DE102022130568A1

DE102022130568A1 - Laservorrichtung und elektronische vorrichtung

Info

Publication number: DE102022130568A1
Application number: DE102022130568.6A
Authority: DE
Inventors: Farhang Ghasemi Afshar
Original assignee: Ams Osram International GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2022-11-18
Filing date: 2022-11-18
Publication date: 2024-05-23
Also published as: WO2024104978A1

Abstract

Eine Laservorrichtung (10) umfasst einen Whispering-Gallery-Mode Resonator (120), der ring- oder scheibenförmig ausgebildet ist, wobei eine Ring- oder Scheibenebene eine erste horizontale Ebene definiert, und ein laseraktives Material (124) aufweist, wobei mindestens eine optische Mode (122) in dem Whispering-Gallery-Mode Resonator (120) ausbildbar ist. Die Laservorrichtung (10) umfasst weiterhin ein optoelektronisches Halbleiterbauelement (130), wobei das optoelektronische Halbleiterbauelement (130) in vertikaler Richtung unter- oder oberhalb der ersten Ebene angeordnet ist und geeignet ist, elektromagnetische Strahlung (15) in eine Richtung, die eine vertikale Komponente aufweist, zu emittieren, wobei die elektromagnetische Strahlung (15) geeignet ist, das laseraktive Material (124) zu pumpen.

Description

Flüstergaleriemoden- oder Whispering-Gallery-Mode Resonatoren (WGM) aus einem laseraktiven Material können als effiziente mikrophotonische kohärente Lichtquellen dienen. Generell wird nach Konzepten gesucht, mit denen man eine Laservorrichtung mit einem Whispering-Gallery-Mode Resonator in praktisch handbarer Weise aufbauen kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Laservorrichtung bereitzustellen.
Gemäß Ausführungsformen wird die Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. Eine Laservorrichtung, umfasst einen Whispering-Gallery-Mode Resonator, der ring- oder scheibenförmig ausgebildet ist, wobei eine Ring- oder Scheibenebene eine erste horizontale Ebene definiert, und ein laseraktives Material aufweist, wobei mindestens eine optische Mode in dem Whispering-Gallery-Mode Resonator ausbildbar ist. Die Laservorrichtung umfasst weiterhin ein optoelektronisches Halbleiterbauelement, wobei das optoelektronische Halbleiterbauelement in vertikaler Richtung unter- oder oberhalb der ersten Ebene angeordnet ist und geeignet ist, elektromagnetische Strahlung in eine Richtung, die eine vertikale Komponente aufweist, zu emittieren, wobei die elektromagnetische Strahlung geeignet ist, das laseraktive Material zu pumpen.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann der Whispering-Gallery-Mode Resonator auch kugelförmig oder ellipsoidförmig ausgebildet ist. Dabei definiert eine Äquatorebene eine erste horizontale Ebene. Beispielsweise kann im Fall eines kugelförmigen Resonators eine Äquatorebene eine beliebige Ebene sein, die den Kugelmittelpunkt schneidet. Im Falle eines ellipsoidförmigen Resonators kann eine Äquatorebene eine Ebene mit größtmöglichem Umfang oder größtmöglicher Fläche sein, die jeweils den Mittelpunkt des Ellipsoids schneidet.
Beispielsweise kann das optoelektronische Halbleiterbauelement geeignet sein, die elektromagnetische Strahlung in eine Richtung zu emittieren, dass die elektromagnetische Strahlung mit der optischen Mode, beispielsweise einem vertikalen Querschnitt der optischen Mode überlappt.
Gemäß Ausführungsformen weist die Laservorrichtung eine Anordnung von optoelektronischen Halbleiterbauelementen auf, die in einer zweiten horizontalen Ebene angeordnet sind.
Die optoelektronischen Halbleiterbauelemente können ringförmig angeordnet sein.
Gemäß Ausführungsformen umfasst die Laservorrichtung ferner eine Steuereinrichtung, die geeignet ist, die einzelnen optoelektronischen Halbleiterbauelemente mit identischer Phase zu betreiben.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Steuereinrichtung geeignet sein, selektiv einzelne der optoelektronischen Halbleiterbauelemente zu betreiben.
Beispielsweise kann das optoelektronische Halbleiterbauelement einen oberflächenemittierender Halbleiterlaser mit vertikalem Resonator, VCSEL, umfassen.
Dabei kann eine Apertur des VCSEL derart bemessen sein, dass eine horizontale Ausdehnung der emittierten elektromagnetischen Strahlung im Whispering-Gallery-Mode Resonator kleiner als der vertikale Querschnitt der optischen Mode ist.
Gemäß weiteren Ausführungsformen umfasst das optoelektronische Halbleiterbauelement eine lichtemittierende Diode.
Die Laservorrichtung kann ferner eine Blockierschicht auf einer dem optoelektronischen Halbleiterbauelement zugewandten Seite des Whispering-Gallery-Mode Resonators umfassen.
Darüber hinaus kann die Laservorrichtung ein Prisma zum Auskoppeln von erzeugter Laserstrahlung enthalten.
Beispielsweise kann das Prisma einstückig mit dem Whispering-Gallery-Mode Resonator ausgebildet sein.
Gemäß Ausführungsformen kann die Laservorrichtung weiterhin eine Heizvorrichtung aufweisen, die an dem Whispering-Gallery-Mode Resonator angebracht ist und geeignet ist, eine Wellenlänge der erzeugten Laserstrahlung zu verändern.
Gemäß Ausführungsformen umfasst eine elektronische Vorrichtung die vorstehend beschriebene Laservorrichtung. Die elektronische Vorrichtung kann beispielsweise eine Spektroskopievorrichtung oder eine LIDAR-Vorrichtung sein.
Die begleitenden Zeichnungen dienen dem Verständnis von Ausführungsbeispielen der Erfindung. Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsbeispiele und dienen zusammen mit der Beschreibung deren Erläuterung. Weitere Ausführungsbeispiele und zahlreiche der beabsichtigten Vorteile ergeben sich unmittelbar aus der nachfolgenden Detailbeschreibung. Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente und Strukturen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander dargestellt. Gleiche Bezugszeichen verweisen auf gleiche oder einander entsprechende Elemente und Strukturen.

1A zeigt eine schematische Darstellung einer Laservorrichtung gemäß Ausführungsformen.
1B zeigt eine schematische Darstellung eines VCSEL („vertical cavity surface emitting laser“) als Komponente der Laservorrichtung.
1C zeigt eine schematische Darstellung einer LED („lichtemittierende Diode“) als Komponente der Laservorrichtung.
1D zeigt eine schematische Darstellung einer Laservorrichtung gemäß weiteren Ausführungsformen.
Die 2A und 2B veranschaulichen Beispiele von Whispering-Gallery-Mode Resonatoren.
3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Laservorrichtung gemäß Ausführungsformen.
Die 4A und 4B zeigen Komponenten einer Laservorrichtung.
4C zeigt ein Beispiel einer zusammengefügten Laservorrichtung gemäß Ausführungsformen.
5 zeigt eine weitere Ausgestaltung des Whispering-Gallery-Mode Resonators.
Die 6A und 6B zeigen Komponenten einer Laservorrichtung gemäß weiteren Ausführungsformen.
6C zeigt eine perspektivische Ansicht einer Laservorrichtung gemäß weiteren Ausführungsformen.
7 zeigt eine elektronische Vorrichtung gemäß Ausführungsformen.

In der folgenden Detailbeschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen zu Veranschaulichungszwecken spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind. In diesem Zusammenhang wird eine Richtungsterminologie wie „Oberseite“, „Boden“, „Vorderseite“, „Rückseite“, „über“, „auf“, „vor“, „hinter“, „vorne“, „hinten“ usw. auf die Ausrichtung der gerade beschriebenen Figuren bezogen. Da die Komponenten der Ausführungsbeispiele in unterschiedlichen Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie nur der Erläuterung und ist in keiner Weise einschränkend.
Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist nicht einschränkend, da auch andere Ausführungsbeispiele existieren und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne dass dabei vom durch die Patentansprüche definierten Bereich abgewichen wird. Insbesondere können Elemente von im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen mit Elementen von anderen der beschriebenen Ausführungsbeispiele kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt.
Die Begriffe „lateral“ und „horizontal“, wie in dieser Beschreibung verwendet, sollen eine Orientierung oder Ausrichtung beschreiben, die im Wesentlichen parallel zu einer ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft.
Dies kann beispielsweise die Oberfläche eines Wafers oder eines Chips (Die) sein.
Die horizontale Richtung kann beispielsweise in einer Ebene senkrecht zu einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten liegen.
Der Begriff „vertikal“, wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, soll eine Orientierung beschreiben, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Die vertikale Richtung kann beispielsweise einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten entsprechen.
Die Begriffe „Wafer“ oder „Halbleitersubstrat“, die in der folgenden Beschreibung verwendet sind, können jegliche auf Halbleiter beruhende Struktur umfassen, die eine Halbleiteroberfläche hat. Wafer und Struktur sind so zu verstehen, dass sie dotierte und undotierte Halbleiter, epitaktische Halbleiterschichten, gegebenenfalls getragen durch eine Basisunterlage, und weitere Halbleiterstrukturen einschließen. Beispielsweise kann eine Schicht aus einem ersten Halbleitermaterial auf einem Wachstumssubstrat aus einem zweiten Halbleitermaterial, beispielsweise einem GaAs-Substrat, einem GaN-Substrat oder einem Si-Substrat oder aus einem isolierenden Material, beispielsweise auf einem Saphirsubstrat, gewachsen sein.
Je nach Verwendungszweck kann der Halbleiter auf einem direkten oder einem indirekten Halbleitermaterial basieren. Beispiele für zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung besonders geeignete Halbleitermaterialien umfassen insbesondere Nitrid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise ultraviolettes, blaues oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaN, InGaN, AlN, AlGaN, AlGaInN, Al-GaInBN, Phosphid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise grünes oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaAsP, AlGaInP, GaP, AlGaP, sowie weitere Halbleitermaterialien wie GaAs, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, SiC, ZnSe, ZnO, Ga₂O₃, Diamant, hexagonales BN und Kombinationen der genannten Materialien. Das stöchiometrische Verhältnis der Verbindungshalbleitermaterialien kann variieren. Weitere Beispiele für Halbleitermaterialien können Silizium, Silizium-Germanium und Germanium umfassen. Im Kontext der vorliegenden Beschreibung schließt der Begriff „Halbleiter“ auch organische Halbleitermaterialien ein.
Der Begriff „Substrat“ umfasst generell isolierende, leitende oder Halbleitersubstrate.
1A zeigt eine Laservorrichtung 10 gemäß Ausführungsformen. Die Laservorrichtung 10 umfasst einen Whispering-Gallery-Mode Resonator 120, der ring- oder scheibenförmig ausgebildet ist. Dabei definiert eine Ring- oder Scheibenebene eine erste horizontale Ebene 126, beispielsweise die x-y-Ebene. Der Whispering-Gallery-Mode Resonator 120 weist ein laseraktives Material auf, wobei mindestens eine optische Mode mit einer Laserfrequenz in dem Whispering-Gallery-Mode Resonator ausbildbar ist. Die Laservorrichtung 10 weist ferner ein optoelektronisches Halbleiterbauelement 130 auf, das in vertikaler Richtung unter- oder oberhalb der ersten Ebene angeordnet ist. Das optoelektronische Halbleiterbauelement 130 ist geeignet, elektromagnetische Strahlung 15 in einer Richtung, die eine vertikale Komponente aufweist, zu emittieren, wobei die elektromagnetische Strahlung 15 geeignet ist, das laseraktive Material 124 zu pumpen.
Ein Whispering-Gallery-Mode Resonator, WGM, 120 ist beispielsweise aus einem laseraktiven Material aufgebaut. Beispiele für laseraktive Materialien umfassen generell jegliche Materialien, die als laseraktive Verstärkermaterialien wirken können. Beispiele für laseraktive Materialien umfassen u.a. Seltenerddotierte Oxide, beispielsweise Nd:YVO₄. Weitere Dotiermaterialien können andere seltene Erden sein. Beispielsweise können Pr³⁺, Tb³⁺, Dy³⁺, Tm³⁺ oder Ho³⁺ -Ionen als Dotiermaterialien verwendet werden. Generell können beliebige Wirtsmaterialien eingesetzt werden, beispielsweise Oxide oder auch Fluoride. Oxide umfassen beispielsweise YAG (Yttriumaluminiumgranat), YAP (Yttriumaluminiumperowskit), SRA (SrAl₁₂O₁₉), SLMA (Sr_0,8La_0,2MnAl₁₁O₁₉), LuAP (Lutetiumaluminiumperowaskit), LMA (Lanthanmagnesiumhexaaluminat), CAO (Calciumoxid). Fluoride umfassen beispielsweise YGF (Y_0,5Gd_0,5F₃), YLF (Yttriumlithiumfluorid) (LiYF₄), SrF (Strontiumfluorid), NGF (NaGdF₄), LLF (LiLuF₄), GLF (GdLiF₄), LaF (LaF₃), KYF (KY₃F₁₀), CaF (CaF₂), BYLF (B (Y_0,8Lu_0,2)F₈), BYF (BaY₂F₈) und andere.
Beispielsweise kann der Whispering-Gallery-Mode Resonator eine geometrische Abmessung haben, sodass die Resonanzbedingung für bestimmte Wellenlängen erfüllt ist, die von dem laseraktiven Material emittiert werden. Beispielsweise kann der Radius R entsprechend eingestellt werden, um eine entsprechende Resonatorlänge bereitzustellen. Weiterhin kann der Radius r eingestellt werden, damit sich die gewünschten Lasermoden ausbilden. Der Radius R kann größer als der Radius r sein. Beispielsweise können der Radius R und der Radius r kleiner als 1 mm sein. Beispielsweise können der Radius R und der Radius r größer als 10 µm sein.
1A zeigt weiterhin eine optische Mode 122, die in dem Whispering-Gallery-Mode Resonator 120 ausbildbar ist. Die optische Mode 122 kann beispielsweise, wie im linken unteren Teil veranschaulicht ist, eine Abmessung w_m in horizontaler Richtung haben, die einer radialen Bemessung entspricht. Weiterhin kann die optische Mode 122 eine Abmessung h_m in vertikaler Richtung haben, die einer polaren Abmessung entspricht. Beispielsweise kann die Abmessung h_m größer als die Abmessung w_m sein. Die Abmessung h_m kann beispielsweise kleiner als 100 µm sein. Die Abmessung w_m kann beispielsweise kleiner als 100 µm sein.
Beispielsweise ist das optoelektronische Halbleiterbauelement 130 geeignet, Licht mit einer relativ kurzen Wellenlänge, beispielsweise blaues Licht, zu emittieren. In diesem Fall können unter Verwendung des Whispering-Gallery-Mode Resonators 120 mit einem geeigneten laseraktiven Material und geeigneten Abmessungen des Resonators beliebige Wellenlängen der Laserstrahlung erzeugt werden.
1B zeigt einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser, beispielsweise einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser mit vertikalem Resonator, VCSEL, 132. Der VCSEL 132 umfasst eine erste Halbleiterschicht 101 von einem ersten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise p-leitend und eine zweite Halbleiterschicht 102 von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise n-leitend. Eine aktive Zone 103 zur Strahlungserzeugung ist zwischen der ersten und der zweiten Halbleiterschicht 101, 102 angeordnet. Die aktive Zone 103 kann beispielsweise einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfach-Quantentopf-Struktur (SQW, single quantum well) oder eine Mehrfach-Quantentopf-Struktur (MQW, multi quantum well) zur Strahlungserzeugung aufweisen. Die Bezeichnung „Quantentopf-Struktur“ entfaltet hierbei keine Bedeutung hinsichtlich der Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte sowie jede Kombination dieser Schichten.
Ein erster Resonatorspiegel 104 ist beispielsweise über der ersten Halbleiterschicht 101 angeordnet. Ein zweiter Resonatorspiegel 105 ist beispielsweise unter der zweiten Halbleiterschicht 102 angeordnet. Ein optischer Resonator bildet sich zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel 104, 105 aus. Eine Spannungsquelle 108 ist mit einem ersten Kontaktelement 111 verbunden. Das erste Kontaktelement 111 ist elektrisch mit der ersten Halbleiterschicht 101 verbunden. Ein zweites Kontaktelement 112 ist mit der Spannungsquelle 108 verbunden. Das zweite Kontaktelement 112 ist elektrisch mit der zweiten Halbleiterschicht 102 verbunden. Der VCSEL 132 weist ferner eine blockierende Schicht 109 auf. Eine Öffnung in der blockierenden Schicht 109 definiert eine Apertur 106 des VCSEL 132.
Wird eine geeignete elektrische Spannung zwischen der ersten und der zweiten Halbleiterschicht 101, 102 über die Spannungsquelle 108 angelegt, so rekombinieren Elektronen und Löcher im Bereich der aktiven Zone 103 und emittieren elektromagnetische Strahlung 15 in einer Richtung, die eine vertikale Komponente aufweist. Beispielsweise kann die elektromagnetische Strahlung 15 in eine vertikale Richtung, beispielsweise z-Richtung emittiert werden.
Das optoelektronische Halbleiterbauelement 130 ist beispielsweise derart positioniert, dass die elektromagnetische Strahlung 15 in einen Randbereich des WGM 120 emittiert wird. Genauer gesagt, wird die elektromagnetische Strahlung 15 beispielsweise derart emittiert, dass die elektromagnetische Strahlung 15 mit einem Querschnitt, beispielsweise einem vertikalen Querschnitt der optischen Mode 122 überlappt. Auf diese Weise wird die elektromagnetische Strahlung 15 auf den Bereich des WGM 120 eingestrahlt, so dass eine Kopplung der elektromagnetischen Strahlung 15 mit der optischen Mode 122 stattfindet. Beispielsweise kann eine horizontale Ausdehnung der emittierten elektromagnetischen Strahlung kleiner als der Querschnitt der optischen Mode 122, beispielsweise kleiner als die radiale Komponente w_m sein. Wird das optoelektronische Halbleiterbauelement 130 durch einen VCSEL 132 realisiert, so kann das durch Einstellen der Apertur 106 erfolgen.
Gemäß Ausführungsformen kann die emittierte elektromagnetische Strahlung auch durch Linsen oder andere optische Elemente geformt werden, sodass die horizontale Ausdehnung kleiner als der Querschnitt der optischen Mode 122 ist. Beispielsweise kann das optoelektronische Halbleiterbauelement 130 bei einem kleinen Abstand, beispielsweise kleiner als 5 mm zu dem Whispering-Gallery-Mode Resonator 120 angeordnet sein. Der Abstand kann auch geringer sein, beispielsweise kleiner als 2 mm oder kleiner als 1 mm oder kleiner als 0,5 mm. Insbesondere, wenn die von dem optoelektronischen Halbleiterbauelement 130 emittierte elektromagnetische Strahlung nicht kollimiert ist, ist der Abstand kleiner als 1 mm. Entsprechend kann gemäß Ausführungsformen auf eine Linse oder ein optisches Element verzichtet werden.
1C zeigt eine lichtemittierende Diode 134, die gemäß weiteren Ausführungsformen das optoelektronische Halbleiterbauelement 130 darstellen kann. Ähnlich wie der in 1B gezeigte VCSEL 132 weist die lichtemittierende Diode 134 eine erste Halbleiterschicht 101, eine zweite Halbleiterschicht 102 sowie eine aktive Zone 103 auf. Die Spannungsquelle 108 ist über ein erstes Kontaktelement 111 mit der ersten Halbleiterschicht 101 verbunden. Die zweite Halbleiterschicht 102 ist über das zweite Kontaktelement 112 mit der Spannungsquelle 108 verbunden.
Eine Linse 114 kann angeordnet sein, um die von der LED emittierte Pumpstrahlung auf den WGM 120, beispielsweise den Bereich, in dem die optische Mode 122 ausgebildet ist, zu lenken. Die Linse 114 kann beispielsweise geeignet sein, den Durchmesser der emittierten Pumpstrahlung 15 zu verringern, so dass der Durchmesser der emittierten Pumpstrahlung 15 auf dem WGM 120 ungefähr so groß wie oder kleiner als ein Querschnitt der optischen Mode 122 ist.
1D zeigt eine Laservorrichtung 10 gemäß weiteren Ausführungsformen. Die Laservorrichtung 10 umfasst einen Whispering-Gallery-Mode Resonator 120, der kugelförmig ausgebildet ist. Dabei definiert eine Äquatorebene eine erste horizontale Ebene 126, beispielsweise die x-y-Ebene. Die weiteren Komponenten der Laservorrichtung sind ähnlich oder identisch zu denen, die unter Bezugnahme auf 1A beschrieben worden sind. Beispielsweise weist die Laservorrichtung 10 eine Linse 114 ist, die geeignet ist, von der optoelektronischen Halbleitervorrichtung 130 emittierte elektromagnetische Strahlung 15 zu kollimieren.
2A zeigt im linken Teil eine perspektivische Ansicht eines ringförmig ausgebildeten Whispering-Gallery-Mode Resonators 120b. Im rechten Teil zeigt 2A eine Querschnittsansicht des ringförmig ausgebildeten Whispering-Gallery-Mode Resonators 120b. 2A zeigt weiterhin die Position einer optischen Mode 122. Weiterhin zeigt 2A jeweils die ausgestrahlte Laserstrahlung 20.
2B zeigt im linken Teil ein Beispiel eines scheibenförmig ausgebildeten Whispering-Gallery-Mode Resonators 120a. Der scheibenförmige ausgebildete Whispering-Gallery-Mode Resonator 120a kann beispielsweise vollständig aus laseraktivem Material 124 ausgebildet sein. Im rechten Teil zeigt 2B eine Querschnittsansicht des scheibenförmig ausgebildeten Whispering-Gallery-Mode Resonators 120a. 2B zeigt weiterhin erzeugte Laserstrahlung 20.
3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Laservorrichtung 10 gemäß Ausführungsformen. Ein Halbleiterchip, beispielsweise ein VCSEL-Chip 131, enthält eine Vielzahl von optoelektronischen Halbleiterbauelementen 130. Beispielsweise können die optoelektronischen Halbleiterbauelemente 130 jeweils als VCSELs 132 ausgeführt sein. Die optoelektronischen Halbleiterbauelemente 130 sind in einer zweiten horizontalen Ebene angeordnet, die von der ersten horizontalen Ebene, in der sich der Whispering-Gallery-Mode Resonator 120 befindet, in vertikaler Richtung beabstandet ist. Beispielsweise können die einzelnen optoelektronischen Halbleiterbauelemente 130 ringförmig angeordnet sein, wobei ein Radius des Ringes, in dem sie angeordnet sind, dem Radius der optischen Mode 122 entsprechen kann. Auf diese Weise kann bewirkt werden, dass die von den optoelektronischen Halbleiterbauelementen 130 emittierte elektromagnetische Strahlung jeweils mit der optischen Mode 122 überlappt. Wird eine Spannung an die einzelnen optoelektronischen Halbleiterbauelemente 130 angelegt, so wird jeweils Pumpstrahlung in Richtung des Whispering-Gallery-Mode Resonators 120 emittiert. Es bildet sich eine optische Mode 122 aus, die sich beispielsweise im Uhrzeigersinn in dem Whispering-Gallery-Mode Resonator 120 ausbreiten kann. Eine weitere optische Mode 122 kann sich entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn ausbreiten.
Laserstrahlung 20 kann über ein Prisma 138, das an die sich ausbildende optische Mode 122 angrenzt, angeordnet ist, ausgekoppelt werden. Beispielsweise kann die Laserstrahlung 20 in zwei gegenläufige Richtungen ausgekoppelt werden. Eine Steuereinrichtung 133 kann jeweils mit den optoelektronischen Halbleiterbauelementen 130, beispielsweise VCSELs 132 verbunden sein.
Beispielsweise können die optoelektronischen Halbleiterbauelemente als VCSELs 132 realisiert sein. Die Steuereinrichtung 133 kann bewirken, dass sämtliche VCSELs 132 in Phase emittieren.
Gemäß weiteren Ausführungsformen können die optoelektronischen Halbleiterbauelemente als VCSELs 132 oder als LEDs 134 realisiert sein. Die Steuereinrichtung 133 kann einzelne optoelektronische Halbleiterbauelemente 130 selektiv ein- oder ausschalten. Auf diese Weise ist die Ausgangsleistung der Laservorrichtung 10 einstellbar.
Die 4A bis 4C veranschaulichen Komponenten und den Aufbau einer Laservorrichtung gemäß weiteren Ausführungsformen, bei denen der Whispering-Gallery-Mode Resonator 120 direkt auf dem VCSEL-Chip 131 aufgebracht ist. Auf diese Weise können Resonator und Prisma als einstückiges Modul verwirklicht werden, wodurch Integration und Ausrichtungsschritte stark vereinfacht werden können.
4A zeigt den Whispering-Gallery-Mode Resonator 120, der auf einem transparenten Substrat 100 aufgebracht ist. Das transparente Substrat 100 ist derart strukturiert, dass ein Prisma 138 zur Auskopplung der Laserstrahlung angrenzt an den Whispering-Gallery-Mode Resonator 120 angeordnet ist. Weiterhin können Aussparungen zur Ausbildung von Kontaktbereichen vorgesehen sein. Der VCSEL-Chip 131 enthält eine Vielzahl von VCSEL oder optoelektronischen Halbleiterbauelementen 130, die entlang eines Rings angeordnet sein können. Der VCSEL-Chip 131 kann eine Aussparung zur Bereitstellung des ersten Kontaktbereichs 116 aufweisen. Weiterhin kann über dem VCSEL-Chip 131 eine leitfähige Beschichtung zur Ausbildung des zweiten Kontaktbereichs 117 ausgebildet sein.
4C zeigt nun eine perspektivische Ansicht einer Laservorrichtung 10, die sich durch Zusammenfügen der in den 4A und 4B gezeigten Komponenten ergeben kann. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung 133 mit dem ersten und dem zweiten Kontaktbereich 116, 117 verbunden sein, um eine phasengenaue Ansteuerung der einzelnen optoelektronischen Halbleiterbauelemente 130, beispielsweise VCSELs 132, zu erzielen. Der Whispering-Gallery-Mode Resonator 120 ist direkt über den VCSELs 132 aufgebracht, so dass die emittierte Pumpstrahlung effizient in den Resonator 120 eingekoppelt wird. Erzeugte Laserstrahlung 20 wird über das Prisma 138 ausgekoppelt.
5 zeigt ein Beispiel eines Whispering-Gallery-Mode Resonators 120, der beispielsweise eine Blockierschicht 136 auf der Seite, die den optoelektronischen Halbleiterbauelementen 130 zugewandt ist, aufweist. Beispielsweise kann die Blockierschicht 136 eine dichroitische Schicht sein. Beispielsweise kann die Blockierschicht 136 geeignet sein, elektromagnetische Strahlung einer ersten Wellenlänge (z.B. Pumplicht 15) durchzulassen und elektromagnetische Strahlung einer zweiten Wellenlänge (z.B. Laserstrahlung 20) zu reflektieren. Auf diese Weise kann der Anteil von Licht, das zurück in die optoelektronischen Halbleiterbauelemente 130 reflektiert wird, vermieden werden. Der Whispering-Gallery-Mode Resonator 120 mit der Blockierschicht 136 kann bei allen dargestellten Ausführungsformen verwendet werden.
Die 6A und 6B zeigen Komponenten einer Laservorrichtung gemäß weiteren Ausführungsformen. Der in 6A dargestellte Whispering-Gallery-Mode Resonator 120 ähnelt dem in 4A dargestellten. Abweichend hiervon ist eine Heizvorrichtung 140 an der Oberfläche angebracht. Durch Aufheizen des WGM Resonators 120 lässt sich der Brechungsindex des Materials und damit eine Emissionswellenlänge der erzeugten Laserstrahlung 20 einstellen. Der in 6B gezeigte VCSEL-Chip 131 kann beispielsweise identisch zu dem in 4B gezeigten sein.
6C zeigt eine perspektivische Ansicht der Laservorrichtung die nach Zusammenfügen der Komponenten. Die in 6C gezeigte Laservorrichtung 10 kann identisch zu der in 4C gezeigten sein mit der Änderung, dass eine Heizvorrichtung 140 an der Oberfläche des Whispering-Gallery-Mode Resonators 120 angeordnet ist.
Wie beschrieben worden ist, ist es mit der gezeigten Laservorrichtung möglich, eine kompakte und praktisch handhabbare Laservorrichtung 10 zur Verfügung zu stellen, bei der eine Wellenlänge der Laserstrahlung 20 präzise auf einen beliebigen Wert eingestellt werden kann.
Die Laservorrichtung ist weiterhin weniger kompliziert, weist ein geringes Gewicht auf und ist kosteneffizient. Auf diese Weise lässt sich eine sehr schmalbandige Laserquelle bereitstellen. Durch Hinzufügen der Heizvorrichtung 140 ist eine Emissionswellenlänge abstimmbar.
Die beschriebene Laservorrichtung lässt sich beispielsweise in spektroskopischen Anwendungen verwenden, da sie eine genau einstellbare schmalbandige Wellenlänge bereitstellt. Dadurch, dass der Bereich des Whispering-Gallery-Mode Resonators 120, in dem sich die optische Mode ausbildet, mit der Pumpstrahlung bestrahlt wird, wird ein unerwünschtes Aufheizen des Whispering-Gallery-Mode Resonators 120 vermieden und dadurch die Emissionswellenlänge stabilisiert. Wie beschrieben worden ist, kann bei der Laservorrichtung auch eine gewöhnliche lichtemittierende Diode 134 als Pumplichtquelle verwendet werden.
Bei Ausführungsformen, die eine Anordnung von optoelektronischen Halbleiterbauelementen 130 aufweist, ist es möglich, selektiv, nur einzelne der Halbleiterbauelemente 130 zu betreiben. Dadurch kann die Ausgangsleistung eingestellt werden.
7 zeigt eine elektronische Vorrichtung 30 gemäß Ausführungsformen. Die elektronische Vorrichtung 30 umfasst die beschriebene Laservorrichtung 10. Die elektronische Vorrichtung 30 kann beispielsweise eine Spektroskopievorrichtung sein. Da die Laservorrichtung 10 Laserstrahlung 20 mit einer präzise einstellbaren Wellenlänge emittiert, ist sie vorteilhaft in der Spektroskopievorrichtung einsetzbar. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die elektronische Vorrichtung 30 eine LIDAR-Vorrichtung, beispielsweise zur Anwendung bei kleineren Abständen, beispielsweise kleiner als 100 m sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die elektronische Vorrichtung 30 eine Vorrichtung sein, bei der präzise einstellbare Wellenlängen vorteilhaft sind.
Obwohl hierin spezifische Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben worden sind, werden Fachleute erkennen, dass die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen durch eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Ausgestaltungen ersetzt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Die Anmeldung soll jegliche Anpassungen oder Variationen der hierin diskutierten spezifischen Ausführungsformen abdecken. Daher wird die Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt.
BEZUGSZEICHENLISTE

10: Laservorrichtung
15: elektromagnetische Strahlung
20: Laserstrahlung
30: elektronische Vorrichtung
101: erste Halbleiterschicht
102: zweite Halbleiterschicht
103: aktive Zone
104: erster Resonatorspiegel
105: zweiter Resonatorspiegel
106: Apertur
108: Spannungsquelle
109: blockierende Schicht
111: erstes Kontaktelement
112: zweites Kontaktelement
114: Linse
116: erster Kontaktbereich
117: zweiter Kontaktbereich
120: Whispering-Gallery-Mode Resonator
120a: scheibenförmiger Resonator
120b: ringförmiger Resonator
122: optische Mode
124: laseraktives Material
126: erste horizontale Ebene
130: Optoelektronisches Halbleiterbauelement
131: VCSEL-Chip
132: VCSEL
133: Steuereinrichtung
134: Lichtemittierende Diode
136: Blockierschicht
138: Prisma
140: Heizvorrichtung

Claims

Laservorrichtung (10), umfassend: einen Whispering-Gallery-Mode Resonator (120), der ring-, oder scheibenförmig ausgebildet ist, wobei eine Ring- oder Scheibenebene eine erste horizontale Ebene definiert, und ein laseraktives Material (124) aufweist, wobei mindestens eine optische Mode (122) in dem Whispering-Gallery-Mode Resonator (120) ausbildbar ist, und ein optoelektronisches Halbleiterbauelement (130), wobei das optoelektronische Halbleiterbauelement (130) in vertikaler Richtung unter- oder oberhalb der ersten horizontalen Ebene angeordnet ist und geeignet ist, elektromagnetische Strahlung (15) in eine Richtung, die eine vertikale Komponente aufweist, zu emittieren, wobei die elektromagnetische Strahlung (15) geeignet ist, das laseraktive Material (124) zu pumpen.
Laservorrichtung (10), umfassend: einen Whispering-Gallery-Mode Resonator (120), der kugelförmig oder ellipsoidförmig ausgebildet ist, wobei eine Äquatorebene eine erste horizontale Ebene definiert, und ein laseraktives Material (124) aufweist, wobei mindestens eine optische Mode (122) in dem Whispering-Gallery-Mode Resonator (120) ausbildbar ist, und ein optoelektronisches Halbleiterbauelement (130), wobei das optoelektronische Halbleiterbauelement (130) in vertikaler Richtung unter- oder oberhalb der ersten horizontalen Ebene angeordnet ist und geeignet ist, elektromagnetische Strahlung (15) in eine Richtung, die eine vertikale Komponente aufweist, zu emittieren, wobei die elektromagnetische Strahlung (15) geeignet ist, das laseraktive Material (124) zu pumpen.
Laservorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das optoelektronische Halbleiterbauelement (130) geeignet ist, die elektromagnetische Strahlung (15) in eine Richtung zu emittieren, dass die elektromagnetische Strahlung (15) mit einem Querschnitt der optischen Mode (122) überlappt.
Laservorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Anordnung von optoelektronischen Halbleiterbauelementen (130) aufweist, die in einer zweiten horizontalen Ebene angeordnet sind.
Laservorrichtung (10) nach Anspruch 4, wobei die optoelektronischen Halbleiterbauelemente (130) ringförmig angeordnet sind.
Laservorrichtung (10) nach Anspruch 4 oder 5, ferner mit einer Steuereinrichtung (133), die geeignet ist, die einzelnen optoelektronischen Halbleiterbauelemente (130) mit identischer Phase zu betreiben.
Laservorrichtung (10) nach Anspruch 4 oder 5, ferner mit einer Steuereinrichtung (133), die geeignet ist, selektiv einzelne der optoelektronischen Halbleiterbauelemente (130) zu betreiben.
Laservorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optoelektronische Halbleiterbauelement (130) einen oberflächenemittierender Halbleiterlaser (132) mit vertikalem Resonator, VCSEL, umfasst.
Laservorrichtung (10) nach Anspruch 8, wobei eine Apertur (106) des VCSEL (132) derart bemessen ist, dass eine horizontale Ausdehnung der emittierten elektromagnetischen Strahlung im Whispering-Gallery-Mode Resonator (120) kleiner als der Querschnitt der optischen Mode (122) ist.
Laservorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das optoelektronische Halbleiterbauelement (130) eine lichtemittierende Diode (134) umfasst.
Laservorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer Blockierschicht (136) auf einer dem optoelektronischen Halbleiterbauelement (130) zugewandten Seite des Whispering-Gallery-Mode Resonators (120).
Laservorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einem Prisma (138) zum Auskoppeln von erzeugter Laserstrahlung (20).
Laservorrichtung (10) nach Anspruch 11, wobei das Prisma (138) einstückig mit dem Whispering-Gallery-Mode Resonator (120) ausgebildet ist.
Laservorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer Heizvorrichtung (140), die an dem Whispering-Gallery-Mode Resonator (120) angebracht ist und geeignet ist, eine Wellenlänge der erzeugten Laserstrahlung (20) zu verändern.
Elektronische Vorrichtung (30), welche die Laservorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
Elektronische Vorrichtung (30) nach Anspruch 15, die eine Spektroskopievorrichtung oder eine LIDAR-Vorrichtung ist.