DE102013204644A1

DE102013204644A1 - Oberflächenemittierender laser mit drittem reflektor

Info

Publication number: DE102013204644A1
Application number: DE102013204644A
Authority: DE
Inventors: John E. Northrup; Thomas Wunderer; Noble M. Johnson
Original assignee: Palo Alto Research Center Inc
Current assignee: Palo Alto Research Center Inc
Priority date: 2012-03-22
Filing date: 2013-03-15
Publication date: 2013-09-26
Also published as: US9112331B2; TWI572103B; CN103326240A; CN103326240B; GB2500489B; TW201345095A; GB201305179D0; JP5966140B2; JP2013229580A; US20130343420A1; GB2500489A

Abstract

Es werden oberflächenemittierende Laserstrukturen offenbart, die ein teilweise reflektierendes Element umfassen, das im optischen Resonator des Lasers angeordnet ist. Eine Struktur eines oberflächenemittierenden Lasers mit externem vertikalem Resonator (VECSEL) umfasst eine Pumpquelle, die so konfiguriert ist, dass sie Strahlung mit einer Pumpwellenlänge, λ_pump, emittiert, einen externen Auskoppelreflektor, einen verteilten Bragg-Reflektor (DBR) und eine aktive Region, die zwischen dem DBR und dem Auskoppelreflektor angeordnet ist. Die aktive Region ist so konfiguriert ist, dass sie Strahlung mit einer Laserwellenlänge, λ_lase, emittiert. Die VECSEL-Struktur umfasst außerdem ein teilweise reflektierendes Element (PRE), das zwischen dem Verstärkungselement und dem externen Auskoppelreflektor angeordnet ist. Das PRE weist ein Reflexionsvermögen von etwa 30 % bis etwa 70 % für die Strahlung mit der Laserwellenlänge und ein Reflexionsvermögen von etwa 30 % bis etwa 70 % für die Strahlung mit der Pumpwellenlänge auf.

Description

KURZDARSTELLUNG
Es werden oberflächenemittierende Laserstrukturen offenbart, die ein teilweise reflektierendes Element umfassen, das im optischen Resonator des Lasers angeordnet ist. Einige Ausführungsformen umfassen Strukturen eines oberflächenemittierenden Lasers mit externem vertikalem Resonator (VECSEL für engl. vertical external cavity surface emitting laser), welche eine Pumpquelle, die so konfiguriert ist, dass sie Strahlung mit einer Pumpwellenlänge, λ_pump, emittiert, einen externen Auskoppelreflektor, einen verteilten Bragg-Reflektor (DBR für engl. distributed Bragg reflector) und eine aktive Region umfassen, die zwischen dem DBR und dem Auskoppelreflektor angeordnet ist, wobei die aktive Region so konfiguriert ist, dass sie Strahlung mit einer Laserwellenlänge, λ_lase, emittiert. Die Strukturen umfassen außerdem ein teilweise reflektierendes Element (PRE für engl. partially reflecting element), das zwischen dem Verstärkungselement und dem externen Auskoppelreflektor angeordnet ist. Das teilweise reflektierende Element (PRE) weist ein Reflexionsvermögen von etwa 30 % bis etwa 70 % für die Strahlung mit der Laserwellenlänge und ein Reflexionsvermögen von etwa 30 % bis etwa 70 % für die Strahlung mit der Pumpwellenlänge auf.
In einigen Implementierungen weist das teilweise reflektierende Element (PRE) ein Reflexionsvermögen von etwa 40 % bis etwa 60 % für Strahlung mit der Laserwellenlänge und ein Reflexionsvermögen von etwa 40 % bis etwa 60 % für Strahlung mit der Pumpwellenlänge auf. In einigen Strukturen umfasst das PRE ein Gitter von III–IV Materialschichten auf.
Das teilweise reflektierende Element kann so konfiguriert sein, dass es während des Betriebs der VECSEL-Struktur ein Spitzen-E²-Feld in der aktiven Region bereitstellt, das um einen Faktor von mehr als 2, 3, 4 oder noch mehr größer als das mittlere E²-Feld im Substrat ist.
In einigen Konfigurationen ist die Pumpquelle so angeordnet, dass die durch die Pumpquelle emittierte Strahlung in einem Winkel θ auf eine Oberfläche des Substrats auftrifft, derart dass sin(θ) = n_subsin[cos^–1(λ_pump/λ_lase)], wobei der Brechungsindex des Substrats n_sub ist. Der externe Auskoppelspiegel, der DBR, die Verstärkungsregion und das PRE können so ausgelegt sein, dass etwa 50 % oder sogar mehr als 75 % der Pumpstrahlung in der aktiven Region absorbiert werden.
Gemäß einigen Aspekten umfasst das PRE einen verteilten Bragg-Reflektor, der eine Anzahl von Schichtpaaren umfasst, wobei jedes Schichtpaar eine erste Schicht aus AlGaN und eine zweite Schicht aus GaN umfasst. Die ersten und zweiten Schichten können epitaxial auf ein GaN-Substrat aufgewachsen sein. Zum Beispiel kann das PRE 2 bis 20 Schichtpaare oder etwa 10 bis 12 Schichtpaare umfassen. Eine Dicke der ersten Schicht kann etwa λ_lase/4n_AlGaN(λ_lase) betragen, und eine Dicke der zweiten Schicht kann etwa λ_lase/4n_GaN(λ_lase) betragen. Zum Beispiel beträgt in einer Implementierung die Dicke der ersten Schicht etwa 50 nm, und eine Dicke der zweiten Schicht beträgt etwa 46 nm. In einigen Fällen ist eine reflexionsmindernde Beschichtung zwischen dem Substrat und dem Auskoppelreflektor angeordnet. Die reflexionsmindernde Beschichtung kann einen Brechungsindex n_AR und eine Dicke t_AR aufweisen, derart dass t_AR = (λ_pump/4n_AR) cos[sin^–1((1/n_AR)sinθ)].
Einige Ausführungsformen betreffen eine Struktur eines oberflächenemittierenden Lasers, die einen ersten Reflektor, einen zweiten Reflektor und eine aktive Region umfasst, die zwischen dem ersten Reflektor und dem zweiten Reflektor angeordnet ist, wobei die aktive Region so konfiguriert ist, dass sie Strahlung mit einer Laserwellenlänge, λ_lase, emittiert. Mindestens ein Abschnitt des Substrats ist zwischen dem Verstärkungselement und dem ersten Reflektor angeordnet. Das Substrat weist eine erste Oberfläche in der Nähe des Verstärkungselements und eine zweite Oberfläche in der Nähe des ersten Reflektors auf. Ein teilweise reflektierendes Element (PRE) ist epitaxial auf die erste Oberfläche des Substrats aufgewachsen. Das teilweise reflektierende Element (PRE) weist ein Reflexionsvermögen von etwa 40 % bis etwa 60 % für Strahlung mit der Laserwellenlänge und ein Reflexionsvermögen von etwa 40 % bis etwa 60 % für Strahlung mit der Pumpwellenlänge auf. In einigen Implementierungen weist der Substratabschnitt eine Dicke von etwa 100µm auf.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Diagramm einer Vorrichtung eines optisch gepumpten oberflächenemittierenden Lasers mit externem vertikalem Resonator (VECSEL), die drei reflektierende Elemente umfasst;
2 stellt Abschnitte der Halbleiterstruktur und den zweiten Reflektor von 1 genauer dar;
3 stellt eine stehende Welle in der aktiven Region für Pumpstrahlung mit einer Wellenlänge von 445 nm und einem Einfallswinkel von 38 Grad dar;
4 stellt eine stehende Welle in der aktiven Region für Laserstrahlung dar, die normal auf die Oberfläche der aktiven Region emittiert wird und eine Wellenlänge von 460 nm aufweist;
5 stellt einen Brechungsindex für einen Abschnitt einer beispielhaften VECSEL-Struktur dar, die eine GaN End-Abstandsschicht benachbart zur letzten PRE-Schicht, drei InGaN Quantentöpfe, die durch dünne GaN Abstandsschichten getrennt sind, und dicke GaN Abstandsschichten zwischen jeder Periode von drei Quantentöpfen umfasst;
6 stellt das Profil des Brechungsindexes und der E²-Feldstärke dar, das für die in 1 und 2 veranschaulichte VECSEL-Vorrichtung berechnet wurde;
7 stellt grafische Darstellungen des Reflexionsgrades (R), der Durchlässigkeit (T) und der Absorption (A) als eine Funktion der Wellenlänge dar. Die Absorption (A) des Pumpstrahls erfolgt in der aktiven Region eines VECSELs;
8 ist eine grafische Darstellung, die eine geschätzte Pumpleistung, die zum Erreichen einer Emission von Laserstrahlung erforderlich ist, als eine Funktion von Γ_rel darstellt;
9 ist eine detailliertere Ansicht einer VECSEL-Struktur, die ein teilweise reflektierendes Element (PRE) einsetzt;
10 stellt A(λ) für einen VECSEL dar, der ein PRE mit 20 Paaren von AlGaN/GaN umfasst;
11 stellt die Absorption der Pumpstrahlung in der aktiven Region als eine Funktion der Anzahl von PRE-Schichtpaaren dar;
12 stellt die Struktur dar, die verwendet wird, um das Reflexionsvermögen eines AlGaN/GaN-PREs zu simulieren; und
1 ist ein Graph des Reflexionsvermögens als en Funktion der Anzahl von PRE-Schichten.
BESCHREIBUNG VON VERSCHIEDENEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Oberflächenemittierende Laser (SEL für engl. surface emitting laser), wie beispielsweise oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL) und oberflächenemittierende Laser mit externem vertikalem Resonator (VECSEL), sind aufgrund der hohen Qualität der spektralen und räumlichen optischen Lasercharakteristiken von Interesse. Die Realisierung von SELs innerhalb des III-Nitrid Materialsystems ist aufgrund der Pumpleistung schwierig, die erforderlich ist, um eine ausreichende Ausgangsleistung für viele Anwendungen zu erzeugen. Ausführungsformen, die hierin offenbart werden, umfassen SELs, die drei reflektierende Elemente umfassen. Neben den reflektierenden Elementen, die den optischen Resonator für den Laser bilden, ist ein dritter Reflektor, der teilweise reflektiert, innerhalb des optischen Resonators des Lasers angeordnet. Der dritte Reflektor erhöht die Rückführung der Laserstrahlung durch die aktive Region des Lasers, wodurch die zur Emission von Laserstrahlung im SEL benötigte Schwellenleistung reduziert wird, was zu einer größeren Lasereffizienz führt. Einige Ausführungsformen, die im Folgenden bereitgestellt werden, veranschaulichen die Funktionsweise eines dritten Reflektors, der innerhalb des optischen Laserresonators von optisch gepumpten Lasern angeordnet ist. Diese Ansätze, die durch diese Ausführungsformen veranschaulicht werden, können auf Laser erweitert werden, welche Diodenstrominjektion als Erregungsmechanismus verwenden,
Einige Ausführungsformen, die hierin erörtert werden, verwenden eine aktive Region, die so konfiguriert ist, dass sie auf zwei verschiedenen Wellenlängen, der Wellenlänge der Laserstrahlung und der Wellenlänge der Pumpstrahlung, schwingt. Quantentopfstrukturen innerhalb der aktiven Region sind so positioniert, dass sie sowohl die Schwingungsbäuche des Pumpfeldes der stehenden Welle als auch die Schwingungsbäuche des Laserfeldes der stehenden Welle überlappen.
1 ist ein Diagramm einer VECSEL-Vorrichtung, die drei reflektierende Elemente umfasst. Der VECSEL umfasst eine optische Pumpquelle, einen ersten Reflektor, welcher der externe Auskoppelspiegel für die Vorrichtung ist, einen zweiten Reflektor, der z. B. einen verteilten Bragg-Reflektor (DBR) umfasst, und eine Halbleiterstruktur, die eine Verstärkungsstruktur umfasst, sowie einen dritten Reflektor, der ein teilweise reflektierendes Element ist. Der optische Resonator des Lasers ist durch den externen Auskoppelspiegel und den zweiten Reflektor begrenzt. Der dritte Reflektor ist innerhalb des optischen Resonators angeordnet.
Die Pumpquelle emittiert Pumpstrahlung 125, welche zum Substrat fokussiert wird. Zum Beispiel kann die VECSEL-Vorrichtung Fokussieroptik umfassen, die so konfiguriert ist, dass sie die Pumpstrahlung durch Fokussierungsoptik auf einen Punkt auf dem Substrat (oder der reflexionsmindernden Beschichtung, falls vorhanden) fokussiert.
Die Pumpstrahlung kann in einem Winkel θ in Bezug auf die optische Achse der Vorrichtung, die durch eine gestrichelte Linie 126 angezeigt ist, auf die Halbleiterstruktur auftreffen. In einigen Fällen kann das Substrat auf eine Dicke verdünnt sein, die eine Bearbeitung der Vorrichtung zu ermöglichen, z. B. in der Größenordnung von etwa 100 µm. Etwas Strahlung 130, die innerhalb der aktiven Region der Halbleiterstruktur erzeugt wird (hierin als Laserstrahlung bezeichnet), wandert durch das Substrat aus der Halbleiterstruktur und in Richtung des externen Auskoppelspiegels, welcher als der erste Reflektor bezeichnet wird. Ein Teil der Strahlung, die in der aktiven Region erzeugt wird, tritt durch den konkaven Auskoppelspiegel durch und wird aus der VECSEL-Vorrichtung ausgegeben, wie durch einen Pfeil 135 angezeigt, der die Ausgangslaserstrahlung bezeichnet. Ein Großteil der Laserstrahlung wird auf die Halbleiterstruktur zurückgeworfen, wie durch Pfeile 120 angezeigt. Das Substrat kann optional mit einer reflexionsmindernden Beschichtung beschichtet sein, um die Reflexion der rückgeführten Laserstrahlung 120 und/oder der Pumpstrahlung 125 zu reduzieren. Die reflexionsmindernde Beschichtung kann einen Brechungsindex, n_AR, und eine Dicke, t_AR, aufweisen, derart dass t_AR = (λ_pump/4n_AR) cos[sin^–1((1/n_AR)sin θ)], wobei λ_pump die Wellenlänge der Pumpstrahlung ist.
Einige Implementierungen umfassen einen optionalen Frequenzwandler 136, wie beispielsweise einen nicht linearen optischen Kristall, der Strahlung mit harmonischen Wellen oder mit Summen- oder Differenzfrequenzen der Laserstrahlung erzeugt, und der innerhalb des externen Resonators angeordnet ist. Unter Verwendung eines Frequenzwandler können Laserausgänge 135 im tiefen UV-Spektrum, z. B. von weniger als 300 nm oder sogar weniger als etwa 250 nm, von Laserwellenlängen von weniger als 600 nm erhalten werden.
In einer Ausführungsform ist die Pumpquelle eine Laserdiode auf der Basis von Gallium-Nitrid (GaN) (oder alternativ eine Mehrzahl von Laserdioden), die im Bereich von 370 bis 460 nm und in einigen Ausführungsformen bei 405 nm oder 445 nm emittiert. Die Ausgangsleistung der Pumpquelle kann im Bereich von 1 bis 10 Watt liegen. Die Pumpquelle kann Optik umfassen, die ein Fokussiersystem bereitstellt, das eine oder mehr Linsen umfasst, um die Pumpstrahlung auf eine Pumpstrahlpunktgröße mit einem Durchmesser von 50 bis 200 µm zu fokussieren, um eine Leistungsdichte von mehr als 50 kW/cm² zu erreichen. Der Ausgang der Pumpquelle bildet die optische Pumpe, welche die aktive Region ansteuert. Die aktive Region gibt einen Laserstrahl mit einer gewünschten Wellenlänge, zum Beispiel im Bereich von 440 bis 550 nm, aus. Der externe Auskoppelspiegel kann durch dielektrische Schichten beschichtet sein, um Spiegelreflexionsvermögen mit der Ausgangswellenlänge der Halbleiterverstärkungsregion von 99,5 % oder mehr bereitzustellen.
Während des Betriebs kann die Halbleiterstruktur heiß werden. Um die Möglichkeit einer Beschädigung der Vorrichtung infolge übermäßiger Wärmeerzeugung zu reduzieren, kann die Vorrichtung auf einer Wärmesenke mit dem zweiten Reflektor in der Nähe der Wärmesenke montiert sein. Die Wärmesenke kann zum Beispiel aus Kupfer, Diamant oder einem anderen wärmeleitenden Material bestehen. In einigen Fällen kann unter Verwendung von Laser-Ablösetechniken eine optionale zweite Wärmesenke hinzugefügt werden. In diesem Szenarium erfolgt Laser-Ablösung, um das Substrat zu entfernen, oder das Substrat wird auf einen dünnen Substratrest verdünnt. Eine zweite Wärmesenke wird dann auf der frei gelegten Rückseite des dritten Reflektors oder dünnen Substratrests montiert. Die fertig gestellte Struktur umfasst zwei Wärmesenken, eine in der Nähe des zweiten Reflektors und eine in der Nähe des dritten Reflektors, wobei das Substrat entfernt ist. Im letzteren Beispiel umfasst die zweite Wärmesenke eine Öffnung, durch welche die Vorrichtung gepumpt und Laserstrahlung emittiert wird.
2 stellt Abschnitte der Halbleiterstruktur 201 und den zweiten Reflektor 230 von 1 genauer dar. In diesem Beispiel umfasst die Halbleiterstruktur 201 ein Substrat mit einer Dicke, die ausreicht, um die Bearbeitung der VECSEL-Vorrichtung zu ermöglichen, z. B. in der Größenordnung von etwa 100 μm. Ein geeignetes Material für das Substrat umfasst GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InAlN, AlInGaN oder andere Materialien, die sowohl bei Pump- als auch Laserwellenlängen eine geringe Absorption aufweisen. Der dritte Reflektor 210, der hierin als teilweise reflektierendes Element (PRE) bezeichnet wird, ist sowohl für die Pumpstrahlung als auch die Laserstrahlung teilweise reflektierend. Der dritte Reflektor 210 ist über das Substrat aufgewachsen und kann ein Supergitter aus III–V Materialien umfassen, wie beispielsweise ein III-Nitrid Supergitter von 5 bis 20 Paaren 211 von AlGaN/GaN oder InAlN/GaN. Zum Beispiel kann im Beispiel von 2 die erste Schicht 212 jedes Paares 211 GaN umfassen, und die zweite Schicht 213 jedes Paares 211 kann AlGaN oder InAlN umfassen. Der dritte Reflektor kann Schichtpaare von In_xAl_yGa_1-x-yN/In_uAl_vGa_1-u-vN umfassen. Vorrichtungen, die ein PRE aufweisen, das innerhalb des optischen Resonators des Lasers angeordnet ist, reduzieren infolge einer höheren Absorption der Pumpstrahlung in der aktiven Region und der erhöhten elektrischen Feldstärke des Laserstrahls in der aktiven Region in Bezug auf die Stärke im Substrat, in dem Verluste eintreten, die zum Erreichen einer Emission von Laserstrahlung erforderliche Pumpleistung.
In einigen Implementierungen kann der zweite Reflektor 230 einen dielektrischen DBR umfassen, der eine Anzahl von Paaren aus dielektrischem Material umfasst, um einen spezifizierten Umfang von Reflexionsvermögen zu erreichen. Zum Beispiel kann der dielektrische DBR 8 Paare von Viertelwellenlängen-Schichten von 52 nm TiO₂/79 nm SiO₂ umfassen, die bei den Laser- und Pumpwellenlängen von etwa 460 nm zu einem Reflexionsvermögen von 99,9 % führen. Der zweite Reflektor 230 kann durch solche Verfahren wie Elektronenstrahlverdampfung (EBE für engl. electron beam evaporation) und/oder durch Sputtern über der Verstärkungsstruktur ausgebildet sein.
Die Halbleiterstruktur 201 umfasst eine expitaxiale Verstärkungsregion 220, die über das teilweise reflektierende Element 210 aufgewachsen ist. In einigen Implementierungen umfasst die Verstärkungsregion 220 eine Mehrzahl von (z. B. 5 bis 20) Quantentöpfen 224, die durch Abstandsschichten 225, 227 getrennt sind. Quantentopfstrukturen 221 können einen Quantentopf oder mehrere eng beabstandete Quantentöpfe umfassen. 2 stellt eine Ausführungsform dar, in welcher jede Quantentopfstruktur 221 zwei Quantentopfschichten 224 umfasst, die durch eine dünne Abstandsschicht 225 getrennt sind. Die dünne Abstandsschicht 225, die zwischen den Quantentöpfen 224 in einer Quantentopfstruktur 221 angeordnet ist, ist dünner als die Abstandsschichten 227 zwischen den Quantentopfstrukturen 221. Daher werden die Abstandsschichten 225, die zwischen den Quantentöpfen angeordnet sind, hierin als dünne Abstandsschichten bezeichnet, und die Abstandsschichten 227, die zwischen den Quantentopfstrukturen 221 angeordnet sind, werden hierin als dicke Abstandsschichten bezeichnet, um die relative Dickendifferenz zwischen den beiden Typen von Abstandsschichten anzuzeigen. Es können auch End-Abstandsschichten zwischen den Quantentopfstrukturen und den Spiegeln vorhanden sein. Die Dicke dieser End-Abstandsschichten ist im Allgemeinen anders als diejenige der dicken oder der dünnen Abstandsschichten.
In einigen Implementierungen umfasst jede Quantentopfstruktur 221 ein Paar von In_xGa_1-xN Quantentopfschichten 224, wobei 0,10 ≤ × ≤ 0,5, getrennt durch eine dünne GaN Abstandsschicht. Im Allgemeinen können die Quantentopfstrukturen einen oder mehr Quantentöpfe aufweisen. Jede Quantentopfschicht 224 weist eine Dicke von etwa 3 nm auf, und die dünne GaN Abstandsschicht 225, die zwischen den Quantentopfschichten 224 angeordnet ist, weist eine Dicke von etwa 5 nm auf. Die Quantentopfstrukturen 221 sind durch dicke GaN Abstandsschichten 227 mit einer Dicke von etwa 80 nm voneinander getrennt. De erste Quantentopfstruktur der aktiven Region 220 kann vom dritten Reflektor 210 durch eine GaN Schicht 222 mit einer Dicke von etwa 87 nm getrennt sein, und die letzte Quantentopfstruktur der aktiven Region 220 kann vom zweiten Reflektor 230 durch eine GaN Schicht 223 mit einer Dicke von etwa 87 nm getrennt sein.
Der Pumpstrahl bildet eine stehende Welle innerhalb der Verstärkungsregion 220 mit einer Mehrzahl von stationären ersten Schwingungsbäuchen. Die Laserstrahlung bildet ebenfalls eine stehende Welle innerhalb der aktiven Region 220 mit einer Mehrzahl von stationären zweiten Schwingungsbäuchen. Die Quantentopfstrukturen 221 sind derart voneinander beabstandet, dass sich jede Quantentopfstruktur 221 an einer Schwingungsbauchposition des Musters der stehenden Welle der Laserstrahlung 260 und der Pumpstrahlung 250 befindet.
Die Verstärkungsstruktur 220, die insgesamt N Schichten umfasst, weist eine optische Dicke, OT (für engl. optical thickness), auf, die bestimmt wird als:
wobei die Schichten, n, die Quantentopfschichten 224, die dünnen Abstandsschichten 225, die dicken Abstandsschichten 227 und die beiden End-Abstandsschichten 221, 222 umfassen, welche die ersten und letzten Quantentopfschichten von den Reflektoren 230, 210 trennen. Das heißt, die Verstärkungsregion 220 weit eine optische Dicke auf, welche die Summe des Produkts der Dicke jeder Schicht multipliziert mit dem Brechungsindex dieser Schicht ist. Die aktive Region ist derart konstruiert, dass ihre optische Dicke nahe einem ganzzahligen Vielfachen von ½λ_lase, ist, wobei λ_lase die Wellenlänge der Laserstrahlung ist. Da die optische Dicke von den Brechungsindizes abhängt, welche mit der Wellenlänge variieren können, kann die optische Dicke mit der Wellenlänge variieren. Eine mögliche Konstruktion der aktiven Region ist daher eines, bei welcher OT(λ_lase) = (N_pairs + 1) ½λ_lase, wobei N_pairs die ganzzahlige Anzahl von Paaren von Quantentöpfen ist. In dieser Konstruktion weisen die Schwingungsbäuche des Musters der stehenden Welle der Laserstrahlung eine große Überlappung mit den Quantentöpfen auf. Durch geeignetes Wählen des Einfallswinkels und der Wellenlänge des Pumplasers ist es möglich, ein Muster der stehenden Welle mit Schwingungsbäuchen zu erreichen, die sich mit den Quantentöpfen überlappen.
Das PRE 230 kann ein Supergitter aus III–V Materialien umfassen. In einem Beispiel umfasst das PRE 230 10 Schichten von AlGaN mit einem Zielbrechungsindex von 2,30. Die Dicke jeder AlGaN Schicht beträgt etwa 50 nm. Die AlGaN Schichten sind durch eine GaN Schicht mit einer Dicke von 46,4 nm getrennt. Der Index für AlGaN ist bei einer Messung des Reflexionsvermögens für einen AlGaN/GaN-DBR beständig. Es ist auch möglich, andere III–V- oder III-Nitrid Kombinationen für das teilweise reflektierende Element einzusetzen. Wie bereits erwähnt, kann zum Beispiel InAlN anstelle von AlGaN verwendet werden, um das PRE zu bilden. Die Verwendung von InAlN kann das Ausbilden einer guten Gitterübereinstimmung zwischen dem InAlN und dem GaN erleichtern, was zu geringerer Spannung und verbesserter Kristallqualität und -leistung führt. Im Allgemeinen ist das PRE so konstruiert, dass es einen Umfang von Durchlassvermögen sowohl der Pumpstrahlung als auch des Laserstrahls ermöglicht, der optimale Absorption in den Quantentöpfen bereitstellt. Zum Beispiel kann das PRE in einigen Ausführungsformen so konstruiert sein, dass es ein Durchlassvermögen von etwa 50 % für eine Pumpwellenlänge aufweist, und ein Durchlassvermögen von etwa 50 % für Laserstrahlung aufweist, die eine Wellenlänge aufweist, wie im Folgenden genauer erörtert.
Wenn, wie bereits erwähnt, die aktive Region (die Quantentöpfe und Abstandsschichten) die Grundresonanz bei der Pumpwellenlänge aufweist, wird die Absorptionseffizienz wesentlich verbessert. Die Dicke der aktiven Region kann mehrere Perioden der stehenden Welle der Lasermoden und/oder der stehenden Welle der Pumpmoden umfassen.
3 und 4 stellen das elektrisch E²-Feld und den Brechungsindex als eine Funktion des Abstands vom PRE dar. 3 stellt das Muster der stehenden Welle 350 und die stationären Schwingungsbäuche 351 für die Pumplaserstrahlung dar, die bei 38 Grad einfällt und eine Wellenlänge von 445 nm in einer aktiven Region aufweist. 4 stellt das Muster der stehenden Welle 460 und die stationären Schwingungsbäuche 461 für Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 460 nm in der gleichen Verstärkungsregion wie in 3 dar. Die aktive Region für diese Beispiel weist N_pair = 4 dünne GaN Abstandsschichten (die Dicke der dünnen Abstandsschichten ist in 3 und 4 durch „T“ angezeigt) mit einer Dicke von 5 nm, InGaN Quantentöpfe (die Dicke der Quantentöpfe ist durch „W“ angezeigt) mit Breiten von 3 nm, dicke GaN Abstandsschichten (die Dicke der dicken Abstandsschichten ist durch „L“ angezeigt) mit einer Dicke von 80,6 nm und GaN End-Abstandsschichten (die Dicke der End-Abstandsschichten ist durch „IS“ angezeigt) mit einer Dicke von 86,3 nm. Wie in 3 und 4 dargestellt, überlappen sich die Schwingungsbäuche 351, 461 sowohl der stehenden Welle 350 der Pumplaserstrahlung als auch der stehenden Welle 460 der emittierten Laserstrahlung mit den Quantentöpfen (W für engl. well) in dieser Verstärkungsregion.
5 stellt den Brechungsindex für einen Abschnitt einer beispielhaften VECSEL-Struktur dar, die eine GaN End-Abstandsschicht benachbart zur letzten PRE-Schicht, drei InGaN Quantentöpfe, die durch dünne GaN Abstandsschichten getrennt sind, und dicke GaN Abstandsschichten zwischen jeder Periode von drei Quantentöpfen umfasst. 5 zeigt eine Periode einer aktiven Region als den Abstand von Mitte zu Mitte zwischen den Quantentopfstrukturen. In diesem Beispiel ist OT(end spacer) + ½N_wellsOT(Well) + ½(N_wells – 1)OT(thin spacer) = ½λlase·m’ und OT(thick spacer) + N_wellsOT(Well) + (N_wells – 1)OT(thin spacer) = ½λ_lase·m wobei OT(end spacer), OT(thick spacer), OT(thin spacer) und OT(Well) die optische Dicke der End-Abstandsschicht (end spacer), der dicken Abstandsschicht (thick spacer), der dünnen Abstandsschicht (thin spacer) bzw. des optischen Topfes (well) bezeichnen, N_wells hierbei die Anzahl von Quantentöpfen in jeder Periode ist, und m’ und m ganze Zahlen größer als oder gleich eins sind. Typischerweise ist m’ = m = 1. In einigen Fällen kann es vorteilhaft sein, m oder m’ auf 2 oder mehr zu erhöhen.
OT(end spacer) = ISn_GaN, wobei n_GaN der Brechungsindex von GaN ist,
OT(Well) = Wn_InGaN, wobei n_InGaN der Brechungsindex von InGaN ist,
OT(thin spacer) = Tn_GaN und OT(thick spacer) = Ln_GaN.
Wenn die Substitutionen für OTs in die vorstehenden Gleichungen für m = m’ = 1 durchgeführt werden, dann ist ISn_GaN + ½N_wells Wn_InGaN + ½(N_wells – 1)Tn_GaN = ½λ_lase, und Ln_GaN + N_wells Wn_InGaN + (N_wells – 1)Tn_GaN = ½λ_lase.
Die Mindestdicke der End-Abstandsschicht beträgt: IS = ½λ_lase – ½N_wellsWn_InGaN – ½(N_wells – 1)Tn_GaN. In einigen Fällen kann eine dickere End-Abstandsschicht verwendet werden. Die Dicke der End-Abstandsschicht kann durch Addieren eines ganzzahligen Vielfachen, K, von ½ λ_lase/n_GaN zur Dicke der End-Abstandssicht vergrößert werden.
6 stellt das Profil des Brechungsindexes und der E²-Feldstärke dar, das für die in 1 und 2 veranschaulichte VECSEL-Vorrichtung berechnet wurde. Dieser VECSEL emittiert Laserstrahlung bei 460 nm in einer Richtung, die im Wesentlichen parallel zur optischen Achse der Verstärkungsstruktur ist. Die aktive Region wird mit einer Pumpstrahlung von 445 nm gepumpt, die auf die Oberfläche der Halbleiterstruktur (auf welcher eine reflexionsmindernde Beschichtung angeordnet ist) in einem Winkel von θ = 38 Grad auftrifft. Es besteht eine Beziehung zwischen der Pumpwellenlänge λ_pump, der Laserwellenlänge λ_lase, dem Brechungsindex des Substrats n_sub, und dem optimalen Einfallswinkel der Pumpquelle, θ. Diese Bedingung ergibt sich daraus, dass die Bedingung, eine optimale Überlappung der Schwingungsbäuche sowohl des Pumpstrahls als auch des Laserstrahls mit den Quantentöpfen in der aktiven Region aufzuweisen, erzwungen wird. Die Beziehung ist, wie folgt: sin(θ) = n_sub sin[cos^–1(λ_pump/λ_lase)]. Wenn daher {λ_pump, λ_lase, n_sub} {445 nm, 460 nm, 2,45} sind, dann ist θ = 38 Grad. Wenn {λ_pump, λ_lase, n_sub} {400 nm, 460 nm, 2,45} sind, dann liegt kein θ vor, der die Bedingung erfüllt. Wenn {λ_pump, λ_lase, n_sub} {400 nm, 420 nm, 2,45} sind, dann ist θ = 48 Grad. Einige Konfigurationen umfassen eine VECSEL-Vorrichtung, wobei die Pumpquelle so angeordnet ist, dass die Strahlung, die durch die Pumpquelle emittiert wird, auf eine Oberfläche des Substrats in einem Winkel θ auftrifft, derart dass sin(θ) = n_sub sin[cos^–1(λ_pump/λ_lase)], wobei die Pumpwellenlänge λ_pump ist, die Laserwellenlänge λ_lase ist, und der Brechungsindex des Substrats n_sub ist. Obwohl diese Bedingung optimal ist, kann selbst dann Emission von Laserstrahlung erfolgen, wenn kein optimaler θ erreicht wird. Für das GaN Substrat sollte, wenn n = 2,45, das Verhältnis von λ_pump/λ_lase größer als etwa 0,91 sein, um die optimale Überlappung bei einem bestimmten Einfallswinkel zu erreichen.
In einem Konstruktionsbeispiel tritt Verstärkung in einer aktiven Region auf, die eine Reihe von 2 × 10 InGaN Quantentöpfen umfasst, wie zuvor in Verbindung mit 2 beschrieben. Der dritte Reflektor PRE umfasst ein Supergitter von 10 Schichtpaaren von AlGaN/GaN mit einem Zielbrechungsindex von 2,30. Die Dicke jeder AlGaN Schicht beträgt etwa 50 nm, und die Dicke jeder GaN Schicht beträgt etwa 46,4 nm. In der aktiven Region weisen die GaN End-Abstandsschichten eine Dicke von etwa 87 nm auf, die dicken Abstandsschichten weisen eine Dicke von etwa 80 nm auf, die dünnen Abstandsschichten weisen eine Dicke von etwa 5 nm auf, und die InGaN Quantentöpfe weisen eine Dicke von 3 nm auf.
6 stellt den Brechungsindex, n(z) 510, der Vorrichtung als eine Funktion des Abstands von der Substratoberfläche dar. In diesem Beispiel ist das Substrat mit einer reflexionsmindernden Beschichtung beschichtet. In 5 ist außerdem eine grafische Darstellung des elektrischen Feldes als eine Funktion des Abstands von der Substratoberfläche, E²(z) 520, dargestellt. Das E²-Feld entspricht der Laserstrahlung einer Wellenlänge von 460 nm in Vakuum. Eine separate Berechnung für diese konkrete Konstruktion zeigt, dass die Absorption einer Pumpstrahlung von 445 nm, die bei 38 Grad einfällt, etwa 94,5 % beträgt.
Man beachte in 6, dass dieses Spitzen-E²-Feld in der InGaN Verstärkungsregion gegenüber dem mittleren Feld im GaN Substrat, in dem Verluste zu erwarten sind, um den Faktor Γ_rel ≈ 7 verbessert ist. Obwohl der Absorptionskoeffizient im GaN Substrat ziemlich klein ist, z. B. in der Größenordnung von etwa 1 cm^–1, kann es ein beträchtlichen Verlust geben, wenn das Substrat dick genug ist, z. B. etwa 400 μm, um mechanische Stabilität zu erreichen. Da die Verstärkung oder der Verlust in einer bestimmten Region der Struktur proportional zu E² in dieser Region ist, ist eine Konstruktion vorteilhaft, die eine Verbesserung der Feldstärke in einer aktiven Region im Vergleich zur Verlustregion bewirkt. Der Faktor Γ_rel findet in die Berechnung der Pumpleistung Eingang, um eine Emission von Laserstrahlung zu erreichen. Damit die Verstärkung den Verlust überwindet und ermöglicht, dass eine Emission von Laserstrahlung stattfindet, sollte die Größe von E² in der aktiven Region im Vergleich zu derjenigen im GaN Substrat groß sein. Um Verluste zu verringern, ist es außerdem vorteilhaft, die Dicke des GaN Substrats bei Aufrechterhaltung einer ausreichenden strukturellen Stütze für mechanische Stabilität so stark als möglich zu reduzieren.
Wie aus 6 ersichtlich, tritt in der PRE-Region eine signifikante Erhöhung des E²-Feldes auf, und die Verwendung eines PREs im optischen Resonator kann den Parameter Γ_rel um einen Faktor von 2, 3, 4 oder höher, z. B. etwa 7, gegenüber dem E²-Feld im Substrat erhöhen.
Verluste im GaN Substrat können von einer schwachen Absorption oder Streuung der Teilbandabstands-Strahlung herrühren. Der Extinktionskoeffizient k in einigen GaN Substraten kann als k = 5 × 10^–6 geschätzt werden. Basierend auf diesem Extinktionskoeffizienten kann eine Absorptionskonstante, α, im GaN Substrat als 1,4 cm^–1 geschätzt werden (α = 2ωk/c = 4πk/λ, wobei ω die Frequenz der Strahlung ist, λ die Wellenlänge der Strahlung ist, und c die Geschwindigkeit der Strahlung in einem Vakuum ist). Unter Verwendung von α = 1,4 cm^–1 und T_loss = exp(–2 αL_GaN) kann der von dieser Absorption herrührende Verlust für verschiedene Dicken, L_GaN, des GaN Substrats berechnet werden, wie in Tabelle 1 dargestellt. TABELLE 1

Dicke von GaN (μm) Tloss

100 0,97

250 0,93

400 0,89
Die geschätzte Pumpleistung, die zum Erreichen einer Emission von Laserstrahlung in der Vorrichtung erforderlich ist, ist gegeben durch: P_th = N_thE_phN_wL_wA_p/f_absτ(N_th), [1] wobei N_th die Trägerdichte bei einer Schwelle ist, E_ph die Photonenenergie ist, N_w die Anzahl von InGaN Quantentöpfen ist, L_w die Dicke der Töpfe ist, A_p die Fläche des fokussierten Pumpstrahls ist, f_abs der absorbierte Teil der Leistung ist, und τ(N_th) die Lebensdauer des Trägers bei der Trägerdichteschwelle ist. Die Abhängigkeit der Verstärkung von der Trägerdichte kann bestimmt werden als: g = g₀ln(N/N₀), [2] wobei g₀ die Verstärkung des Materials ist, N die Trägerdichte ist, und N₀ die Transparenzträgerdichte ist. Für InGaN kann g₀ als 2400 cm^–1 geschätzt werden. Die Leistung, die zum Erreichen einer Emission von Laserstrahlung erforderlich ist, hängt davon ab, wie viel Strahlung in der resonant-periodischen Verstärkungsregion absorbiert wird. Der Teil der Strahlung, der in der aktiven Region als eine Funktion der Wellenlänge der Pumpstrahlung absorbiert wird, wurde durch Simulation geschätzt, und das Ergebnis ist in 7 dargestellt. Die Konstruktion, die einen dritten Reflektor umfasst, wie in Verbindung mit 2 und 3 erörtert (bei 38 Grad einfallende Pumpstrahlung von 445 nm), ermöglicht Resonanzabsorption in der aktiven Region und von mehr als 90 %.
7 stellt grafische Darstellungen des Reflexionsgrades (R), der Durchlässigkeit (T) und der Absorption (A) als eine Funktion der Wellenlänge in der aktiven Region einer Vorrichtung dar, wie beispielsweise der in 1 und 2 veranschaulichten VECSEL-Vorrichtung. In diesem Beispiel umfasst die Vorrichtung einen dritten Reflektor PRE, wobei die Pumpstrahlung bei 38 Grad einfällt. Das PRE umfasst 10 AlGaN/GaN Schichtpaare, und die aktive Region weist 10 × 2 InGaN Quantentöpfe auf, die durch GaN Abstandsschichten getrennt sind, wie bereits erwähnt. Wie in 7 dargestellt, werden für diese Vorrichtung mehr als 90 % der Strahlung in den InGaN Quantentöpfen für Pumpwellenlängen nahe 445 nm absorbiert.
Die Trägerlebensdauer, τ, als eine Funktion der Trägerdichte, N, ist gegeben, wie folgt: 1/τ(N) = A + BN + CN², [3] wobei Koeffizienten für A, B und C gemessen werden können. Zum Beispiel wurden A, B und C für In_xGa_1-x, N(x ≈ 15 %) von Y.C. Shen et al. gemessen, wie in Applied Phys. Lett. 91, 141101 (2007), berichtet.
Die Schwellenträgerdichte ist: N_th = N₀[1/(R₁ R₂ T_loss)]^1/G, [4]
wobei N₀ die Transparenzträgerdichte ist, R₁ das Reflexionsvermögen des externen Auskoppelspiegels (erster Reflektor) ist, und R₂ das Reflexionsvermögen des dielektrischen DBR (zweiter Reflektor) ist, und T_loss der Faktor ist, der sich aus dem Verlust im GaN Substrat ergibt. Der Verstärkungsfaktor G im Exponenten hängt von der Verstärkung des Materials g₀ der Quantentöpfe, der Anzahl von Töpfen, N_w, und der Dicke jedes Topfes, L_w, ab. Γ_rel entspricht dem Verhältnis der Spitze von E² in den Quantentöpfen zum Mittelwert von E² in der Verlustregion, wie in 6 dargestellt, das ausgedrückt werden kann, wie folgt: G = 2Γ_relg₀N_wL_w. [5]

Der dritte Reflektor, der im optischen Resonator des Lasers angeordnet ist, macht es möglich, große Werte von Γ_rel zu erreichen. 8 stellt die Schwellenpumpleistung, P_th, dar, die unter Verwendung der vorstehenden Gleichung [1] berechnet wird. Die Pumpleistung, die zur Emission von Laserstrahlung erforderlich ist, fällt bei Erhöhung von Γ_rel schnell ab. Wie in 8 dargestellt, benötigt Pumpleistung bei Γ_rel ≈ 4 weniger als ein Watt Pumpleistung. Die für die Berechnung verwendeten Parameter sind in Tabelle 2 angegeben. TABELLE 2

E Photonenenergie	2,7 eV
D Durchmesser des fokussierten Pumpstrahls (Ap = πD²/4)	80 μm
Materialverstärkungsparameter (g₀)	2400 cm^–1
N0 (Transparenzträgerdichte)	0,8 × 1019 cm^–3
Γrel	4
Nw (Anzahl der InGaN Töpfe)	20
Lw (Dicke der InGaN Töpfe)	3 nm
fabs (in der aktiven Region absorbierter Teil der	95 %
Pumpleistung)
Dicke des GaN Substrats	100 μm
Absorptionskoeffizient in GaN	1,4 cm^–1
Tloss (verteilter Verlustfaktor)	97 %
Spiegelreflexionsvermögen für R1 = R2	99,5 %
Pth	0,8 Watt
gth	840 cm^–1
Nth	1,0 × 10¹⁹ cm^–3
τ	2 × 10^–9 cm^–3

Es ist zu erwähnen, dass es sich von selbst versteht, dass, obwohl die optisch gepumpte VECSEL-Vorrichtung, die im Vorstehenden als Beispiel verwendet wurde, in Bezug auf bestimmte Materialien und eine bestimmte Konfiguration der aktiven Region, z. B. Typ, Anzahl und Dicke der Quantentopfregion, beschrieben wurde, auch andere Materialsysteme und Vorrichtungskonfigurationen in Verbindung mit einem dritten Reflektor, wie hierin erörtert, verwendet werden könnten. Demnach ist die vorliegende Offenbarung nicht auf die hierin beschriebenen Materialsysteme und Vorrichtungskonfigurationen beschränkt. Es ist vielmehr vorgesehen, dass Vorrichtungen, die eine Vielzahl von Materialsystemen, z. B. andere III–V- oder III-Nitrid Materialsysteme, vom dritten Reflektor profitieren würden. Außerdem könnte die spezifische Konfiguration der aktiven Region variieren, z. B. kann ein Cluster von drei Quantentöpfen anstelle des beschriebenen Quantentopfpaares verwendet werden. Es versteht sich außerdem von selbst, dass, obwohl nur eine optische Pumpquelle beschrieben wird, mehrere Pumpquellen verwendet werden könnten.
9 ist eine detailliertere Ansicht einer VECSEL-Struktur, die ein PRE einsetzt. Die Schichten der Vorrichtung sind ausgehend vom GaN Substrat von links nach rechts ausgebildet. Der dritte Reflektor, bei dem es sich um ein PRE handelt, umfasst einen DBR, der bei den Laser- und Pumpwellenlängen teilweise reflektierend ist und auf das GaN Substrat aufgewachsen ist. Das PRE umfasst 10 Perioden von Al_0.2Ga_0.8N/GaN, wobei die Al_0.2Ga_0.8N Schichten etwa 48,8 nm dick sind, und die GaN Schichten etwa 46,8 nm dick sind. Zum Beispiel kann die Dicke der AlGaN Schicht etwa λ_lase/4n_AlGaN(λ_lase) betragen, und die Dicke der GaN Schicht kann etwa λ_lase/4n_GaN(λ_lase) betragen.
Die aktive Region umfasst mehrere Aktive-Region-Elemente, wie beispielsweise 10 Perioden von Aktive-Region-Elementen, und ist auf das PRE aufgewachsen. Jedes Element der aktiven Region umfasst eine Zweifach-Quantentopfstruktur basierend auf InGaN. Jedes Element der aktiven Region kann der Reihe nach die folgenden Schichten umfassen: eine InGaN Vorspannungsschicht (In_0.03Ga_0.97N, 35,3 nm dick), eine erste dünne Abstandsschicht (GaN, 5 nm dick), einen ersten Quantentopf, (In_0.18Ga_0.82N, 3 nm dick), eine zweite dünne Abstandsschicht (GaN, 5 nm dick), einen zweiten Quantentopf, (In_0.18Ga_0.82N, 3 nm dick), eine dicke Abstandsschicht (GaN, 21,7 nm dick) und eine AlGaN Trägerbregrenzungs- und Spannungsregelungsschicht (Al_0.2Ga_0.8N, 20 nm dick).
Der zweite Reflektor kann eine oder mehr epitaxiale Halbleiterschichten und nicht-epitaxiale dielektrische Schichten umfassen, die als DBR ausgelegt sind. Zum Beispiel kann der zweite Reflektor in einigen Konfigurationen einen epitaxialen DBR umfassen, der GaN/AlGaN umfasst, wie beispielsweise 10,5 Perioden von GaN/Al_0.2Ga_0.8N, wobei die GaN Schichten etwa 46,8 nm dick sind, und die AlGaN Schichten etwa 48,8 nm dick sind. Ein zweiter Reflektorabschnitt, der einen nicht-epitaxialen dielektrischen DBR umfasst, kann auf den epitaxialen DBR aufgebracht sein. Zum Beispiel kann der dielektrische DBR 4 Perioden von SiO₂/TiO₂ umfassen, wobei die SiO2 Schichten 78,8 dick sind, und die TiO₂ Schichten 52,3 nm dick sind. Wenn zwei DBR-Spiegel miteinander verbunden sind, um einen einzigen hybriden DBR zu bilden, wird das höchste Reflexionsvermögen bei der Zielwellenlänge erhalten, wenn das Material mit hohem Brechungsindex des ersten DBRs mit dem Material mit niedrigem Brechungsindex des zweiten DBRs in Kontakt ist. Auf diese Weise hat der hybride DBR Kontakt zwischen GaN und SiO₂, da GaN einen höheren Brechungsindex als AlGaN aufweist, und SiO₂ einen niedrigeren Brechungsindex als TiO₂ aufweist. Die beiden DBRs, die einen epitaxialen Halbleiterabschnitt und ein nicht-epitaxiales Dielektrikum umfassen, können verwendet werden, um eine spezifische Wärmeleitfähigkeit und ein spezifiziertes Reflexionsvermögen zu erreichen. Der epitaxiale Halbleiterabschnitt kann eine höhere Wärmeleitfähigkeit als der nicht-epitaxiale dielektrische Abschnitt aufweisen, wohingegen der nicht-epitaxiale Abschnitt ein höheres Reflexionsvermögen als der epitaxiale Halbleiterabschnitt bereitstellt. In einigen Fällen sind sowohl der epitaxiale als auch der nicht-epitaxiale DBR Viertelwellenlängen-DBRs.
Eine Analyse des Reflexionsvermögens eines isolierten PREs, das in GaN eingebettet ist (wie in 12 dargestellt), zeigt, dass das optimale Reflexionsvermögen des PREs zum Erreichen einer hohen Absorption in einer aktiven Region nahe 50 % ist. (Die Analyse wird im Folgenden beschrieben.) Es ist zu erwarten, dass dieses Konstruktionskriterium auch auf andere optisch gepumpte Laser übertragen werden kann, die einen beliebigen Materialtyp einsetzen. Andere Materialien, für welche PREs die Leistung von VECSELs verbessern können, umfassen III–V Arsenide und Phosphide.
Das PRE kann so konstruiert sein, dass es einen vorbestimmten Umfang von Reflexionsvermögen erreicht, der eine spezifizierte Absorption der Pump- und/oder Laserstrahlung in der aktiven Region bewirkt. Bei der Analyse wurde ein zweistufiger Prozess eingesetzt. In ersten Schritt wurde die Anzahl der PRE-Schichtpaare basierend auf Berechnungen der Absorption in der aktiven Region als eine Funktion der Wellenlänge, A(λ), und als eine Funktion der Anzahl von Schichten des PREs bestimmt. Im zweiten Schritt wurde das Reflexionsvermögen eines isolierten PREs berechnet, das in GaN eingebettet war (wie beispielsweise in 12 dargestellt).
In Verbindung mit Schritt 1 stellt 7 Berechnungen von A(λ) in der aktiven Verstärkungsregion von 10 × 2 InGaN einer Vorrichtung dar, die ein PRE umfasst, das 10 Paare von AlGaN/GaN mit einer Struktur und Zusammensetzung ähnlich der Vorrichtung, die in Verbindung mit 9 erörtert wurde, umfasst. 10 stellt A(λ) für die gleiche Struktur dar, wenn die PRE-Schichten auf 20 Paare von AlGaN/GaN vermehrt werden. In diesem Szenarium würde die Leistung der Vorrichtung verschlechtert werden, da nur etwa 55% der Pumpstrahlung in der aktiven Region für eine Pumpwellenlänge von λ_pump = 445 nm absorbiert werden. Das Ergebnis des Erweiterns dieser Berechnungen, um verschiedene Anzahlen von Schichten für das PRE zu berücksichtigen, ist im Graphen von 11 dargestellt. 11 stellt die Absorption der Pumpstrahlung in der aktiven Region als eine Funktion der Anzahl von PRE-Schichtpaaren dar. Aus 13 ist ersichtlich, dass die Absorption der Pumpstrahlung für etwa 2 bis etwa 20 Schichten größer als etwa 50 % ist, für etwa 4 bis etwa 18 Schichten größer als etwa 60 % ist, und für etwa 10 bis etwa 12 Schichtpaare größer als etwa 90 % ist.
In Verbindung mit Schritt 2 kann ein Maß des Reflexionsvermögens des PREs durch Einbetten des PREs in GaN und Modellieren des Reflexionsvermögens, R, für einfallende Strahlung erhalten werden. Das Reflexionsvermögen als eine Funktion der Wellenlänge wird im Folgenden als eine Funktion der Anzahl von Schichten von AlGaN im PRE berechnet. Die simulierte Struktur ist in 12 veranschaulicht, die das AlGaN/GaN-PRE mit Schichten von etwa 30 μm von GaN auf jeder Seite darstellt. Eine reflexionsmindernde Beschichtung, die etwa 70 nm von SiO₂ umfasst, ist auf der obersten GaN Schicht angeordnet. Das Reflexionsvermögen als eine Funktion von λ, R(λ), wird als eine Funktion der Anzahl von Schichten des AlGaN-PREs berechnet. 13 stellt das Reflexionsvermögen des PREs als eine Funktion der Anzahl von AlGaN Schichten sowohl für eine bei 38 Grad einfallende Strahlung von 445 nm als auch für eine Strahlung von 460 nm bei senkrechtem Einfall (0 Grad) dar. Die Berechnungen wurden für die Struktur durchgeführt, die in 12 dargestellt ist. 11 zeigt, dass die optimale Anzahl von AlGaN Schichten im Bereich von 10 bis 12 liegt. 13 zeigt, dass ein PRE im Allgemeinen ein Reflexionsvermögen von etwa 40 % bis etwa 60 % für senkrecht einfallende Strahlung aufweisen sollte. Obwohl wir durch Analyse eines konkreten Systems zu diesem Ergebnis gelangten, erwarten wir, dass es auch für andere Systeme Gültigkeit hat, in welchen PREs und Verstärkungsregionen eingesetzt werden. Aus der in Verbindung mit 10 bis 13 erörterten Analyse ist ersichtlich, dass ein PRE mit etwa 2 bis etwa 20 AlGaN/GaN Paaren die Absorption in der aktiven Region erhöht. Für eine optimale Absorption können etwa 2 bis etwa 20 oder etwa 10 bis etwa 12 Paare verwendet werden.
Es wird eine Anzahl von Werten und Bereichen in verschiedenen Aspekten der beschriebenen Implementierungen bereitgestellt. Diese Werte und Bereiche sind lediglich als Beispiele zu behandeln und sollen den Schutzumfang der Ansprüche nicht einschränken. Zum Beispiel können Ausführungsformen, die in dieser Offenbarung beschrieben werden, in allen offenbarten numerischen Bereichen in die Praxis umgesetzt werden. Außerdem wird eine Anzahl von Materialien identifiziert, die für verschiedene Facetten der Implementierungen geeignet sind. Diese Materialien sind lediglich als Beispiele zu behandeln und sollen den Schutzumfang der Ansprüche nicht einschränken.
Die vorstehende Beschreibung von verschiedenen Ausführungsformen erfolgte zum Zwecke der Veranschaulichung und Beschreibung und nicht zur Einschränkung. Die offenbarten Ausführungsformen sind weder als vollständig anzusehen noch dazu bestimmt, die möglichen Implementierungen der offenbarten Ausführungsformen einzuschränken. In Hinblick auf die vorstehende Lehre sind viele Abwandlungen und Änderungen möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Y.C. Shen et al. gemessen, wie in Applied Phys. Lett. 91, 141101 (2007) [0047]

Claims

Struktur eines oberflächenemittierenden Lasers mit externem vertikalen Resonator (VECSEL), umfassend: eine Pumpquelle, die so konfiguriert ist, dass sie Strahlung mit einer Pumpwellenlänge, λ_pump, emittiert; einen externen Auskoppelreflektor; einen verteilten Bragg-Reflektor (DBR); eine aktive Region, die zwischen dem DBR und dem Auskoppelreflektor angeordnet ist, wobei die aktive Region so konfiguriert ist, dass sie eine Strahlung mit einer Laserwellenlänge, λ_lase, emittiert; und ein teilweise reflektierendes Element (PRE), das zwischen dem Verstärkungselement und dem externen Auskoppelreflektor angeordnet ist, wobei das teilweise reflektierende Element ein Reflexionsvermögen von etwa 30 % bis etwa 70 % für Strahlung mit der Laserwellenlänge und ein Reflexionsvermögen von etwa 30 % bis etwa 70 % für Strahlung mit der Pumpwellenlänge aufweist.
Struktur nach Anspruch 1, wobei das PRE ein Gitter von III–V Materialschichten umfasst.
Struktur nach Anspruch 1, wobei das teilweise reflektierende Element so konfiguriert ist, dass es während des Betriebs der VECSEL-Struktur ein Spitzen-E²-Feld in der aktiven Region bereitstellt, das um einen Faktor von mehr als 2 größer als das mittlere E²-Feld im Substrat ist.
Struktur nach Anspruch 1, wobei die Pumpquelle so angeordnet, dass die durch die Pumpquelle emittierte Strahlung in einem Winkel θ auf eine Oberfläche des Substrats auftrifft, derart dass sin(θ) = n_subsin[cos^–1(λ_pump/λ_lase)], wobei der Brechungsindex des Substrats n_sub ist.
Struktur nach Anspruch 1, wobei das PRE einen verteilten Bragg-Reflektor umfasst, der eine Anzahl von Schichtpaaren umfasst, wobei jedes Schichtpaar eine erste Schicht aus AlGaN und eine zweite Schicht aus GaN umfasst.
Struktur nach Anspruch 5, wobei die Anzahl von Schichtpaaren etwa 2 bis 20 beträgt.
Struktur nach Anspruch 1, wobei eine reflexionsmindernde Beschichtung zwischen dem Substrat und dem Auskoppelreflektor angeordnet ist und die reflexionsmindernde Beschichtung einen Brechungsindex n_AR und eine Dicke t_AR aufweist, derart dass t_AR = (λ_pump/4n_AR)cos[sin^–1((1/n_AR)sinθ)].
Struktur nach Anspruch 1, wobei die aktive Region umfasst: ein oder mehr Quantenstrukturen, wobei jede Quantentopfstruktur umfasst: einen oder mehr In_xGa_1-xN Quantentöpfe, wobei 0,10 ≤ × ≤ 0,5, jeder Quantentopf eine Dicke, W, aufweist und so konfiguriert ist, dass er eine Laserstrahlung mit einer Wellenlänge λ_lase emittiert.
Struktur nach Anspruch 8, wobei: jede Quantentopfstruktur zwei oder mehr Quantentöpfe mit einer dünnen GaN Abstandsschicht mit einer Dicke, T, umfasst, die zwischen jedem Paar von Quantentöpfen angeordnet ist; und jedes Element der aktiven Region zwei oder mehr Quantentopfstrukturen mit einer dicken GaN Abstandsschicht mit einer Dicke, L, umfasst, die zwischen jedem Paar von Quantentopfstrukturen angeordnet ist.
Struktur nach Anspruch 9, ferner umfassend eine GaN End-Abstandsschicht mit einer Dicke IS, wobei die GaN End-Abstandsschicht zwischen dem PRE und einer der Quantentopfstrukturen angeordnet ist, wobei die Dicken W, T, L und IS so konfiguriert sind, dass Schwingungsbäuche einer stehenden Welle der Laserstrahlung die Quantentöpfe der Quantentopfstrukturen überlappen.