DE102008038961B4 - A surface-emitting semiconductor laser chip, laser arrangement with a surface-emitting semiconductor laser chip and method for producing a surface-emitting semiconductor laser chip - Google Patents
A surface-emitting semiconductor laser chip, laser arrangement with a surface-emitting semiconductor laser chip and method for producing a surface-emitting semiconductor laser chip Download PDFInfo
- Publication number
- DE102008038961B4 DE102008038961B4 DE102008038961.7A DE102008038961A DE102008038961B4 DE 102008038961 B4 DE102008038961 B4 DE 102008038961B4 DE 102008038961 A DE102008038961 A DE 102008038961A DE 102008038961 B4 DE102008038961 B4 DE 102008038961B4
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- semiconductor laser
- laser chip
- wavelength
- layer
- resonant
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 250
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title description 12
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 105
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 13
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 claims abstract description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 19
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims description 15
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 claims description 7
- 238000003631 wet chemical etching Methods 0.000 claims description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 236
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 67
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 52
- 241000219739 Lens Species 0.000 description 26
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 20
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 18
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 16
- 239000000463 material Substances 0.000 description 15
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 11
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 10
- 230000009102 absorption Effects 0.000 description 9
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 9
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 6
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 6
- BJQHLKABXJIVAM-UHFFFAOYSA-N bis(2-ethylhexyl) phthalate Chemical group CCCCC(CC)COC(=O)C1=CC=CC=C1C(=O)OCC(CC)CCCC BJQHLKABXJIVAM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 6
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 6
- 230000009471 action Effects 0.000 description 4
- 239000006117 anti-reflective coating Substances 0.000 description 4
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 4
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 230000009191 jumping Effects 0.000 description 3
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- 240000004322 Lens culinaris Species 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 2
- 230000009103 reabsorption Effects 0.000 description 2
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 2
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 2
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 229910000980 Aluminium gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910005540 GaP Inorganic materials 0.000 description 1
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical group [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- -1 InGaP Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002745 absorbent Effects 0.000 description 1
- 239000002250 absorbent Substances 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- AZDRQVAHHNSJOQ-UHFFFAOYSA-N alumane Chemical group [AlH3] AZDRQVAHHNSJOQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000001627 detrimental effect Effects 0.000 description 1
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 239000002346 layers by function Substances 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 230000002277 temperature effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
- H01S5/041—Optical pumping
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/14—External cavity lasers
- H01S5/141—External cavity lasers using a wavelength selective device, e.g. a grating or etalon
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
- H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
- H01S3/08072—Thermal lensing or thermally induced birefringence; Compensation thereof
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
- H01S3/106—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity
- H01S3/108—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity using non-linear optical devices, e.g. exhibiting Brillouin or Raman scattering
- H01S3/109—Frequency multiplication, e.g. harmonic generation
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/0014—Measuring characteristics or properties thereof
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
- H01S5/028—Coatings ; Treatment of the laser facets, e.g. etching, passivation layers or reflecting layers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
- H01S5/028—Coatings ; Treatment of the laser facets, e.g. etching, passivation layers or reflecting layers
- H01S5/0287—Facet reflectivity
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/1039—Details on the cavity length
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
- H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
- H01S5/18383—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] with periodic active regions at nodes or maxima of light intensity
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
- H01S5/2054—Methods of obtaining the confinement
- H01S5/2081—Methods of obtaining the confinement using special etching techniques
- H01S5/209—Methods of obtaining the confinement using special etching techniques special etch stop layers
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
Abstract
Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (1) mit
- einer ersten Schichtenfolge (2), die für eine Primärstrahlung (P) mit einer Primärwellenlänge λP reflektierend wirkt, und
- einem Schichtenstapel (4) mit mindestens einem aktiven Bereich (5), wobei der Schichtenstapel (4) an einer Hauptseite der ersten Schichtenfolge (2) aufgebracht und dazu ausgestaltet ist, die Primärstrahlung (P) zu emittieren, wobei eine Dicke (D) des Schichtenstapels (4) so gestaltet ist, dass dieser nicht-resonant bezüglich der Primärwellenlänge λP ist, sodass eine Intensität eines elektromagnetischen Feldes innerhalb des Halbleiterlaserchips (1) der eines Fabry-Perot-Elements bei minimaler Transmission entspricht,
- für eine effektive Resonatorlänge L des Halbleiterlaserchips (1) mit einer Toleranz von höchstens kP/8 gilt: L = N λP/2 + kP/4 und N eine natürliche Zahl ist,
- der Halbleiterlaserchip (1) ferner mindestens eine zweite Schicht (7) umfasst, die an der Lichtaustrittsfläche (6) des Schichtenstapels (4) angebracht und für die Primärstrahlung (P) teilreflektierend ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reflexionsgrad der mindestens einen zweiten Schicht (7) für die Primärstrahlung (P) zwischen 7 % und 13 % liegt.
Surface emitting semiconductor laser chip (1) with
- A first layer sequence (2), which is reflective for a primary radiation (P) having a primary wavelength λ P , and
a layer stack (4) having at least one active region (5), wherein the layer stack (4) is applied to a main side of the first layer sequence (2) and configured to emit the primary radiation (P), wherein a thickness (D) the layer stack (4) is designed so that it is non-resonant with respect to the primary wavelength λ P , so that an intensity of an electromagnetic field within the semiconductor laser chip (1) corresponds to that of a Fabry-Perot element with minimal transmission,
for an effective resonator length L of the semiconductor laser chip (1) with a tolerance of at most k P / 8: L = N λ P / 2 + k P / 4 and N is a natural number,
- The semiconductor laser chip (1) further comprises at least one second layer (7) which is attached to the light exit surface (6) of the layer stack (4) and for the primary radiation (P) is partially reflecting, characterized in that a reflectance of the at least one second layer (7) for the primary radiation (P) is between 7% and 13%.
Description
Die Erfindung betrifft einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchip, eine Laseranordnung mit einem oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchip sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Halbleiterlaserchips.The invention relates to a surface-emitting semiconductor laser chip, to a laser arrangement having a surface-emitting semiconductor laser chip and to a method for producing such a semiconductor laser chip.
Auf Halbleiter basierende Laser bieten gegenüber etwa Gas- oder Festkörperlasern mit einem optisch gepumpten YAG- oder YLF-Kristall als Verstärkermedium große Vorteile bezüglich Wirkungsgrad, Wartungsaufwand und Größe des Bauteils. Eine Möglichkeit, Halbleiterlaser zu klassifizieren, besteht in der Unterscheidung zwischen kantenemittierenden und oberflächenemittierenden Lasern. Bei kantenemittierenden Halbleiterlasern weist das vom Halbleiterchip emittierte Licht oft einen linienartigen, asymmetrischen Querschnitt des Strahlprofils auf. Bei oberflächenemittierenden Halbleiterlasern ist die Qualität des Strahlprofils meist günstiger, da das Strahlprofil symmetrischer ist. Oberflächenemittierende Halbleiterlaser sind auch dazu geeignet, Licht mit höherer Intensität zu erzeugen als kantenemittierende Halbleiterlaser. Die optischen Leistungsdichten innerhalb des Laserkristalls können hierbei, beispielsweise im Dauerstrichbetrieb, mehrere Watt pro Kubikmillimeter betragen.Semiconductor-based lasers offer great advantages in terms of efficiency, maintenance and size of the component compared to gas or solid state lasers with an optically pumped YAG or YLF crystal as the amplifier medium. One way to classify semiconductor lasers is to distinguish between edge emitting and surface emitting lasers. In edge-emitting semiconductor lasers, the light emitted by the semiconductor chip often has a line-like, asymmetrical cross-section of the beam profile. In the case of surface-emitting semiconductor lasers, the quality of the beam profile is usually more favorable since the beam profile is more symmetrical. Surface emitting semiconductor lasers are also capable of producing higher intensity light than edge emitting semiconductor lasers. The optical power densities within the laser crystal can be several watts per cubic millimeter, for example in continuous wave mode.
Die Druckschrift
Die Druckschriften
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchip mit einem hohen Wirkungsgrad anzugeben. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Laseranordnung mit einem solchen Halbleiterlaserchip anzugeben. Des Weiteren ist eine zu lösende Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips anzugeben.An object to be solved is to provide a surface emitting semiconductor laser chip with a high efficiency. Another object to be solved is to specify a laser arrangement with such a semiconductor laser chip. Furthermore, an object to be solved is to provide a method for producing such a surface-emitting semiconductor laser chip.
Diese Aufgaben werden durch den oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchip gemäß Anspruch 1, durch die Laseranordnung gemäß Anspruch 5 und durch das Verfahren gemäß Anspruch 8 gelöst.These objects are achieved by the surface emitting semiconductor laser chip according to
Erfindungsgemäß umfasst der oberflächenemittierende Halbleiterlaserchip eine erste Schichtenfolge. Die erste Schichtenfolge wirkt für eine in Betrieb des Halbleiterlaserchips erzeugte Primärstrahlung mit einer Primärwellenlänge
Die erste Schichtenfolge kann alternativ oder zusätzlich auch reflektierende Metallschichten, reflektierende Schichten aus einem transparenten leitfähigen Oxid, kurz TCO, oder einen Aufbau ähnlich einem Beugungsgitter aufweisen. Bevorzugt sind alle Schichten der ersten Schichtenfolge eben ausgestaltet. Ebenso möglich ist es aber, dass einzelne oder auch alle Schichten eine Krümmung aufweisen, so dass etwa ein fokussierender Reflektor gebildet ist.The first layer sequence may alternatively or additionally also have reflective metal layers, reflective layers made of a transparent conductive oxide, TCO for short, or a structure similar to a diffraction grating. Preferably, all layers of the first layer sequence are configured just. But it is equally possible that individual or all layers have a curvature, so that approximately a focusing reflector is formed.
Für den Fall, dass die erste Schichtenfolge als Bragg-Spiegel ausgestaltet ist, weist die Primärstrahlung eine gewisse effektive Eindringtiefe in den Bragg-Spiegel und somit in die reflektierende, erste Schichtenfolge auf. Die effektive Eindringtiefe kann abgeschätzt werden als die Primärwellenlänge λP geteilt durch das Vierfache des Brechungsindexunterschieds zwischen Schichten mit hohem und niedrigem Brechungsindex. Beträgt der Brechungsindexunterschied zwischen den Schichten mit hohem und niedrigem Brechungsindex etwa 0,5, so beträgt die effektive Eindringtiefe also λP,0/(4x 0,5), also in etwa AP,0/2. Bei dieser Abschätzung stellt λP,0 die Vakuumwellenlänge der Primärstrahlung dar, also nicht wie λP die Wellenlänge geteilt durch den Brechungsindex des Mediums. Die effektive Eindringtiefe ist also im Wesentlichen eine wellenlängenabhängige, physikalische Eigenschaft eines Bragg-Spiegels.In the event that the first layer sequence is configured as a Bragg mirror, the primary radiation has a certain effective penetration depth into the Bragg mirror and thus into the reflective, first layer sequence. The effective penetration depth can be estimated as the primary wavelength λ P divided by four times the refractive index difference between high and low refractive index layers. If the refractive index difference between the high and low refractive index layers is about 0.5, then the effective penetration depth is λ P , 0 / (4x 0.5), that is, about A P , 0/2 . In this estimation, λ P , 0 represents the vacuum wavelength of the primary radiation, that is not like λ P the wavelength divided by the refractive index of the medium. The effective penetration depth is therefore essentially a wavelength-dependent physical property of a Bragg mirror.
Oberflächenemittierend bedeutet, dass der Halbleiterchip flächig an einer Außenfläche eines Halbleiterkörpers Laserstrahlung emittiert. Die Fläche, über die die Lichtstrahlung aus dem Halbleiterlaserchip emittiert wird, hat zweidimensionalen Charakter. Im Gegensatz hierzu zu sehen sind kantenemittierende Laser, deren Licht emittierende Fläche linienförmig ist und somit eine im Wesentlichen eindimensional ausgeprägte Fläche darstellt, deren Längsausdehnung deutlich größer ist als deren Querausdehnung. Bevorzugt weist die Fläche, über die der oberflächenemittierende Halbleiterlaserchip Laserstrahlung emittiert, zwei Hauptachsen auf, wobei jede der Hauptachsen eine größere Länge aufweist als eine Ausdehnung eines Licht erzeugenden Bereichs des Halbleiterlaserchips in einer Richtung senkrecht zur Licht emittierenden Fläche. Bevorzugt sind beide Hauptachsen der Licht emittierenden Fläche in etwa gleich groß. „In etwa“ bedeutet, dass die relative Abweichung weniger als 25 %, insbesondere weniger als 10 % beträgt. Mit anderen Worten ist die Licht emittierende Fläche beispielsweise ellipsoid oder, bevorzugt, kreisförmig.Surface emitting means that the semiconductor chip emits laser radiation in a planar manner on an outer surface of a semiconductor body. The surface over which the light radiation is emitted from the semiconductor laser chip has a two-dimensional character. In contrast to this, edge-emitting lasers whose light-emitting surface is linear and thus represents a substantially one-dimensional surface whose longitudinal extent is significantly larger than its transverse extent can be seen. Preferably, the surface over which the surface emitting semiconductor laser chip emits laser radiation has two major axes, each of the major axes having a greater length than an extension of a light generating region of the semiconductor laser chip in one direction perpendicular to the light emitting surface. Preferably, both major axes of the light-emitting surface are approximately the same size. "Approximately" means that the relative deviation is less than 25%, in particular less than 10%. In other words, the light-emitting surface is, for example, ellipsoidal or, preferably, circular.
Halbleiterlaserchip bedeutet, dass der Chip im Wesentlichen auf Halbleitermaterialien beruht. Mit anderen Worten weist der Halbleiterlaserchip erfindungsgemäß mindestens einen aktiven Bereich auf, der zur Erzeugung der Primärstrahlung ausgestaltet ist, der auf einem Halbleitermaterial beruht. Es ist prinzipiell möglich, dass der Halbleiterlaserchip neben Halbleitermaterialien auch noch andere Materialien wie dielektrische Schichten, Passivierungen oder elektrisch ohmsch leitfähige Lagen, beispielsweise aus einem Metall, aufweist. Die Erzeugung der Laserstrahlung beruht jedoch auf mindestens einem Halbleitermaterial, wie etwa GaAs, InGaAs, AlGaAs, GaP, InGaP, GaN, InGaN oder InP. Das Halbleitermaterial kann weiter Stoffe, zum Beispiel in Form von Dotierungen, beinhalten.Semiconductor laser chip means that the chip is based essentially on semiconductor materials. In other words, according to the invention, the semiconductor laser chip has at least one active region which is designed to generate the primary radiation which is based on a semiconductor material. It is in principle possible that the semiconductor laser chip in addition to semiconductor materials also other materials such as dielectric layers, passivation or electrically ohmic conductive layers, for example of a metal having. However, the generation of the laser radiation is based on at least one semiconductor material, such as GaAs, InGaAs, AlGaAs, GaP, InGaP, GaN, InGaN or InP. The semiconductor material may further include substances, for example in the form of dopants.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips liegt die Primärwellenlänge λP im nahinfraroten Spektralbereich, insbesondere zwischen 1000 nm und 1100 nm. Die Primärwellenlänge λP kann aber auch bei anderen Wellenlängen im Spektralbereich zwischen 200 nm und 3500 nm liegen.According to at least one embodiment of the surface-emitting semiconductor laser chip, the primary wavelength λ P lies in the near-infrared spectral range, in particular between 1000 nm and 1100 nm. The primary wavelength λ P can however also be at other wavelengths in the spectral range between 200 nm and 3500 nm.
Erfindungsgemäß weist der oberflächenemittierende Halbleiterlaserchip einen Schichtenstapel mit mindestens einem aktiven Bereich auf. Die Schichten des Schichtenstapels können epitaktisch gewachsen sein und sich im Wesentlichen parallel zur Licht emittierenden Fläche ausdehnen. Der mindestens eine aktive Bereich ist dazu ausgestaltet, im Betrieb des Halbleiterlaserchips die Primärstrahlung mit der Primärwellenlänge λP zu erzeugen. Die Primärwellenlänge λP kann einen oder auch mehrere Wellenlängenbereiche umfassen. Bevorzugt weist der Hableiterlaserchip eine Mehrzahl von aktiven Bereichen auf, insbesondere zwischen fünf und 15 solcher Bereiche. Mindestens ein aktiver Bereich ist als Quantenpunkt, als Quantendraht oder bevorzugt als Quantentrog ausgebildet.According to the invention, the surface-emitting semiconductor laser chip has a layer stack with at least one active region. The layers of the layer stack may be grown epitaxially and expand substantially parallel to the light-emitting surface. The at least one active region is configured to generate the primary radiation having the primary wavelength λ P during operation of the semiconductor laser chip. The primary wavelength λ P may comprise one or more wavelength ranges. Preferably, the semiconductor laser chip has a plurality of active regions, in particular between five and 15 such regions. At least one active region is designed as a quantum dot, as a quantum wire or preferably as a quantum well.
Der mindestens eine aktive Bereich kann optisch oder elektrisch gepumpt sein. Das Pumpen mindestens eines aktiven Bereichs kann direkt oder auch indirekt erfolgen. Beim direkten Pumpen werden beispielsweise Elektron-Loch-Paare im aktiven Bereich selbst erzeugt. Im Falle eines indirekten Pumpens weist der Schichtenstapel beispielsweise Barriereschichten auf, in denen über das Pumpen Elektron-Loch-Paare erzeugt werden, die dann in die aktiven Bereiche beziehungsweise in mindestens einen aktiven Bereich propagieren und dort zur Erzeugung der Primärstrahlung dienen.The at least one active region may be optically or electrically pumped. The pumping of at least one active area can be direct or indirect. In direct pumping, for example, electron-hole pairs are generated in the active region itself. In the case of indirect pumping, the layer stack has, for example, barrier layers in which electron-hole pairs are generated by pumping, which then propagate into the active regions or into at least one active region and serve to generate the primary radiation there.
Erfindungsgemäß ist der Schichtenstapel mit dem mindestens einen aktiven Bereich an einer Hauptseite der ersten Schichtenfolge aufgebracht. Bevorzugt stehen erste Schichtenfolge und Schichtenstapel in direktem Kontakt zueinander, es können aber auch Schichten, die beispielsweise einer elektrischen Kontaktierung dienen, zwischen reflektierender ersten Schichtenfolge und Schichtenstapel angebracht sein. Eine der ersten Schichtenfolge abgewandte Hauptseite des Schichtenstapels ist, mindestens zum Teil, durch eine Lichtaustrittsfläche gebildet.According to the invention, the layer stack having the at least one active region is applied to a main side of the first layer sequence. The first layer sequence and the layer stack are preferably in direct contact with one another, but it is also possible for layers which serve, for example, an electrical contacting, to be arranged between the reflective first layer sequence and the layer stack. A main side of the layer stack facing away from the first layer sequence is formed, at least in part, by a light exit surface.
Die Dicke des Schichtenstapels ist dessen optische Dicke, das heißt das Integral über dem optischen Brechungsindex und einem Weg längs einer Laufrichtung der im Betrieb des Halbleiterlaserchips im Schichtenstapel erzeugten Strahlung. Der Schichtenstapel ist insbesondere begrenzt durch die Lichtaustrittsfläche und die reflektierende erste Schichtenfolge. Die Lichtaustrittsfläche kann sich dadurch auszeichnen, dass an der der Lichtaustrittsfläche abgewandten Seite des Schichtenstapels ein Material mit deutlich reduziertem Brechungsindex vorliegt, wie etwa Luft oder eine Antireflexionsschicht. „Deutlich reduziert“ bedeutet, dass der Brechungsindexunterschied, ausgehend vom die Lichtaustrittsfläche bildenden Material, mindestens 20 %, bevorzugt mindestens 40 % beträgt.The thickness of the layer stack is its optical thickness, that is the integral over the optical refractive index and a path along a running direction of the radiation generated in the stack of layers during operation of the semiconductor laser chip. The layer stack is in particular limited by the light exit surface and the reflective first layer sequence. The light exit surface can be distinguished by the fact that a material having a significantly reduced refractive index, such as air or an antireflection layer, is present on the side of the layer stack facing away from the light exit surface. "Substantially reduced" means that the refractive index difference, starting from the material forming the light exit surface, is at least 20%, preferably at least 40%.
Erfindungsgemäß ist die Dicke des Schichtenstapels derart gestaltet, so dass dieser nicht-resonant bezüglich der Primärwellenlänge λP ist. „Nicht-resonant“ bedeutet hierbei, dass sich bezüglich Noden und Antinoden innerhalb des Halbleiterchips kein elektrisches Lichtfeld ausbildet, wie es im resonanten Fall etwa in einem Fabry-Perot-Element der Fall ist.According to the invention, the thickness of the layer stack is designed such that it is non-resonant with respect to the primary wavelength λ P. In this case, "non-resonant" means that with respect to nodes and antinodes within the semiconductor chip, no electric light field is formed, as is the case, for example, in a resonant case in a Fabry-Perot element.
Erfindungsgemäß weist der oberflächenemittierende Halbleiterlaserchip einen Resonator auf. Der Resonator ist im Halbleiterlaserchip integriert und gebildet von der Lichtaustrittsfläche und von der reflektierenden ersten Schichtenfolge. Die Lichtaustrittsfläche weist eine nicht verschwindende Reflektivität bezüglich der Primärwellenlänge λP auf.According to the invention, the surface-emitting semiconductor laser chip has a resonator. The resonator is integrated in the semiconductor laser chip and formed by the light exit surface and by the reflective first layer sequence. The light exit surface has a non-vanishing reflectivity with respect to the primary wavelength λ P.
Erfindungsgemäß weist der oberflächenemittierende Halbleiterlaserchip eine effektive Resonatorlänge L auf. Die effektive Resonatorlänge L ist gebildet aus der Summe der Dicke des Schichtenstapels und der effektiven Eindringtiefe der Primärstrahlung in die reflektierende erste Schichtenfolge. Das heißt, die Resonatorlänge L ist größer oder gleich der Dicke des Schichtenstapels. Die jeweiligen Dicken beziehungsweise Längen beziehen sich hierbei auf die optischen Längen, das heißt auf das Integral über das Produkt aus Weglänge und Brechungsindex.According to the invention, the surface-emitting semiconductor laser chip has an effective resonator length L. The effective resonator length L is formed from the sum of the thickness of the layer stack and the effective penetration depth of the primary radiation into the reflective first layer sequence. That is, the resonator length L is greater than or equal to the thickness of the layer stack. The respective thicknesses or lengths relate to the optical lengths, that is, the integral over the product of path length and refractive index.
Erfindungsgemäß umfasst der oberflächenemittierende Halbleiterlaserchip eine erste Schichtenfolge, die für eine Primärstrahlung mit einer Primärwellenlänge λP reflektierend wirkt. Außerdem umfasst der Halbleiterlaserchip einen Schichtenstapel mit mindestens einem aktiven Bereich, wobei der Schichtenstapel an einer Hauptseite der ersten Schichtenfolge aufgebracht und dazu ausgestaltet ist, die Primärstrahlung zu emittieren. Die Dicke des Schichtenstapels ist so gestaltet, dass dieser nicht-resonant bezüglich der Primärwellenlänge λP ist.According to the invention, the surface-emitting semiconductor laser chip comprises a first layer sequence which has a reflective effect for a primary radiation having a primary wavelength λ P. In addition, the semiconductor laser chip comprises a layer stack having at least one active region, wherein the layer stack is applied to a main side of the first layer sequence and configured to emit the primary radiation. The thickness of the layer stack is designed to be non-resonant with respect to the primary wavelength λ P.
Der Halbleiterlaserchip ist mit anderen Worten mit einer nicht-resonanten Verstärkerstruktur gestaltet.In other words, the semiconductor laser chip is designed with a non-resonant amplifier structure.
In einem solchen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchip treten nur geringe optische Verluste innerhalb des Halbleiterlaserchips auf. Daher weist ein derartiger Halbleiterlaserchip einen hohen Wirkungsgrad auf.In such a surface emitting semiconductor laser chip, only small optical losses occur within the semiconductor laser chip. Therefore, such a semiconductor laser chip has a high efficiency.
Die Effizienz eines Halbleiterlaserchips ergibt sich aus der Relation von erzielter Verstärkung und auftretenden optischen Verlusten. Sowohl Verstärkung als auch optische Verluste sind näherungsweise direkt proportional zur optischen Intensität im Schichtenstapel mit dem mindestens einen aktiven Bereich. Das heißt, in dem Fall, dass die Verstärkung hoch ist, so sind ebenfalls die optischen Verluste hoch. Dies wirkt sich nachteilig auf die Gesamteffizienz des Halbleiterlaserchips aus.The efficiency of a semiconductor laser chip results from the relation of gain achieved and optical losses occurring. Both gain and optical losses are approximately directly proportional to the optical intensity in the stack of layers having the at least one active region. That is, in the case where the gain is high, the optical losses are also high. This adversely affects the overall efficiency of the semiconductor laser chip.
Die optische Intensität im Halbleiterlaserchip ist zum Beispiel dann am höchsten, wenn die Dicke des Schichtenstapels so gestaltet ist, dass der Schichtenstapel resonant bezüglich der Primärwellenlänge λP ist. Das heißt, im resonanten Fall bildet sich innerhalb des Halbleiterlaserchips eine Stehwelle aus, die analog zu einer Resonanz in einem Fabry-Perot-Element zu sehen ist. In einem nicht-resonanten Fall ist die optische Intensität im Halbleiterlaserchip entsprechend verringert.The optical intensity in the semiconductor laser chip is highest, for example, when the thickness of the layer stack is designed such that the layer stack is resonant with respect to the primary wavelength λ P. That is, in the resonant case forms within the semiconductor laser chip, a standing wave, which is analogous to a resonance in a Fabry-Perot element to see. In a non-resonant case, the optical intensity in the semiconductor laser chip is correspondingly reduced.
Mindestens drei Arten optischer Verluste innerhalb des Halbleiterlaserchips lassen sich durch eine nicht-resonante Gestaltung der Dicke des Schichtenstapels reduzieren. Wegen der verringerten optischen Intensität im Halbleiterlaserchip ist erstens auch die Reabsorption von Strahlung innerhalb des Halbleiterlaserchips, etwa durch die Absorption an freien Ladungsträgern, englisch Free Carrier Absorption, reduziert. Über die Reduzierung der Absorption beziehungsweise Reabsorption wiederum ist zweitens die Temperatur und insbesondere der Temperaturgradient innerhalb des Halbleiterlaserchips verringert. Drittens wirken im resonanten Fall, wie erwähnt, die Lichtaustrittsfläche und die reflektierende erste Schichtenfolge als Fabry-Perot-Resonator. Im Resonanzfall weist ein Fabry-Perot-Element eine erhöhte Transmission auf, die im Falle eines Halbleiterlaserchips als optische Verlustleistung auftritt.At least three types of optical losses within the semiconductor laser chip can be reduced by non-resonant design of the thickness of the layer stack. Firstly, because of the reduced optical intensity in the semiconductor laser chip, the reabsorption of radiation within the semiconductor laser chip, for example through free carrier absorption, is also reduced. Secondly, the reduction of the absorption or reabsorption reduces the temperature and in particular the temperature gradient within the semiconductor laser chip. Third, in the resonant case, as mentioned, the light exit surface and the reflective first layer sequence act as a Fabry-Perot resonator. In the case of resonance, a Fabry-Perot element has an increased transmission, which occurs in the case of a semiconductor laser chip as an optical power loss.
Ein Aspekt für den Betrieb des Halbleiterlaserchips ist demnach, dass durch den nicht-resonanten Aufbau störende Effekte durch die Ausbildung einer thermischen Linse, beispielsweise durch ein optisches Pumpen des Halbleiterlaserchips, reduziert werden können. Da eine effektive Eindringtiefe der Primärstrahlung und/oder einer Pumpstrahlung in den Halbleiterlaserchip für einen nicht-resonanten Aufbau des Halbleiterlaserchips verringert ist, sind in diesem Fall auch die thermische Linse und die mit dieser verknüpften Verluste schwächer ausgeprägt.One aspect of the operation of the semiconductor laser chip is therefore that can be reduced by the non-resonant structure disturbing effects by the formation of a thermal lens, for example by an optical pumping of the semiconductor laser chip. Since an effective penetration depth of the primary radiation and / or a pumping radiation into the semiconductor laser chip is reduced for a non-resonant structure of the semiconductor laser chip, in this case also the thermal lens and the losses associated therewith are weaker.
Es können also über eine Reduzierung der optischen Intensität im Halbleiterlaserchip die optischen Verluste reduziert und die Effizienz beziehungsweise der Wirkungsgrad des Halbleiterlaserchips erhöht werden. Dies ist möglich, sofern die Verstärkung im Schichtenstapel ausreichend hoch ist, so dass die Verstärkung nicht optimiert zu werden braucht. Bei einem solchen Halbleiterlaserchip ist also nicht die Verstärkung, englisch Gain, sondern der Wirkungsgrad optimiert beziehungsweise verbessert.It can therefore be reduced by reducing the optical intensity in the semiconductor laser chip, the optical losses and the efficiency or the efficiency of the semiconductor laser chip can be increased. This is possible if the gain in the stack of layers is sufficiently high so that the gain need not be optimized. In such a semiconductor laser chip so not the gain, English gain, but the efficiency is optimized or improved.
Erfindungsgemäß entspricht die effektive Resonatorlänge L der Formel:
N ist hierbei eine natürliche Zahl. Die Toleranz für die effektive Resonatorlänge L beträgt hierbei höchstens λP/8.N is a natural number. The tolerance for the effective resonator length L is in this case at most λ P / 8.
Mit anderen Worten entspricht die effektive Resonatorlänge L einem ganzzahligen Vielfachen der halben Primärwellenlänge λP, verlängert um λP/4. Das heißt, die effektive Resonatorlänge L ist also 3 λP/4 oder 5 λP/4 oder 7 λP/4 und so weiter. Über eine solche effektive Resonatorlänge L ist der Fabry-Perot-Effekt und somit die Transmission in Richtung vom Schichtenstapel weg durch die reflektierende erste Schichtenfolge hindurch verringert. Die Effizienz des Halbleiterlaserchips ist hierdurch erhöht.In other words, the effective resonator length L corresponds to an integer multiple of half the primary wavelength λ P , extended by λ P / 4. That is, the effective resonator length L is thus 3λ P / 4 or 5λ P / 4 or 7λ P / 4 and so on. Such an effective resonator length L reduces the Fabry-Perot effect and thus the transmission in the direction away from the layer stack through the reflective first layer sequence. The efficiency of the semiconductor laser chip is thereby increased.
Auch hier gilt, wie im Folgenden, dass als effektive Resonatorlänge L die optische und nicht die geometrische Länge zu verstehen ist.Again, as in the following, the effective resonator length L is the optical and not the geometric length.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips beträgt die Toleranz bezüglich der effektiven Resonatorlänge L höchstens λP/16, insbesondere höchstens λP/32. Eine verkleinerte Toleranz der effektiven Resonatorlänge L führt zu einer wirkungsvolleren Reduzierung der optischen Verluste im Halbleiterlaserchip und erhöht somit dessen Effizienz.According to at least one embodiment of the surface emitting semiconductor laser chip, the tolerance with respect to the effective resonator length L is at most λ P / 16, in particular at most λ P / 32. A reduced tolerance of the effective resonator length L leads to a more effective Reduction of optical losses in the semiconductor laser chip and thus increases its efficiency.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips ist die Dicke des Schichtenstapels so ausgestaltet, dass der Halbleiterlaserchip anti-resonant bezüglich der Primärwellenlänge λP ist. Das heißt, dass die Intensität des elektromagnetischen Feldes innerhalb des Halbleiterlaserchips dem eines Fabry-Perot-Elements bei minimaler Transmission entspricht. Im anti-resonanten Fall ist die optische Intensität im Halbleiterlaserchip verkleinert. Über eine derartige Wahl der Dicke des Schichtenstapels lassen sich die optischen Verluste im Halbleiterlaserchip ebenfalls reduzieren.In accordance with at least one embodiment of the surface emitting semiconductor laser chip, the thickness of the layer stack is designed such that the semiconductor laser chip is anti-resonant with respect to the primary wavelength λ P. That is, the intensity of the electromagnetic field within the semiconductor laser chip corresponds to that of a Fabry-Perot element with minimal transmission. In the anti-resonant case, the optical intensity in the semiconductor laser chip is reduced. Such a choice of the thickness of the layer stack can also reduce the optical losses in the semiconductor laser chip.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips liegt im Betrieb des Halbleiterlaserchips an der Lichtaustrittsfläche des Schichtenstapels kein Intensitätsmaximum bezüglich der optischen Intensität der Primärstrahlung vor. Bevorzugt liegt ein Intensitätsminimum an der Lichtaustrittsfläche vor. Die Toleranz hierfür beträgt höchstens λP/16, insbesondere höchstens λP/32. Mit der Minimierung der Intensität an der Lichtaustrittsfläche geht auch eine Minimierung der optischen Intensität innerhalb des Halbleiterchips einher. Hierüber werden auch die auftretenden optischen Verluste im Halblaserchips reduziert, wodurch dessen Effizienz erhöht ist.In accordance with at least one embodiment of the surface-emitting semiconductor laser chip, no intensity maximum with respect to the optical intensity of the primary radiation is present at the light exit surface of the layer stack during operation of the semiconductor laser chip. Preferably, an intensity minimum is present at the light exit surface. The tolerance for this is at most λ P / 16, in particular at most λ P / 32. By minimizing the intensity at the light exit surface is also accompanied by a minimization of the optical intensity within the semiconductor chip. This also reduces the occurring optical losses in the half-fiber chips, whereby its efficiency is increased.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips umfasst dieser eine Mehrzahl aktiver Bereiche, wobei mindestens ein Abstand zwischen zwei benachbarten aktiven Bereichen einem Vielfachen der Hälfte der Primärwellenlänge λP entspricht und wobei sich mindestens ein aktiver Bereich im Betrieb des Halbleiterlaserchips in einem Intensitätsmaximum der Primärstrahlung befindet. In Richtung zur reflektierenden ersten Schichtenfolge hin können die Abstände zwischen benachbarten aktiven Bereichen bevorzugt zunehmen. Sind die aktiven Bereiche in Gruppen mit mindestens zwei aktiven Bereichen angeordnet, wobei innerhalb einer Gruppe die Abstände zwischen benachbarten aktiven Bereichen in etwa gleich sind, so nehmen die Abstände zwischen den Gruppen in Richtung zur ersten Schichtenfolge hin zu. Ebenso bevorzugt ist mindestens die Hälfte der aktiven Bereiche, insbesondere alle aktiven Bereiche, in einem Intensitätsmaximum der Primärstrahlung angeordnet. Sind aktive Bereiche im Intensitätsmaxima der Primärstrahlung platziert, so erhöht sich die Verstärkung des Halbleiterlaserchips.According to at least one embodiment of the surface-emitting semiconductor laser chip, the latter comprises a plurality of active regions, wherein at least one distance between two adjacent active regions corresponds to a multiple of half the primary wavelength λ P and at least one active region is in an intensity maximum of the primary radiation during operation of the semiconductor laser chip. Towards the reflective first layer sequence, the distances between adjacent active regions may preferably increase. If the active regions are arranged in groups with at least two active regions, wherein within a group the distances between adjacent active regions are approximately the same, the distances between the groups increase in the direction of the first layer sequence. Likewise, at least half of the active regions, in particular all active regions, are arranged in an intensity maximum of the primary radiation. If active regions are placed in the intensity maxima of the primary radiation, the gain of the semiconductor laser chip increases.
Erfindungsgemäß umfasst der oberflächenemittierende Halbleiterlaserchip mindestens eine zweite Schicht, die an der Lichtaustrittsfläche des Schichtenstapels angebracht und für die Primärstrahlung teilreflektierend ist. Die zweite Schicht kann in direktem physischem Kontakt zur Lichtaustrittsfläche stehen, dies ist der bevorzugte Fall, oder auch durch eine oder mehrere funktionelle Schichten vom Schichtenstapel separiert sein. Die mindestens eine zweite Schicht ist beispielsweise eine Schicht, die einen Brechungsindex aufweist, der zwischen dem von Luft und dem des den Schichtenstapel bildenden Materials liegt. Über eine solche teilreflektierende Schicht kann die Auskoppeleffizienz aus dem Halbleiterlaserchip erhöht werden. Außerdem kann die Reflektivität der Lichtaustrittsfläche des Schichtenstapels über eine solche zweite Schicht gezielt eingestellt werden.According to the invention, the surface-emitting semiconductor laser chip comprises at least one second layer, which is attached to the light exit surface of the layer stack and partially reflecting the primary radiation. The second layer may be in direct physical contact with the light exit surface, this being the preferred case or separated by one or more functional layers from the layer stack. The at least one second layer is, for example, a layer which has a refractive index which lies between that of air and that of the layer stack forming material. About such a partially reflecting layer, the coupling-out efficiency can be increased from the semiconductor laser chip. In addition, the reflectivity of the light exit surface of the layer stack can be selectively adjusted via such a second layer.
Erfindungsgemäß liegt der Reflexionsgrad der Lichtaustrittsfläche des Schichtenstapels bezüglich der Primärstrahlung aufgrund der mindestens einen zweiten Schicht zwischen 7 % und 13 %. Die Reflektivität weicht also von der einer optimierten, einschichtigen Antireflexbeschichtung, mit einer Reflektivität von weniger als 2 %, und auch von der einer Grenzfläche Luft-Lichtaustrittsfläche beziehungsweise Luft-Halbleitermaterial, mit einer Reflektivität von >30 %, ab. Vielmehr ist eine Reflektivität eingestellt, die sich hinsichtlich der Vermeidung von Verlusten im Halbleiterchip als optimal herausgestellt hat. Eine Reflektivität der Lichtaustrittsfläche im genannten Wertebereich aufgrund der zweiten Schicht ist mit vergleichsweise geringem technischen Aufwand zu realisieren.According to the invention, the reflectance of the light exit surface of the layer stack with respect to the primary radiation due to the at least one second layer is between 7% and 13%. The reflectivity thus differs from that of an optimized, single-layer antireflection coating, with a reflectivity of less than 2%, and also of an interface air-light exit surface or air-semiconductor material, with a reflectivity of> 30%. Rather, a reflectivity is set, which has proven to be optimal in terms of avoiding losses in the semiconductor chip. A reflectivity of the light exit surface in said value range due to the second layer can be realized with comparatively little technical effort.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterlaserchips ist die mindestens eine zweite Schicht eine Passivierung. Das heißt, durch die mindestens eine zweite Schicht wird der Schichtenstapel mindestens zum Teil vor chemischen oder physikalischen, für den Schichtenstapel schädlichen Einflüssen geschützt. Durch eine solche zweite Schicht erhöht sich die Lebensdauer des Halbleiterlaserchips.In accordance with at least one embodiment of the semiconductor laser chip, the at least one second layer is a passivation. That is, the at least one second layer protects the layer stack at least in part from chemical or physical influences that are detrimental to the layer stack. Such a second layer increases the life of the semiconductor laser chip.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips ist dieser indirekt optisch pumpbar. Ein derartiges Pumpen des Halbleiterlaserchips wird auch als Barriere-Pumpen bezeichnet. Das heißt, Licht mit einer Pumpwellenlänge λR wird in den Halbleiterlaserchip eingestrahlt. Dieses Pumplicht wird in Barriereschichten absorbiert, in denen Elektron-Loch-Paare erzeugt werden. Diese Elektron-Loch-Paare propagieren dann in den mindestens einen aktiven Bereich und dienen anschließend über Rekombination zur Erzeugung der Primärstrahlung. Die Barriereschichten sind bevorzugt transparent für die Primärstrahlung und absorbierend für die Pumpstrahlung ausgestaltet. Ein solcher Halbleiterlaserchip weist einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Strahlqualität auf.According to at least one embodiment of the surface emitting semiconductor laser chip, this is indirectly optically pumpable. Such pumping of the semiconductor laser chip is also referred to as barrier pumps. That is, light having a pump wavelength λ R is irradiated into the semiconductor laser chip. This pump light is absorbed in barrier layers in which electron-hole pairs are generated. These electron-hole pairs then propagate into the at least one active region and subsequently serve via recombination to generate the primary radiation. The barrier layers are preferably transparent to the primary radiation and designed to be absorbent for the pump radiation. Such a semiconductor laser chip has a high efficiency and a high beam quality.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Halbleiterlaserchips ist die mindestens eine zweite Schicht als Antireflex-Schicht bezüglich der Pumpwellenlänge λR ausgestaltet.In accordance with at least one embodiment of the semiconductor laser chip, the at least one second layer designed as an antireflection layer with respect to the pump wavelength λ R.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips ist dieser für einen Dauerstrichbetrieb gestaltet. Das heißt, der Halbleiterlaserchip wird nicht gepulst betrieben. Mit Dauerstrichbetrieb ist insbesondere gemeint, dass eine Repetitionsrate höchstens 10 Hz und eine Impulsdauer mindestens 0,1 s beträgt.According to at least one embodiment of the surface emitting semiconductor laser chip, this is designed for a continuous wave operation. That is, the semiconductor laser chip is not pulsed. In particular, continuous wave operation means that a repetition rate is at most 10 Hz and a pulse duration is at least 0.1 s.
Es wird darüber hinaus eine Laseranordnung mit mindestens einem oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchip angegeben. Die Laseranordnung umfasst einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchip, wie vorangehend beschrieben.In addition, a laser arrangement with at least one surface-emitting semiconductor laser chip is specified. The laser arrangement comprises a surface emitting semiconductor laser chip as described above.
Erfindungsgemäß umfasst die Laseranordnung mindestens einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchip und mindestens eine Pumplichtquelle, die zum Pumpen des Halbleiterlaserchips gestaltet ist.According to the invention, the laser arrangement comprises at least one surface emitting semiconductor laser chip and at least one pumping light source which is designed for pumping the semiconductor laser chip.
Erfindungsgemäß umfasst die Laseranordnung mindestens einen externen, für die vom Halbleiterlaserchip erzeugte Primärstrahlung reflektierend wirkenden Spiegel. Bevorzugt ist der externe Spiegel ein hochreflektierender, dielektrischer Spiegel oder ein Metallspiegel. Der externe Spiegel kann eine Krümmung aufweisen, so dass der externe Spiegel zum Beispiel fokussierend wirkt.According to the invention, the laser arrangement comprises at least one external mirror which has a reflective effect on the primary radiation generated by the semiconductor laser chip. The external mirror is preferably a highly reflecting dielectric mirror or a metal mirror. The external mirror may have a curvature such that the external mirror, for example, has a focusing effect.
Erfindungsgemäß wird von der ersten Schichtenfolge des mindestens einen Halbleiterlaserchips und vom mindestens einen externen Spiegel ein externer Resonator der Laseranordnung gebildet.According to the invention, an external resonator of the laser arrangement is formed by the first layer sequence of the at least one semiconductor laser chip and by the at least one external mirror.
Erfindungsgemäß umfasst die Laseranordnung mindestens einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchip, wie voranstehend beschrieben. Weiterhin umfasst die Laseranordnung mindestens eine Pumplichtquelle zum Pumpen des Halbleiterlaserchips. Zudem weist die Laseranordnung mindestens einen externen, für die Primärstrahlung reflektierend wirkenden Spiegel auf, so dass von der ersten Schichtenfolge des Halbleiterlaserchips und vom mindestens einen externen Spiegel ein externer Resonator der Laseranordnung gebildet ist.According to the invention, the laser arrangement comprises at least one surface-emitting semiconductor laser chip, as described above. Furthermore, the laser arrangement comprises at least one pumping light source for pumping the semiconductor laser chip. In addition, the laser arrangement has at least one external mirror which has a reflective effect on the primary radiation, so that an external resonator of the laser arrangement is formed by the first layer sequence of the semiconductor laser chip and by the at least one external mirror.
Eine solche Laseranordnung kann kompakt aufgebaut sein und ermöglicht eine Konversion der vom Halbleiterlaserchip erzeugten Strahlung in eine Sekundärstrahlung mit einer von der Primärstrahlung verschiedenen Sekundärwellenlänge λS.Such a laser arrangement can have a compact design and permits a conversion of the radiation generated by the semiconductor laser chip into a secondary radiation having a secondary wavelength λ S different from the primary radiation.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laseranordnung umfasst der Resonator der Laseranordnung ein wellenlängenselektives Element. Optional kann über das wellenlängenselektive Element auch die Polarisation der Primär- und/oder Sekundärstrahlung definiert werden. Über ein solches wellenlängenselektives Element können die spektralen Eigenschaften der Laseranordnung gezielt eingestellt werden. In accordance with at least one embodiment of the laser arrangement, the resonator of the laser arrangement comprises a wavelength-selective element. Optionally, the polarization of the primary and / or secondary radiation can also be defined via the wavelength-selective element. About such a wavelength-selective element, the spectral properties of the laser array can be adjusted specifically.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laseranordnung umfasst diese ein wellenlängenselektives Element in Verbindung mit einem Halbleiterchip, bei dem die Lichtaustrittsfläche eine Reflektivität im Bereich von 4 % bis 20 %, insbesondere zwischen 7 % und 13 %, aufweist.According to at least one embodiment of the laser arrangement, this comprises a wavelength-selective element in conjunction with a semiconductor chip, in which the light exit surface has a reflectivity in the range of 4% to 20%, in particular between 7% and 13%.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laseranordnung wirkt das wellenlängenselektive Element in einem Wellenlängenbereich von 0,8 λP bis 1,2 λP sperrend für Wellenlängen λRes, die mit einer Wellenlängentoleranz von höchstens λP/16 bezüglich der effektiven Resonatorlänge L des Halbleiterlaserchips die Bedingung erfüllen:
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laseranordnung ist das wellenlängenselektive Element ein Etalon. Etalone können sehr kompakt aufgebaut sein und neben der Wellenlängenselektivität auch eine Polarisationsselektivität aufweisen. Über ein Etalon lassen sich also sowohl die spektralen Eigenschaften als auch die Polarisationseigenschaften der Laseranordnung bestimmen. Eine Laseranordnung mit einem Etalon ist zum Beispiel in der Druckschrift
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laseranordnung umfasst der Resonator der Laseranordnung mindestens einen Kristall zur Frequenzverdopplung der Primärstrahlung. Über Frequenzverdopplung kann insbesondere nahinfrarotes Licht mit Wellenlängen im Bereich von 1 µm, insbesondere zwischen 0,95 µm und 1,15 µm, in grünes Licht mit Wellenlängen insbesondere im Bereich von 510 nm bis 570 nm konvertiert werden.In accordance with at least one embodiment of the laser arrangement, the resonator of the laser arrangement comprises at least one crystal for frequency doubling of the primary radiation. By way of frequency doubling, in particular near-infrared light with wavelengths in the range of 1 μm, in particular between 0.95 μm and 1.15 μm, can be converted into green light with wavelengths, in particular in the range from 510 nm to 570 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laseranordnung ist im Betrieb des Halbleiterlaserchips in diesem eine thermische Linse ausgebildet, über die die Primärstrahlung in den Kristall zur Frequenzverdopplung fokussiert ist. Bei einer vorgegebenen Pumpleistung bildet sich im Halbleiterlaserchip definiert ein Temperaturgradient aus. Dieser Temperaturgradient führt zu einer Variation des optischen Brechungsindex in einer Richtung parallel zur Lichtaustrittsfläche. Dieser Brechungsindexgradient hat die Wirkung eines linsenartigen Elements, insbesondere einer Sammellinse. Über diese thermischen Linse kann die Primärstrahlung in den Kristall fokussiert sein. Über eine solche thermische Linse kann eine externe Linse außerhalb des Halbleiterlaserchips entfallen und die Verdopplungseffizienz im Kristall kann erhöht werden.In accordance with at least one embodiment of the laser arrangement, during operation of the semiconductor laser chip, a thermal lens is formed in the latter, via which the primary radiation is focused into the crystal for frequency doubling. For a given pump power, a temperature gradient is formed in the semiconductor laser chip. This temperature gradient leads to a variation of the optical refractive index in a direction parallel to the light exit surface. This refractive index gradient has the effect of a lenticular element, in particular a condenser lens. Via this thermal lens, the primary radiation can be focused in the crystal. Such a thermal lens can eliminate an external lens outside the semiconductor laser chip and increase the doubling efficiency in the crystal.
Es wird darüber hinaus ein Verfahren zur Herstellung eines oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips angegeben. Mittels des Verfahrens wird ein oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip hergestellt, wie oben beschrieben.There is also provided a method of manufacturing a surface emitting semiconductor laser chip. By means of the method, a surface-emitting semiconductor laser chip is produced, as described above.
Das Verfahren weist erfindungsgemäß die folgenden Schritte auf:
- - Bereitstellen eines Halbleiterlaserchips mit der ersten Schichtenfolge und dem Schichtenstapel, wobei die effektive Resonatorlänge L des Halbleiterlaserchips mit einer Toleranz von höchstens λP/16 einem ganzzahligen Vielfachen der Hälfte der Primärwellenlänge λP entspricht, und
- - Reduzierung der effektiven Resonatorlänge L des Halbleiterlaserchips mit einer Toleranz von höchstens λP/16 um einen Wert von ((2 N - 1) λP)/4, wobei N eine natürliche Zahl ist.
- Providing a semiconductor laser chip having the first layer sequence and the layer stack, wherein the effective resonator length L of the semiconductor laser chip with a tolerance of at most λ P / 16 corresponds to an integer multiple of half the primary wavelength λ P , and
- - Reduction of the effective resonator length L of the semiconductor laser chip with a tolerance of at most λ P / 16 by a value of ((2 N - 1) λ P ) / 4, where N is a natural number.
Das Bereitstellen des Halbleiterlaserchips kann ein epitaktisches Wachsen der ersten Schichtenfolge und/oder des Schichtenstapels auf einem Aufwachssubstrat beinhalten. Die epitaktisch aufgewachsenen Schichten können anschließend vom Aufwachssubstrat auf einen Träger transferiert werden oder auch auf dem Aufwachssubstrat verbleiben. Dass die effektive Resonatorlänge L einem Vielfachen der halben Primärwellenlänge λP entspricht, bedeutet, dass der Halbleiterlaserchip resonant ist bezüglich der Primärwellenlänge λP.The provision of the semiconductor laser chip may include epitaxial growth of the first layer sequence and / or the layer stack on a growth substrate. The epitaxially grown layers can then be transferred from the growth substrate to a support or remain on the growth substrate. The fact that the effective resonator length L corresponds to a multiple of half the primary wavelength λ P means that the semiconductor laser chip is resonant with respect to the primary wavelength λ P.
Der Verfahrensschritt des Reduzierens der effektiven Resonatorlänge L folgt dem Bereitstellen des Halbleiterlaserchips nach. Die effektive Resonatorlänge L wird hierbei um ein ungeradzahliges Vielfaches der viertelten Primärwellenlänge λP verringert, also beispielsweise um λP/4, 3 λP/4, 5 λP/4 und so weiter. Eine solche Verringerung der effektiven Resonatorlänge L bedeutet, dass der zuvor bezüglich der Primärwellenlänge λP resonante Halbleiterlaserchip nunmehr nicht-, insbesondere anti-resonant ist.The step of reducing the effective resonator length L follows the provision of the semiconductor laser chip. In this case, the effective resonator length L is reduced by an odd-numbered multiple of the quarter-wavelength primary wavelength λ P , that is, for example, λ P / 4,
Die Fertigungstoleranz bei den einzelnen Verfahrensschritten bezüglich der jeweiligen optischen Dicken der Schichten beträgt gemäß zumindest einer Ausführungsform höchsten λP/32.The manufacturing tolerance in the individual method steps with respect to the respective optical thicknesses of the layers is, according to at least one embodiment, highest λ P / 32.
Über ein derartiges Verfahren können effektiv und mit hoher Ausbeute Halbleiterlaserchips mit einer nicht- oder anti-resonanten effektiven Resonatorlänge L hergestellt werden, die eine hohe Effizienz und einen hohen Wirkungsgrad aufweisen.By such a method, semiconductor laser chips having a non-resonant or anti-resonant resonator effective length L having high efficiency and high efficiency can be effectively and high-yielded.
Mit anderen Worten wird zuerst ein resonanter Halbleiterlaserchip hergestellt, bei dem die Verstärkung optimiert und somit die optische Intensität im Schichtenstapel maximiert ist. Die Primärwellenlänge λP liegt hierbei insbesondere bei der Wellenlänge, bei der die durch das Material des mindestens einen aktiven Bereichs vorgegebene optische Verstärkung bei Lasertätigkeit ein Maximum aufweist. Dieses Maximum liegt insbesondere bei zirka 1055 nm. Anschließend wird die Dicke des Schichtenstapels reduziert, so dass der Halbleiterlaserchip zum Beispiel anti-resonant bei der Primärwellenlänge λP ist. Insbesondere ändert sich die Primärwellenlänge λP durch die Reduzierung der Dicke nicht. Allerdings verringern sich die optischen Verluste im Halbleiterlaserchip, da die Intensität im Halbleiterlaserchip reduziert und die Transmission durch die reflektierende erste Schichtenfolge aufgrund des Fabry-Perot-Effekts herabgesetzt ist.In other words, first a resonant semiconductor laser chip is produced in which the gain is optimized and thus the optical intensity in the layer stack is maximized. In this case, the primary wavelength λ P lies in particular at the wavelength at which the optical amplification predetermined by the material of the at least one active region has a maximum during laser action. This maximum is in particular at approximately 1055 nm. Subsequently, the thickness of the layer stack is reduced so that the semiconductor laser chip is, for example, anti-resonant at the primary wavelength λ P. In particular, the primary wavelength λ P does not change by reducing the thickness. However, the optical losses in the semiconductor laser chip decrease because the intensity in the semiconductor laser chip is reduced and the transmission through the reflective first layer sequence is reduced due to the Fabry-Perot effect.
Ein Unterschied zwischen einem resonanten und einem anti-resonanten Halbleiterlaserchip liegt also in der effektiven Resonatorlänge L.A difference between a resonant and an anti-resonant semiconductor laser chip thus lies in the effective resonator length L.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird vor dem Schritt des Reduzierens der effektiven Resonatorlänge L die Funktion des Halbleiterlaserchips bei der Primärwellenlänge λP im resonanten Fall getestet. Ein resonant aufgebauter Halbleiterlaserchip kann, unabhängig von der Reflektivität der Lichtaustrittsfläche, eine Lasertätigkeit aufzeigen, insbesondere bei einer Lichtaustrittsfläche mit einer Reflektivität >30 % im Falle einer Grenzfläche Luft-Halbleitermaterial. Bei einem nicht- oder anti-resonant gestalteten Halbleiterlaserchip kann hierzu eine Lichtaustrittsfläche mit einer Reflektivität zwischen 2 % und 20 %, insbesondere zwischen 7 % und 13 %, erforderlich sein. Es ist also ein im Rahmen der Herstellung frühzeitiges Testen der Halbleiterlaserchips ermöglicht.According to at least one embodiment of the method, before the step of reducing the effective resonator length L, the function of the semiconductor laser chip is tested at the primary wavelength λ P in the resonant case. A resonantly constructed semiconductor laser chip can, regardless of the reflectivity of the light exit surface, show a laser action, in particular in the case of a light exit surface with a reflectivity> 30% in the case of an air-semiconductor material interface. In the case of a non-resonant or anti-resonant semiconductor laser chip, a light exit surface with a reflectivity of between 2% and 20%, in particular between 7% and 13%, may be required for this purpose. So it's an im Frame of manufacture allows early testing of semiconductor laser chips.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt der Schritt des Reduzierens der effektiven Resonatorlänge L mit Hilfe mindestens einer Ätzstoppschicht. Das bedeutet, bevorzugt innerhalb des Schichtenstapels befindet sich an einer solchen Stelle eine Ätzstoppschicht, dass das Ätzen automatisch bei einer effektiven Resonatorlänge L beendet wird, die einem ungeradzahligen Vielfachen der viertelten Primärwellenlänge λP entspricht. Sämtliche aktiven Bereiche des Schichtenstapels befinden sich bevorzugt zwischen der Ätzstoppschicht und der reflektierenden ersten Schichtenfolge. Über die Verwendung einer Ätzstoppschicht kann die effektive Resonatorlänge L besonders einfach und genau reduziert werden.In accordance with at least one embodiment of the method, the step of reducing the effective resonator length L is carried out with the aid of at least one etching stop layer. That is, preferably within the layer stack, there is an etch stop layer at such a position that the etching is automatically terminated at an effective resonator length L corresponding to an odd-numbered multiple of the quarter-wavelength primary wavelength λ P. All active regions of the layer stack are preferably located between the etch stop layer and the reflective first layer sequence. By using an etch stop layer, the effective resonator length L can be reduced particularly easily and accurately.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Schritt des Reduzierens der effektiven Resonatorlänge L über ein nasschemisches Ätzen durchgeführt.In accordance with at least one embodiment of the method, the step of reducing the effective resonator length L is carried out by wet-chemical etching.
Gemäß zumindest einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens kann der Halbleiterlaserchip ebenso direkt, beispielsweise über epitaktisches Wachsen, als nichtresonanter Chip hergestellt werden. Mit anderen Worten wird der Schichtenstapel also derart gewachsen, dass dessen Dicke so groß ist, dass eine effektive Resonatorlänge L resultiert, so dass der Halbleiterlaserchip nicht-resonant oder anti-resonant bezüglich der Primärwellenlänge λP ist. Hierdurch entfällt der Arbeitsschritt des Reduzierens der effektiven Resonatorlänge L. Jedoch ist ein Testen des Bauteils im Rahmen der Produktion erschwert.In accordance with at least one alternative embodiment of the method, the semiconductor laser chip can also be produced directly, for example by epitaxial growth, as a non-resonant chip. In other words, the layer stack is thus grown such that its thickness is so large that an effective resonator length L results, so that the semiconductor laser chip is non-resonant or anti-resonant with respect to the primary wavelength λ P. This eliminates the operation of reducing the effective resonator length L. However, testing of the component in production is difficult.
Einige Anwendungsbereiche, in denen hier beschriebene oberflächenemittierende Halbleiterlaserchips oder Laseranordnungen Anwendung finden können, sind beispielsweise Anzeigeeinrichtungen, Beleuchtungseinrichtungen zu Projektionszwecken, Scheinwerfer, Lichtstrahler oder auch Einrichtungen zur Allgemeinbeleuchtung.Some fields of application in which surface-emitting semiconductor laser chips or laser arrangements described here can be used are, for example, display devices, illumination devices for projection purposes, headlights, light emitters or else devices for general illumination.
Nachfolgend wird ein hier beschriebener oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip, eine hier beschriebene Laseranordnung sowie ein hier beschriebenes Verfahren unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In the following, a surface-emitting semiconductor laser chip described here, a laser arrangement described here and a method described here will be explained in more detail with reference to the drawing.
Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.The same reference numerals indicate the same elements in the individual figures. However, there are no scale relationships shown, but individual elements can be shown exaggerated for better understanding.
Es zeigen:
-
1 und2 schematische Darstellungen von resonanten Halbleiterlaserchips (A) sowie schematische Darstellungen des Verlaufs der optischen Intensität (B, C), -
3 eine schematische Darstellung einer nicht erfindungsgemäßen Abwandlung eines Halbleiterlaserchips (A) sowie eine schematische Darstellung des Intensitätsverlaufs (B), -
4 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines erfindungsgemäßen, hier beschriebenen Halbleiterlaserchips, -
5 und6 schematische Darstellungen des optischen Intensitätsverlaufs sowie des Brechungsindexverlaufs für resonante und hier beschriebene nicht-resonante Halbleiterlaserchips, -
7 eine schematische Illustration von Verlustmechanismen bezüglich der optischen Leistung eines Halbleiterlaserchips, -
8 eine schematische Darstellung eines Fabry-Perot-Effekts sowie der Verstärkung im resonanten (A, B) sowie im anti-resonanten Fall (C, D), -
9 eine schematische Darstellung einer durch eine thermische Linse hervorgerufenen Phasenstörung für drei verschiedene Wellenlängen (A) sowie Lage der Wellenlängen bezüglich der spektralen Position einer Resonanz eines zugrunde liegenden Halbleiterlaserchips (B), -
10 eine schematische Darstellung der Ausprägung einer thermischen Linse von Halbleiterlaserchips in Abhängigkeit von einer maximalen Temperatur in einer Pumpregion für vier verschiedene Reflektivitäten einer Lichtaustrittsfläche, -
11 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer hier beschriebenen Laseranordnung, -
12 schematische Darstellungen der Ausgangsleistung (A), der Emissionswellenlänge (B) und der optischen Verluste (C) eines Halbleiterlaserchips in Abhängigkeit von der Reflektivität der Lichtaustrittsfläche, -
13 schematische Darstellungen der Leistungsdaten eines Halbleiterlaserchips mit einem Etalon und mit einem externen Resonator, -
14 und 15 schematische Darstellungen eines Vergleichs zwischen einem resonanten und einem anti-resonanten Halbleiterlaserchip, und -
16 eine schematische Veranschaulichung eines Herstellungsverfahren für einen Halbleiterlaserchip.
-
1 and2 schematic representations of resonant semiconductor laser chips (A) and schematic representations of the course of the optical intensity (B, C), -
3 1 is a schematic representation of a non-inventive modification of a semiconductor laser chip (A) and a schematic representation of the intensity profile (B), -
4 a schematic representation of the structure of a semiconductor laser chip according to the invention described here, -
5 and6 schematic representations of the optical intensity profile and the refractive index profile for resonant and here described non-resonant semiconductor laser chips, -
7 a schematic illustration of loss mechanisms with respect to the optical power of a semiconductor laser chip, -
8th a schematic representation of a Fabry-Perot effect and the amplification in the resonant (A, B) and in the anti-resonant case (C, D), -
9 a schematic representation of a caused by a thermal lens phase disturbance for three different wavelengths (A) and position of the wavelengths with respect to the spectral position of a resonance of an underlying semiconductor laser chip (B), -
10 1 is a schematic representation of the characteristic of a thermal lens of semiconductor laser chips as a function of a maximum temperature in a pumping region for four different reflectivities of a light exit surface; -
11 a schematic representation of an embodiment of a laser arrangement described herein, -
12 schematic representations of the output power (A), the emission wavelength (B) and the optical losses (C) of a semiconductor laser chip as a function of the reflectivity of the light exit surface, -
13 schematic representations of the performance data of a semiconductor laser chip with an etalon and with an external resonator, -
14 and15 schematic representations of a comparison between a resonant and an anti-resonant semiconductor laser chip, and -
16 a schematic illustration of a manufacturing method for a semiconductor laser chip.
In
Der Halbleiterlaserchip
In
Beim Halbleiterlaserchip
Der Halbleiterlaserchip
In
Der Schichtenstapel
In
In
Eine erfindungsgemäße Ausführungsform des oberflächenemittierenden, nicht-resonanten Halbleiterlaserchips
Optional können die aktiven Bereiche
Der Halbleiterlaserchip
Die Barriereschichten
Alternativ können die Barriereschichten
Als zweite Schicht
In den
An der Lichtaustrittfläche
Gemäß
Gemäß
In den
Die in den
Auftretende optische Verluste und Verlustmechanismen sind in
Die Verluste aufgrund der Absorption im Schichtenstapel
Ein weiterer Verlustmechanismus, der auf dem Fabry-Perot-Effekt beruht und die transmittierte Lichtleistung PTrans betrifft, ist in
Eine entsprechende Darstellung im Falle eines anti-resonanten Halbleiterlaserchips
In
Im anti-resonanten Fall, wie in
Somit sind im anti-resonanten Fall sowohl die Verstärkung als auch die optischen Verluste reduziert. Reicht die verminderte Verstärkung im anti-resonanten Fall zum Betrieb des Halbleiterlaserchips
Aufgrund von Absorption der Primärstrahlung P im Schichtenstapel
Dies ist in
In
Die Ausprägung der thermischen Linse ist auch davon abhängig, wie stark die Lichtaustrittsfläche reflektierend wirkt für die Primärstrahlung P, wie in
Gemäß
Gemäß
Der wellenförmige Verlauf der Stärke der thermischen Linse folgt im Wesentlichen dem Intensitätsverlauf in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ im Halbleiterlaserchip
In
Gemäß
In
Optional kann der externe Resonator der Laseranordnung
In
Gemäß
In
In
Bei einer erfindungsgemäßen Reflektivität im Bereich von zirka 10 % ist also eine effiziente Abstimmung zwischen den optischen Verlusten und der optischen Intensität im Halbleiterlaserchip
Ist die Reflektivität der Lichtaustrittsfläche
Ist die effektive Resonatorlänge L beispielsweise 10,25 λP im anti-resonanten Fall, so könnte dies beispielsweise 10 λRes der resonanten Wellenlänge λRes entsprechen. Der Wellenlängenunterschied zwischen λP und λRes, wäre dann, bei einer Wellenlänge λP von zirka 1050 nm, lediglich etwa 30 nm. Mit anderen Worten liegt sowohl die anti-resonante Wellenlänge λP als auch die resonante Wellenlänge λRes im Verstärkungsbereich bezüglich der Lasertätigkeit. Das Springen von einer anti-resonanten zu einer resonanten Wellenlänge ist insbesondere dadurch begünstigt, dass die Verstärkung im resonanten Fall höher ist als im anti-resonanten Fall.If, for example, the effective resonator length L is 10.25 λ P in the anti-resonant case, this could correspond, for example, to 10 λ Res of the resonant wavelength λ Res . The wavelength difference between λ P and λ Res , would then, at a wavelength λ P of approximately 1050 nm, only about 30 nm. In other words, both the anti-resonant wavelength λ P and the resonant wavelength λ Res in the gain range with respect to laser activity. The jumping from an anti-resonant to a resonant wavelength is favored in particular by the fact that the amplification is higher in the resonant case than in the anti-resonant case.
Um ein solches Springen der Wellenlänge, bei der die Lasertätigkeit erfolgt, zu verhindern, kann, wie in
Die Wirkung eines wellenlängenselektiven Elements
In
Hierdurch werden, gezeigt in
In
In
Aufgrund der verringerten Intensität im Halbleiterlaserchip
In
In
Beim Verfahrensschritt gemäß
Gemäß
Claims (11)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102008038961.7A DE102008038961B9 (en) | 2008-08-13 | 2008-08-13 | A surface-emitting semiconductor laser chip, laser arrangement with a surface-emitting semiconductor laser chip and method for producing a surface-emitting semiconductor laser chip |
| PCT/DE2009/000861 WO2010017787A1 (en) | 2008-08-13 | 2009-06-17 | Optically pumped vcsel with a multiplicity of active areas for intensity reduction in the anti-resonant resonator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102008038961.7A DE102008038961B9 (en) | 2008-08-13 | 2008-08-13 | A surface-emitting semiconductor laser chip, laser arrangement with a surface-emitting semiconductor laser chip and method for producing a surface-emitting semiconductor laser chip |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE102008038961A1 DE102008038961A1 (en) | 2010-02-18 |
| DE102008038961B4 true DE102008038961B4 (en) | 2019-09-19 |
| DE102008038961B9 DE102008038961B9 (en) | 2019-12-05 |
Family
ID=41319496
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE102008038961.7A Expired - Fee Related DE102008038961B9 (en) | 2008-08-13 | 2008-08-13 | A surface-emitting semiconductor laser chip, laser arrangement with a surface-emitting semiconductor laser chip and method for producing a surface-emitting semiconductor laser chip |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE102008038961B9 (en) |
| WO (1) | WO2010017787A1 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2019217444A1 (en) | 2018-05-08 | 2019-11-14 | The Regents Of The University Of California | Air cavity dominant vcsels with a wide wavelength sweep |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10004398A1 (en) * | 2000-02-02 | 2001-08-16 | Infineon Technologies Ag | VCSEL with monolithically integrated photodetector |
| US20020071463A1 (en) | 2000-12-13 | 2002-06-13 | Arnaud Garnache | Surface-emitting semiconductor laser |
| WO2002047223A1 (en) | 2000-12-08 | 2002-06-13 | University Of Southampton | Optically pumped vertical cavity semiconductor laser device |
| US6741629B1 (en) | 2000-09-22 | 2004-05-25 | Blueleaf, Inc. | Optical transmitter having optically pumped vertical external cavity surface emitting laser |
| DE102004042146A1 (en) * | 2004-04-30 | 2006-01-26 | Osram Opto Semiconductors Gmbh | Optically pumped semiconductor device |
| DE102006010727A1 (en) * | 2005-12-05 | 2007-06-06 | Osram Opto Semiconductors Gmbh | Semiconductor device |
| DE102006010728A1 (en) * | 2005-12-05 | 2007-06-06 | Osram Opto Semiconductors Gmbh | Semiconductor component and laser device |
| DE102006002879A1 (en) * | 2006-01-20 | 2007-08-02 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Semiconductor arrangement for an optically pumped surface emitting semiconductor laser |
| WO2008028454A1 (en) | 2006-09-08 | 2008-03-13 | Osram Opto Semiconductors Gmbh | Etalon and opto-electronic semiconductor apparatus |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6556602B2 (en) * | 2000-12-05 | 2003-04-29 | The Boeing Company | Electron beam pumped semiconductor laser screen and associated fabrication method |
-
2008
- 2008-08-13 DE DE102008038961.7A patent/DE102008038961B9/en not_active Expired - Fee Related
-
2009
- 2009-06-17 WO PCT/DE2009/000861 patent/WO2010017787A1/en not_active Ceased
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10004398A1 (en) * | 2000-02-02 | 2001-08-16 | Infineon Technologies Ag | VCSEL with monolithically integrated photodetector |
| US6741629B1 (en) | 2000-09-22 | 2004-05-25 | Blueleaf, Inc. | Optical transmitter having optically pumped vertical external cavity surface emitting laser |
| WO2002047223A1 (en) | 2000-12-08 | 2002-06-13 | University Of Southampton | Optically pumped vertical cavity semiconductor laser device |
| US20020071463A1 (en) | 2000-12-13 | 2002-06-13 | Arnaud Garnache | Surface-emitting semiconductor laser |
| DE102004042146A1 (en) * | 2004-04-30 | 2006-01-26 | Osram Opto Semiconductors Gmbh | Optically pumped semiconductor device |
| DE102006010727A1 (en) * | 2005-12-05 | 2007-06-06 | Osram Opto Semiconductors Gmbh | Semiconductor device |
| DE102006010728A1 (en) * | 2005-12-05 | 2007-06-06 | Osram Opto Semiconductors Gmbh | Semiconductor component and laser device |
| DE102006002879A1 (en) * | 2006-01-20 | 2007-08-02 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Semiconductor arrangement for an optically pumped surface emitting semiconductor laser |
| WO2008028454A1 (en) | 2006-09-08 | 2008-03-13 | Osram Opto Semiconductors Gmbh | Etalon and opto-electronic semiconductor apparatus |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2010017787A1 (en) | 2010-02-18 |
| DE102008038961A1 (en) | 2010-02-18 |
| DE102008038961B9 (en) | 2019-12-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| DE102013204964B4 (en) | Optically pumped surface emitting lasers with high reflectivity reflector and limited bandwidth | |
| DE69610598T2 (en) | LONG-WAVE, SURFACE-EMITTING LASER WITH VERTICAL RESONATOR AND INTEGRATED, VERTICAL OPTICAL PUMP SOURCE | |
| EP1615306B1 (en) | Optically pumped, surface-emitting semiconductor laser and method for producing the same | |
| EP0442002B1 (en) | Radiation producing semiconductor device | |
| DE102004024611A1 (en) | Optically pumped semiconductor device uses vertical resonator having mirror layers and vertically emitting quantum well structure formed on mirror layers | |
| DE102013204644A1 (en) | SURFACE-EMITTING LASER WITH THIRD REFLECTOR | |
| DE102008030818A1 (en) | Surface-emitting semiconductor laser with several active zones | |
| DE102017130582A1 (en) | Semiconductor laser, laser assembly and method of making a semiconductor laser | |
| DE69901533T2 (en) | Surface-emitting laser with a vertical resonator and individual laser elements arranged on a common substrate | |
| EP2218153B1 (en) | Method for producing a radiation-emitting component and radiation-emitting component | |
| DE10260183A1 (en) | Vertically emitting optically pumped semiconductor laser with external resonator and semiconductor body with quantum trough structure as active zone with intertrough barriers | |
| EP1989765A2 (en) | Semiconductor laser device | |
| DE10243545A1 (en) | Optically pumped semiconducting laser device has radiation emitting zone at first temperature, vertical emitter's radiation emitting zone at second, higher temperature when pump laser operating | |
| EP2337168B1 (en) | Two-cavity surface-emitting laser | |
| DE102008038961B4 (en) | A surface-emitting semiconductor laser chip, laser arrangement with a surface-emitting semiconductor laser chip and method for producing a surface-emitting semiconductor laser chip | |
| DE102008048903B4 (en) | Optoelectronic component | |
| DE112021002126T5 (en) | VCSEL with increased wavelength dependence of drive current | |
| EP1796232A1 (en) | Vertically emitting, optically pumped semiconductor laser with external resonator | |
| EP2308142B1 (en) | Semiconductor laser having an optically non-linear crystal | |
| EP1605562A2 (en) | Optically pumped semiconductor vertical cavity laser | |
| DE102008038804A1 (en) | Surface emitting semiconductor laser chip and laser arrangement with a surface emitting semiconductor chip | |
| EP1633026B1 (en) | Semiconductor component with a curved mirror and fabrication method of a semiconductor component having a curved semiconductor body | |
| WO2021239407A1 (en) | Semiconductor laser with a horizontal laser element and a vertical laser element, lidar system and production method | |
| DE602005001810T2 (en) | Multi-wavelength laser system with external resonator | |
| DE102014205022B4 (en) | Optically pumped semiconductor disk laser |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OM8 | Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law | ||
| R012 | Request for examination validly filed | ||
| R016 | Response to examination communication | ||
| R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
| R020 | Patent grant now final | ||
| R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |