DE102023135111A1

DE102023135111A1 - Laser amplifier system and laser array

Info

Publication number: DE102023135111A1
Application number: DE102023135111.7A
Authority: DE
Inventors: Philipp Hildenstein; Nils WERNER; David Feise; Gunnar Blume; Katrin Paschke
Original assignee: Ferdinand Braun Institut GgmbH Leibniz Institut fuer Hoechstfrequenztechnik
Current assignee: Ferdinand Braun Institut GgmbH Leibniz Institut fuer Hoechstfrequenztechnik
Priority date: 2023-12-14
Filing date: 2023-12-14
Publication date: 2025-06-18
Anticipated expiration: 2043-12-15
Also published as: DE102023135111B4; WO2025124867A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Laserverstärkersystem und eine Laseranordnung, insbesondere einen strahltechnisch steuerbares Laserverstärkersystem und eine das erfindungsgemäße Laserverstärkersystem umfassende Laseranordnung.
Ein erfindungsgemäßes Laserverstärkersystem umfasst einen Wellenleiterbereich (A) mit einem Wellenleiter (10) zur Führung von Laserstrahlung; einen Verstärkerbereich (B) mit einem Verstärker (20), wobei der Verstärkerbereich (B) derart ausgebildet ist, dass die Laserstrahlung aus einem ersten Ende (A1) des Wellenleiters (10) in eine Eingangsseite (B1) des Verstärkers (20) eingekoppelt wird; und einen Zwischenbereich (C) zwischen dem ersten Ende (A1) des Wellenleiters (10) und der Eingangsseite (B1) des Verstärkers (20), wobei der Zwischenbereich (C) zur Bereitstellung einer variablen thermischen Linse (30) für eine steuerbare Anpassung der in den Verstärker (20) überkoppelten Laserstrahlung ausgebildet ist. Eine erfindungsgemäße Laseranordnung umfasst ein erfindungsgemäßes Laserverstärkersystem und eine geeignete Laserstrahlungsquelle.

The present invention relates to a laser amplifier system and a laser arrangement, in particular a beam-controllable laser amplifier system and a laser arrangement comprising the laser amplifier system according to the invention.
A laser amplifier system according to the invention comprises a waveguide region (A) with a waveguide (10) for guiding laser radiation; an amplifier region (B) with an amplifier (20), wherein the amplifier region (B) is designed such that the laser radiation is coupled from a first end (A1) of the waveguide (10) into an input side (B1) of the amplifier (20); and an intermediate region (C) between the first end (A1) of the waveguide (10) and the input side (B1) of the amplifier (20), wherein the intermediate region (C) is designed to provide a variable thermal lens (30) for controllably adapting the laser radiation coupled into the amplifier (20). A laser arrangement according to the invention comprises a laser amplifier system according to the invention and a suitable laser radiation source.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Laserverstärkersystem und eine Laseranordnung, insbesondere ein strahltechnisch steuerbares Laserverstärkersystem und eine das erfindungsgemäße Laserverstärkersystem umfassende Laseranordnung.The present invention relates to a laser amplifier system and a laser arrangement, in particular a beam-controllable laser amplifier system and a laser arrangement comprising the laser amplifier system according to the invention.

Stand der TechnikState of the art

Laserverstärker werden zur Verstärkung einer darin eingekoppelten Laserstrahlung genutzt. Die Laserverstärker können dabei als einzelnes Element oder als integrierter Bestandteil eines Lasers ausgebildet sein. Insbesondere halbleitertechnologisch integrierte auffächernde Verstärker (eng. „tapered amplifier“), welche als einzelnes Element mit Halbleiterlasern kombiniert oder als Teil derselben in einem gemeinsamen Halbleitersystem ausgebildet sein können, sind eine häufig anzutreffende Ausführungsform von Laserverstärkern. Die Verstärker sind als aktive Gebiete ausgebildet, innerhalb derer die Energie einer einfallenden Laserstrahlung um ein Vielfaches erhöht werden kann. Fächerförmige Verstärker zeichnen sich dadurch aus, dass sich deren Breite in lateraler Richtung von einer schmalen Eingangsseite zu einer breiteren Ausgangsseite hin verbreitert, wobei die Verbreiterung über entsprechende Randfunktionen frei strukturiert werden kann. Eine im Stand der Technik übliche Ausführungsform sind Trapezverstärker mit einem trapezförmigen Randbereich. Der Begriff „Trapez“ wird dabei jedoch teilweise in breiter Auslegung verstanden, so dass auch auffächernde Verstärker mit einer von einer geometrischen Trapezstrukturen abweichenden Verbreiterung (bzw. ganz allgemein Verstärker mit einem veränderlichen lateralen Querschnitt) mit umfasst sein können. Obwohl die vorliegende Offenbarung sich insbesondere auf auffächernde Verstärker bzw. Trapezverstärker bezieht, ist diese ausdrücklich nicht auf solche Verstärkertypen beschränkt.Laser amplifiers are used to amplify laser radiation coupled into them. The laser amplifiers can be designed as a single element or as an integrated component of a laser. In particular, tapered amplifiers integrated using semiconductor technology, which can be combined with semiconductor lasers as a single element or as part of them in a common semiconductor system, are a frequently encountered embodiment of laser amplifiers. The amplifiers are designed as active regions within which the energy of an incident laser radiation can be increased many times over. Fan-shaped amplifiers are characterized by their width widening in the lateral direction from a narrow input side to a wider output side, whereby the widening can be freely structured using corresponding edge functions. A common embodiment in the prior art is the trapezoidal amplifier with a trapezoidal edge region. However, the term "trapezoid" is sometimes interpreted broadly, so that it can also encompass fan-out amplifiers with a widening that deviates from a geometric trapezoidal structure (or, more generally, amplifiers with a variable lateral cross-section). Although the present disclosure relates in particular to fan-out amplifiers or trapezoidal amplifiers, it is expressly not limited to such amplifier types.

Die besagten Trapezverstärker werden beispielsweise als Verstärker in Trapezlasern eingesetzt. Die Verwendung solcher Verstärker ist jedoch anspruchsvoll, da dessen räumlich-optische Eigenschaften (insbesondere die Position der lateralen Strahltaille) direkt vom eingestellten Arbeitspunkt abhängen (siehe z. B. Fiebig, C. et al., 12W high-brightness single-frequency DBR tapered diode laser, Electron. Lett. 44, 1253-1255 (2008 )). Der Arbeitspunkt wird dabei über den eingestellten elektrischen Stromfluss durch den Verstärker definiert. Für unterschiedlich festgelegte Arbeitspunkte müssen die verwendeten Linsen zur Aufbereitung der Strahlung dann jeweils neu positioniert werden, was je nach Anwendung einen erheblichen Arbeitsaufwand darstellen kann. Bei einer Verwendung dieser Laser in Mikromodulen ist dies aufgrund der dort typischerweise fest verklebten Linsen im Allgemeinen auch überhaupt nicht möglich. Dieser Nachteil von bekannten Trapezlasern wird bisher durch einen genau festgelegten Arbeitspunkt umgangen. Damit ist die emittierte Ausgangsleistung im Betrieb jedoch ebenfalls weitgehend festgelegt und kann nicht sinnvoll verändert werden.These tapered amplifiers are used, for example, as amplifiers in tapered lasers. However, the use of such amplifiers is challenging because their spatial-optical properties (especially the position of the lateral beam waist) depend directly on the set operating point (see, for example, Fiebig, C. et al., 12W high-brightness single-frequency DBR tapered diode laser, Electron. Lett. 44, 1253-1255 (2008 )). The operating point is defined by the set electrical current flow through the amplifier. For differently defined operating points, the lenses used to process the radiation must then be repositioned each time, which can represent a considerable amount of work depending on the application. When these lasers are used in micromodules, this is generally not possible at all because the lenses are typically permanently glued in place. This disadvantage of known tapered lasers has so far been overcome by a precisely defined operating point. However, this also means that the emitted output power is largely fixed during operation and cannot be meaningfully changed.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Laserverstärkersystem und eine Laseranordnung bereitzustellen, mit denen die Nachteile des Standes der Technik überwunden oder zumindest deutlich verringert werden können und bei denen die räumlich-optischen Eigenschaften nicht mehr vom Arbeitspunkt abhängen. Insbesondere sollen hierzu ein strahltechnisch optimiertes Laserverstärkersystem und eine das erfindungsgemäße Laserverstärkersystem umfassende Laseranordnung bereitgestellt werden.It is therefore an object of the present invention to provide a laser amplifier system and a laser arrangement with which the disadvantages of the prior art can be overcome or at least significantly reduced and in which the spatial-optical properties no longer depend on the operating point. In particular, a beam-optimized laser amplifier system and a laser arrangement comprising the laser amplifier system according to the invention are to be provided for this purpose.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1 und 10 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen enthalten. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und/oder Details aus den Figuren ergänzbar, wobei weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.These objects are achieved according to the invention by the features of independent claims 1 and 10. Advantageous embodiments of the invention are contained in the dependent claims. The features listed individually in the claims can be combined with one another in a technologically expedient manner and can be supplemented by explanatory facts from the description and/or details from the figures, whereby further advantageous embodiments of the invention are demonstrated.

Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Laserverstärkersystem umfassend einen Wellenleiterbereich mit einem Wellenleiter zur Führung von Laserstrahlung; einen Verstärkerbereich mit einem Verstärker, wobei der Verstärkerbereich derart ausgebildet ist, dass die Laserstrahlung aus einem ersten Ende des Wellenleiters in eine Eingangsseite des Verstärkers eingekoppelt wird; und einen Zwischenbereich zwischen dem ersten Ende des Wellenleiters und der Eingangsseite des Verstärkers, wobei der Zwischenbereich zur Bereitstellung einer variablen thermischen Linse für eine steuerbare Anpassung der in den Verstärker überkoppelten Laserstrahlung ausgebildet ist.A first aspect of the present invention relates to a laser amplifier system comprising a waveguide region with a waveguide for guiding laser radiation; an amplifier region with an amplifier, wherein the amplifier region is designed such that the laser radiation is coupled from a first end of the waveguide into an input side of the amplifier; and an intermediate region between the first end of the waveguide and the input side of the amplifier, wherein the intermediate region is designed to provide a variable thermal lens for controllably adapting the laser radiation coupled into the amplifier.

Unter einem Verstärker wird im Rahmen dieser Offenbarung jede Form eines aktiven Bereichs zur Laserverstärkung verstanden. Es kann sich dabei insbesondere um einen allgemeinen auffächernden Verstärker und im Speziellen um einen („echten“) Trapezverstärker mit einem trapezförmig ausgebildeten Randbereich handeln. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf Trapezverstärker eingeschränkt und kann mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Verstärkertypen genutzt werden.For the purposes of this disclosure, an amplifier is understood to mean any form of active region for laser amplification. This can be, in particular, a general fan-out amplifier and, more specifically, a ("true") trapezoidal amplifier with a trapezoidal edge region. However, the present invention is not limited to trapezoidal amplifiers and can be used with a variety of different amplifier types.

Wellenleiter und zugehörige Wellenleiterbereiche sind im Stand der Technik hinreichend bekannt und werden in vielfältiger Weise zur Wellenführung (Strahlungsleitung) eingesetzt. Dabei können die Wellenleiter als Strukturen mit (aktiv) und ohne (passiv) eine Verstärkungswirkung für die geführten Wellen ausgebildet sein. Auch sich daran anschließende Verstärker zur Verstärkung der im Wellenleiter geführten Wellen sind dem Fachmann (z. B. vom Trapezlaser) hinreichend bekannt. Zu Einzelheiten wird auf die entsprechende Fachliteratur verwiesen.Waveguides and associated waveguide regions are well known in the art and are used in a variety of ways for waveguiding (radiation guidance). The waveguides can be designed as structures with (active) or without (passive) amplification of the guided waves. Adjacent amplifiers for amplifying the waves guided in the waveguide are also well known to those skilled in the art (e.g., from the tapered laser). For details, please refer to the relevant specialist literature.

Ein erfindungsgemäßes Laserverstärkersystem umfasst darüber hinaus einen Zwischenbereich zwischen dem ersten Ende des Wellenleiters und der Eingangsseite des Verstärkers, wobei der Zwischenbereich zur Bereitstellung einer variablen thermischen Linse für eine steuerbare Anpassung der in den Verstärker überkoppelten Laserstrahlung ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass nach dem Auskoppeln einer geführten Strahlung aus dem Wellenleiter und vor dem Einkoppeln der Laserstrahlung in den Verstärkerbereich diese durch den Zwischenbereich transmittiert werden muss und dabei die Ausbreitung durch eine im Zwischenbereich ausbildbare thermische Linse beeinflusst werden kann. Die Ausbildung und Wirkung thermischer Linsen ist ebenfalls im Stand der Technik hinreichend bekannt und physikalisch vollständig verstanden.A laser amplifier system according to the invention further comprises an intermediate region between the first end of the waveguide and the input side of the amplifier, wherein the intermediate region is designed to provide a variable thermal lens for controllably adjusting the laser radiation coupled into the amplifier. This means that after guided radiation is coupled out of the waveguide and before the laser radiation is coupled into the amplifier region, it must be transmitted through the intermediate region, and the propagation can be influenced by a thermal lens that can be formed in the intermediate region. The design and effect of thermal lenses is also well known in the prior art and is fully understood in physical terms.

Die vorliegende Erfindung ist auf die Anwendung einer solchen thermischen Linse bei der Überkopplung einer Laserstrahlung aus einem Wellenleiter in einen Verstärker, und insbesondere in einen auffächernden Verstärker bzw. einen Trapezverstärker, gerichtet. Über eine an den Arbeitspunkt des Verstärkers angepasste Ausbildung einer thermischen Linse im Zwischenbereich lassen sich die räumlich-optischen Eigenschaften der Laserstrahlung steuerbar beeinflussen. Die erfindungsgemäße Aufgabe wird somit gerade dadurch gelöst, dass ein Zwischenbereich mit einer steuerbaren thermischen Linse bereitgestellt wird, über die eine Anpassung der räumlich-optischen Eigenschaften der Laserstrahlung an den jeweiligen Arbeitspunkt des Verstärkers vorgenommen werden kann.The present invention is directed to the application of such a thermal lens for coupling laser radiation from a waveguide into an amplifier, and in particular into a fan-out amplifier or a trapezoidal amplifier. By designing a thermal lens in the intermediate region that is adapted to the operating point of the amplifier, the spatial-optical properties of the laser radiation can be controllably influenced. The object of the invention is thus achieved precisely by providing an intermediate region with a controllable thermal lens, via which the spatial-optical properties of the laser radiation can be adapted to the respective operating point of the amplifier.

Vorzugsweise umfasst ein erfindungsgemäßes Laserverstärkersystem weiterhin ein Substrat; und eine auf dem Substrat angeordnete Halbleiter-Schichtstruktur, wobei der Wellenleiter im Wellenleiterbereich als Rippenwellenleiter in der Halbleiter-Schichtstruktur ausgebildet ist, der Verstärkerbereich als aktives Gebiet mit einer aktiven Schicht innerhalb der Halbleiter-Schichtstruktur und einer aufliegenden metallischen Kontaktschicht ausgebildet ist, und der Zwischenbereich ein Mittel zur lokalen Erwärmung des Zwischenbereichs umfasst. Die aktive Schicht kann sich über die gesamte Halbleiter-Schichtstruktur erstrecken oder auf die aktiven Gebiete beschränkt ausgebildet sein. Der beschriebene Aufbau des Verstärkerbereichs entspricht dem üblichen Aufbau beispielsweise von Trapezverstärkern im Stand der Technik. Das Substrat kann nach dem Erzeugen der Halbleiter-Schichtstruktur auch entfernt werden und ist somit nicht erfindungswesentlich. A laser amplifier system according to the invention preferably further comprises a substrate; and a semiconductor layer structure arranged on the substrate, wherein the waveguide in the waveguide region is formed as a ridge waveguide in the semiconductor layer structure, the amplifier region is formed as an active region with an active layer within the semiconductor layer structure and an overlying metallic contact layer, and the intermediate region comprises a means for locally heating the intermediate region. The active layer can extend over the entire semiconductor layer structure or be limited to the active regions. The described structure of the amplifier region corresponds to the usual structure, for example, of trapezoidal amplifiers in the prior art. The substrate can also be removed after the semiconductor layer structure has been produced and is therefore not essential to the invention.

Zur Ausbildung der thermischen Linse im Zwischenbereich ist ein Mittel zur lokalen Erwärmung des Zwischenbereichs vorgesehen. Durch eine lokale Erwärmung der Halbleiter-Schichtstruktur kommt es über den thermo-optischen Effekt zu einer Änderung der Brechzahl in diesem Bereich, wodurch über den Gradient des sich einstellenden Wärmestroms unmittelbar der räumliche Brechzahlverlauf der sich dabei ausbildenden thermischen Linse bestimmt wird. Durch eine gezielte Ausbildung des Mittels zur lokalen Erwärmung und eine entsprechende Ansteuerung (siehe Wärmetechnik, engl. „thermal engineering“) kann somit die genaue Form der thermischen Linse festgelegt bzw. variiert werden.To form the thermal lens in the intermediate region, a means for locally heating the intermediate region is provided. Local heating of the semiconductor layer structure causes a change in the refractive index in this region via the thermo-optical effect. This directly determines the spatial refractive index profile of the resulting thermal lens via the gradient of the resulting heat flow. Through targeted design of the means for local heating and appropriate control (see thermal engineering), the precise shape of the thermal lens can be defined or varied.

Vorzugsweise erfolgt die Bereitstellung der variablen thermischen Linse über eine optische Erwärmung des Zwischenbereichs. Insbesondere kann die Erwärmung durch eine lokale Einwirkung von Laserstrahlung mit einem definierten Stahlprofil bei festgelegter Leistung erfolgen. Das verwendete Strahlprofil und/oder die Leistung können zur Anpassung der variablen thermischen Linse veränderbar sein. Bevorzugt sind die Spektren der zur Erwärmung des Zwischenbereichs verwendeten Laserstrahlung und des im Verstärker zu verstärkende Laserlichts einander separiert und im Wesentlichen nicht überschneidend.The variable thermal lens is preferably provided by optical heating of the intermediate region. In particular, the heating can be achieved by local exposure to laser radiation with a defined beam profile at a fixed power. The beam profile and/or power used can be variable to adapt the variable thermal lens. Preferably, the spectra of the laser radiation used to heat the intermediate region and the laser light to be amplified in the amplifier are separate from each other and essentially non-overlapping.

Vorzugsweise erfolgt die Bereitstellung der variablen thermischen Linse über eine elektrische Erwärmung des Zwischenbereichs. Bei einer solchen Ausführungsform erfolgt ein definierter Eintrag thermischer Energie über einen Stromfluss im Zwischenbereich. Zur Anpassung der variablen thermischen Linse können hierbei der Strompfad und/oder die Stromstärke verändert werden. Der Strompfad kann dabei frei innerhalb des Zwischenbereichs festgelegt werden, insbesondere kann es sich auch um einen Strompfad im Inneren der Halbleiter-Schichtstruktur handeln.The variable thermal lens is preferably provided by electrically heating the intermediate region. In such an embodiment, a defined input of thermal energy occurs via a current flow in the intermediate region. To adapt the variable thermal lens, the current path and/or the current intensity can be changed. The current path can be freely defined within the intermediate region; in particular, it can also be a current path inside the semiconductor layer structure.

Vorzugsweise ist zur elektrischen Erwärmung des Zwischenbereichs ein ohmsches Widerstandselement auf den Zwischenbereich aufgebracht. Es handelt sich somit um einen Widerstandsheizer als Mittel zur lokalen Erwärmung des Zwischenbereichs. Widerstandsheizer sind im Bereich der Lasertechnik üblich und werden beispielweise zur Phasenanpassung von Wellenleiterstrecken durch thermische Längenveränderung oder zur Stabilisierung von spektralen Filterelementen verwendet. Durch eine gezielte Ausbildung des ohmschen Widerstandselements kann bei einer entsprechenden Ansteuerung mittels einer angelegten Spannung die genaue Form der thermischen Linse festgelegt bzw. variiert werden. Das ohmsche Widerstandselement kann beispielsweise mittels einer aufgebrachten Leiterstruktur auf den Zwischenbereich als ausgedehnten Flächenheizung ausgebildet sein.Preferably, an ohmic resistance element is applied to the intermediate region for electrical heating. This is thus a resistance heater as a means for local heating of the intermediate region. Resistance heaters are common in the field of laser technology and are used, for example, for phase adjustment of waveguide strands. It is used to shrink the lens by thermal length changes or to stabilize spectral filter elements. By specifically designing the ohmic resistance element, the precise shape of the thermal lens can be defined or varied with appropriate control via an applied voltage. The ohmic resistance element can, for example, be designed as an extended surface heater using a conductor structure applied to the intermediate area.

Vorzugsweise ist das ohmsche Widerstandselement als durchgehender Leiterstreifen mit endseitigen Kontakten ausgebildet. Es handelt sich somit um einen linearen Widerstandsheizer (auch als Linienheizelement bzw. Heizstreifen bezeichnet) mit dem ein streifenförmiger Wärmestromverlauf im Zwischenbereich bereitgestellt werden kann. Der durchgehende Leiterstreifen kann dabei geradlinig oder gekrümmt ausgebildet sein.Preferably, the ohmic resistance element is designed as a continuous conductor strip with contacts at its ends. It is thus a linear resistance heater (also referred to as a linear heating element or heating strip) with which a strip-shaped heat flow pattern can be provided in the intermediate region. The continuous conductor strip can be straight or curved.

Vorzugsweise weist der durchgehende Leiterstreifen einen zur Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung im Zwischenbereich passend ausgebildeten geradlinigen Erstreckungsabschnitt auf (gerades Linienheizelement). Ebenfalls bevorzugt ist, dass der durchgehende Leiterstreifen zumindest in einem Abschnitt entlang der Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung im Zwischenbereich meanderförmig ausgebildet ist oder dass der durchgehende Leiterstreifen einen Freiform-Verlauf aufweist. Bei einer meanderförmigen Ausbildung des durchgehenden Leiterstreifens kann dieser zur Erwärmung einer relativ großen Oberfläche des Zwischenbereichs genutzt werden. Eine einfache Verbreiterung eines linearen durchgehenden Leiterstreifens zur Erhöhung der Flächenabdeckung würde zu einer Verringerung des ohmschen Widerstands des Leiterstreifens und somit zu einem verringerten Wärmeeintrag bzw. höheren erforderlichen Betriebsspannungen zur Erreichung des notwendigen Heizstroms führen. Die Verwendung eines allgemeinen Freiform-Verlaufs ermöglicht neben einer hohen Flächenabdeckung auch eine besonders spezifische Ausgestaltung des Wärmeeintrags in die Halbleiter-Schichtstruktur und somit der sich einstellenden thermischen Linse.The continuous conductor strip preferably has a rectilinear extension section designed to match the propagation direction of the laser radiation in the intermediate region (straight line heating element). It is also preferred that the continuous conductor strip is designed to be meandering at least in a section along the propagation direction of the laser radiation in the intermediate region, or that the continuous conductor strip has a freeform profile. With a meandering profile of the continuous conductor strip, this can be used to heat a relatively large surface of the intermediate region. Simply widening a linear, continuous conductor strip to increase surface coverage would reduce the ohmic resistance of the conductor strip and thus lead to reduced heat input or higher required operating voltages to achieve the necessary heating current. The use of a general freeform profile enables not only high surface coverage but also a particularly specific design of the heat input into the semiconductor layer structure and thus the resulting thermal lens.

Vorzugsweise ist der Wellenleiter als passiver Wellenleiter oder zumindest in einem Abschnitt als aktiver Wellenleiter ausgebildet. Insbesondere kann der Wellenleiter auch als Wellenleiterlaser zur unmittelbaren Erzeugung und Bereitstellung der in den Verstärker einzukoppelnden Laserstrahlung ausgebildet sein. Ein als passiver Wellenleiter ausgebildeter Wellenleiter dient hingegen allein der Wellenleitung, so dass eine entsprechende Laserstrahlung extern bereitgestellt und entsprechend in den Wellenleiter eigekoppelt werden mussPreferably, the waveguide is designed as a passive waveguide or, at least in one section, as an active waveguide. In particular, the waveguide can also be designed as a waveguide laser for the direct generation and provision of the laser radiation to be coupled into the amplifier. A waveguide designed as a passive waveguide, on the other hand, serves solely for waveguiding, so that the corresponding laser radiation must be provided externally and coupled into the waveguide accordingly.

Vorzugsweise umfasst ein erfindungsgemäßes Laserverstärkersystem weiterhin ein Mittel zur Steuerung der variablen thermischen Linse. Bei dem Mittel zur Steuerung kann es sich insbesondere um eine Vorrichtung zur Steuerung eines Stromflusses, einer einzustrahlenden optischen Strahlung oder eine sonstige Vorrichtung zur Beeinflussung des Wärmeeintrags in den Zwischenbereich hinsichtlich beispielsweise der Form, Verteilung, Stärke und Variationsrichtung handeln. Das Mittel zur Steuerung kann daneben auch eine Logikschaltung zur Auswahl eines zum gewählten Arbeitspunkt des Verstärkers optimal abgestimmten Wärmeeintrags und damit einer optimalen thermischen Linse zur Korrektur entsprechender Abweichungen der räumlich-optischen Eigenschaften an externe Optiken oder Systeme umfassen.A laser amplifier system according to the invention preferably further comprises a means for controlling the variable thermal lens. The control means can, in particular, be a device for controlling a current flow, an irradiated optical radiation, or another device for influencing the heat input into the intermediate region with regard to, for example, the shape, distribution, intensity, and direction of variation. The control means can also comprise a logic circuit for selecting a heat input optimally matched to the selected operating point of the amplifier and thus an optimal thermal lens for correcting corresponding deviations in the spatial-optical properties of external optics or systems.

Ein erfindungsgemäßes Verstärkersystem kann bevorzugt bei Verstärkertypen mit einer entlang der optischen Achse lateral in der Breite variablen, insbesondere sich in Richtung Facette aufweitenden oder verbreiternden, Struktur eingesetzt werden.An amplifier system according to the invention can preferably be used in amplifier types with a structure that is laterally variable in width along the optical axis, in particular one that widens or widens in the direction of the facet.

Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Laseranordnung umfassend ein erfindungsgemäßes Laserverstärkersystem; und eine Laserstrahlungsquelle, wobei die von der Laserstrahlungsquelle emittierte Laserstrahlung zur Verstärkung im Laserverstärker in ein zweites Ende des Wellenleiters eingekoppelt wird. Eine erfindungsgemäße Laseranordnung besteht somit aus einer mittels des besagten Wellenleiters an den Verstärker (z. B. einen Trapezverstärker) angekoppelten Laserstrahlungsquelle.A second aspect of the present invention relates to a laser arrangement comprising a laser amplifier system according to the invention and a laser radiation source, wherein the laser radiation emitted by the laser radiation source is coupled into a second end of the waveguide for amplification in the laser amplifier. A laser arrangement according to the invention thus consists of a laser radiation source coupled to the amplifier (e.g., a tapered amplifier) by means of said waveguide.

Ein erfindungsgemäßes Laserverstärkersystem umfasst somit mindestens drei Bereiche, einen Wellenleiterbereich, einen Zwischenbereich sowie einen Verstärkerbereich mit veränderlichem lateralen Querschnitt (z. B. einen Trapezverstärkerbereich mit einem Trapezverstärker). Der Verstärker kann Teil eines vollständigen Lasers sein, in dem weitere technische Elemente (z. B. Bragg-Reflektoren oder Facettenbeschichtungen) integriert sind. Der erfindungsgemäße neuartige Zwischenbereich wird als Refraktionselement mit steuerbarer Brechkraft genutzt. Dieser Bereich wird bevorzugt monolithisch in das erfindungsgemäße Laserverstärkersystem integriert.A laser amplifier system according to the invention thus comprises at least three regions: a waveguide region, an intermediate region, and an amplifier region with a variable lateral cross-section (e.g., a trapezoidal amplifier region with a trapezoidal amplifier). The amplifier can be part of a complete laser in which additional technical elements (e.g., Bragg reflectors or facet coatings) are integrated. The novel intermediate region according to the invention is used as a refraction element with controllable refractive power. This region is preferably monolithically integrated into the laser amplifier system according to the invention.

Vorzugsweise kann in diesem Bereich ein metallischer Heizstreifen ausgebildet werden, welcher über metallische Leiterbahnen und Bondpads extern elektrisch kontaktierbar ist. Der Heizstreifen kann in einer bevorzugten Ausführungsform als einfacher gerader Metallstreifen ausgeführt sein. Der Heizstreifen selbst kann eine genau definierte Breite und Länge aufweisen. Zusätzlich sollte die Position des Heizstreifens auf dem Zwischenbereich, in Abhängigkeit von der Form des Verstärkers, exakt festgelegt sein. Mittels integrierter Schaltelementen können jedoch auch unterschiedliche Streifenlayouts adressiert werden. Der Heizstreifen kann elektrisch vom Verstärker isoliert sein und eigenständig über das Mittel zur Steuerung betrieben werden.Preferably, a metallic heating strip can be formed in this region, which can be electrically contacted externally via metallic conductor tracks and bond pads. In a preferred embodiment, the heating strip can be designed as a simple, straight metal strip. The heating strip itself can have a precisely defined width and length. In addition, the position of the heating strip on the intermediate region, in Depending on the shape of the amplifier, the heating strip must be precisely defined. However, different strip layouts can also be addressed using integrated switching elements. The heating strip can be electrically isolated from the amplifier and operated independently via the control device.

Der Heizstreifen sollte derart ausgebildet und angesteuert werden, dass ein zur bevorzugten longitudinalen Ausbreitungsrichtung der verstärkten Laserstrahlung laterales Temperaturgefälle erzeugt wird. Durch das laterale Temperaturgefälle kann vorteilhaft ein thermooptischer Linseneffekt auf die longitudinal im Zwischenbereich propagierende Laserstrahlung erzielt werden. Durch die longitudinale Ausdehnung des Heizelements kann die erreichbare Brechkraft der thermischen Linse vorgesteuert oder eingestellt werden. Die Richtung der elektrischen Durchströmung (longitudinal oder lateral) ist dabei für die Ausbildung der thermischen Linse an sich nicht wesentlich. Allerdings ist die longitudinale Richtung aufgrund einer potentiell größeren Wechselwirkungsstrecke bevorzugt.The heating strip should be designed and controlled in such a way that a temperature gradient is generated lateral to the preferred longitudinal propagation direction of the amplified laser radiation. This lateral temperature gradient can advantageously produce a thermo-optical lens effect on the laser radiation propagating longitudinally in the intermediate region. The longitudinal extension of the heating element can be used to pre-control or adjust the achievable refractive power of the thermal lens. The direction of the electrical flow (longitudinal or lateral) is not essential for the formation of the thermal lens. However, the longitudinal direction is preferred due to a potentially larger interaction distance.

Die Wirkung des Heizelementes kann durch die angelegte elektrische Spannung gesteuert werden. Die Wirkung des Heizelementes wird dabei bevorzugt derart eingestellt, dass die räumliche Charakteristik der Ausgangsstrahlung hinter dem Verstärker auch bei einem veränderten Arbeitspunkt möglichst unverändert bleibt. Dies bezieht sich insbesondere auf die longitudinale Position der lateralen Strahltaille. Bei einer unveränderlichen Kollimationsoptik im Strahlengang nach dem Verstärker kann somit für unterschiedliche Arbeitspunkte eine Gleichrichtung bzw. Kollimation der Strahlung erreicht werden.The effect of the heating element can be controlled by the applied electrical voltage. The effect of the heating element is preferably adjusted such that the spatial characteristics of the output radiation downstream of the amplifier remain as unchanged as possible, even with a changed operating point. This applies in particular to the longitudinal position of the lateral beam waist. With a fixed collimation optics in the beam path downstream of the amplifier, rectification or collimation of the radiation can be achieved for different operating points.

In einer beispielhaften Ausführungsform kann das erfindungsgemäße Verstärkersystem in einem III-V-Halbleitersystem (GaAs) realisiert werden. Auf einem n-dotierten GaAs-Substrat kann hierzu zunächst ein Schichtsystem aufgebaut werden, welches einerseits vertikale Wellenleitung ermöglicht und gleichzeitig eine darin geführte Laserstrahlung verstärken kann. Die aktive Zone (Zone in der Ladungsträger räumlich und energetisch gebunden werden) kann dabei als ein- oder mehrfacher Quantengraben (engl. „quantum well“) ausgeführt werden. Die Materialkomposition des Quantengrabens bestimmt die Emissionswellenlänge, wobei Wellenlängen von ca. 626 nm bis ca. 1180 nm mit unterschiedlichen Materialsysteme (z. B. GaInP) erzeugt werden können. Für eine Emissionswellenlängen von ca. 1120 nm kann InGaAs als optisch aktives Material verwendet werden. Für die angegebene Wellenlänge konnten bereits optische Leistungen von über 10 W aus einem erfindungsgemäßen Verstärkersystem demonstriert werden. Die erreichbare optische Leistung ist jedoch abhängig vom verwendeten Materialsystem und kann im genannten Wellenlängenbereich entsprechend variieren.In an exemplary embodiment, the amplifier system according to the invention can be implemented in a III-V semiconductor system (GaAs). For this purpose, a layer system can first be constructed on an n-doped GaAs substrate, which, on the one hand, enables vertical waveguiding and, at the same time, can amplify laser radiation guided therein. The active zone (zone in which charge carriers are spatially and energetically bound) can be designed as a single or multiple quantum well. The material composition of the quantum well determines the emission wavelength; wavelengths from approximately 626 nm to approximately 1180 nm can be generated using different material systems (e.g., GaInP). For an emission wavelength of approximately 1120 nm, InGaAs can be used as the optically active material. For the specified wavelength, optical powers of over 10 W have already been demonstrated from an amplifier system according to the invention. However, the achievable optical power depends on the material system used and can vary accordingly within the specified wavelength range.

Die vorliegende Erfindung nutzt eine lokale Änderung der Brechzahl zur Anpassung der räumlich-optischen Eigenschaften. Der Ort der gezielten Brechzahländerung beeinflusst die Effizienz des Verstärkersystems. Für eine günstige Positionierung und Ausführung des entsprechenden Mittels zur lokalen Erwärmung kann mit geringem Energieaufwand eine hohe optische Wirkung erzielt werden. Die Position eines Mittels zur lokalen Erwärmung im Zwischenbereich direkt vor einem Verstärkerbereich mit veränderlichem Querschnitt ermöglicht einen besonders hohen Wirkungsgrad der Erfindung. Mit einem möglichst geringem Wärmeeintrag kann somit an der genannten Position die Laserstrahlung besonders stark beeinflusst werden.The present invention utilizes a local change in the refractive index to adjust the spatial-optical properties. The location of the targeted change in the refractive index influences the efficiency of the amplifier system. By positioning and designing the appropriate means for local heating, a high optical effect can be achieved with low energy consumption. Positioning a means for local heating in the intermediate region directly in front of an amplifier region with a variable cross-section enables the invention to achieve a particularly high degree of efficiency. With the lowest possible heat input, the laser radiation can thus be particularly strongly influenced at the specified position.

Der Arbeitspunkt des Verstärkers kann dadurch während des Betriebs dynamisch angepasst werden, ohne die räumlichen Strahleigenschaften der emittierten Strahlung zu verändern. Damit lässt sich die optische Ausgangsleistung des Verstärkers variieren, ohne nachfolgende optische Bauelemente anpassen zu müssen. Dies stellt sowohl für makroskopische, als auch mikroskopische Aufbauten (insbesondere solche Aufbauten, bei denen die Platzierung von Optiken nicht mehr per Hand, sondern per Mikroversteller, z. B. mit einem Hexapod, erfolgen müssen) eine wesentliche Verbesserung gegenüber dem bisherigen Stand der Technik dar.The amplifier's operating point can thus be dynamically adjusted during operation without changing the spatial beam properties of the emitted radiation. This allows the amplifier's optical output power to be varied without having to adjust downstream optical components. This represents a significant improvement over the current state of the art for both macroscopic and microscopic setups (especially those setups where the optics must be positioned using a micro-adjuster, e.g., a hexapod).

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den in den jeweiligen Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further preferred embodiments of the invention result from the features mentioned in the respective subclaims.

Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.The various embodiments of the invention mentioned in this application can be advantageously combined with one another, unless stated otherwise in the individual case.

Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Es zeigen:

1 eine schematische isometrische Darstellung einer ersten beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Laserverstärkersystems;
2 eine schematische isometrische Darstellung einer zweiten beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Laserverstärkersystems;
3 eine schematische Querschnittdarstellung zur Ausbildung der thermischen Linse in einer Halbleiter-Schichtstruktur unterhalb eines auf den Zwischenbereich aufgebrachten durchgehenden Leiterstreifens eines erfindungsgemäßen ohmschen Widerstandselements; und
4 eine schematische Darstellung zur sich in 3 einstellenden Verteilung der Temperatur im Halbleitermaterial der Halbleiter-Schichtstruktur.

The invention and the technical environment are explained in more detail below with reference to the accompanying figures. It should be noted that the invention is not intended to be limited by the exemplary embodiments cited. In particular, unless explicitly stated otherwise, it is also possible to extract partial aspects of the facts explained in the figures and combine them with other components and findings from the present description. They show:

1 a schematic isometric representation of a first exemplary embodiment of a laser amplifier system according to the invention;
2 a schematic isometric representation of a second exemplary embodiment of a laser amplifier system according to the invention;
3 a schematic cross-sectional view of the formation of the thermal lens in a semiconductor layer structure below a continuous conductor strip applied to the intermediate region of an ohmic resistance element according to the invention; and
4 a schematic representation of the 3 adjusting the temperature distribution in the semiconductor material of the semiconductor layer structure.

Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings

1 zeigt eine schematische isometrische Darstellung einer ersten beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Laserverstärkersystems. Das gezeigte Laserverstärkersystem umfasst einen Wellenleiterbereich A mit einem Wellenleiter 10 zur Führung von Laserstrahlung; einen Verstärkerbereich B mit einem Verstärker 20, wobei der Verstärkerbereich B derart ausgebildet ist, dass die Laserstrahlung aus einem ersten Ende A1 des Wellenleiters 10 in eine Eingangsseite B1 des Verstärkers 20 eingekoppelt wird; und einen Zwischenbereich C zwischen dem ersten Ende A1 des Wellenleiters 10 und der Eingangsseite B1 des Verstärkers 20, wobei der Zwischenbereich C zur Bereitstellung einer variablen thermischen Linse 30 für eine steuerbare Anpassung der in den Verstärker 20 überkoppelten Laserstrahlung ausgebildet ist. Der Wellenleiter 10 kann dabei als passiver Wellenleiter oder zumindest in einem Abschnitt als aktiver Wellenleiter ausgebildet sein. Über das zweite Ende A2 des Wellenleiters 10 kann eine Laserstrahlung in den Wellenleiter 10 eingekoppelt werden. Nach der Verstärkung kann diese dann vorzugsweise an der Ausgangsseite B2 des Verstärkers 20 ausgekoppelt werden. 1 shows a schematic isometric representation of a first exemplary embodiment of a laser amplifier system according to the invention. The laser amplifier system shown comprises a waveguide region A with a waveguide 10 for guiding laser radiation; an amplifier region B with an amplifier 20, wherein the amplifier region B is designed such that the laser radiation is coupled from a first end A1 of the waveguide 10 into an input side B1 of the amplifier 20; and an intermediate region C between the first end A1 of the waveguide 10 and the input side B1 of the amplifier 20, wherein the intermediate region C is designed to provide a variable thermal lens 30 for controllably adjusting the laser radiation coupled into the amplifier 20. The waveguide 10 can be designed as a passive waveguide or, at least in one section, as an active waveguide. Laser radiation can be coupled into the waveguide 10 via the second end A2 of the waveguide 10. After amplification, this can then preferably be coupled out at the output side B2 of the amplifier 20.

Der Wellenleiter 10 ist im Wellenleiterbereich A als Rippenwellenleiter ausgebildet. Beim Verstärkerbereich B soll es sich um ein aktives Gebiet mit einer aufliegenden metallischen Kontaktschicht 60 handeln. Bei der Struktur im Zwischenbereich C handelt es sich um ein Mittel zur lokalen Erwärmung des Zwischenbereichs C. Die Bereitstellung der variablen thermischen Linse 30 kann hierbei insbesondere über eine elektrische Erwärmung des Zwischenbereichs C erfolgen. Dazu ist ein ohmsches Widerstandselement 32 als durchgehender Leiterstreifen 34 mit endseitigen Kontakten 36 auf den Zwischenbereich C aufgebracht. Der durchgehende Leiterstreifen 34 weist in der gezeigten Ausführungsform einen zur Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung im Zwischenbereich C passend ausgebildeten geradlinigen Erstreckungsabschnitt auf. Eine erfindungsgemäße variable Anpassung der thermischen Linse 30 an den jeweiligen Arbeitspunkt des Verstärkers 20 kann durch Anlegen einer veränderlichen Betriebsspannung U_HS über ein entsprechendes Mittel zur Steuerung der variablen thermischen Linse 30 erfolgen.The waveguide 10 is designed as a rib waveguide in the waveguide region A. The amplifier region B is intended to be an active region with a metallic contact layer 60 lying thereon. The structure in the intermediate region C is a means for locally heating the intermediate region C. The provision of the variable thermal lens 30 can be achieved in particular by electrically heating the intermediate region C. For this purpose, an ohmic resistance element 32 is applied to the intermediate region C as a continuous conductor strip 34 with end contacts 36. In the embodiment shown, the continuous conductor strip 34 has a rectilinear extension section designed to match the propagation direction of the laser radiation in the intermediate region C. A variable adaptation of the thermal lens 30 to the respective operating point of the amplifier 20 can be achieved according to the invention by applying a variable operating voltage U _HS via a corresponding means for controlling the variable thermal lens 30.

2 zeigt eine schematische isometrische Darstellung einer zweiten beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Laserverstärkersystems. Das gezeigte Laserverstärkersystem entspricht weitgehend dem in 1 gezeigten, daher gelten die Bezugszeichen und deren jeweilige Zuordnung zu einzelnen Merkmalen ebenfalls entsprechend. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform nach 1 ist der durchgehende Leiterstreifen 34 hierbei jedoch zumindest in einem Abschnitt entlang der Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung im Zwischenbereich C meanderförmig ausgebildet. Dadurch kann mit dem durchgehenden Leiterstreifen 34 eine größere Fläche erwärmt werden. Wie in der Darstellung gezeigt, kann der meanderförmige Leitertreifen mit einem veränderlichen lateralen Querschnitt, beispielsweise mit einer sich aufweitenden oder verbreiternden Struktur, ausgebildet sein. Bei der Entwicklung eines entsprechenden Layouts muss jedoch der darüber in das darunter liegende Halbleitermaterial abgegebene Wärmeeintrag und die Form der sich durch die Erwärmung ausbildenden thermischen Linse 30 berücksichtigt werden. 2 shows a schematic isometric view of a second exemplary embodiment of a laser amplifier system according to the invention. The laser amplifier system shown largely corresponds to the one shown in 1 shown, therefore the reference symbols and their respective assignment to individual features also apply accordingly. In contrast to the first embodiment according to 1 However, the continuous conductor strip 34 is designed to be meander-shaped, at least in one section along the propagation direction of the laser radiation in the intermediate region C. This allows a larger area to be heated with the continuous conductor strip 34. As shown in the illustration, the meander-shaped conductor strip can be designed with a variable lateral cross-section, for example with a widening or broadening structure. When developing a corresponding layout, however, the heat input dissipated above it into the underlying semiconductor material and the shape of the thermal lens 30 formed by the heating must be taken into account.

3 zeigt eine schematische Querschnittdarstellung zur Ausbildung der thermischen Linse 30 in einer Halbleiter-Schichtstruktur 50 unterhalb eines auf den Zwischenbereich C aufgebrachten durchgehenden Leiterstreifens 36 eines erfindungsgemäßen ohmschen Widerstandselements 32. Die Darstellung zeigt ein Substrat 40 und eine auf dem Substrat 40 angeordnete Halbleiter-Schichtstruktur 50, wobei im Zwischenbereich C der durchgehende Leiterstreifen 34 des besagten Mittels zur lokalen Erwärmung des Zwischenbereichs C aufgebracht ist. In der Halbleiter-Schichtstruktur 50 ist weiterhin eine inkludierte aktive Schicht 52 mit eingezeichnet, die im Zwischenbereich C jedoch keine unmittelbare Funktion haben muss. Das erfindungsgemäße Laserverstärkersystem kann wie gezeigt auf einen passenden Submout 70 befestigt werden. 3 shows a schematic cross-sectional view of the formation of the thermal lens 30 in a semiconductor layer structure 50 below a continuous conductor strip 36 of an ohmic resistance element 32 according to the invention, which is applied to the intermediate region C. The illustration shows a substrate 40 and a semiconductor layer structure 50 arranged on the substrate 40, wherein the continuous conductor strip 34 of the said means for locally heating the intermediate region C is applied in the intermediate region C. Furthermore, an included active layer 52 is shown in the semiconductor layer structure 50, which, however, does not necessarily have a direct function in the intermediate region C. The laser amplifier system according to the invention can be attached to a suitable submount 70 as shown.

Bei einem senkrecht zur gezeigten Darstellungsebene erfolgenden Stromfluss durch den durchgehenden Leiterstreifen 34 kommt es zu einer Erwärmung der darunter liegenden Bereiche der Halbleiter-Schichtstruktur 50, wobei sich beispielsweise ein durch die eingezeichneten Pfeile verdeutlichter Wärmestrom 38 einstellen kann. Die sich durch die lokale Erwärmung der Halbleiter-Schichtstruktur 50 einstellende thermische Linse 30 ist lediglich schematisch in etwa auf Höhe der aktive Schicht 52, d. h. in dem Bereich, in dem sich auch die Laserstrahlung ausbreitet, zusätzlich mit eingezeichnet. Der dadurch in der Halbleiter-Schichtstruktur 50 erzeugte Brechzahlgradient kann dann zur gesteuerten Anpassung der Ausbreitungseigenschaften der Laserstrahlung innerhalb eines erfindungsgemäßen Laserverstärkersystems verwendet werden.When a current flows perpendicular to the illustrated plane through the continuous conductor strip 34, the underlying regions of the semiconductor layer structure 50 are heated, whereby, for example, a heat flow 38 can occur, as indicated by the arrows. The thermal lens 30 formed by the local heating of the semiconductor layer structure 50 is shown only schematically at approximately the level of the active layer 52, i.e., in the region in which the laser radiation also propagates, is also shown. The refractive index gradient thus generated in the semiconductor layer structure 50 can then be used for the controlled adaptation of the propagation properties of the laser radiation within a laser amplifier system according to the invention.

4 zeigt eine schematische Darstellung zur sich in 3 einstellenden Verteilung der Temperatur im Halbleitermaterial der Halbleiter-Schichtstruktur 50. Entsprechend der Streifenbreite des durchgehenden Leiterstreifens 34 kommt es durch den sich einstellenden Wärmestrom 38 beispielsweise zu der gezeigten annähernd glockenförmigen Temperaturverteilung. Durch die lokale Erwärmung der Halbleiter-Schichtstruktur 50 wird über den thermo-optischen Effekt eine Änderung der Brechzahl in diesem Bereich induziert, wobei über den Gradient des sich einstellenden Wärmestroms 38 unmittelbar auch der räumliche Brechzahlverlauf der sich ausbildenden thermischen Linse 30 bestimmt ist. 4 shows a schematic representation of the 3 The resulting temperature distribution in the semiconductor material of the semiconductor layer structure 50. Depending on the strip width of the continuous conductor strip 34, the resulting heat flow 38, for example, results in the approximately bell-shaped temperature distribution shown. The local heating of the semiconductor layer structure 50 induces a change in the refractive index in this region via the thermo-optical effect, with the gradient of the resulting heat flow 38 also directly determining the spatial refractive index profile of the thermal lens 30 that forms.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1010: Wellenleiterwaveguide
2020: Verstärker (z. B. Trapezverstärker)Amplifier (e.g. trapezoidal amplifier)
3030: thermischen Linsethermal lens
3232: ohmsches Widerstandselementohmic resistance element
3434: durchgehender Leiterstreifencontinuous conductor strip
3636: KontakteContacts
3838: WärmestromHeat flow
4040: SubstratSubstrat
5050: Halbleiter-SchichtstrukturSemiconductor layer structure
5252: aktive Schichtactive layer
6060: metallische Kontaktschichtmetallic contact layer
7070: SubmountSubmount
AA: WellenleiterbereichWaveguide region
A1A1: erstes Ende (des Wellenleiters)first end (of the waveguide)
A2A2: zweites Ende (des Wellenleiters)second end (of the waveguide)
BB: VerstärkerbereichAmplifier range
B1B1: Eingangsseite (des Verstärkers)Input side (of the amplifier)
B2B2: Ausgangsseite (des Verstärkers)Output side (of the amplifier)
CC: ZwischenbereichIntermediate area

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES CONTAINED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Fiebig, C. et al., 12W high-brightness single-frequency DBR tapered diode laser, Electron. Lett. 44, 1253-1255 (2008 [0003]

Claims

A laser amplifier system comprising: a waveguide region (A) with a waveguide (10) for guiding laser radiation; an amplifier region (B) with an amplifier (20), wherein the amplifier region (B) is configured such that the laser radiation is coupled from a first end (A1) of the waveguide (10) into an input side (B1) of the amplifier (20); and an intermediate region (C) between the first end (A1) of the waveguide (10) and the input side (B1) of the amplifier (20), wherein the intermediate region (C) is configured to provide a variable thermal lens (30) for controllably adjusting the laser radiation coupled into the amplifier (20).

Laser amplifier system according to Claim 1 , further comprising: a substrate (40); and a semiconductor layer structure (50) arranged on the substrate (40), wherein the waveguide (10) in the waveguide region (A) is designed as a ridge waveguide in the semiconductor layer structure (50), the amplifier region (B) is designed as an active region with an active layer (52) within the semiconductor layer structure (50) and a metallic contact layer (60) lying thereon, and the intermediate region (C) comprises a means for locally heating the intermediate region (C).

Laser amplifier system according to Claim 1 or 2 , wherein the provision of the variable thermal lens (30) is effected by optical heating of the intermediate region (30).

Laser amplifier system according to Claim 1 or 2 , wherein the provision of the variable thermal lens (30) is effected by electrical heating of the intermediate region (C).

Laser amplifier system according to Claim 4 , wherein an ohmic resistance element (32) is applied to the intermediate region (C) for electrically heating the intermediate region (C).

Laser amplifier system according to Claim 5 , wherein the ohmic resistance element (32) is designed as a continuous conductor strip (34) with end contacts (36).

Laser amplifier system according to Claim 6 , wherein the continuous conductor strip has a straight extension section designed to match the propagation direction of the laser radiation in the intermediate region, the continuous conductor strip is designed to be meander-shaped at least in one section along the propagation direction of the laser radiation in the intermediate region (C), or the continuous conductor strip has a free-form course.

Laser amplifier system according to one of the preceding claims, wherein the waveguide (10) is designed as a passive waveguide or at least in one section as an active waveguide.

A laser amplifier system according to any one of the preceding claims, further comprising means for controlling the variable thermal lens (30).

A laser arrangement comprising: a laser amplifier system according to any one of the preceding claims; and a laser radiation source, wherein the laser radiation emitted by the laser radiation source is coupled into a second end of the waveguide (A2) for amplification in the laser amplifier.