DE102013204964B4 - Optisch gepumpte oberflächenemittierende Laser mit Reflektor mit hohem Reflexionsvermögen und begrenzter Bandbreite - Google Patents

Optisch gepumpte oberflächenemittierende Laser mit Reflektor mit hohem Reflexionsvermögen und begrenzter Bandbreite Download PDF

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Abstract

Laserstruktur, umfassend:eine Halbleiter-Verstärkungsregion, die so konfiguriert ist, dass sie Strahlung bei einer Laser-Schwerpunktwellenlänge emittiert;eine optische Pumpquelle, die so konfiguriert ist, dass sie einen Pumpstrahl (110) bei einer Pump-Schwerpunktwellenlänge zur Verstärkungsregion gerichtet emittiert;einen ersten Reflektor, der einen verteilten Bragg-Reflektor (DBR) umfasst und im Pumpstrahl angeordnet ist, wobei der erste Reflektor ein Reflexionsvermögen von mehr als 90 % über eine Bandbreite von weniger als 60 nm zentriert bei der Laser-Schwerpunktwellenlänge aufweist, wobei der erste Reflektor außerdem ein Reflexionsvermögen von weniger als 50 % bei der Pump-Schwerpunktwellenlänge aufweist;einen zweiten Reflektor, wobei die Verstärkungsregion zwischen dem ersten Reflektor und dem zweiten Reflektor angeordnet ist,wobei der erste Reflektor eine Anzahl von Schichtpaaren umfasst, wobei jedes Schichtpaar eine erste und eine zweite Schicht umfasst, wobei eine optische Dicke der ersten Schicht 3/4 der Laser-Schwerpunktwellenlänge beträgt, und eine optische Dicke der zweiten Schicht 3/4 der Laser-Schwerpunktwellenlänge beträgt, und wobeidie Schichtpaare des ersten Reflektors dielektrisches Material umfassen.

Description

  • US 2011 / 0 268 143 A1 beschreibt eine lichtemittierende Halbleitervorrichtung, die eine Pumplichtquelle, eine Verstärkungsstruktur und einen Auskoppelspiegel enthält. Die Verstärkungsstruktur besteht aus InGaN-Schichten, die eine resonante Anregungsabsorption bei der Pumpwellenlänge aufweisen. Licht von der Pumplichtquelle bewirkt, dass die Verstärkungsstruktur Licht emittiert, das vom Auskoppelspiegel zurück zur Verstärkungsstruktur reflektiert wird. Ein verteilter Bragg-Reflektor bewirkt eine interne Reflexion innerhalb der Verstärkungsstruktur. Der Auskoppelspiegel ermöglicht, dass Licht mit ausreichender Energie zur Verwendung außerhalb der Vorrichtung hindurchtritt. Eine Frequenzverdopplungsstruktur kann zwischen der Verstärkungsstruktur und dem Auskoppelspiegel angeordnet sein. Ausgangswellenlängen im tiefen UV-Spektrum können erreicht werden.
  • US 6 553 051 B1 beschreibt eine optische Baugruppe, die eine optische Unterbaugruppe umfasst, die einen vorgefertigten langwelligen Laser enthält, der optisch mit einem vorgefertigten kurzwelligen Laser gekoppelt ist, der sich in einem Gehäuse befindet. Die optische Baugruppe kann entfernbar in dem Gehäuse installiert sein, in dem der kurzwellige Laser enthalten ist. Der kurzwellige Laser pumpt den langwelligen Laser optisch, was zu einer langwelligen Laserleistung führt. Die optische Baugruppe ermöglicht die unabhängige Herstellung, Optimierung und Prüfung des kurzwelligen Lasers und des langwelligen Lasers.
  • US 2007 / 0 019 697 A1 beschreibt ein VCSEL-System, das das Ausbilden eines ersten Spiegels, das Ausbilden eines vertikalen Hohlraums auf dem ersten Spiegel, wobei der vertikale Hohlraum integrierte Mehrfachverstärkungsbereiche und das Ausbilden eines transversalen p / n-Übergangs seitlich zu den integrierten Mehrfachverstärkungsbereichen umfasst, wobei das vorwärts vorgespannt wird transversaler p / n-Übergang verursacht Photonenemission in den integrierten Mehrfachverstärkungsbereichen.
  • US 2006 / 0 268 398 A1 beschreibt einen MEMS-abstimmbaren optischen Halbleiterverstärker (SOA). Die Vorrichtung umfasst ein Substrat, einen ersten Spiegel, der mit dem Substrat gekoppelt ist, einen zweiten Spiegel, einen aktiven Bereich, der zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegel gekoppelt ist, und einen mikroelektromechanischen Aktuator, der mit dem zweiten Spiegel gekoppelt ist, wobei a Der mikroelektromechanische Aktuator wird mit Spannung beaufschlagt, um die SOA abzustimmen.
  • US 2007 / 0 104 241 A1 beschreibt einen Oberflächenemissionslaser. Es wird ein Oberflächenemissionslaser mit vertikaler äußerer Kavität (VECSEL) unter Verwendung von Endpumpen bereitgestellt, bei dem ein Pumpstrahl unter Verwendung einer Pumpstrahlreflexionsschicht zurückgeführt wird, um die Pumpstrahlabsorption zu erhöhen. Der VECSEL enthält: eine aktive Schicht zum Erzeugen und Emittieren von Signallicht; einen externen Spiegel, der von der Oberseite der aktiven Schicht getrennt ist und dieser zugewandt ist und einen ersten Teil des Signallichts durchlässt und einen zweiten Teil des Signallichts zur aktiven Schicht reflektiert; eine erste Reflexionsschicht, die eine untere Oberfläche der aktiven Schicht berührt und das Signallicht zum Außenspiegel reflektiert; einen Pumplaser zum Emittieren des Pumpstrahls in Richtung der unteren Oberfläche der aktiven Schicht, um die aktive Schicht anzuregen; und eine zweite Reflexionsschicht, die die Oberseite der aktiven Schicht berührt und einen Teil des Pumpstrahls zurück zur aktiven Schicht reflektiert.
  • US 2006 / 0251140 A1 beschreibt einen endgepumpten vertikalen Oberflächenhohlraumlaser (VECSEL), bei dem ein Pumplaserstrahl im rechten Winkel auf einen Laserchip fällt. In dem oberflächenemittierenden Laser mit externem Hohlraum ist ein Laserchip-Paket mit einem Laserchip versehen, der durch optisches Pumpen Licht mit einer ersten Wellenlänge emittiert. Ein externer Spiegel ist von einer oberen Oberfläche des Laserchip-Pakets beabstandet, um einen Teil des Lichts zu übertragen Vom Laserchip nach außen emittiert und um den Rest zum Laserchip zu reflektieren, ist ein Kühlkörper mit der Bodenfläche des Laserchip-Gehäuses gekoppelt, um die vom Laserchip erzeugte Wärme abzuleiten, und ein Pumplaser ist einer Bodenfläche von zugewandt der Kühlkörper emittiert Pumplicht mit einer zweiten Wellenlänge senkrecht zum Laserchip.
  • US6597017B1 beschreibt eine Halbleitervorrichtung , die pseudogitterangepasste Schichten mit guter Kristallinität aufweist, die mit gitterfehlangepassten Materialien gebildet sind. Zuggespannte n-Typ-AI0.5Ga0.5N-Schichten (untere Seite) und druckgespannte n-Typ-Ga0.9ln0.1N-Schichten (obere Seite) werden in 16,5 Perioden auf einem GaN-Kristallschichtsubstrat gezüchtet, um einen n-Typ zu bilden DBR-Spiegel; eine undotierte GaN-Abstandsschicht und ein aktiver Bereich werden auf dem DBR-Spiegel vom n-Typ gezüchtet; und eine undotierte GaN-Abstandsschicht wird auf dem aktiven Bereich gezüchtet. Ferner werden zuggespannte AI0.5Ga0.5N-Schichten vom p-Typ (untere Seite) und druckgespannte Ga0.9ln0.1N-Schichten vom p-Typ (obere Seite) in 12 Perioden auf der Abstandsschicht gezüchtet, um einen p-Typ zu bilden DBR spiegeln und vervollständigen schließlich einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser.
  • DE19708992A1 beschreibt einen VCSEL.
  • Das VCSEL hat ein halbleitendes Substrat mit einem ersten geteilten Bragg-Reflektor mit alternierenden Schichten aus InAIGaP und AlAs. Diese Schichten sind von einem Dotierstofftyp und konzentrieren sich auf einer ihrer Oberflächen. Ein aktiver Bereich wird an einen Abdeckungsbereich angelegt und ein zweiter Abdeckungsbereich wird an den aktiven Bereich angelegt. Ein zweiter Bragg-Reflektor auf dem zweiten Abdeckbereich weist abwechselnde Schichten aus InAIGaP und AlAs sowie einen entgegengesetzten Dotierungstyp und eine unterschiedliche Konzentration auf. Ein Kontaktbereich ist an dem zweiten Reflektor angebracht.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, einen optischen gepumpten oberflächenemittierenden Laser zur verbessern. Dieses Ziel wird durch eine Laserstruktur gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 9 erreicht. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen niedergelegt.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein Diagramm eines optisch gepumpten oberflächenemittierenden Lasers mit vertikalem Resonator (VCSEL), der einen verteilten Bragg-Reflektor (DBR) mit hohem Reflexionsvermögen und begrenzter Bandbreite (HR/BL für engl. high reflectivity/bandwidth limited) umfasst;
    • 2 veranschaulicht eine Konfiguration einer VECSEL-Vorrichtung, wobei die Pumpquelle und die Halbleiterstruktur so angeordnet sind, dass der Pumpstrahl in einem Winkel, θ ≠ 0, auf die Halbleiterstruktur auftrifft;
    • 3 ist ein Diagramm eines optisch gepumpten oberflächenemittierenden Lasers mit externem vertikalem Resonator (VECSEL), der einen HR/BL-DBR umfasst;
    • 4 stellt Simulationsplots des Reflexions- und Durchlassvermögens in Bezug auf die Wellenlänge von einfallender Strahlung für einen HR/BL-DBR dar, der 8 Paare von SiO2/TiO2 aufgebracht auf GaN umfasst und Dreiviertelwellenlängen-Schichtdicken aufweist, die für eine Schwerpunktwellenlänge von 460 nm konzipiert sind;
    • 5 stellt Simulationsplots des Winkelspektrums des Reflexions- und Durchlassvermögens für den Dreiviertelwellenlängen-HR/BL-DBR mit SiO2/TiO2 Schichten (wie in Verbindung mit 4 beschrieben) für eine Pumpwellenlänge von 405 nm dar;
    • 6 stellt Simulationsplots des Reflexions- und Durchlassvermögens für den Dreiviertelwellenlängen-HR/BL-DBR mit SiO2/TiO2 Schichten (wie in Verbindung mit 4 beschrieben) für eine Pumpwellenlänge von 445 nm dar;
    • 7 vergleicht prädiziertes Reflexionsvermögen mit gemessenem Reflexionsvermögen von verschiedenen experimentellen Strukturen;
    • 8 ist ein Diagramm eines VECSELs, der einen kleinen Luftspalt zwischen der Verstärkungsregion und dem Reflektor umfasst;
    • 9 stellt die Laserspektrum-Laserstrahlungsemission dar, die durch eine erste experimentelle Laserstruktur erzeugt wird, die dem in 2 dargestellten VCSEL ähnelt;
    • 10 stellt die Ausgangsleistung des VCSELs der ersten experimentellen Laserstruktur dar;
    • 11 zeigt die Emission von Laserstrahlung, die durch eine zweite experimentelle Laserstruktur erzeugt wird, die dem in 8 dargestellten VECSEL ähnelt, der einen Luftspalt umfasste;
    • 12 stellt eine Simulation der Resonatormoden eines Systems dar, welches den beweglichen externen Spiegel, den Luftspalt, den reduzierten GaN-Rest und den DBR der epitaxialen Seite umfasst; und
    • 13 stellt einen VCSEL dar, der erste und zweite Reflektoren umfasst, die auf jeder Seite einer Verstärkungsregion angeordnet sind, wobei der erste Reflektor einen ersten Abschnitt aufweist, und die Wärmeleitfähigkeit des ersten Abschnitts von der Wärmeleitfähigkeit des zweiten Abschnitts verschieden ist.
  • BESCHREIBUNG VON VERSCHIEDENEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL) und oberflächenemittierende Laser mit externem vertikalem Resonator (VECSEL) (zusammen als V(E)CSEL bezeichnet) sind aufgrund der hohen Qualität ihrer spektralen und räumlichen optischen Lasercharakteristiken von Interesse. Die Realisierung von V(E)CSELs innerhalb des III-Nitrid Materialsystems für Ultraviolett (UV)-, Blau- und Grün-Emission ist schwierig. Die hierin erörterten Ausführungsformen umfassen Konfigurationen, die auf III-Nitrid Materialien für diese Bildung von kompakten und kostengünstigen V(E)CSEL-Systemen basieren, die im nahen UV- bis Blau-Spektralbereich emittieren. In einigen Fällen können die V(E)CSEL-Systeme Frequenzverdopplungselemente umfassen, um Wellenlängen bis hinunter zum UV-C Bereich zu erreichen.
  • Die im Folgenden erörterten Ausführungsformen umfassen neuartige verteilte Bragg-Reflektoren (DBRs), die in die optisch gepumpten Lasersysteme integriert sind. Die hierin erörterten DBRs können mit jedem Typ von Halbleiter-Laser verwendet werden, z. B. Kanten-Emittern oder Oberflächen-Emittern, die besonders nützliche VCSEL- oder VECSEL-Konstruktionen sind. Die hierin erörterten DBR-Konstruktionen stellen ein hohes Reflexionsvermögen für die gewünschte V(E)CSEL-Laserwellenlänge und eine hohe Durchlässigkeit für kompakte und kostengünstige Halbleiter-Pumpquellen bereit. Einige Konstruktionen umfassen DBRs mit hohem Reflexionsvermögen und begrenzter Reflexionsbandbreite. Zum Beispiel weisen einige im Folgenden erörterte DBRs ein Reflexionsvermögen von mehr als 90 % in einer Reflexionsbandbreite von weniger als etwa 60 nm bei der Laser-Schwerpunktwellenlänge auf. Diese DBRs weisen ein Durchlassvermögen von mehr als etwa 50 % bei der Schwerpunktwellenlänge der Pumpstrahlung auf. In einigen Fällen sind die DBRs mit hohem Reflexionsvermögen, die eine Reflexionsbandbreite aufweisen, die auf nahe der Laserwellenlänge begrenzt ist, unter Verwendung von DBR-Schichten mit einer Dreiviertelwellenlängen-Dicke hergestellt, welche die Reflexionsbandbreite des DBRs wesentlich verringern und Freiheit bei der Auswahl der Pumpquelle erlauben. Die Verwendung eines DBRs mit hohem Reflexionsvermögen und begrenzter Bandbreite (HR/BL) kann hilfreich sein, da diese DBRs es ermöglichen, im Handel erhältliche, leistungsstarke Halbleiter-Pumpquellen mit festgelegten Emissionswellenlängen in optisch gepumpte Lasersysteme zu integrieren.
  • Im Allgemeinen werden hochwertige Spiegel für das kurze Verstärkungsmedium von oberflächenemittierenden Lasern benötigt. Die für solche Vorrichtungen verwendeten DBRs können ein Reflexionsvermögen von mehr als 90 % oder mehr als 95 % oder sogar mehr als 99 % bei der Laserwellenlänge aufweisen. Optisches Pumpen von V(E)SLs ermöglicht mehr Flexibilität bei DBR-Materialien, da der DBR nicht elektrisch leitend zu sein braucht und dielektrische DBRs verwendet werden können. Außerdem kann optisches Pumpen die Absorption der Pumpstrahlung und die Erzeugung der Elektron-Loch-Paare vorwiegend in der Verstärkungsregion, z. B. Quantentöpfen, erleichtern, was die Schwellenbedingungen für die Emission von Laserstrahlung reduziert.
  • Zur Implementierung von optisch gepumpten V(E)CSELs in einem kompakten und kostengünstigen System ist die Wahl der Pumpquelle von Interesse. Optische Pumpquellen mit hoher optischer Ausgangsleistung (z. B. bis zu 1 Watt) sind im Handel gegenwärtig auf der Basis von GaNbasierten Halbleiterlasern im Wellenlängenbereich von 405 nm und 445 nm erhältlich. Dielektrische Viertelwellenlängen-DBRs, welche ein hohes Reflexionsvermögen mit verhältnismäßig wenigen Materialschichten bereitstellen, sind jedoch nicht optimal für V(E)CSELs, welche diese Pumpquellen verwenden, da die Viertelwellenlängen-DBRs eine verhältnismäßig breite Reflexionsbandbreite aufweisen und daher bei Wellenlängen von 405 nm und 445 nm reflektierend sind. Obwohl im Allgemeinen auf Laser anwendbar, die auf verschiedenen Materialsystemen basieren, umfassen die im Folgenden erörterten Beispiele die Konstruktion von DBRs für V(E)CSELs, die auf III-Nitrid Materialsystemen basiert, die bei Ultraviolett (UV)-, Blau- und Grün-Wellenlängen emittieren. Die vorgeschlagenen DBRs stellen ein ausreichendes Reflexionsvermögen für die gewünschte V(E)CSEL-Laserwellenlänge und eine ausreichende Durchlässigkeit für die Pumpquellen bereit. Die Vorgaben von hohem Reflexionsvermögen, z. B. einem Reflexionsvermögen von mehr als 95 %, und begrenzter Reflexionsbandbreite bei der Laserwellenlänge in Verbindung mit einem ausreichendem Durchlassvermögen für die Pumpstrahlungswellenlänge können unter Verwendung von verschiedenen Materialien und Schichtdicken erreicht werden. In einer Implementierung kann ein DBR mit hohem Reflexionsvermögen und begrenzter Bandbreite (HR/BL) unter Verwendung von Materialschichten mit Dreiviertelwellenlängendicke hergestellt werden, welche die Reflexionsbandbreite des DBRs wesentlich reduzieren und Freiheit beim Pumpenkonfigurationsdesign ermöglichen. Für einen Dreiviertelwellenlängen-DBR ist die Dicke der i-ten DBR-Schicht durch die folgende Gleichung gegeben: t i = 3 λ i / 4 n ( λ i )
    Figure DE102013204964B4_0001
    wobei λl die Schwerpunkt (Spitzen)-Wellenlänge der Laserstrahlung ist, und n(λl) der Brechungsindex des Schichtmaterials bei der Wellenlänge der Laserstrahlung ist.
  • In einigen Implementierungen sind die Materialien, die für die DBR-Schichten verwendet werden, Kombinationen von dielektrischen Materialien, welche einen verhältnismäßig hohen Brechungsindexkontrast aufweisen, wie beispielsweise SiO2 und TiO2. Die Verwendung dieser Materialien mit hohem Brechungsindexkontrast bedeutet, dass verhältnismäßig wenige Schichten eingesetzt werden können, um ein hohes Reflexionsvermögen zu erreichen. Es ist auch möglich, Materialien mit einem niedrigeren Brechungsindexkontrast zu verwenden, obwohl dann mehr Schichten zum Erreichen eines hohen Reflexionsvermögens benötigt werden. Die Materialien der DBR-Schichten können dielektrische und/oder Halbleitermaterialien umfassen, die epitaxial aufgewachsen oder nicht-epitaxial aufgebracht werden können.
  • 1 ist ein Diagramm eines optisch gepumpten oberflächenemittierenden Lasers mit vertikalem Resonator (VCSEL), der einen HR/BL-DBR umfasst. Die hierin erörterten VCSEL- und VECSEL-Vorrichtungen können als Dauerstrich (CW für engl. continuous wave)-Laser betrieben werden. Der VCSEL von 1 umfasst eine optische Pumpquelle, einen ersten Reflektor, welcher der HR/BL-DBR ist, einen zweiten Reflektor und eine Halbleiter-Verstärkungsregion. Wie in 1 angezeigt, ist der optische Laserresonator durch die ersten und zweiten Reflektoren begrenzt. Die Verstärkungsregion kann mehrere Quantentopf (QW für engl. quantum well)-Strukturen umfassen, und jede QW-Struktur kann einen oder mehr Quantentöpfe umfassen. Die Verstärkungsregion kann durch epitaxiales Aufwachsen der Halbleiterschichten der Verstärkungsregion auf ein Substrat hergestellt werden, das anschließend reduziert wird, um einen Substratrest 140 zu belassen. In einigen Fällen kann die Verstärkungsregion 10 Perioden von InGaN-Doppel-QWs umfassen, die durch metallorganische Gasphasenepitaxie auf ein GaN Substrat aufgebracht sind. Die Doppel-QWs können in einem resonant-periodischen Verstärkungsschema angeordnet sein, so dass die Positionen der QWs mit dem elektrischen Feldmuster der Lasermode ausgerichtet sind. Der erste Reflektor (HR/BL-DBR) wurde auf die Verstärkungsregion aufgebracht. Das GaN Substrat wurde reduziert, und der zweite Reflektor wurde direkt auf die Rückseite der Verstärkungsregion aufgebracht.
  • Zum Beispiel kann die Verstärkungsregion mehrere Quantentopfstrukturen umfassen, wie beispielsweise etwa 10 Perioden von Doppel-Quantentopfstrukturen auf der Basis von InGaN, die auf ein Substrat aufgewachsen sind. Jede Quantentopfstruktur kann der Reihe nach die folgenden Schichten umfassen: eine InGaN Vorspannungsschicht (In0.03Ga0.97N, 35,3 nm dick), eine erste dünne Abstandsschicht (GaN, 5 nm dick), einen ersten Quantentopf, (In0.18Ga0.82N, 3 nm dick), eine zweite dünne Abstandsschicht (GaN, 5 nm dick), einen zweiten Quantentopf, (In0.18Ga0.82N, 3 nm dick), eine dicke Abstandsschicht (GaN, 21,7 nm dick) und eine Trägerbegrenzungs- und Spannungsregelungsschicht (AI0.2Ga0.8N, 20 nm dick). Zusätzliche Strukturen und Verfahren, die in Verbindung mit den hierin erörterten Ansätzen verwendet werden können, werden in der gemeinsam besessenen US-Patentanmeldung S/N 13/427,105 offenbart.
  • Die Pumpstrahlung 110 tritt durch den ersten Reflektor und die Verstärkungsregion durch und erzeugt Elektron-Loch-Paare in den Quantentöpfen der Verstärkungsregion oder in ihrer Nähe. De Elektron-Loch-Paare diffundieren in die Quantentöpfe und rekombinieren, um Laserstrahlung zu erzeugen. Die Laserstrahlung wird durch die ersten und zweiten Reflektoren innerhalb des optischen Laserresonators reflektiert, wodurch eine stehende Welle erzeugt wird, die resonantperiodische Verstärkung bereitstellt. Die Laserstrahlung mit ausreichender Energie tritt durch den zweiten Reflektor durch, wie durch den Pfeil 130 angezeigt. Einige Implementierungen umfassen einen optionalen Frequenzwandler, wie beispielsweise einen nicht linearen optischen Kristall, der Strahlung bei harmonischen Wellen oder bei Summen- oder Differenzfrequenzen der Laserstrahlung erzeugt. Bei Verwendung des Frequenzwandlers können Laserausgänge im tiefen UV-Spektrum, z. B. weniger als 280 nm, erreicht werden. Der in 1 dargestellte optionale Frequenzwandler kann optional für alle hierin beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden. Die Frequenzverdopplung kann effizienter sein, wenn der Frequenzwandler, z. B. ein nicht linearer Kristall, innerhalb des Resonators eines VECSELs angeordnet ist, wie in 3 dargestellt.
  • In einigen 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 530 nm emittiert. Zum Beispiel emittieren im Handel erhältliche Laservorrichtungen, die für digitale Blu-Ray Player oder Projektoranzeigen konzipiert sind, bei 405 nm oder 445 nm. Diese Vorrichtungen sind gegenwärtig erhältlich und können als Pumpquellen für GaN-basierte V(E)CSELs verwendet werden. Die Ausgangsleistung dieser Pumpquellen kann im Bereich von 0,5 bis 10 Watt liegen. Wie in 1 dargestellt, kann die Pumpquellen-Optik so konfiguriert sein, dass sie ein Fokussiersystem mit einer oder mehr Linsen bereitstellt, welche die Pumpstrahlung auf eine Pumpstrahlpunktgröße mit einem Durchmesser von 50 bis 200 µm fokussieren, um eine Leistungsdichte von mehr als 50 kW/cm2 zu erreichen. Die Verstärkungsregion gibt einen Strahl bei einer gewünschten Wellenlänge, zum Beispiel im Bereich von 420 bis 550 nm, aus.
  • Während des Betriebs kann die Verstärkungsregion heiß werden. Um die Möglichkeit einer Verschlechterung der Leistung oder gar einer Beschädigung der Vorrichtung infolge übermäßiger Wärmeerzeugung zu reduzieren, kann die Vorrichtung auf einer Wärmesenke mit dem ersten Reflektor in unmittelbarer Nähe der Wärmesenke montiert sein. Die Wärmesenke kann zum Beispiel aus Kupfer oder einem anderen wärmeleitenden Material, wie beispielsweise Diamant, bestehen. Eine optionale zweite Wärmesenke kann in unmittelbarer Nähe des zweiten Reflektors angeordnet sein. Wie in 1 dargestellt, weist die Wärmesenke eine Öffnung auf, um der Pumpstrahlung Zugang zum ersten Reflektor und der Verstärkungsregion zu ermöglichen. Oder alternativ wird in Fällen, in welchen die Wärmesenke optional durchlässig für die Pumpwellenlänge ist, wie z. B. ein durchlässiger Diamant, keine Öffnung in der Wärmesenke benötigt. Wenn die zweite Wärmesenke in unmittelbarer Nähe zum zweiten Reflektor verwendet wird, weist auch die zweite Wärmesenke eine Öffnung auf, um die Emission der Laserstrahlung 130 zu ermöglichen. In einigen Konfigurationen sind diese Öffnungen übereinander zentriert. Wie in 1 veranschaulicht, trifft der Pumpstrahl in einigen Fällen auf den ersten Reflektor normal auf die Oberfläche des ersten Reflektors auf. Bei dieser Konfiguration können die Pumpquelle und die Halbleiter-Verstärkungsregion koaxial ausgerichtet sein, wodurch eine lineare Anordnung aller optischen Teile der Struktur ermöglicht wird, wie in 1 veranschaulicht.
  • 2 veranschaulicht eine andere Konfiguration für eine VCSEL-Vorrichtung, wobei die Pumpquelle und die Verstärkungsregion so angeordnet sind, dass die Strahlung 110 der Pumpquelle und die von der Verstärkungsregion ausgegebene Strahlung 130 nicht koaxial sind. Bei dieser Anordnung trifft der Pumpstrahl in einem Winkel, θ ≠ 0, auf die Halbleiterstruktur auf. Eine Änderung des Einfallswinkels des Pumpstrahls für eine bestimmte Wellenlänge verschiebt die Charakteristiken des Durchlass-/Reflexionsvermögens des ersten Reflektors, wie im Folgenden genauer erörtert wird.
  • 3 stellt noch eine andere mögliche Konfiguration für eine Laserstruktur dar. In diesem Beispiel ist der Laser als ein VECSEL ausgelegt. Die Implementierung von 3 ähnelt in gewisser Hinsicht der in 2 dargestellten VCSEL-Konfiguration, mit der Ausnahme, dass der VECSEL einen externen Resonator 301 umfasst, der den zweiten Reflektor, d. h. den externen Auskoppelspiegel, von der Verstärkungsregion trennt. Der externe Spiegel kann eine gekrümmte Oberfläche aufweisen, um das Gauß'sche Strahlenprofil der Lasermode anzunehmen. Der lange Resonator (zum Beispiel 50 bis 200 nm) ermöglicht die Einfügung von zusätzlichen optischen Komponenten, wie nicht-linearen Kristallen zur Erzeugung zweiter Harmonischer oder Polarisationsfilter zur Feinabstimmung der Wellenlänge der Laseremission. In einigen Implementierungen kann das VECSEL-Substrat, auf das die Verstärkungsregion aufgewachsen ist, beibehalten werden, um eine strukturelle Stütze für den VECSEL bereitzustellen. Das Substrat kann eine ausreichende Dicke, um die Bearbeitung der Vorrichtung zu erleichtern, oder eine Dicke von zum Beispiel etwa 100 µm aufweisen. Bei diesen Implementierungen wäre das Substratmaterial ein Material mit großem Bandabstand, z. B. GaN, oder andere Materialien, welche sowohl für die Pumpstrahlung als auch die Laserstrahlung ein hohes Durchlassvermögen aufweisen. In der in 3 dargestellten Konfiguration benötig die Wärmesenke keine Öffnung, da die Vorrichtung von der gegenüberliegenden Seite der Verstärkungsregion gepumpt wird.
  • Wie bereits erwähnt, umfasst der erste Reflektor in 1 bis 4 einen HR/BL-DBR, welcher unter Verwendung einer Vielzahl von Materialien und Schichtdicken hergestellt werden kann. Die Materialien der DBR-Schichten können dielektrische und/oder Halbleitermaterialien umfassen, die epitaxial aufgewachsen oder nicht-epitaxial aufgebracht werden können. In einigen Fällen kann der HR/BL-DBR eine Anzahl von Schichtpaaren umfassen, wobei jede Schicht eine Dicke aufweist, wie in vorstehender Gleichung 1 dargelegt. Die Anzahl von Schichtpaaren, die im HR/BL-DBR verwendet wird, hängt von den Materialien der Schichten ab, wobei jedoch für Materialien mit hohem Brechungsindex so wenige wie 7 Schichtpaare verwendet werden können.
  • 4 stellt Simulationsplots des Reflexionsvermögens 410 und des Durchlassvermögens 420 in Bezug auf die Wellenlänge von einfallender Strahlung für einen HR/BL-DBR dar, der 8 Paare von SiO2/TiO2 aufgebracht auf GaN umfasst und Schichtdicken aufweist, die für eine Schwerpunktwellenlänge von 460 nm konzipiert sind. In diesem Beispiel weist unter der Annahme, dass η(λl) = 1,46 und 2,2 für SiO2 bzw. TiO2, jede der SiO2 Schichten eine Dicke von tSiO2 = 3 x 460 nm/4 x 1,46 = 236,30 nm auf, und jede der TiO2 Schichten weist eine Dicke von tTiO2 = 3 x 460 nm/4 x 2,48 = 139,11 nm auf. Wie aus 4 ersichtlich ist, kann das hohe Reflexionsvermögen (> 99 %) mit einer ziemlich schmalen Bandbreite von etwa 55 nm gegenüber den etwa 150 nm für einen Viertelwellenlängen-SiO2/TiO2 DBR realisiert werden. Außerdem ist in 4 zu erkennen, dass Wellenlängen außerhalb dieses hohen Reflexionsbandes, z. B. Wellenlängen von etwa 400 nm bis etwa 437 nm, ein Durchlassvermögen von mehr als 50 % aufweisen. Mehrere Wellenlängenbänder weisen ein Durchlassvermögen von mehr als 90 % auf. Zum Beispiel weisen bei einem senkrechten Einfall Pumpstrahlungswellenlängen von etwa 435 nm, 423 nm und 405 bis 410 nm ein Durchlassvermögen von mehr als 90 % auf.
  • Wie bereits erwähnt, sind zwei Wellenlängen (405 nm und 445 nm) von leistungsstarken InGaN-Laserdioden im Handel mit einer optischen Ausgangsleistung von bis zu 1 Watt erhältlich. Einige Beispiele, die im Folgenden bereitgestellt werden, bieten Konfigurationen, die auf diese potenziellen Pumpstrahlungswellenlängen angewendet werden können, obwohl die Implementierung der hierin beschriebenen Ansätze nicht auf diese konkreten Pumpstrahlungswellenlängen beschränkt ist.
  • 5 stellt Simulationsplots des Reflexionsvermögens 510 und des Durchlassvermögens 520 für den Dreiviertelwellenlängen-HR/BL-DBR mit SiO2/TiO2 Schichten (wie in Verbindung mit 4 beschrieben) für eine Wellenlänge von 405 nm dar. Aus 5 ist ersichtlich, dass der DBR für Winkel von 0 bis 12, 29 und 40 Grad ein hohes Durchlassvermögen bereitstellt, was diese Winkel zum Pumpen besonders geeignet macht. 6 stellt Simulationsplots des Reflexionsvermögens 610 und des Durchlassvermögens 620 für den Dreiviertelwellenlängen-HR/BL-DBR mit SiO2/TiO2 Schichten (wie in Verbindung mit 4 beschrieben) für eine Wellenlänge von 445 nm dar. Das Winkelspektrum des Dreiviertelwellenlängen-HR/BL-DBRs zeigt, dass das Pumpen in einem Winkel von 43 Grad ein hohes Durchlassvermögen bei 445 nm bereitstellt.
  • Die Simulationsergebnisse wurden mit experimentellen Strukturen verifiziert. Drei Viertelwellenlängen-HR/BL-DBRs wurden mit Zielwellenlängen von etwa 460 nm bis 470 nm hergestellt. Diese experimentellen Strukturen umfassten Dreiviertelwellenlängen-DBRs mit vier Schichtpaaren von SiO2/TiO2 aufgebracht auf Quarz und BK7. Die Ergebnisse der experimentellen Strukturen stimmten mit der theoretischen Prädiktion gut überein, wie in 7 zu sehen ist. In 7 stellt Linie 710 die Prädiktionsergebnisse für das Reflexionsvermögen dar, Linie 720 stellt die Versuchsergebnisse für das Reflexionsvermögen von einem ersten, auf Quarz aufgebrachten DBR mit 4 Schichtpaaren dar, Linie 730 stellt Versuchsergebnisse für das Reflexionsvermögen von einem zweiten, auf Quarz aufgebrachten DBR mit 4 Schichtpaaren dar, und Linie 740 stellt Versuchsergebnisse für das Reflexionsvermögen von einem zweiten, auf BK7 aufgebrachten DBR mit 4 Schichtpaaren dar.
  • In einigen Konfigurationen kann ein kleiner Luftspalt zwischen dem zweiten Reflektor und der Verstärkungsregion einer VECSEL-Struktur verwendet werden, wie in 8 veranschaulicht, um die Spektralqualität einer Pumpquelle zu verbessern. Der VECSEL von 8 umfasst einen ersten Reflektor. Im Allgemeinen kann der erste Reflektor einen beliebigen Typ von Reflektor umfassen. In einigen Implementierungen ist der erste Reflektor ein HR/BL-DBR, der eine verhältnismäßig schmale Reflexionsbandbreite zentriert bei der Laserstrahlungswellenlänge, λlase, aufweist. Die schmale Reflexionsbandbreite des HR/BL-DBRs reflektiert Strahlung bei der Pumpwellenlänge, Apump, nicht wesentlich, wodurch die Vorrichtung durch die Pumpquelle optisch gepumpt werden kann. Die verhältnismäßig schmale Reflexions (R)-Bandbreite des HR/BL-DBRs ermöglicht es der Pumpstrahlung, durch den ersten Reflektor durchzutreten und zur Verstärkungsregion zu gelangen, während die Laserstrahlung, die in der Verstärkungsregion erzeugt wird, zum optischen Laserresonator zurückgeworfen wird. Zum Beispiel kann in Ausführungsformen, die einen ersten HR/BL-DBR-Reflektor verwenden, der erste Reflektor 8 Paare von SiO2/TiO2 mit Schichtdicken von 236,30 nm für die SiO2 Schichten und 139,11 nm für die TiO2 Schichten umfassen.
  • In einigen Implementierungen kann der zweite Reflektor eine verhältnismäßig breite Reflexionsbandbreite mit hohem Reflexionsvermögen sowohl für die Pumpstrahlungswellenlänge, λpump, als auch die Laserstrahlungswellenlänge, λlase, aufweisen. Zum Beispiel kann der zweite Reflektor einen Viertelwellenlängen-DBR mit 6,5 Schichtpaaren von SiO2/TiO2 umfassen, wobei die SiO2 Schicht einen Brechungsindex, nSiO2, von 1,47 und eine Dicke von 78 nm aufweist, und die TiO2 Schichten einen Brechungsindex, nTiO2, von 2,2 und eine Dicke von etwa 52 nm aufweisen. Dieser DBR weist ein Reflexionsvermögen von mehr als 99 % in einer Bandbreite von etwa 150 nm auf, die bei einer Wellenlänge von 460 nm zentriert ist.
  • Die Bereitstellung eines kleinen Luftspalts 830 innerhalb des optischen Laserresonators kann Einmodenemission des VECSELs mit Multimoden-Pumpstrahlung erzeugen. Diese Ausführungsform stellt einen realisierbaren Ansatz zur Verbesserung der Spektralqualität einer Pumpquelle bereit. Der Luftspalt 830, der zwischen dem zweiten Reflektor und der Verstärkungsregion angeordnet ist, bildet eine dritte reflektierende Oberfläche 835 im optischen Laserresonator an der Grenzfläche zwischen dem Luftspalt 839 und der Verstärkungsregion. Die reflektierende Oberfläche 835 und der zweite Reflektor definieren einen sekundären optischen Resonator, der eine kürzere optische Länge als der optische Laserresonator aufweist. Der sekundäre optische Resonator und der (primäre) optische Laserresonator bilden gekoppelte Resonatoren. Die Kopplung zwischen den primären und sekundären optischen Resonatoren führt zu bestimmten Ausgangsmoden, die gegenüber anderen bevorzugt werden. Wenn sich eine bevorzugte Mode mit dem Verstärkungsspektrum überlappt, wird ein Einmodenbetrieb möglich (siehe zum Beispiel die Simulation, die im Folgenden in 12 dargestellt ist). In einigen Ausführungsformen kann der Abstand zwischen der reflektierenden Oberfläche 835 und dem zweiten Reflektor angepasst werden, bis die Vorrichtung Laserstrahlung mit weniger Ausgangsmoden als Eingangsmoden der Pumpquelle ausgibt.
  • In einigen Implementierungen kann der Luftspalt dynamisch angepasst werden, um eine oder mehr ausgewählte Ausgangsmoden, z. B. eine einzelne vorherrschende Ausgangsmode, bereitzustellen. Die Verstärkungsregion und/oder der zweite Reflektor können Elektroden 840, die auf ihren nach innen gerichteten Oberflächen angeordnet sind, die einander gegenüberliegen, mit elastisch verformbaren Abstandsschichten 850 zwischen den Elektroden 840 aufweisen. Signale 836 können durch ein Steuersystem an die Elektroden 840 geliefert werden, um Änderungen der Abstände zwischen den nach innen gerichteten, reflektierenden Oberflächen 835 und dem zweiten Reflektor zu bewirken, wie beispielsweise elektrostatisch, elektromagnetisch oder piezoelektrisch, und die Form der Region zwischen ihnen verändern. Der Luftspaltabstand oder der Abstand zwischen den reflektierenden Oberflächen, die den Luftspalt bilden, kann einen großen Bereich von Werten aufweisen, z. B. in der Größenordnung von etwa einem Mikrometer bis Dutzende Mikrometer. Größere Luftspalte ermöglichen die Einfügung von zusätzlichen optischen Komponenten in den Luftspalt. Zum Beispiel können nicht-lineare Kristalle zur Erzeugung zweiter Harmonischer oder Polarisationsfilter zur Feinabstimmung der Wellenlänge der Laseremission in den Luftspalt eingefügt werden.
  • 9 stellt die Laserspektrum-Laserstrahlungsemission dar, die durch eine erste experimentelle Laserstruktur erzeugt wird, die dem in 2 dargestellten VCSEL ähnelt, der keinen Luftspalt umfasst. In der ersten experimentellen Struktur wurde die Verstärkungsregion (10 Perioden von InGaN Doppel-Quantentöpfen angeordnet in einem resonant-periodischen Verstärkungs (RPG für engl. resonant periodic gain)-Schema auf ein massives GaN Substrat aufgewachsen. Ein Viertelwellenlängen-SiO2/TiO2 DBR (erster Reflektor) wurde auf die Verstärkungsregion aufgebracht. Das GaN Substrat wurde durch Dünnpolieren auf eine Dicke von weniger als 100 µm reduziert. Der zweite Reflektor, der einen Viertelwellenlängen-SiO2/TiO2 DBR umfasste, wurde auf die polierte Rückseite des Substrats aufgebracht. 11 stellt die Emission von Laserstrahlung dar, die durch eine zweite experimentelle Laserstruktur erzeugt wurde, die dem in 8 dargestellten VECSEL ähnelte, der einen Luftspalt 830 von etwa 10 µm zwischen der Verstärkungsregion und dem zweiten Reflektor umfasste. Wie bereits erwähnt, könnten andere Luftspaltdicken verwendet werden, um ein ähnliches Ergebnis zu erzielen. Für die zweite experimentelle Struktur waren beide Reflektoren Viertelwellenlängen-SiO2/TiO2 DBRs. Beide experimentelle Strukturen wurden mit einem gepulsten Farbstofflaser, der bei 384 nm mit einem Einfallswinkel von etwa 40 Grad emittierte, betrieben und gepumpt.
  • Sowohl bei den ersten als auch den zweiten experimentellen Vorrichtungen wurde die Materialqualität der Verstärkungschips durch strukturelle und optische Charakterisierungsverfahren bestätigt. Hochauflösende Röntgenbeugungsmessungen in Kombination mit elektronenmikroskopischen Durchstrahlungsuntersuchungen wurden verwendet, um optimale Parameter für die strukturellen Eigenschaften zu bestimmen. Der Wachstumsprozess wurde kontrolliert, um scharfe Schichtgrenzflächen zu bilden und die Entwicklung von ausgedehnten Defekten wie V-Defekten zu vermeiden. Die Effektivwert (rms für engl. root mean square)-Oberflächenrauheit der epitaxialen Oberfläche der Verstärkungsregion wurde für einen 2 µm × 2 µm Scan aus Atomkraftmikroskopie (AFM für engl. atomic force microscopy) auf 0,15 nm festgelegt. Die interne Quantenausbeute (IQE für engl. internal quantum efficiency) der Proben wurde durch temperaturabhängige Fotolumineszenzmessungen bestimmt. Die IQE der Laserproben überschritt 50 %.
  • 9 stellt das Laseremissionsspektrum der ersten experimentellen Struktur mit der Emission mit einer Schwerpunktwellenlänge 910 von 453,7 nm dar. Mehrere longitudinale Moden 920, 921 sind klar zu erkennen. Die Linienbreite der Lasermoden ist kleiner als 0,1 nm. Der Modenabstand zwischen den einzelnen Lasermoden korreliert mit der Länge des Resonators (optischer Resonator), welche in diesem Fall aus der Dicke des reduzierten GaN Substrats und den epitaxialen Schichten besteht. Die Dicke wurde auf etwa 73 µm festgelegt.
  • 10 stellt die Ausgangsleistung des VCSELs (erste experimentelle Struktur) gegenüber der Spitzenpumpleistung des Farbstofflasers bei Raumtemperatur dar. Die Spitzenpumpleistung wurde durch Messen der gemittelten Pumpleistung, die auf die Probe auftraf, sowie Berücksichtigen der Impulslänge und der Wiederholungsfrequenz des Pumplasers bestimmt. Die Schwellenpumpleistung kann auf etwa 0,75 W festgelegt werden. Für einen geschätzten Pumppunktdurchmesser von etwa 30 µm betrug die Schwellenpumpleistung etwa 100 kW/cm2.
  • 11 stellt das Laserspektrum des VECSELs mit einem Luftspalt zwischen dem GaN Chip und dem DBR-Spiegel dar (zweite experimentelle Struktur). Wie aus 10 ersichtlich ist, änderten sich die optischen Eigenschaften der Laseremission wesentlich. Während für die erste experimentelle Laserstruktur ohne Luftspalt mehrere longitudinale Moden aufgezeichnet wurden, zeigt das Spektrum der zweiten experimentellen Laserstruktur mit dem Luftspalt eine einzige dominierende longitudinale Mode 1100. Außerdem hat sich die Laserwellenlänge auf 440 nm verschoben. Beide Merkmale lassen sich durch Berücksichtigen der zusätzlichen Grenzfläche 835 zwischen Halbleiter und Luft erklären.
  • 12 stellt eine Simulation der Resonatormoden 1210 des Systems dar, welches den beweglichen externen Spiegel, den Luftspalt, den reduzierten GaN-Rest und den DBR der epitaxialen Seite umfasst. Die Laserwellenlänge 1220 stimmt mit einer dieser Moden überein. Zum Vergleich ist außerdem das Fotolumineszenzspektrum 1230 der Probe ohne zweiten DBR unter genau den gleichen Erregungsbedingungen wie für den Laserbetrieb dargestellt. Wie aus 12 ersichtlich ist, bestimmt der Resonator die Laserwellenlänge, welche nicht unbedingt mit der Fotolumineszenzemissions-Spitzenwellenlänge der QWs übereinstimmen muss.
  • Auftreffende Pump-Photon weisen einer höhere Energie als die Laserphotonen auf, und die Energiedifferenz zwischen Pump- und Laserphotonen wird als Quantenfehler bezeichnet. Die Energiedifferenz zwischen Pump- und Laserphotonen wird als Wärme aus der aktiven Region der Vorrichtung abgeleitet. Außerdem findet Wärmeerzeugung aus der nicht-idealen Materialqualität in der Form von nicht-radioaktiver Rekombination statt. Dielektrische Reflektoren können Materialien mit einem hohen Brechungsindexkontrast verwenden, welche ein sehr gutes Reflexionsvermögen mit verhältnismäßig wenigen Schichten bereitstellen. Allerdings können Dielektrika eine verhältnismäßige geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, und bei Anordnung zwischen der Verstärkungsregion und der Wärmesenke können Reflektoren, die aus diesen Materialien hergestellt sind, die Wärmeübertragung aus der Verstärkungsregion zur Wärmesenke behindern. In einigen Ausführungsformen können Laserstrukturen Reflektoren umfassen, die eine Wärmeleitfähigkeit aufweisen, die in Bezug auf den Abstand von der Verstärkungsregion variiert. Zum Beispiel kann die Wärmeleitfähigkeit des Reflektors eine Wärmeleitfähigkeit aufweisen, die in Bezug auf den Abstand variiert. Zum Beispiel kann die Wärmeleitfähigkeit, k1, in einer ersten Region des Reflektors verschieden von der Wärmeleitfähigkeit, k2, in einer zweiten Region des Reflektors sein. Solche Reflektoren sind besser geeignet, um zwei Konstruktionsvorgaben von annehmbar hohem Reflexionsvermögen, das unter Verwendung von Dielektrika mit hohem Brechungsindexkontrast erreicht werden kann, und annehmbar hoher Wärmeleitfähigkeit zu erreichen, die unter Verwendung von Halbleitermaterialien erreicht werden kann, die eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die Wärmeleitfähigkeit von dielektrischen Materialien aufweisen.
  • 13 stellt einen VCSEL dar, der erste und zweite Reflektoren umfasst, die auf jeder Seite einer Verstärkungsregion angeordnet sind. In diesem Beispiel ist der erste Reflektor in unmittelbarer Nähe zu einer Wärmesenke und umfasst erste und zweite Abschnitte (in 13 als Abschnitt 1 bzw. Abschnitt 2 bezeichnet). Der erste Abschnitt weist eine Wärmeleitfähigkeit auf, die verschieden von der Wärmeleitfähigkeit des zweiten Abschnitts ist.
  • In einigen Implementierungen kann der erste Abschnitt aus Halbleitermaterialien hergestellt sein, die eine verhältnismäßig höhere Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Zum Beispiel kann der erste Abschnitt des ersten Reflektors ein Halbleitermaterial umfassen, das epitaxial auf die Verstärkungsregion aufgewachsen ist. Der zweite Abschnitt kann aus dielektrischen Materialien hergestellt sein, die eine verhältnismäßig geringere Wärmeleitfähigkeit als das Halbleitermaterial aufweisen.
  • Der zweite Abschnitt des ersten Reflektors kann z. B. durch Sputter- oder Aufdampfverfahren auf den ersten Abschnitt des ersten Reflektors aufgebracht sein.
  • In einigen Fällen kann der erste Abschnitt ein epitaxial aufgewachsener Halbleiter-DBR-Abschnitt, der eine Anzahl von Schichtpaaren von GaN/AIGaN (Wärmeleitfähigkeit etwa ksemi=1,3 W/cm-K), oder ein anderes geeignetes Halbleitermaterial sein. Der zweite Abschnitt kann ein nicht-epitaxialer, dielektrischer DBR-Abschnitt sein, der z .B. Schichtpaare von SiO2/TiO2 (Wärmeleitfähigkeit etwa kdiel = 0,04 W/cm-K) umfasst. Zum Beispiel kann der erste Abschnitt in einigen Implementierungen 10,5 Schichtpaare von GaN/AI0.2Ga0.8N umfassen, wobei die GaN Schichten eine Dicke von etwa 46,8 nm aufweisen, und die AlGaN Schichten eine Dicke von etwa 48,8 nm aufweisen. Der zweite Abschnitt kann 4 Schichtpaare von SiO2/TiO2 umfassen, wobei die SiO2 Schichten eine Dicke von etwa 78.8 nm aufweisen, und die TiO2 Schichten eine Dicke von etwa 53,2 nm aufweisen.
  • Wenn das Material mit höherer Wärmeleitfähigkeit, z. B. Halbleiter, in Verbindung mit einem Material geringerer Leitfähigkeit, z. B. Dielektrikum, verwendet wird, die Gesamtdicke des dielektrischen Abschnitts, was den gesamten Wärmewiderstand der Vorrichtung reduziert. In einigen Ausführungsformen können einer oder beide von dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt ein HR/BL-DBR sein. Der erste Abschnitt des HR/BL-DBRs kann aus Viertwellenlängen-GaN/AI-GaN Paaren gebildet sein, und der zweite Abschnitt des HR/BL-DBRs kann aus Dreiviertelwellenlängen-SiO2/TiO2 Schichtpaaren gebildet sein.
  • 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 nicht als erschöpfend gedacht oder dazu bestimmt, die möglichen Implementierungen der offenbarten Ausführungsformen einzuschränken. In Anbetracht der vorstehenden Lehre sind viele Abwandlungen und Änderungen möglich.

Claims (9)

  1. Laserstruktur, umfassend: eine Halbleiter-Verstärkungsregion, die so konfiguriert ist, dass sie Strahlung bei einer Laser-Schwerpunktwellenlänge emittiert; eine optische Pumpquelle, die so konfiguriert ist, dass sie einen Pumpstrahl (110) bei einer Pump-Schwerpunktwellenlänge zur Verstärkungsregion gerichtet emittiert; einen ersten Reflektor, der einen verteilten Bragg-Reflektor (DBR) umfasst und im Pumpstrahl angeordnet ist, wobei der erste Reflektor ein Reflexionsvermögen von mehr als 90 % über eine Bandbreite von weniger als 60 nm zentriert bei der Laser-Schwerpunktwellenlänge aufweist, wobei der erste Reflektor außerdem ein Reflexionsvermögen von weniger als 50 % bei der Pump-Schwerpunktwellenlänge aufweist; einen zweiten Reflektor, wobei die Verstärkungsregion zwischen dem ersten Reflektor und dem zweiten Reflektor angeordnet ist, wobei der erste Reflektor eine Anzahl von Schichtpaaren umfasst, wobei jedes Schichtpaar eine erste und eine zweite Schicht umfasst, wobei eine optische Dicke der ersten Schicht 3/4 der Laser-Schwerpunktwellenlänge beträgt, und eine optische Dicke der zweiten Schicht 3/4 der Laser-Schwerpunktwellenlänge beträgt, und wobei die Schichtpaare des ersten Reflektors dielektrisches Material umfassen.
  2. Laserstruktur nach Anspruch 1, wobei eine Anzahl von Schichten größer als 6 ist.
  3. Laserstruktur nach Anspruch 1, wobei der erste Reflektor umfasst: einen ersten Abschnitt mit einer ersten Wärmeleitfähigkeit; und einen zweiten Abschnitt mit einer zweiten Wärmeleitfähigkeit, die geringer als die erste Wärmeleitfähigkeit ist.
  4. Laserstruktur nach Anspruch 1, wobei die Schwerpunktwellenlänge der Pumpstrahlung 370 bis 530 nm beträgt, und die Laser-Schwerpunktwellenlänge in einem Bereich von 390 bis 550 nm liegt.
  5. Laserstruktur nach Anspruch 1, wobei der Pumpstrahl (110) auf eine Oberfläche des ersten Reflektors in einem Winkel in Bezug auf die Normale zur Oberfläche des ersten Reflektors auftrifft.
  6. Laserstruktur nach Anspruch 1, wobei: die Halbleiter-Verstärkungsregion eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist; der erste Reflektor in unmittelbarer Nähe zur ersten Seite der Verstärkungsregion und im Pumpstrahl angeordnet ist; eine reflektierende Oberfläche in unmittelbarer Nähe zur zweiten Seite der Verstärkungsregion angeordnet ist; und ein Luftspalt zwischen dem zweiten Reflektor und der reflektierenden Oberfläche angeordnet ist.
  7. Laserstruktur nach Anspruch 6, ferner umfassend Positionierungselemente, die so konfiguriert sind, dass sie eine Dicke des Luftspalts anpassen.
  8. Laserstruktur nach Anspruch 6, wobei der Pumpstrahl mehrere Moden umfasst, und die Laserstrahlung eine einzige Mode umfasst.
  9. Verfahren, umfassend: Betreiben eines Lasers, der eine Halbleiter-Verstärkungsregion, die so konfiguriert ist, dass sie Strahlung bei einer Laser-Schwerpunktwellenlänge emittiert, einen ersten und einen zweiten Reflektor und eine reflektierende Oberfläche umfasst, die in unmittelbarer Nähe zu der Verstärkungsregion angeordnet ist, wobei der erste und der zweite Reflektor einen primären Laserresonator definieren und die reflektierende Oberfläche und der zweite Reflektor einen sekundären optischen Resonator definieren; Betreiben einer Pumpquelle, die so konfiguriert ist, dass sie Pumpstrahlung mit einer Anzahl von Eingangsmoden emittiert, wobei die Pumpstrahlung zur Halbleiter-Verstärkungsregion gerichtet und wenigstens teilweise in dieser absorbiert wird; und Anpassen eines Spaltes zwischen der reflektierenden Oberfläche und dem zweiten Reflektor, bis der Laser eine Anzahl von Ausgangsmoden ausgibt, die niedriger als die Anzahl von Eingangsmoden ist, wobei der erste Reflektor eine Anzahl von Schichtpaaren umfasst, wobei jedes Schichtpaar eine erste und eine zweite Schicht umfasst, wobei eine optische Dicke der ersten Schicht 3/4 der Laser-Schwerpunktwellenlänge beträgt, und eine optische Dicke der zweiten Schicht 3/4 der Laser-Schwerpunktwellenlänge beträgt, und wobei die Schichtpaare des ersten Reflektors dielektrisches Material umfassen.
DE102013204964.1A 2012-03-22 2013-03-20 Optisch gepumpte oberflächenemittierende Laser mit Reflektor mit hohem Reflexionsvermögen und begrenzter Bandbreite Active DE102013204964B4 (de)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
US13/427,335 2012-03-22
US13/427,335 US9124062B2 (en) 2012-03-22 2012-03-22 Optically pumped surface emitting lasers incorporating high reflectivity/bandwidth limited reflector

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