 being structured for the purpose of separation.
  • the introduced separating structures 11 can in particular be areas implanted with ions (first ion implantation zones), trenches or dielectric areas.
  • the individual laser Elements can also be separated by appropriate structuring of an n-contact layer, by individual n-contacts or by a p-contact layer and an n-contact layer.
  • a laser bar 1 can typically include a number N of 5 to 200 laser elements, with the laser elements being able to be designed as broad area lasers with a lateral width w between 5 ⁇ m and 1200 ⁇ m, the length of the laser elements in the longitudinal direction being between approximately 2 mm and 6 mm, for example and the distance d between the individual laser elements is typically about 30 pm to 100 pm.
  • these are temperature profiles of a laser bar of the kW class with a dissipated thermal power loss P d iSS (“dissipated power”) of 603 W, with the conversion efficiency (“PCE”) being 60%.
  • the individual laser elements were spaced 64 pm apart.
  • the three outer laser elements in particular have a lower temperature during operation (equilibrium temperature between heat input through the laser process and heat output through appropriate cooling, each measured in the middle of the active zone of the individual laser elements). than the inner laser elements.
  • the respective outer laser element in particular can have a maximum temperature that is up to 20% lower in comparison to the other laser elements of the laser bar.
  • the middle laser elements show uniform temperatures between about 45 °C and 75 °C, depending on the operating power P op .
  • the temperature can drop by up to 45% compared to the respective maximum value, as shown in FIG. 2b by way of example.
  • the lateral temperature profile of the laser bar can be modified by a targeted increase in the power loss (ie the dissipated heat) at the edge emitters and thus a uniform temperature distribution among the emitter structures in the bar can be achieved.
  • a relative A measure for estimating the extent of the required adjustment is a so-called boundary heat factor BH (“boundary heat factor”) of the outermost emitter structures, which specifies the factor by which the power loss P d iSS of the outer emitter structures must be increased in order to achieve a largely homogeneous temperature profile to obtain.
  • boundary heat factor BH boundary heat factor
  • a boundary heat factor BH of 1.16 leads to an approximately homogeneous temperature distribution between the emitter structures.
  • the edge heat factor BH also acts on the inner emitter structures directly adjacent to the outermost emitter structures and can therefore also influence their temperatures.
  • An increase in the edge heat factor BH can therefore be used to compensate for the temperature drop in the emitter structures at the outer edges of a laser bar.
  • a reduction in the lateral divergence angle of the total emission of the laser bar can be achieved in that a lens effect occurring as a result of an asymmetrical temperature profile is reduced.
  • FIG. 3a shows a schematic representation of a first embodiment of a laser bar structure according to the invention in a combined plan view and oblique view.
  • the basic structure of the layer system shown corresponds to that described for FIG. 1, the respective reference symbols and their assignment to individual features therefore apply accordingly.
  • a distributed Bragg grating 15 (distributed Bragg reflector, DBR) was integrated into the structure in the area of the front facets 13 of these laser elements.
  • DBR structures are known to those skilled in the art as feedback elements for spectral filtering of the emitted laser radiation, so that they can be implemented without further ado using known technologies.
  • the front-side DBR 15 shown is produced by a comb structure which is arranged in the p-contact layer 10 and preferably extends into the p-cladding layer 7 and has trenches or a refractive index modulation corresponding to the trenches.
  • the front facets 13 can also be dielectrically mirrored to form a reflector.
  • the degree of reflection R f on the front facet 13 can be adjusted by the structure of the DBR 15 or another reflector. As a result, the optical properties of the resonator can be changed, which reduces its decoupling losses. In the case of the DBR 15, the degree of reflection R f can be adjusted in particular via the number of pairs of layers in the mirror. A higher reflectance R f leads to a lower one
  • the temperature of the outer laser elements can thus be adapted to the temperature level of the inner laser elements via a corresponding design of the degree of reflection R f on the front facet 13 in the case of the outer laser elements.
  • the second and third outer laser elements are also provided with a DBR 15 in the area of the front facets 13 .
  • the different lengths of the DBR structures shown are intended to indicate that the set degree of reflection R f should decrease in the direction of the inner laser elements.
  • the exact type of the removal function and how many laser elements are detected on the outside thereof depends on the specific design of the laser bars 1 and the thermal coupling between the individual laser elements. The representation of this embodiment is therefore purely exemplary and represents a large number of possible embodiments.
  • the DBR used to increase the degree of reflection R and thus the thermal power loss that occurs can also be a rear reflector, or the arrangement of the individual reflectors can be determined individually for each correspondingly modified laser element.
  • a highly reflective rear-side reflector e.g. a DBR or a dielectric mirror layer
  • FIG. 3b shows a dependency of the reflector losses (“mirror loss”), the slope efficiency q s ⁇ 0P e (“slope efficiency”) and the threshold current Ah (“threshold current”) as a function of the degree of reflection R f at the front facet.
  • the radiant power coupled out of the laser element through the reflector is considered to be the reflector loss (ar m in cm 1 ).
  • the threshold current Ah shows a very similar behavior.
  • the gradient efficiency q s ⁇ 0P e decreases approximately linearly with the degree of reflection R f at the front facet.
  • FIG. 3c shows a dependence of the output power P out (“output power”) and the conversion efficiency PCE as a function of the operating current / for different
  • Reflectivities R f at the front facet Corresponding to those shown in Fig. 3b As the degree of reflection Rf increases, dependencies decrease, as do the achievable output powers Pout and the conversion efficiencies PCE. On the other hand, however, this means that a larger proportion of the energy introduced into the laser elements is converted into heat loss and this can be used to adjust the temperature of the outer laser elements.
  • FIG. 3d shows a dependency of the power loss P d iSS (“dissipated power”), the conversion efficiency PCE and the temperature rise dT in the active zone as a function of the degree of reflection R f on the front facet at maximum operating voltage ( ⁇ 1.55 V).
  • the power loss P diss and the conversion efficiency PCE show an opposing linear increase behavior, with the power loss P diss being able to vary by a factor of 1.6 with degrees of reflection R f between 1% and 50% at the front facet.
  • the dependency in the curve of the power loss P diss can be assigned directly to a corresponding temperature rise dT within the active zone.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a second embodiment of a laser bar structure according to the invention in a combined plan view and oblique view.
  • the basic structure of the layer system shown corresponds to that described for FIG. 3a, the respective reference symbols and their assignment to individual features therefore apply accordingly.
  • rear DBRs 16 are also arranged in the region of the rear facet 14.
  • optical feedback from spectrally narrow-band DBR gratings is also possible here, which can produce a more stable and narrow-band emission spectrum.
  • the arrangement of the individual DBRs can also be reversed. It is also possible for the arrangement of the two DBRs to be determined individually for each correspondingly modified laser element.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a third embodiment of a laser bar structure according to the invention in a combined plan view and oblique view.
  • the basic structure of the layer system shown corresponds to that described for FIG. 1, the respective reference symbols and their assignment to individual features therefore apply accordingly.
  • the length of the pumped area L ga in shortened. This can be achieved, for example, by not forming the metallic p-contact 5 resting on the p-contact layer 10 over the entire length L resonator of the laser elements, but instead injecting charge carriers only over a specific partial area.
  • the three outer laser elements are respectively adapted accordingly, with the length of the pumped regions L ga in decreasing towards the outside. The shortening preferably takes place symmetrically to both ends of the laser elements.
  • the shortening of the length of the pumped regions L gain leads to an increase in the electrical series resistance and the thermal resistance.
  • the maximum current flowing through the emitter structure is reduced by the increased series resistance.
  • the temperature within the emitter structures is also increased due to the significantly increased thermal resistance.
  • the position of the pumped areas along the longitudinal axis of the emitter structures can be freely selected and determined individually for different laser elements.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a fourth embodiment of a laser bar structure according to the invention in a combined elevation and oblique view.
  • the basic structure of the layer system shown corresponds to that described for FIG. 5, the respective reference symbols and their assignment to individual features therefore apply accordingly.
  • an additional implantation of inert ions into the non-pumped regions of the outer laser elements took place. As a result, a diffusion of charge carriers into the non-pumped regions can be suppressed.
  • the depth 18 of these second implantation zones 17 preferably extends from the p-contact layer 10 down into the p-waveguide layer 9.
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a fifth embodiment of a laser bar structure according to the invention in a combined plan view and oblique view.
  • the basic structure of the layer system shown corresponds to that described for FIG. 1, the respective reference symbols and their assignment to individual features therefore apply accordingly.
  • additional loss elements 19 are added as loss-inducing structures.
  • the loss elements 19 can be, for example, 1-, 2- or 3-dimensional loss centers via a locally changed refractive index, etched wave-like structures along the longitudinal direction of the laser resonator, or crystal areas with locally increased charge carrier density, for example due to indiffusing dopants.
  • etched wave-shaped structures are shown as the example for loss elements 19 .
  • the resulting reduced transconductance efficiency of the emitter would increase power dissipation and increase the temperature inside the outer emitters.
  • the shape and size of the loss centers are not limited to those shown in the figure. However, the loss elements 19 can also be arranged elsewhere in the layer system. A reduction in the width of the p-contacts 5 is not necessary.
  • FIG. 8 shows a schematic representation of a sixth embodiment of a laser bar structure according to the invention in a combined plan view and oblique view.
  • the basic structure of the layer system shown corresponds to that described for FIG. 1, the respective reference symbols and their assignment to individual features therefore apply accordingly.
  • inert ions are implanted at least in sections right into the active layer 2 in the outer emitter structures.
  • the depth 21 of these third implantation zones 20 can preferably extend from the p-contact layer 10 through the active layer 2 down into the n-waveguide layer 8, more preferably down into the n-cladding layer 6.
  • the losses of injected charge carriers are significantly increased by non-radiative recombination and the internal quantum efficiency h ⁇ ih i is thus reduced.
  • the injected charge carriers which as a result preferably recombine without radiation, thus increase the temperature of the respective emitter structure.
  • the implantation extends beyond (or at least into) the active region.
  • FIG. 9 shows a schematic illustration of a seventh embodiment of a laser bar structure according to the invention in a combined plan view and oblique view.
  • the basic structure of the layer system shown corresponds to that described for FIG. 1, the respective reference symbols and their assignment to individual features therefore apply accordingly.
  • inert ions are implanted at least in sections up into the p-waveguide layer 9 in the inner emitter structures.
  • the depth 23 of these fourth implantation zones 22 can preferably extend from the p-contact layer 10 down into the p-waveguide layer 9.
  • inert ionized portions 22 are introduced to increase the series resistivity of the semiconductor layers.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Laserbarren mit verringerter lateraler Fernfelddivergenz und insbesondere einen Laserbarren mit einem einheitlichen Temperaturprofil in lateraler Richtung zur Reduzierung der lateralen Fernfelddivergenz. Ein erfindungsgemäßer Laserbarren (1) umfasst eine Vielzahl von in lateraler Richtung parallel nebeneinander angeordneten Emitterstrukturen, wobei zur Variation des Temperaturprofils in lateraler Richtung eine Anpassung der dissipierten thermischen Leistung der äußeren Emitterstrukturen gegenüber den von den äußeren Emitterstrukturen eingeschlossenen inneren Emitterstrukturen erfolgt.

Description

Titel
Laserbarren mit verringerter lateraler Fernfelddivergenz
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Laserbarren mit verringerter lateraler Fernfeld divergenz und insbesondere einen Laserbarren mit einem einheitlichen Temperaturprofil in lateraler Richtung zur Reduzierung der lateralen Fernfelddivergenz.
Stand der Technik
Laserbarren bestehen typischerweise aus mehreren Breitstreifenlasern (engl broad-area diode lasers, BALs), die in lateraler Richtung parallel nebeneinander liegend auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind. Damit können insgesamt Ausgangsleistungen von 1500 W und mehr erreicht werden. Die Anzahl der in einem Laserbarren angeordneten Breitstreifenlaser kann dabei variieren, typische Werte hierfür liegen zwischen 5 und 200. Die laterale Streifenbreite der Breitstreifenlaser liegt typischerweise zwischen 5 pm und 100 pm, kann aber auch deutlich größer sein, wie etwa 1200 pm.
Üblicherweise werden die einzelnen Laserelemente als separate Emitterstrukturen in einer gemeinsamen Schichtstruktur ausgebildet, wobei für eine Separation der Emitter strukturen zumeist eine Strukturierung der Ladungsträgerzuführung erfolgt, insbesondere über eine Strukturierung der einem n-Substrat gegenüberliegenden p-Kontaktschicht und der zugehörigen p-Kontakte. Über die p- und n-Kontakte erfolgt eine Injektion von Ladungsträgern in die zwischen den beiden Kontakten innerhalb der Schichtstruktur ausgebildete aktiven Zone. Da die injizierten Ladungsträger sich überwiegend auf direktem Weg ohne laterale Stromaufweitung in Richtung der aktiven Zone bewegen, kann durch entsprechende Trennstrukturen in der Ladungsträgerzuführung auch die Strahlungserzeugung innerhalb der aktiven Zone in lateraler Richtung entsprechend strukturiert werden. Als lokale Trennstrukturen zur Separierung der einzelnen Emitter strukturen erfolgt dabei üblicherweise in der p-Kontaktschicht eine Implantation von Störstellen oder Fremdatomen, die Ausbildung von Gräben (engl trenches) oder das lokale Einbringen von dielektrischen Abschnitten (z B. erzeugt durch ein Auffüllen von Gräben mit einem dielektrischen Material).
Bei einem herkömmlichen Laserbarren wird durch eine Strukturierung insbesondere der p-Kontaktschicht somit eine Vielzahl identischer Emitterstrukturen erzeugt. Die von diesen Emitterstrukturen emittierte Strahlung sollte somit weitgehend identische Eigenschaften aufweisen. Obwohl die einzelnen Emitterstrukturen identisch aufgebaut sind, stellt sich in Laserbarren mit hohem Füllfaktor und kleinen Abständen zwischen den einzelnen Emitterstrukturen bei den äußeren Emitterstrukturen jedoch eine andere Temperaturverteilung als bei den inneren Emitterstrukturen des Laserbarrens ein. Die inneren Emitterstrukturen zeigen ein weitgehend ähnliches Temperaturprofil mit einer einheitlichen Maximaltemperatur und einer geringen Temperaturmodulation im Bereich zwischen den Emitterstrukturen aufgrund der starken thermischen Kopplung untereinander. Das Temperaturprofil bei den äußeren Emitterstrukturen ist hingegen stark asymmetrisch und die Maximaltemperaturen fallen aufgrund des fehlenden thermischen Beitrags von weiter außen gelegenen Emitterstrukturen einseitig ab.
Es wurde von den Erfindern festgestellt, dass ein solches asymmetrisches Temperatur profil dazu führt, dass die laterale Fernfelddivergenz der äußeren Emitterstrukturen breiter ist als die der inneren Emitterstrukturen, was wesentlich zur Verbreiterung der gesamten Barren-Fernfelddivergenz beiträgt. Dabei können bis zu 2/3 der Emitterstrukturen in einem Laserbarren von solchen asymmetrischen Temperaturprofilen und der daraus resultierenden Fernfeldverbreiterung betroffen sein.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Laserbarren zur Verfügung zu stellen, bei dem durch eine Variation des Temperaturprofils in lateraler Richtung eine Verringerung der lateralen Fernfelddivergenz erreicht werden kann. Insbesondere soll durch eine solche Variation des Temperaturprofils in lateraler Richtung eine Anpassung der T emperatur der äußeren Emitterstrukturen an eine T emperatur der von den äußeren Emitterstrukturen eingeschlossenen inneren Emitterstrukturen erfolgen. Durch neuartige Barrenkonstruktionen und -anordnungen können die lateralen Temperaturverteilungen innerhalb der äußeren Emitter so eingestellt werden, dass sie möglichst nahe an denen der inneren Emitter liegen. Auf diese Weise können die Ausbildung eines asymmetrischen Temperaturprofils und das Auftreten einer dadurch bedingten Verbreiterung der lateralen Fernfelddivergenz vermieden werden.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unter ansprüchen enthalten. Ein erfindungsgemäßer Laserbarren umfasst ein Schichtsystem aus einem Halbleiter material mit einer aktiven Schicht, wobei das Schichtsystem einen n-Kontakt und p- Kontakt zur Injektion von Ladungsträgern in die aktive Schicht aufweist, wobei durch eine Strukturierung des Schichtsystems eine Vielzahl von parallel nebeneinander angeordneten Emitterstrukturen ausbildet ist, wobei sich die Emitterstrukturen in longitudinaler Richtung zwischen einer Frontfacette und einer Rückfactette und in lateraler Richtung von einer ersten Seite zu einer zweiten Seite erstrecken und zur Strukturierung die Emitterstrukturen jeweils durch eine sich in longitudinaler Richtung erstreckende Trennstruktur voneinander getrennt sind. Für eine erfindungsgemäß vorgesehenen Variation des Temperaturprofils in lateraler Richtung erfolgt eine Anpassung der dissipierten thermischen Leistung der jeweils der ersten Seite und der zweiten Seite zugewandten äußeren Emitterstrukturen gegenüber den von den äußeren Emitterstrukturen eingeschlossenen inneren Emitterstrukturen. Insbesondere kann durch die Anpassung in lateraler Richtung ein weitgehend homogenes Temperaturprofil hinsichtlich der Maximaltemperatur der einzelnen Emitterstrukturen beim Betrieb des Laserbarrens erreicht werden.
Das Schichtsystem eines erfindungsgemäßen Laserbarrens kann dabei beispielsweise einen n-Kontakt (z. B. als metallische Kontaktfläche ausgebildet); ein n-Substrat, wobei das n-Substrat auf dem n-Kontakt angeordnet ist; eine n-Mantelschicht, wobei die n- Mantelschicht auf dem n-Substrat angeordnet ist; eine n-Wellenleiterschicht, wobei die n- Wellenleiterschicht auf der n-Mantelschicht angeordnet ist; eine aktiven Schicht, wobei die aktive Schicht auf der n-Wellenleiterschicht angeordnet ist; eine p-Wellenleiterschicht, wobei die p-Wellenleiterschicht auf der aktiven Schicht angeordnet ist; eine p- Mantelschicht, wobei die p-Mantelschicht auf der p-Wellenleiterschicht angeordnet ist; eine strukturierte p-Kontaktschicht, wobei die p-Kontaktschicht auf der p-Mantelschicht angeordnet ist und durch die Strukturierung eine Vielzahl von parallel nebeneinander angeordnete Emitterstrukturen ausbildet, wobei zur Strukturierung in der p-Kontaktschicht die Bereiche zwischen den Emitterstrukturen jeweils durch eine Trennstruktur voneinander getrennt sind und sich die Emitterstrukturen in longitudinaler Richtung zwischen einer Frontfacette und einer Rückfacette und in lateraler Richtung von einer ersten Seite (z. B. links) zu einer zweiten Seite (z. B. rechts) erstrecken; und mehrere p-Kontakte (z. B. als metallische Kontaktelemente ausgebildet), wobei die p-Kontakte 5 auf den Strukturen p- Kontaktschicht 10 aufliegen und eine Injektion von Ladungsträgern in die jeweiligen Emitterstrukturen ermöglichen, umfassen. Die Idee der Erfindung ist somit, einen Laserbarren mit verringerter lateraler Fernfeld divergenz zur Verfügung zu stellen, bei dem eine Variation des Temperaturprofils in lateraler Richtung dadurch erfolgt, dass eine Anpassung der dissipierten thermischen Leistung (lokalen Wärme) der jeweils der ersten Seite und der zweiten Seite zugewandten äußeren Emitterstrukturen gegenüber den von den äußeren Emitterstrukturen eingeschlossenen inneren Emitterstrukturen vorgenommen wird. Im Gegensatz zu konventionellen Laserbarren gemäß dem Stand der Technik werden die einzelnen Emitterelemente somit nicht identisch zueinander ausgebildet, sondern zur Verringerung der lateralen Fernfelddivergenz können durch geeignete Maßnahmen einige der Emitterelemente derart verändert werden, dass deren dissipierte thermische Leistung angepasst wird. Dadurch kann insbesondere eine Variation des Temperaturprofils in lateraler Richtung zur Anpassung der Temperatur der äußeren Emitterstrukturen an eine Temperatur der von den äußeren Emitterstrukturen eingeschlossenen inneren Emitterstrukturen erfolgen.
Vorzugsweise erfolgt eine Anpassung der dissipierten thermischen Leistung der äußeren Emitterstrukturen graduell über mehrere nebeneinanderliegende äußere Emitterstrukturen hinweg. Es konnte nämlich durch die Erfinder gezeigt werden, dass bereits die Anpassung der dissipierten thermischen Leistung der jeweils äußersten Emitterelemente eines Laserbarrens zu einer deutlichen Anpassung des Temperaturprofils in lateraler Richtung führen kann. Abhängig vom Laserbarrendesign kann eine verbesserte Anpassung jedoch dadurch erreicht werden, dass zusätzlich zu den jeweils äußersten Emitterstrukturen auch bei benachbarten Emitterstrukturen die dissipierte thermische Leistung entsprechend angepasst wird. Besonders bevorzugt nimmt die Stärke der Anpassung in Richtung zu den inneren Emitterstrukturen hin ab. Eine Anpassung der dissipierten thermischen Leistung der äußeren Emitterstrukturen graduell über mehrere nebeneinanderliegende äußere Emitterstrukturen hinweg kann konkret beispielsweise über jeweils drei oder vier oder mehr der äußeren Emitterelemente erfolgen.
Vorzugsweise werden zur Erhöhung der dissipierten thermischen Leistung die elektrischen und/oder optischen Eigenschaften der äußeren Emitterstrukturen gegenüber den inneren Emitterstrukturen angepasst. Die dissipierte thermische Leistung kann dabei insbesondere durch eine Steigerung der Verluste innerhalb der äußeren Emitterstrukturen erhöht werden. Hierzu können im Wesentlichen optische (d. h. die Strahlungsführung betreffend), im Wesentlichen elektrische (d. h. die Stromführung betreffend) oder gemischte (d. h. die Strahlungsführung und die Stromführung betreffend) Anpassungen vorgenommen werden. Ein effektiver Weg zur Anpassung der elektrischen und/oder optischen Eigenschaften der Emitter und damit zur Erhöhung der dissipierten thermischen Leistung besteht darin, die äußeren Emitterstrukturen (d. h. den innerhalb der Emitterstrukturen gebildeten optischen Resonator) zu modifizieren. Insbesondere können zur Anpassung höhere optische Leistungen innerhalb der äußeren Emitterstrukturen eingeschlossen werden, der Wärmeabtransport aus den äußeren Emitterstrukturen verschlechtert werden, zusätzliche interne optische Verluste (z. B. Streuverluste) bei den äußeren Emitterstrukturen eingeführt werden, die Effektivität der aktiven Bereiche der äußeren Emitterstrukturen verschlechtert werden und/oder hochohmige Strukturen in die Emitterstrukturen eingeführt werden (insbesondere in die inneren Emitterstrukturen).
Vorzugsweise ist zur Erhöhung der internen Resonatorverluste bei den äußeren Emitterstrukturen die Facettenreflektivität den äußeren Emitterstrukturen gegenüber der Facettenreflektivität der inneren Emitterstrukturen erhöht. Es konnte gezeigt werden, dass eine effektive Möglichkeit die abgegebene thermische Leistung der Emitterelemente anzupassen darin besteht, die Facettenreflektivität der Emitterstrukturen (d. h. des innerhalb der Emitterstrukturen ausgebildeten optischen Resonators) zu verändern. Dabei führt eine höhere Facettenreflektivität zu einer Erhöhung der in den Emitterstrukturen gespeicherten optischen Leistung, was wiederum zu einer Erhöhung der internen Resonatorverluste und damit auch zu einer Erhöhung der Temperatur der jeweiligen Emitterstrukturen führt.
Vorzugsweise kann die Facettenreflektivität der Emitterstrukturen durch Reflektoren mittels einer Integration von verteilten Bragg-Gittern (engl distributed Bragg reflector, DBR), insbesondere von frontseitigen DBR und/oder rückseitigen DBR, oder durch das Aufbringen dielektrischer Spiegelschichten auf die Frontfacetten und/oder die Rückfacetten eingestellt ist. Die Facettenreflektivität kann dabei über die Reflektivität der Reflektorelemente eingestellt werden. Die Einstellung der optischen Eigenschaften eines Resonators durch Anpassung der Reflektivitäten an den Enden ist dem Fachmann an sich bekannt, diese Abhängigkeit wird hier jedoch zur gezielten Anpassung der Temperatur einzelner Emitterelemente eines Laserbarrens zur Verringerung der lateralen Fernfelddivergenz genutzt.
Durch eine Anpassung der Facettenreflektivität kann die Intensität des in den Emitter strukturen eingeschlossenen Lichts (bzw. des ausgekoppelten Lichts, auch bekannt als Spiegelverlust) kontrolliert werden. Mit zunehmenden Reflexionsgraden der äußeren Emitterstrukturen verringern sich deren Spiegelverluste, es wird mehr optische Energie in den Emitterstrukturen gespeichert und somit steigt auch der Wärmeeintrag im Inneren der Emitterstrukturen. Durch einen erhöhten Wärmeeintrag steigt auch die Temperatur der äußeren Emitterstrukturen.
Vorzugsweise liegt die Reflektivität eines frontseitigen Reflektors (Ri) der äußeren Emitterstrukturen zwischen 1 % und 30 %, besonders bevorzugt zwischen 1 % und 12 %. Dieser Wertebereich ergibt sich für typische Laserbarren aus dem gemessenen Temperaturabfall bei den äußeren Emitterstrukturen. Mit diesen Werten für die Reflektivität kann typischerweise eine Erhöhung der Temperatur im Bereich bis zu 10 K gegenüber Emitterstrukturen ohne zusätzliche Reflektoren erreicht werden.
Vorzugsweise wird zur Erhöhung des thermischen Widerstandes (Rth) der äußeren Emitterstrukturen gegenüber den inneren Emitterstrukturen bei den äußeren Emitterstrukturen die Länge des gepumpten Bereichs gegenüber der Länge des gepumpten Bereichs der inneren Emitterstrukturen durch eine Ausbildung nicht gepumpter Bereiche verkürzt. Es konnte gezeigt werden, dass eine weitere effektive Möglichkeit die abgegebene thermische Leistung der Emitterelemente anzupassen darin besteht, den thermischen Wderstandes der Emitterstrukturen zu verändern. Ein erhöhter thermischer Widerstand reduziert die Wärmeabfuhr aus den Emitterstrukturen und kann damit auch zu einer Erhöhung der Temperatur der jeweiligen Emitterstrukturen führen.
Vorzugsweise liegt bei den äußeren Emitterstrukturen die Länge des gepumpten Bereichs gegenüber der Länge des gepumpten Bereichs der inneren Emitterstrukturen zwischen 90 % und 20 %, bevorzugter zwischen 80% und 35 %. Beispielsweise beträgt eine typische Länge für den gepumpten Bereich einer inneren Emitterstruktur 4 mm und entspricht der Länge des Resonators. Die Länge des gepumpten Bereichs der äußeren Emitterstrukturen kann dann für eine typischerweise erforderliche Temperaturerhöhung bei diesen Emitterstrukturen beispielsweise auf 1 ,4 mm verkürzt werden.
Durch eine Verkürzung der Länge des gepumpten Bereichs durch Einführung eines oder mehrerer nicht gepumpter Bereiche innerhalb der äußeren Emitterstrukturen im Gegensatz zu den inneren Emitterstrukturen kann die Wärmeabfuhrfähigkeit der äußeren Emitterstrukturen reduziert werden. Durch die Verkürzung des gepumpten Bereichs nehmen der elektrische Serienwiderstand und der thermische Widerstand zu. Der elektrische Serienwiderstand erhöht sich mit abnehmender Pumplänge (Lgain < Lre sonator) nach der Formel Rs = ps/(wLga in), während der Serienwiderstand der inneren Emitter Rs = ps/( wLresonator) folgt. Durch den erhöhten elektrischen Serienwiderstand sinkt der maximale Strom durch die äußeren Emitterstrukturen (bei konstanter zugeführter Spannung) und damit die Wärmeleistung der Emitterstrukturen. Durch den zu stark erhöhten thermischen Widerstand erhöht sich jedoch die Gesamttemperatur innerhalb dieser Emitterstrukturen.
Vorzugsweise erfolgt eine Ausbildung nicht gepumpter Bereiche angrenzend an die Frontfacette und die Rückfacette. Bevorzugt ist dabei eine symmetrische Anordnung der nicht gepumpten Bereiche. Die Lage der gepumpten Bereiche entlang der longitudinalen Achse der Emitterstrukturen kann jedoch frei gewählt werden und für verschiedene Emitterstrukturen individuell bestimmt sein.
Um einen nicht gepumpten Bereich zu erzeugen, kann im einfachsten Fall eine Abscheidung von Kontaktmetall auf diese Bereiche unterdrückt werden. Als Ergebnis wird der Strom größtenteils auf die Abschnitte mit einem darüber befindlichen Kontaktmetall begrenzt. Dabei kann sich jedoch ein Teil der injizierten Ladungsträger ausbreiten und dennoch in die nicht gepumpten Bereiche diffundieren.
Vorzugsweise sind zur Reduzierung der Ladungsträgerausbreitung in den nicht gepumpten passiven Bereichen inerte Ionen mittels tiefer Ionenimplantation implantiert. Es konnte gezeigt werden, dass die nicht gepumpten Bereiche durch Implantation von inerten Ionen effektiver ausgebildet werden können. Die Tiefe der Implantation kann dabei auf eine Implantation bis in die p-Kontaktschicht hinein beschränkt sein. Die Implantation kann sich jedoch auch über die p-Kontaktschicht hinaus bis in die p-Wellenleiterschicht hinein erstrecken. Durch die Ionenimplantation bzw. die tiefe Ionenimplantation wird die Leitfähigkeit der hochgradig p-dotierten Kontakt-, Mantel- und Wellenleiterschichten aufgehoben. Einerseits lässt sich durch eine Ionenimplantation somit der Ladungsträgerfluss auf die gepumpten Bereiche einschränken. Andererseits verhindert diese auch, dass die Ladungsträger in die nicht gepumpten Bereiche diffundieren können.
Vorzugsweise sind zur Erhöhung der internen optischen Verluste (crint) bei den äußeren Emitterstrukturen Verlustelemente ausgebildet. Der Effekt einer Erhöhung von internen Resonatorverlusten wurde voranstehend bereits erläutert. Diese Verlustelemente können durch das Einbringen von 1-, 2- oder 3-dimensionalen Verlustzentren über lokale Veränderung der Brechzahl oder durch Ätzen von wellenförmigen Strukturen entlang der Längsrichtung des Laserresonators oder durch lokale Erhöhung der Ladungsträgerdichte, z. B. durch Eindiffundieren von Dotierstoffen in die Kristallstruktur erzeugt werden. Solche Strukturen bewirken zusätzliche Streu- und Absorptionsverluste durch Wechselwirkung mit dem Laserlicht. Die daraus resultierende reduzierte Steilheitseffizienz { s\oPe) des Emitters erhöht die Verlustleistung und bewirkt somit einen Anstieg der Temperatur innerhalb der Emitterstrukturen. Vorzugsweise liegen die internen optischen Verluste (crint) der äußeren Emitterstrukturen zwischen 0,6 cm 1 und 1 ,5 cm 1, bevorzugter zwischen 1 cm 1 und 1 ,5 cm 1, und noch bevorzugter zwischen 1 ,2 cm 1 und 1 ,5 cm 1. Die internen optischen Verluste bei den für Hochleistungslaserdioden typischerweise verwendeten epitaktischen Materialen liegt etwa zwischen 0,3 cm 1 und 0,4 cm 1.
Vorzugsweise sind zur Erhöhung der Wärmeleistung der äußeren Emitterstrukturen gegenüber den inneren Emitterstrukturen bei den äußeren Emitterstrukturen zur Erhöhung der strahlungslosen Rekombination und damit zur Verringerung der internen Quanteneffizienz {h·ihi) inerte Ionen zumindest abschnittsweise in Richtung der aktiven Schicht hinein implantiert. Durch die dadurch auftretenden selektiven Ladungsträger verluste kann die interne Quanteneffizienz in diesen Emitterstrukturen herabgesetzt werden, wodurch die Konversionseffizienz (PCE) der äußeren Emitterstrukturen verschlechtert wird. Zur Realisierung können zumindest einzelne Bereiche der Halbleitermaterialien mit inerten Ionen tiefimplantiert werden. Durch die bei der Tiefenimplantation eingebrachten Defekte in der Nähe der aktiven Verstärkungs materialien steigt die strahlungslose Rekombination gegenüber der strahlenden Rekombination an. Folglich steigt die thermische Verlustleistung innerhalb der modifizierten Emitterstrukturen. Eine Verschlechterung der internen Quanteneffizienz erhöht die interne Erwärmung, indem die strahlungslose Rekombination verstärkt und somit der Wirkungsgrad der Leistungsumwandlung verringert wird.
Die Emitterstruktur kann als Anordnung von implantierten und nicht implantierten Bereichen ausgeführt sein. Bevorzugt ist eine symmetrische Anordnung der implantierten und der nicht implantierten Bereiche, insbesondere können die einzelnen Bereiche jeweils die gleichen Längen aufweisen. Die Lage und Länge der implantierten und nicht implantierten Bereiche entlang der longitudinalen Achse der Emitterstrukturen kann jedoch frei gewählt werden und für verschiedene Emitterstrukturen individuell bestimmt sein. Die Tiefe der Implantation erstreckt sich vorzugsweise von der p-Kontaktschicht über die p- Mantelschicht, p-Wellenleiterschicht und die aktive Schicht bis hinunter zur n- Wellenleiterschicht.
Vorzugsweise sind ausreichend Defekte in die äußeren Emitterstrukturen eingebracht, so dass die internen Quanteneffizienzen (^nt) der äußeren Emitterstrukturen zwischen 50 % und 92 %, bevorzugter zwischen 84 % und 92 % liegen. Die typischerweise erreichbare interne Quanteneffizienz bei für Hochleistungslaserdioden üblicherweise verwendeten epitaktischen Materialen liegt etwa zwischen 95% und 100%. Vorzugsweise sind zur Erhöhung des Serienwiderstandes (ps) der inneren Emitter strukturen inerte Ionen zumindest abschnittsweise in Richtung der aktiven Schicht hinein implantiert. Durch die Erhöhung des Serienwiderstands der inneren Emitterstrukturen kann ein höherer Stromfluss durch die äußeren Emitter erzwungen und dadurch eine zusätzliche Erwärmung der äußeren Emitterstrukturen bewirkt werden. Um den Serienwiderstand der inneren Emittern zu erhöhen, können vorzugsweise Teile der Halbleitermaterialien, z. B. deren Kontaktbereich, mit inerten Ionen implantiert werden. Im Gegensatz zu der voranstehend beschriebenen Ausführungsform einer stromsperrenden Ionenimplantation besteht der Zweck der Ionenimplantation ist darin, den spezifischen Serienwiderstand ps zu erhöhen, während die Pumplänge Lga in weiterhin der Resonatorlänge (Lgain = Lre sonator) entspricht. Aufgrund des resultierenden erhöhten Serienwiderstandes durch Vergrößerung von ps gemäß der Formel Rs = ps/(wLre sonator) bei den inneren Emitterstrukturen erhöht sich der Betrag des Stromflusses durch die äußeren Emitterstrukturen (bei konstant zugeführter Spannung). Folglich kann auch in den äußeren Emitterstrukturen durch den höheren Strom die hohe Temperatur der inneren Emitterstrukturen erreicht werden. Bevorzugt ist dabei eine symmetrische Anordnung der implantierten und der nicht implantierten Bereiche, insbesondere können die einzelnen Bereiche jeweils die gleichen Längen aufweisen.
Die Emitterstruktur kann als Anordnung von implantierten und nicht implantierten Bereichen ausgeführt sein oder der implantierte Bereich kann sich über die gesamte Länge einer Emitterstruktur erstrecken. Bevorzugt ist eine symmetrische Anordnung der implantierten und der nicht implantierten Bereiche, insbesondere können die einzelnen Bereiche jeweils die gleichen Längen aufweisen. Die Lage und Länge der implantierten und nicht implantierten Bereiche entlang der longitudinalen Achse der Emitterstrukturen kann jedoch frei gewählt werden und für verschiedene Emitterstrukturen individuell bestimmt sein. Die Tiefe der Implantation kann von einer Implantation nur in die p- Kontaktschicht bis hin zu einer Implantation, die sich von der p-Kontaktschicht bis in die p-Wellenleiterschicht erstreckt, reichen.
Vorzugsweise ist der spezifische Serienwiderstand der inneren Emitterstrukturen um einen Faktor 1 ,2 bis 1,6 gegenüber den äußeren Emitterstrukturen erhöht.
In den untenstehenden Tabellen sind für jede der genannten Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft die zur Anpassung derdissipierten thermischen Leistung der jeweils der ersten Seite und der zweiten Seite zugewandten äußeren Emitterstrukturen gegenüber den von den äußeren Emitterstrukturen eingeschlossenen inneren Emitterstrukturen erforderlichen Werte für einen typischen Hochleistungslaser angegeben. Die Werte wurden durch Simulation ermittelt, um die Praktikabilität dieses Ansatzes aufzuzeigen. Abhängig von der Art des Laserbarrens können die erforderlichen Anpassungen jedoch auch deutlich von den hier gezeigten Werten abweichen.
Dabei sind in den Tabellen auf der linken Seite jeweils der thermische Widerstand Rih in K/W, die Maximaltemperaturen der inneren bzw. äußeren Emitterstrukturen 7j und Ta bei einer herkömmlichen Hochleistungslaserdiode und die sich daraus ergebende Differenz dT zwischen den jeweiligen Maximaltemperaturen der Emitterstrukturen angegeben. Demgegenüber sind in den Tabellen auf der rechten Seite jeweils der entsprechende Variationsparameter und dessen Auswirkungen bei einer erfindungsgemäßen Anpassung dargestellt. Dabei sind die durch die Variation erzielte Temperaturveränderung dT, eine daraus resultierende Änderung der Konversionseffizienz ÄPCE und ein Faktor Pd iSS, um den die dissipierte thermische Leistung in den äußeren Emitterstrukturen durch die erfolgten Anpassungen angehoben wird, angegeben.
Tabelle 1 :
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In Tabelle 1 ist gezeigt, dass mit einem erhöhten Reflektionsgrad Rf von 12 % bzw. 29 % der Frontfacette der äußeren Emitterstrukturen eine entsprechende Anpassung der Temperaturen erreicht werden kann. Durch einen erhöhten Reflektionsgrad Rf der Frontfacette können die optischen Eigenschaften der äußeren Emitterstrukturen geändert werden und somit die in den Emitterstrukturen gespeicherte optische Leistung erhöht werden. Dadurch steigen auch die auftretenden Verluste und somit auch die Temperatur der Emitter.
Tabelle 2:
Figure imgf000012_0002
Figure imgf000013_0001
In Tabelle 2 ist gezeigt, dass durch eine Verkürzung der Länge des gepumpten Bereichs Lgain der äußeren Emitterstrukturen gegenüber der Länge des gepumpten Bereichs Lga in der inneren Emitterstrukturen eine entsprechende Anpassung der Temperaturen erreicht werden kann. Die Länge des gepumpten Bereichs Lga in der inneren Emitterstrukturen entsprach in diesem Beispiel der Resonatorlänge 4000 pm.
Tabelle 3:
Figure imgf000013_0002
In Tabelle 3 ist gezeigt, dass durch eine Erhöhung der internen optischen Verluste crint der äußeren Emitter eine entsprechende Anpassung der Temperaturen erreicht werden kann. Die internen optischen Verluste können insbesondere durch das Einbringen von Verlustelementen in die Emitterstrukturen erhöht werden. Die Verlustelemente können durch das Einbringen von 1-, 2- oder3-dimensionalen Verlustzentren in die Kristallstruktur erzeugt werden.
Tabelle 4:
Figure imgf000013_0003
In Tabelle 4 ist gezeigt, dass durch eine Herabsetzung der internen Quanteneffizienz h·ihί der äußeren Emitterstrukturen eine entsprechende Anpassung der Temperaturen erreicht werden kann. Die interne Quanteneffizienz h·ihi kann insbesondere über eine Verstärkung der strahlungslosen Rekombination an injizierten Ladungsträgern (d. h. an Elektronen und Löchern) erfolgen.
Tabelle 5:
Figure imgf000014_0001
In Tabelle 5 ist gezeigt, dass durch eine Erhöhung des spezifischen Serienwiderstands ps der inneren Emitterstrukturen (beispielsweise durch implantierte inerte Ionen) um einen Faktor 1 ,2 bis 1 ,6 gegenüber dem spezifischen Serienwiderstand ps o der äußeren Emitterstrukturen (d. h. der nicht mit inerten Ionen implantierten Emitter) eine entsprechende Anpassung der Temperaturen erreicht werden kann.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen
Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer exemplarischen herkömmlichen Laserbarrenstruktur in a) Schrägansicht, b) Seitansicht und c) Aufsicht;
Fig. 2 a) laterale Temperaturprofile in konventionellen Laserbarren mit 37 Emittern für thermische Widerstände Rth von 0,05 K/W (links) und 0,20 K/W (rechts) bei unterschiedlichen Betriebsleistungen Pop, b) normierte Temperaturprofile der Laserbarren in ihren jeweiligen maximalen Arbeitspunkten und c) die Abhängigkeit der lateralen Temperaturprofile eines Laserbarrens mit Rih = 0,05 K/W vom Randwärmefaktor BH („boundary heatfactor“) der äußeren Emitterstrukturen an ihrem jeweiligen maximalen Arbeitspunkten; Fig. 3a eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserbarrenstruktur in kombinierter Auf- und Schrägansicht;
Fig. 3b eine Abhängigkeit der Reflektorverluste („mirror loss“), der Steigungseffizienz /?sio e („slope efficiency“) und des Schwellstroms h („threshold current“) in Abhängigkeit vom Reflexionsgrad Rf an der Frontfacette;
Fig. 3c eine Abhängigkeit der Ausgangsleistung Pou t („output power“) und der Konversionseffizienz PCE in Abhängigkeit vom Betriebsstrom / für unterschiedliche Reflexionsgrade Rf an der Frontfacette;
Fig. 3d eine Abhängigkeit der Verlustleistung Pd iSS („dissipated power“), der
Konversionseffizienz PCE und des Temperaturanstiegs dT in der aktiven Zone {dT = Tactive zone - Theat sink) in Abhängigkeit vom Reflexionsgrad Rf an der Frontfacette bei maximaler Betriebsspannung (~ 1 ,55 V);
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserbarrenstruktur in kombinierter Auf- und
Schrägansicht,
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserbarrenstruktur in kombinierter Auf- und
Schrägansicht,
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserbarrenstruktur in kombinierter Auf- und
Schrägansicht,
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserbarrenstruktur in kombinierter Auf- und
Schrägansicht,
Fig. 8 eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserbarrenstruktur in kombinierter Auf- und
Schrägansicht, und
Fig. 9 eine schematische Darstellung einer siebten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserbarrenstruktur in kombinierter Auf- und
Schrägansicht. Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer exemplarischen herkömmlichen Laserbarrenstruktur in a) Schrägansicht, b) Seitansicht und c) Aufsicht. Der Laserbarren 1 umfasst einen n-Kontakt 4 (z. B. als metallische Kontaktfläche ausgebildet); ein n- Substrat 3, wobei das n-Substrat 3 auf dem n-Kontakt 4 angeordnet ist; eine n- Mantelschicht 6, wobei die n-Mantelschicht 6 auf dem n-Substrat 3 angeordnet ist; eine n- Wellenleiterschicht 8, wobei die n-Wellenleiterschicht 8 auf der n-Mantelschicht 6 angeordnet ist; eine aktiven Schicht 2, wobei die aktive Schicht 2 auf der n- Wellenleiter schicht 8 angeordnet ist; eine p-Wellenleiterschicht 9, wobei die p-Wellenleiterschicht 9 auf der aktiven Schicht 2 angeordnet ist; eine p-Mantelschicht7, wobei die p-Mantelschicht 7 auf der p-Wellenleiterschicht 9 angeordnet ist; eine strukturierte p-Kontaktschicht 10, wobei die p-Kontaktschicht 10 auf der p-Mantelschicht 7 angeordnet ist und durch die Strukturierung eine Vielzahl von parallel nebeneinander angeordnete Emitterstrukturen ausbildet, wobei zur Strukturierung in der p-Kontaktschicht 10 die Bereiche zwischen den Emitterstrukturen jeweils durch eine Trennstruktur 11 voneinander getrennt sind und sich die Emitterstrukturen in longitudinaler Richtung zwischen einer Frontfacette 13 und einer Rückfacette 14 und in lateraler Richtung von einer ersten Seite (z. B. links) zu einer zweiten Seite (z. B. rechts) erstrecken; und mehrere p-Kontakte 5 (z. B. als metallische Kontaktelemente ausgebildet), wobei die p-Kontakte 5 auf den Strukturen p- Kontaktschicht 10 aufliegen und eine Injektion von Ladungsträgern in die jeweiligen Emitterstrukturen ermöglichen.
Den Abschluss zu den beiden Außenseiten des Laserbarrens 1 bildet typischerweise jeweils ein nicht aktiver Blindemitter 12, welcher insbesondere als einfaches dielektrisches Gebiet, als Graben oder als strahlungsloser Emitter ausgebildet sein kann. Die Blindemitter 12 dienen insbesondere dem Schutz des Laserbarrens 1 an den Seitenflächen. Der Bereich in der Mitte des Laserbarrens 1 wurde aus Gründen der besseren Übersicht nur angedeutet, es handelt sich jedoch um eine einfache Fortsetzung der angrenzend gezeigten Strukturen. Der Schichtaufbau kann von dem gezeigten abweichen, insbesondere können die n- und p-Seiten hinsichtlich des Substrates (p- Substrat) vertauscht sein.
Es ist zu erkennen, dass die die einzelnen Laserelemente in einer gemeinsamen Schichtstruktur ausgebildet sind, wobei zur Separation eine Strukturierung der p- Kontaktschicht 10 vorhanden ist. Bei den eingebrachten Trennstrukturen 11 kann es sich insbesondere um mit Ionen implantierte Bereiche (erste lonenimplantationszonen), Gräben oder dielektrische Bereiche handeln. Alternativ können die einzelnen Laser- elemente auch durch eine entsprechende Strukturierung einer n-Kontaktschicht, durch einzelne n-Kontakte oder einer p-Kontaktschicht und einer n-Kontaktschicht separiert werden. Ein Laserbarren 1 kann typischerweise eine Anzahl N von 5 bis 200 Laserelementen umfassen, wobei die Laserelemente als Breitstreifenlaser mit einer laterale Breite w zwischen 5 pm und 1200 pm ausgebildet sein können, die Länge der Laserelemente in longitudinaler Richtung beispielsweise zwischen etwa 2 mm und 6 mm liegt und der Abstand d zwischen den einzelnen Laserelementen typischerweise etwa 30 pm bis 100 pm beträgt.
Figur 2 zeigt a) laterale Temperaturprofile in konventionellen Laserbarren mit 37 Emittern für thermische Widerstände Rth von 0,05 K/W (links) und 0,20 K/W (rechts) bei unterschiedlichen Betriebsleistungen Pop, b) normierte Temperaturprofile der Laserbarren in ihren jeweiligen maximalen Arbeitspunkten und c) die Abhängigkeit der lateralen Temperaturprofile eines Laserbarrens mit Rth = 0,05 K/W vom Randwärmefaktor BH („boundary heat factor“) der äußeren Emitterstrukturen an ihrem jeweiligen maximalen Arbeitspunkten. Insbesondere handelt es sich um Temperaturprofile eines Laserbarrens der kW-Klasse bei einer dissipierten thermischen Verlustleistung Pd iSS („dissipated power“) von 603 W, wobei die Konversionseffizienz („PCE“) bei 60 % lag. Die einzelnen Laserelemente hatten einen Abstand von 64 pm.
In den Fig. 2a und 2b ist zu erkennen, dass insbesondere die drei jeweils außenliegenden Laserelemente im Betrieb eine geringere Temperatur (Gleichgewichtstemperatur zwischen Wärmeeintrag durch den Laserprozess und Wärmeaustrag durch eine entsprechende Kühlung, jeweils gemessen in der Mitte der aktiven Zone der einzelnen Laserelemente) aufweisen als die inneren Laserelemente. Mit steigendem thermischen Widerstand Rth und entsprechenden erhöhten Gleichgewichtstemperaturen kann insbesondere das jeweilige Außenlaserelement eine bis zu 20 % geringere Maximaltemperatur im Vergleich zu den übrigen Laserelementen des Laserbarrens aufweisen. Die mittleren Laserelemente zeigen bei einem thermischen Widerstand Rt von 0,2 K/W dabei in Abhängigkeit von der Betriebsleistungen Pop einheitliche Temperaturen zwischen etwa 45 °C und 75 °C. Im Bereich zwischen den einzelnen Laserelementen kann die Temperatur wie in Fig. 2b beispielhaft gezeigt jedoch um bis zu 45 % gegenüber dem jeweiligen Maximalwert abfallen.
Die Fig. 2c zeigt hingegen, dass das laterale Temperaturprofil des Laserbarrens durch eine gezielte Erhöhung der Verlustleistung (d. h. der dissipierten Wärme) an den Randemittern modifiziert und somit eine gleichmäßige Temperaturverteilung unter den Emitterstrukturen im Barren erreicht werden kann. Zu diesem Zweck wurde als relatives Maß zur Abschätzung der Stärke der erforderlichen Anpassung ein sogenannter Randwärmefaktor BH („boundary heat factor“) der jeweils ganz außen liegenden Emitterstrukturen definiert, welcher angibt, um welchen Faktor die Verlustleistung Pd iSS der äußeren Emitterstrukturen erhöht werden muss, um ein weitgehend homogenes Temperaturprofil zu erhalten.
Im dargestellten Beispiel führt ein Randwärmefaktor BH von 1 ,16 zu einer annähernd homogenen Temperaturverteilung zwischen den Emitterstrukturen. Es ist zu beachten, dass der Randwärmefaktor BH auch auf die direkt an die jeweils ganz außen liegenden Emitterstrukturen angrenzenden inneren Emitterstrukturen wirkt und somit auch deren Temperaturen beeinflussen kann. Eine Erhöhung des Randwärmefaktors BH kann also dazu genutzt werden, den Temperaturabfall der Emitterstrukturen an den Außenrändern eines Laserbarrens zu kompensieren. Insbesondere kann eine Verringerung des lateralen Divergenzwinkels der Gesamtemission des Laserbarrens dadurch erreicht werden, dass ein durch ein asymmetrisches Temperaturprofil auftretender Linseneffekt reduziert wird.
Figur 3a zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserbarrenstruktur in kombinierter Auf- und Schrägansicht. Der prinzipielle Aufbau des gezeigten Schichtsystems entspricht dem zu Fig. 1 beschriebenen, die jeweiligen Bezugszeichen und deren Zuordnung zu einzelnen Merkmalen gelten daher entsprechend.
Zur Erhöhung der Temperatur der Außenemitter des Laserbarrens wurde im Bereich der Frontfacetten 13 dieser Laserelemente ein verteiltes Bragg-Gitter 15 (engl distributed Bragg reflector, DBR) in die Struktur integriert. Solche DBR-Strukturen sind als Rückkoppelelemente zur spektralen Filterung der emittierten Laserstrahlung dem Fachmann bekannt, so dass deren Implementierung ohne Weiteres mit bekannten Technologien erfolgen kann. Der gezeigte frontseitige DBR 15 wird durch eine in der p- Kontaktschicht 10 angeordnete und vorzugsweise bis in die p-Mantelschicht 7 reichende Kammstruktur mit Gräben oder einer den Gräben entsprechenden Brechzahlmodulation erzeugt. Anstatt des frontseitigen DBR 15 kann auch eine dielektrische Verspiegelung der Frontfacetten 13 zur Ausbildung eines Reflektors erfolgen.
Durch die Struktur des DBR 15 oder eines anderen Reflektors lässt sich der Reflexions grad Rf an der Frontfacette 13 einstellen. Dadurch können die optischen Eigenschaften des Resonators geändert werden, wodurch sich dessen Auskoppelverluste reduzieren. Beim DBR 15 kann der Reflexionsgrad Rf insbesondere über die Anzahl der Schichtpaare des Spiegels eingestellt werden. Ein höherer Reflexionsgrad Rf führt zu einer geringeren
Auskopplung von Laserstrahlung und einer höheren optischen Leistung innerhalb der Emitterstruktur, d. h. im Inneren des zwischen der Frontfacette 13 und der Rückfacette 14 ausgebildeten Resonators, wodurch in der Folge mehr Leistung abgeführt wird und eine höhere Temperatur innerhalb der Emitterstruktur entsteht. Über eine entsprechende Auslegung des Reflexionsgrades Rf an der Frontfacette 13 bei den Außenlaserelementen kann somit die Temperatur der äußeren Laserelemente an das Temperaturniveau der inneren Laserelemente angepasst werden.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wurde zusätzlich auch jeweils das zweite und dritte äußere Laserelement entsprechend mit einem DBR 15 im Bereich der Frontfacetten 13 versehen. Durch die unterschiedliche Länge der gezeigten DBR-Strukturen soll angedeutet werden, dass der eingestellte Reflexionsgrades Rf in Richtung auf die inneren Laserelemente hin abnehmen soll. Die genaue Art der Abnahmefunktion und wie viele Laserelemente an den Außenseiten davon erfasst werden ist jedoch abhängig vom konkreten Design der Laserbarren 1 und der thermischen Kopplung zwischen den einzelnen Laserelementen. Die Darstellung dieser Ausführungsform ist daher rein beispielhaft und steht für eine Vielzahl an möglichen Ausführungsformen.
Unabhängig vom gezeitigten Ausführungsbeispiel kann es sich bei dem zur Erhöhung des Reflexionsgrades R und damit der auftretenden thermischen Verlustleistung verwendeten DBR auch um einen rückseitigen Reflektor handeln oder die Anordnung der einzelnen Reflektoren kann für jedes entsprechend modifizierte Laserelement individuell bestimmt sein. Insbesondere bei Hochleistungslaserbarren ist jedoch im Allgemeinen bereits ein hochreflektierender rückseitiger Reflektor (z. B. ein DBR oder eine dielektrische Spiegelschicht) zur Erhöhung der frontseitig ausgekoppelten optischen Leistung vorhanden, so dass eine weitere Erhöhung der Reflektivität dort nicht mehr möglich ist.
Figur 3b zeigt eine Abhängigkeit der Reflektorverluste („mirror loss“), der Steigungseffizienz qs\0Pe („slope efficiency“) und des Schwellstroms Ah („threshold current“) in Abhängigkeit vom Reflexionsgrad Rf an der Frontfacette. Als Reflektorverlust (arm in cm 1) wird hierbei die aus dem Laserelement durch den Reflektor ausgekoppelte Strahlungsleistung betrachtet. Mit zunehmenden Reflexionsgrad Rf an der Frontfacette sinken die Reflektorverluste stark ab, wobei die stärkste Abnahme bereits bei kleinen Reflexionsgraden Rf bis etwa 15 % auftritt. Ein ganz ähnliches Verhalten zeigt der Schwellstrom Ah. Die Steigungseffizienz qs\0Pe nimmt hingegen etwa linear mit dem Reflexionsgrad Rf an der Frontfacette ab.
Figur 3c zeigt eine Abhängigkeit der Ausgangsleistung Pou t („output power“) und der Konversionseffizienz PCE in Abhängigkeit vom Betriebsstrom / für unterschiedliche
Reflexionsgrade Rf an der Frontfacette. Entsprechend den in Fig. 3b gezeigten Abhängigkeiten sinken mit steigendem Reflexionsgrad Rf die erreichbaren Ausgangs leistungen Pout und die Konversionseffizienzen PCE. Dies bedeutet jedoch anderseits, dass ein größerer Anteil der in die Laserelemente eingebrachten Energie in Verlustwärme umgesetzt wird und diese zur Anpassung der Temperatur der äußeren Laserelemente genutzt werden kann.
Figur 3d zeigt eine Abhängigkeit der Verlustleistung Pd iSS („dissipated power“), der Konversionseffizienz PCE und des Temperaturanstiegs dT in der aktiven Zone in Abhängigkeit vom Reflexionsgrad Rf an der Frontfacette bei maximaler Betriebsspannung (~ 1 ,55 V). Die Verlustleistung Pdiss und die Konversionseffizienz PCE zeigen ein gegensätzliches lineares Anstiegsverhalten, wobei sich mit Reflexionsgraden Rf zwischen 1 % und 50% an der Frontfacette die Verlustleistung Pdiss um eine Faktor 1 ,6 variieren lässt. Die Abhängigkeit im Kurvenverlauf der Verlustleistung Pdiss kann unmittelbar einem entsprechenden Temperaturanstieg dT innerhalb der aktiven Zone zugeordnet werden. Dabei können mit Reflexionsgraden Rf zwischen 1 % und 50 % an der Frontfacette auf den Kühlkörper bezogene Temperaturerhöhungen im aktiven Bereich zwischen 24,5 °C und 41 °C erreicht werden. Zum Ausgleich der in Fig. 2 für Rth = 0.05 K/W gezeigten Temperaturabweichung bei den Außenemittern herkömmlicher Laserbarren wären daher Reflexionsgrade Rf zwischen 1 % und 12 % für die in Figur 3a gezeigte Ausführungsform mit frontseitigen Reflektoren ausreichend.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserbarrenstruktur in kombinierter Auf- und Schrägansicht. Der prinzipielle Aufbau des gezeigten Schichtsystems entspricht dem zu Fig. 3a beschriebenen, die jeweiligen Bezugszeichen und deren Zuordnung zu einzelnen Merkmalen gelten daher entsprechend. Bei dieser Ausführungsform sind zusätzlich zu den in Fig. 3a gezeigten frontseitigen DBR 15 zusätzlich rückseitige DBR 16 im Bereich der Rückfacette 14 angeordnet. In Gegensatz zur Ausführungsform nach Fig. 3a ist hierbei auch ein optisches Feedback von spektral schmalbandigen DBR Gittern möglich, die ein stabileres und schmalbandigeres Emissionsspektrum erzeugen können. Die Anordnung der einzelnen DBR kann auch vertauscht sein. Ebenfalls möglich ist, dass die Anordnung der beiden DBR für jedes entsprechend modifizierte Laserelement individuell bestimmt ist.
Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserbarrenstruktur in kombinierter Auf- und Schrägansicht. Der prinzipielle Aufbau des gezeigten Schichtsystems entspricht dem zu Fig. 1 beschriebenen, die jeweiligen Bezugszeichen und deren Zuordnung zu einzelnen Merkmalen gelten daher entsprechend. Bei dieser Ausführungsform wird in den Außenlaserelementen die Länge des gepumpten Bereichs Lga in verkürzt. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der auf der p-Kontaktschicht 10 aufliegende metallische p-Kontakt 5 nicht über die gesamte Länge Lre sonator der Laserelemente ausgebildet wird, sondern stattdessen eine Injektion von Ladungsträgern jeweils nur über einen bestimmten Teilbereich erfolgt. In der gezeigten Darstellung sind jeweils die drei äußeren Laserelemente entsprechend angepasst, wobei die Länge der gepumpten Bereiche Lga in nach außen hin abnimmt. Die Verkürzung erfolgt dabei vorzugsweise symmetrisch zu beiden Enden der Laserelemente.
Die Verkürzung der Länge der gepumpten Bereiche Lgain führt zu einer Vergrößerung des elektrischen Serienwiderstandes und des thermischen Widerstandes. Durch den erhöhten Serienwiderstand wird der maximal durch die Emitterstruktur fließende Strom verringert. Durch den deutlich erhöhten thermischen Widerstand wird zudem die Temperatur innerhalb der Emitterstrukturen erhöht. Die Lage der gepumpten Bereiche entlang der longitudinalen Achse der Emitterstrukturen kann dabei frei gewählt werden und für verschiedene Laserelemente individuell bestimmt sein.
Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserbarrenstruktur in kombinierter Auf- und Schrägansicht Der prinzipielle Aufbau des gezeigten Schichtsystems entspricht dem zu Fig. 5 beschriebenen, die jeweiligen Bezugszeichen und deren Zuordnung zu einzelnen Merkmalen gelten daher entsprechend. Bei dieser Ausführungsform erfolgte zusätzlich zu den in Fig. 5 gezeigten Verkürzungen der Länge des gepumpten Bereichs Lgain durch eine zusätzliche Implantation von inerten Ionen in die nicht gepumpten Bereiche der Außenlaserelemente. Dadurch kann eine Diffusion von Ladungsträgern in die nicht gepumpten Bereiche unterdrückt werden. Die Tiefe 18 dieser zweiten Implantationszonen 17 erstreckt sich dabei vorzugsweise von der p-Kontaktschicht 10 bis hinunter in die p-Wellenleiterschicht 9.
Figur 7 zeigt eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserbarrenstruktur in kombinierter Auf- und Schrägansicht. Der prinzipielle Aufbau des gezeigten Schichtsystems entspricht dem zu Fig. 1 beschriebenen, die jeweiligen Bezugszeichen und deren Zuordnung zu einzelnen Merkmalen gelten daher entsprechend. Bei dieser Ausführungsform sind zusätzliche Verlustelemente 19 als verlustinduzierende Strukturen hinzugefügt. Die Verlustelemente 19 können beispielsweise 1-, 2- oder 3-dimensionale Verlustzentren über einen lokal veränderten Brechungsindex, geätzte wellenförmige Strukturen entlang der Längsrichtung des Laserresonators, oder Kristallbereiche mit lokal erhöhter Ladungsträgerdichte zum Beispiel durch eindiffundierende Dotierstoffe. In der Darstellung sind als das Beispiel für Verlustelemente 19 geätzte wellenförmige Strukturen gezeigt. Solche Strukturen führen zu zusätzlichen Streu- und Absorptions verlusten durch Wechselwirkung des Laserlichts an den Verlustzentren. Die daraus resultierende reduzierte Steilheitseffizienz des Emitters würde die Verlustleistung erhöhen und die Temperatur innerhalb der äußeren Emitter steigern. Die Form und Größe der Verlustzentren ist nicht auf die in der Abbildung gezeigten beschränkt. Die Verlustelementen 19 könne jedoch auch an anderer Stelle im Schichtsystem angeordnet werden. Eine Reduzierung der Breite der p-Kontakte 5 ist nicht notwendig.
Figur 8 zeigt eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserbarrenstruktur in kombinierter Auf- und Schrägansicht. Der prinzipielle Aufbau des gezeigten Schichtsystems entspricht dem zu Fig. 1 beschriebenen, die jeweiligen Bezugszeichen und deren Zuordnung zu einzelnen Merkmalen gelten daher entsprechend. Bei dieser Ausführungsform sind bei den äußeren Emitterstrukturen inerte Ionen zumindest abschnittsweise bis in die aktive Schicht 2 hinein implantiert. Die Tiefe 21 dieser dritten Implantationszonen 20 kann sich dabei vorzugsweise von der p- Kontaktschicht 10 durch die aktive Schicht 2 hindurch bis hinunter in die n- Wellenleiterschicht 8, bevorzugter bis hinunter in die n-Mantelschicht 6, erstrecken. In einem implantierter Bereich, der sich bis hinunter zur aktiven Zone 2 erstreckt, sind die Verluste an injizierten Ladungsträgern durch strahlungslose Rekombination deutlich erhöht und somit wird die interne Quanteneffizienz h·ihi verringert. Die injizierten Ladungsträger, die dadurch bevorzugt strahlungslos rekombinieren, erhöhen somit die Temperatur der jeweiligen Emitterstruktur. Für eine wirksame Verringerung der internen Quanteneffizienz durch Erhöhung der strahlungslosen Rekombination ist bevorzugt, dass die Implantation über die aktive Zone hinausgeht (oder zumindest bis in diese hineinreicht).
Figur 9 zeigt eine schematische Darstellung einer siebenten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserbarrenstruktur in kombinierter Auf- und Schrägansicht. Der prinzipielle Aufbau des gezeigten Schichtsystems entspricht dem zu Fig. 1 beschriebenen, die jeweiligen Bezugszeichen und deren Zuordnung zu einzelnen Merkmalen gelten daher entsprechend. Bei dieser Ausführungsform sind bei den inneren Emitterstrukturen inerte Ionen zumindest abschnittsweise bis in die p-Wellenleiterschicht 9 hinein implantiert. Die Tiefe 23 dieser vierten Implantationszonen 22 kann sich dabei vorzugsweise von der p- Kontaktschicht 10 bis hinunter in die p-Wellenleiterschicht 9 erstrecken. In dieser Ausführungsform werden mit inerten Ionen versehene Abschnitte 22 eingeführt, um den spezifischen elektrischen Serienwiderstand der Halbleiterschichten zu erhöhen. Der daraus für die inneren Emitterstrukturen resultierende erhöhte spezifische Serienwiderstand ps (ps > ps o) erzwingt einen höheren Stromfluss durch die äußeren Emitterstrukturen und folglich kann somit auch bei dieser Ausführungsform die Temperatur der äußeren Emitterstrukturen die Temperatur der inneren Emitterstrukturen erreichen.
Bezugszeichenliste
1 Laserbarren
2 aktive Schicht
3 n-Substrat
4 n-Kontakt
5 p-Kontakt
6 n-Mantelschicht
7 p-Mantelschicht
8 n-Wellenleiterschicht
9 p-Wellenleiterschicht
10 p-Kontaktschicht
11 T rennstruktur (erste lonenimplantationszone/Graben/dielektrischer Bereich)
12 Blindemitter (dielektrischer Bereich/Graben/strahlungsloser Emitter)
13 Frontfacette
14 Rückfacette
15 frontseitiger DBR
16 rückseitiger DBR
17 zweite lonenimplantationszone
18 Tiefe der zweite lonenimplantationszone
19 Verlustelemente
20 dritte Implantationszone
21 Tiefe der dritten Implantationszone
22 vierte lonenimplantationszone
23 Tiefe der vierten Implantationszone

Claims

Patentansprüche
1. Laserbarren (1), umfassend ein Schichtsystem aus einem Halbleitermaterial mit einer aktiven Schicht (2), wobei das Schichtsystem einen n-Kontakt (4) und p- Kontakt (5) zur Injektion von Ladungsträgern in die aktive Schicht (2) aufweist, wobei durch eine Strukturierung des Schichtsystems eine Vielzahl von parallel nebeneinander angeordneten Emitterstrukturen ausbildet ist, wobei sich die Emitterstrukturen in longitudinaler Richtung zwischen einer Frontfacette (13) und einer Rückfactette (14) und in lateraler Richtung von einer ersten Seite zu einer zweiten Seite erstrecken und zur Strukturierung die Emitterstrukturen jeweils durch eine sich in longitudinaler Richtung erstreckende Trennstruktur (11) voneinander getrennt sind; dadurch gekennzeichnet, dass zur Variation des Temperaturprofils in lateraler Richtung eine Anpassung der dissipierten thermischen Leistung der jeweils der ersten Seite und der zweiten Seite zugewandten äußeren Emitterstrukturen gegenüber den von den äußeren Emitterstrukturen eingeschlossenen inneren Emitterstrukturen erfolgt ist.
2. Laserbarren (1) nach Anspruch 1 , wobei eine Anpassung der dissipierten thermischen Leistung der äußeren Emitterstrukturen graduell über mehrere nebeneinanderliegende äußere Emitterstrukturen hinweg erfolgt ist.
3. Laserbarren (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei zur Erhöhung der dissipierten thermischen Leistung die elektrischen und/oder optischen Eigenschaften der äußeren Emitterstrukturen gegenüber den inneren Emitterstrukturen angepasst sind.
4. Laserbarren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Erhöhung der in den Emitterstrukturen umlaufenden Lichtintensität bei den äußeren Emitterstrukturen die Facettenreflektivität gegenüber der Facettenreflektivität der inneren Emitterstrukturen erhöht ist.
5. Laserbarren (1) nach Anspruch 4, wobei die Facettenreflektivität der Emitterstrukturen durch Reflektoren mittels einer Integration von frontseitigen DBR (15) und/oder rückseitigen DBR (16), oder durch das Aufbringen dielektrischer Spiegelschichten auf die Frontfacetten (13) und/oder die Rückfacetten (14) eingestellt ist.
6. Laserbarren (1) nach Anspruch 5, wobei die Reflektivität eines frontseitigen Reflektors der äußeren Emitterstrukturen zwischen 1 % und 30 % beträgt.
7. Laserbarren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Erhöhung des Serienwiderstandes sowie des thermischen Widerstandes der äußeren Emitterstrukturen gegenüber den inneren Emitterstrukturen bei den äußeren Emitterstrukturen die Länge des gepumpten Bereichs gegenüber der Länge des gepumpten Bereichs der inneren Emitterstrukturen durch eine Ausbildung nicht gepumpter Bereiche verkürzt ist.
8. Laserbarren (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei den äußeren Emitterstrukturen die Länge des gepumpten Bereichs gegenüber der Länge des gepumpten Bereichs der inneren Emitterstrukturen zwischen 90 % und 30 % beträgt.
9. Laserbarren (1) nach Anspruch 7 oder 8, wobei zur Reduzierung der Ladungsträgerausbreitung unter die nicht gepumpten passiven Bereiche inerte Ionen mittels tiefer Ionenimplantation implantiert sind.
10. Laserbarren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Erhöhung der internen optischen Verluste bei den äußeren Emitterstrukturen Verlustelemente (19) ausgebildet sind.
11. Laserbarren (1) nach Anspruch 10, wobei die internen optischen Verluste der äußeren Emitterstrukturen zwischen 0,6 cm 1 und 1 ,5 cm 1 betragen.
12. Laserbarren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Erhöhung der Wärmeleistung der äußeren Emitterstrukturen gegenüber den inneren Emitterstrukturen bei den äußeren Emitterstrukturen zur Erhöhung der strahlungslosen Rekombination und damit zur Verringerung der internen Quanteneffizienz inerte Ionen zumindest abschnittsweise in Richtung der aktiven Schicht (2) hinein implantiert sind.
13. Laserbarren (1) nach Anspruch 12, wobei die internen Quanteneffizienzen der äußeren Emitterstrukturen zwischen 50 % und 92 % betragen.
14. Laserbarren (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei zur Erhöhung des Serienwiderstandes der inneren Emitterstrukturen inerte Ionen zumindest abschnittsweise in Richtung der aktiven Schicht (2) hinein implantiert sind.
15. Laserbarren (1) nach Anspruch 14, wobei der spezifische Serienwiderstand der inneren Emitterstrukturen um einen Faktor 1 ,2 bis 1,6 gegenüber dem spezifischen Serienwiderstand der äußeren Emitterstrukturen erhöht ist.
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