DE102008017268A1 - Surface-emitting semiconductor laser with monolithically integrated pump laser - Google Patents
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Abstract
Es wird ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser mit einem Halbleiterkörper (10), der eine aktive Zone (1) mit einer Quantentopfstruktur aufweist, wobei die Quantentopfstruktur mehrere Quantentöpfe (2) enthält, die jeweils aus einer zwischen Barriereschichten (4) angeordneten Quantentopfschicht (3) gebildet sind, und einem monolithisch in den Halbleiterkörper (10) integrierten Pumplaser (6), der Pumpstrahlung zum optischen Pumpen der aktiven Zone (1) emittiert, angegeben. Dabei bildet die Pumpstrahlung ein Modenprofil (21) in dem Halbleiterkörper (10) aus und die Quantentöpfe (2) sind derart voneinander beabstandet, dass sie jeweils im Bereich eines Maximums (22) des Modenprofils (21) der Pumpstrahlung angeordnet sind.The invention relates to a surface emitting semiconductor laser comprising a semiconductor body (10) having an active zone (1) with a quantum well structure, the quantum well structure comprising a plurality of quantum wells (2) each formed of a quantum well layer (3) arranged between barrier layers (4) , and a pump laser (6) integrated monolithically into the semiconductor body (10) and emitting pump radiation for optically pumping the active zone (1). In this case, the pump radiation forms a mode profile (21) in the semiconductor body (10) and the quantum wells (2) are spaced apart such that they are each arranged in the region of a maximum (22) of the mode profile (21) of the pump radiation.
Description
Die Erfindung betrifft einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser, bei dem ein Pumplaser zum optischen Pumpen der aktiven Zone des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers monolithisch in den Halbleiterkörper integriert ist.The The invention relates to a surface-emitting semiconductor laser, in which a pump laser for optically pumping the active zone of the surface emitting semiconductor laser monolithic is integrated in the semiconductor body.
Oberflächenemittierende Halbleiterlaser werden auch als VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) oder in der Ausführung mit externem Resonator als VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser) bezeichnet. Derartige oberflächenemittierende Halbleiterlaser enthalten einen Vertikalemitterbereich, der in der Regel durch eine Quantentopfstruktur gebildet wird, wobei der Vertikalemitterbereich durch optisches Pumpen oder elektrisches Pumpen zur Emission von Laserstrahlung angeregt wird.A surface Semiconductor lasers are also referred to as VCSELs (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) or in the version with external resonator as VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser). Such surface emitting semiconductor lasers contain a vertical emitter region, typically through a quantum well structure is formed, wherein the vertical emitter region by optical Pumps or electric pumps for emitting laser radiation is stimulated.
Aus
den Druckschriften
Aus
den Druckschriften
Auch bei optisch gepumpten oberflächenemittierenden Halbleiterlasern mit monolithisch integrierter Pumpstrahlungsquelle wäre es wünschenswert, einen optimalen Überlapp zwischen dem Pumpstrahlungsfeld und den Quantentopfschichten des Vertikalemitters zu erzielen. Im Gegensatz zu den Ausführungsformen mit externer Pumpstrahlungsquelle kann bei oberflächenemittierenden Halbleiterlasern mit monolithisch integrierter Pumpstrahlungsquelle nicht durch einen rückseitigen Reflektor und eine Variation des Einfallswinkels der Pumpstrahlungsquelle ein Pumpresonator erzeugt werden, dessen Stehwellenfeld an die Anordnung der Quantentopfschichten in der Quantentopfstruktur des Vertikalemitters angepasst ist. Dies ist nicht möglich, weil die Emission der Pumpstrahlung unter einem festen Winkel von 90° zur Emissionsrichtung des Vertikalemitters erfolgt und somit insbesondere der Parameter des Einfallswinkels der Pumpstrahlung in den Halbleiterkörper nicht variiert werden kann. Somit ist die von oberflächenemittierenden Halbleiterlasern mit externen Pumpstrahlungsquellen bekannte Optimierung des Überlapps zwischen dem Pumpstrahlungsfeld und den Quantentopfschichten mittels eines vertikalen Pumpresonators nicht ohne Weiteres auf oberflächenemittierende Halbleiterlaser mit monolithisch integrierter Pumpstrahlungsquelle zu übertragen.Also in optically pumped surface emitting semiconductor lasers would be monolithically integrated pump radiation source It is desirable to have an optimal overlap between the pump radiation field and the quantum well layers of the vertical emitter to achieve. In contrast to the embodiments with External pump radiation source can be used in surface emitting semiconductor lasers with monolithic integrated pump radiation source not by a back reflector and a variation of the angle of incidence the pump radiation source, a pump resonator are generated, the Standing wave field to the arrangement of the quantum well layers in the Quantum well structure of the vertical emitter is adjusted. This is not possible because the emission of the pump radiation under a fixed angle of 90 ° to the emission direction of the vertical emitter takes place and thus in particular the parameter of the angle of incidence the pump radiation in the semiconductor body does not vary can be. Thus, that of surface emitting Semiconductor lasers with external pump radiation sources known optimization the overlap between the pump radiation field and the quantum well layers by means of a vertical pump resonator not readily on surface emitting Semiconductor laser with monolithically integrated pump radiation source transferred to.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser mit monolithisch integrierter Pumpstrahlungsquelle anzugeben, bei dem ein verbesserter Überlapp zwischen dem Pumpstrahlungsfeld und den Quantentopfschichten des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers erzielt wird.Of the Invention is based on the object, a surface-emitting Semiconductor laser with monolithically integrated pump radiation source indicate that there is an improved overlap between the Pump radiation field and the quantum well layers of the surface emitting Semiconductor laser is achieved.
Diese Aufgabe wird durch einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.These The object is achieved by a surface-emitting semiconductor laser solved with the features of claim 1. advantageous Embodiments and developments of the invention are the subject the dependent claims.
Ein erfindungsgemäßer oberflächenemittierender Halbleiterlaser enthält einen Halbleiterkörper, der eine aktive Zone mit einer Quantentopfstruktur aufweist, wobei die Quantentopfstruktur mehrere Quantentopfschichten enthält, die jeweils zwischen Barriereschichten angeordnet sind, und einen monolithisch in dem Halbleiterkörper integrierten Pumplaser, der Strahlung zum optischen Pumpen der aktiven Zone emittiert, wobei die Pumpstrahlung ein Modenprofil in dem Halbleiterkörper ausbildet und die Quantentopfschichten derart voneinander beabstandet sind, dass sie jeweils im Bereich eines Maximums des Modenprofils der Pumpstrahlung angeordnet sind.One Surface emitting according to the invention Semiconductor laser includes a semiconductor body, the an active zone having a quantum well structure, wherein the quantum well structure contains several quantum well layers, each between barrier layers are arranged, and a monolithic in the semiconductor body integrated pump laser, the radiation for optical pumping of the active Zone emitted, wherein the pump radiation is a mode profile in the semiconductor body forms and the quantum well layers so spaced apart are that they are each within the range of a maximum of the fashion profile the pump radiation are arranged.
Unter der Anordnung einer Quantentopfschicht im Bereich eines Maximums des Modenprofils der Pumpstrahlung ist im Rahmen der Anmeldung zu verstehen, dass die Pumpstrahlung am Ort der Quantentopfschicht mindestens 70% der Intensität des Maximums, vorzugsweise mindestens 90% der Intensität des Maximums aufweist.Under the arrangement of a quantum well layer in the region of a maximum the mode profile of the pump radiation is within the scope of the application Understand that the pump radiation is at the location of the quantum well layer at least 70% of the intensity of the maximum, preferably at least 90% of the intensity of the maximum.
Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass sich bei einer Emission der Pumpstrahlung senkrecht zur Emissionsrichtung der aktiven Zone des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers durch eine monolithisch in den Halbleiterkörper integrierte Pumpstrahlungsquelle ein Modenprofil der Pumpstrahlung ausbildet, das Maxima im Bereich der aktiven Zone des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers aufweist. Unter dem Modenprofil der Pumpstrahlung wird dabei der Intensitätsverlauf der in dem Halbleiterkörper ausbreitungsfähigen Pumpwellen verstanden.The Invention makes use of the knowledge that at one Emission of the pump radiation perpendicular to the emission direction of the active zone of the surface emitting semiconductor laser by a monolithically integrated in the semiconductor body pump radiation source forms a mode profile of the pump radiation, the maxima in the range of active zone of the surface emitting semiconductor laser having. Under the mode profile of the pump radiation is doing the Intensity curve in the semiconductor body spreadable pump waves understood.
Die Lage der Maxima des Modenprofils kann durch ein geeignetes Design des Schichtaufbaus des Halbleiterkörpers beeinflusst und insbesondere so gewählt werden, dass die Lage der Maxima mit den Positionen der Quantentöpfe der aktiven Zone des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers übereinstimmt. Dadurch wird eine hohe Pumpeffizienz und somit eine hohe Effizienz des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers erzielt.The Location of the maxima of the fashion profile may be due to a suitable design the layer structure of the semiconductor body influenced and in particular be chosen so that the position of the maxima with the positions of the quantum wells of the active zone of the surface emitting Semiconductor laser matches. This will be a high Pump efficiency and thus a high efficiency of the surface-emitting Achieved semiconductor laser.
Der Abstand der Maxima des sich in dem Halbleiterkörper ausbildenden Modenprofils der Pumpstrahlung hängt insbesondere von der Wellenlänge der Pumpstrahlung sowie von den Schichtdicken und Brechungsindizes der in dem Halbleiterkörper enthaltenen Halbleiterschichten ab. Eine Anordnung, bei der die Quantentöpfe jeweils in einem Maximum des Modenprofils der Pumpstrahlung angeordnet sind, kann durch eine Simulationsrechnung unter Variation dieser Parameter herausgefunden werden.Of the Distance of the maxima of forming in the semiconductor body Mode profile of the pump radiation depends in particular on the Wavelength of the pump radiation and of the layer thicknesses and refractive indices of those contained in the semiconductor body Semiconductor layers from. An arrangement in which the quantum wells each arranged in a maximum of the mode profile of the pump radiation are, by a simulation calculation under variation of this Parameters are found out.
Die Quantentöpfe werden jeweils aus einer Quantentopfschicht, die zwischen Barriereschichten angeordnet sind, gebildet, wobei die Barriereschichten eine größere elektronische Bandlücke aufweisen als die Quantentopfschichten. Bevorzugt sind die Quantentöpfe durch Abstandsschichten voneinander beabstandet. Die Dicke der Abstandsschichten ist dabei in Abhängigkeit von der Wellenlänge der Pumpstrahlung und den Schichtdicken und Brechungsindizes der Halbleiterschichten in dem Halbleiterkörper derart optimiert, dass die Quantentöpfe jeweils im Bereich eines Maximums des Modenprofils der Pumpstrahlung angeordnet sind. Der Abstand benachbarter Quantentöpfe ist also vorzugsweise gleich dem Abstand zweier Maxima des Modenprofils der Pumpstrahlung oder einem Vielfachen davon.The Quantum wells are each made up of a quantum well layer, formed between barrier layers are formed, wherein the barrier layers a larger electronic Have bandgaps than the quantum well layers. Prefers the quantum wells are spaced apart by spacer layers. The thickness of the spacer layers is dependent of the wavelength of the pump radiation and the layer thicknesses and refractive indices of the semiconductor layers in the semiconductor body optimized so that the quantum wells each in the area a maximum of the mode profile of the pump radiation are arranged. The distance between adjacent quantum wells is therefore preferably the same the distance between two maxima of the mode profile of the pump radiation or a multiple of it.
Vorteilhaft bildet die von der aktiven Zone des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers emittierte Laserstrahlung eine stehende Welle in dem Halbleiterkörper aus, wobei die Quantentöpfe derart angeordnet sind, dass sie jeweils im Bereich eines Maximums der stehenden Welle der Laserstrahlung angeordnet sind. Dies ist im Zweifel so zu verstehen, dass die Laserstrahlung des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers am Ort der jeweiligen Quantentopfschicht mindestens 70% der Intensität des Maximums, vorzugsweise mindestens 90% der Intensität des Maximums aufweist. Der Abstand benachbarter Quantentöpfe ist also vorzugsweise gleich dem Abstand zweier Maxima der stehenden Welle der Laserstrahlung oder einem Vielfachen davon. Dadurch, dass die Quantentöpfe jeweils in einem Maximum der stehenden Welle der Laserstrahlung angeordnet sind, wird die Laserstrahlung durch die Strahlungsemission der Quantentöpfe resonant verstärkt. Die aktive Zone des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers stellt somit eine RPG-Struktur (resonant periodic gain) dar.Advantageous forms that of the active zone of the surface emitting Laser laser emitted a standing wave in the semiconductor body, wherein the quantum wells are arranged such that they each in the range of a maximum the standing wave of the laser radiation are arranged. This is in doubt to understand that the laser radiation of the surface emitting Semiconductor laser at the location of the respective quantum well layer at least 70% of the intensity of the maximum, preferably at least 90% of the intensity of the maximum. The distance between adjacent quantum wells is therefore preferably equal to the distance between two maxima of the stationary Wave of laser radiation or a multiple of it. As a result of that the quantum wells each in a maximum of the standing Wave of the laser radiation are arranged, the laser radiation resonant due to the radiation emission of the quantum wells strengthened. The active zone of the surface-emitting Semiconductor laser thus provides a RPG structure (resonant periodic gain) represents.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Quantentöpfe in mehreren Gruppen angeordnet, wobei die Abstände der Quantentöpfe innerhalb der Gruppen geringer sind als die Abstände benachbarter Gruppen. Diese Ausführung beruht darauf, dass die Quantentöpfe in der Regel eine im Vergleich zur Periode des Modenprofils der Pumpstrahlung geringe Dicke aufweisen, sodass es möglich ist, mehrere Quantentöpfe im Bereich eines Maximums des Modenprofils der Pumpstrahlung anzuordnen.at In a preferred embodiment, the quantum wells are arranged in several groups, the distances of the Quantum wells within the groups are lower than those Distances of neighboring groups. This execution based on the fact that the quantum wells usually a low compared to the period of the mode profile of the pump radiation Thickness, so that it is possible to use several quantum wells to be arranged in the region of a maximum of the mode profile of the pump radiation.
Damit jede der Gruppen von Quantentöpfen im Bereich eines Maximums des Modenprofils der Pumpstrahlung angeordnet ist, ist der Abstand benachbarter Gruppen vorzugsweise gleich dem Abstand zweier Maxima des Modenprofils der Pumpstrahlung oder einem Vielfachen davon.In order to each of the groups of quantum wells in the range of a maximum the mode profile of the pump radiation is arranged, is the distance adjacent groups preferably equal to the distance between two maxima the mode profile of the pump radiation or a multiple thereof.
Vorteilhaft bildet die von der aktiven Zone des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers emittierte Laserstrahlung eine stehende Welle in dem Halbleiterkörper aus, wobei die Gruppen von Quantentöpfen derart angeordnet sind, dass sie jeweils im Bereich eines Maximums der stehenden Welle der Laserstrahlung des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers angeordnet sind. Dadurch, dass die Gruppen von Quantentöpfen jeweils in einem Maximum der stehenden Welle der Laserstrahlung angeordnet sind, wird die Laserstrahlung durch die Strahlungsemission der Quantentöpfe resonant verstärkt. Die aktive Zone des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers stellt somit eine RPG-Struktur (resonant periodic gain) dar.Advantageous forms that of the active zone of the surface emitting Laser laser emitted a standing wave in the semiconductor body, wherein the groups of quantum wells are arranged such that they each in the range of a maximum the standing wave of laser radiation of the surface emitting Semiconductor laser are arranged. Because of the groups of Quantum wells each in a maximum of the standing wave the laser radiation are arranged, the laser radiation is through the radiation emission of the quantum wells resonantly amplified. The active zone of the surface emitting semiconductor laser thus represents a RPG structure (resonant periodic gain).
Der Abstand benachbarter Gruppen von Quantentöpfen ist vorzugsweise gleich dem Abstand zweier Maxima der stehenden Welle der Laserstrahlung oder einem Vielfachen davon. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Gruppen von Quantentöpfen nicht nur in den Maxima der Pumpstrahlung angeordnet sind, sondern auch in den Maxima der stehenden Welle der Laserstrahlung.The spacing of adjacent groups of quantum wells is preferably equal to the distance between two maxima of the standing wave of the laser beam or a multiple thereof. In this way it can be achieved that the groups of quantum wells are arranged not only in the maxima of the pump radiation, but also in the maxima of the standing wave of the laser radiation.
Die Anzahl der Quantentöpfe in den Gruppen von Quantentöpfen beträgt bevorzugt zwischen einschließlich 2 und einschließlich 4.The Number of quantum wells in the groups of quantum wells is preferably between 2 and including 4.
Insgesamt beträgt die Anzahl der Quantentöpfe in der Quantentopfstruktur der aktiven Zone vorzugsweise zwischen einschließlich 5 und einschließlich 25.All in all is the number of quantum wells in the quantum well structure the active zone preferably between 5 inclusive and including 25.
Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen
im Zusammenhang mit den
Es zeigen:It demonstrate:
Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.Same or equivalent components are in the figures each with provide the same reference numerals. The illustrated components as well as the size ratios of the components among themselves are not to be regarded as true to scale.
Das
in
Der
Halbleiterkörper
Auf
das Substrat
Dem
Substrat
Der
zweite Resonatorspiegel des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers
ist ein außerhalb des Halbleiterkörpers
Alternativ
kann der oberflächenemittierende Halbleiterlaser anstelle
des externen Resonatorspiegels
Dem
DBR-Spiegel
Der
Pumplaser
Die
aktive Zone
Die
aktive Zone
Die
Quantentöpfe
Die
von dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser emittierte
Laserstrahlung
Eine
bevorzugte Ausführungsform der aktiven Zone
In
In
In
Die
auf der rechten Seite der
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.The The invention is not by the description based on the embodiments limited. Rather, the invention includes every new feature as well any combination of features, especially any combination includes features in the claims, also if this feature or combination itself is not explicit specified in the patent claims or exemplary embodiments is.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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