DE2451018B2

DE2451018B2 - Injektions-Halbleiterlasereinrichtung

Info

Publication number: DE2451018B2
Application number: DE2451018A
Authority: DE
Inventors: Izuo Tokyo Hayashi; Hiroo Yonezu
Original assignee: NIPPON SELFOC CO Ltd TOKYO JP
Current assignee: NIPPON SELFOC CO Ltd TOKYO JP
Priority date: 1973-12-03
Filing date: 1974-10-26
Publication date: 1981-07-09
Also published as: US4003074A; CA1027222A; DE2451018A1; DE2451018C3; GB1454188A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Injektions-Halbleiterlaservorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Durch die DE-OS 17 64 147 ist eine Vorrichtung der vorstehend genannten Art bekannt geworden. Bei diesem kompakten Halbleiter-Bauelement besitzen beide Elektrodenkörper sockeiförmig vorspringende Teile, zwischen denen der scheibenförmige Halbleiterlaser angeordnet ist. Der zylindrische Hohlkörper aus transparentem Isoliermaterial umgibt den Halbleiterlaser und die beiden sockeiförmig vorspringenden Teile. Die aus dieser Laservorrichtung austretenden Strahlen divergieren mit einem relativ weiten Divergenzwinkel, was für viele Anwendungsfälle unerwünscht ist. Die Strahlen müssen daher mittels besonderer, nachgeschalteter optischer Einrichtungen zu weitgehend parallelverlaufenden Strahlen umgewandelt werden. Außerdem müssen die Strahlen zum Einkoppeln auf die Eintrittsflächen kleinquerschnittiger Lichtleitkabel konvergiert bzw. fokussiert werden.

Durch die US-PS 33 96 344 ist bereits bekannt, zur Kollimiering von divergierenden Laserlichtstrahlen zwei halbzylindrische Linsen zu verwenden. Zur genauen Justierung der beiden hintereinander liegenden Linsen gegenüber dem Laserausgang ist die dem Laserausgang zunächst liegende eine Linse in aufwendiger Weise auf einer um eine Querachse schwenkbaren Lagerung gehalten. Außerdem sind die erforderlichen Abmessungen der Linsen sowie der erforderliche ^r- Abstand vor allem der zweiten am weitesten von dem Laserausgang entfernt liegenden Linse beträchtlich, so daß eine solche Linsenanordnung zusammen mit dem Laser für eine kompakte zur Massenproduktion geeignete Bauweise nicht in Frage kommt.
!<> Durch die Zeitschrift »The Bell System Technical Journal«, Bd. 44 (1965), Nr. 3, S. 455 bis 494 sind bereits optische Medien mit einem Brechungsindex bekannt, der über den Querschnitt des Mediums von der optischen Achse nach außen stetig abnimmt.
l) Aufgabe der Erfindung ist es, eine Injektions-Halbleiterlaservorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die eine Kollimierung von divergierenden Laserstrahlen auf kleinstem Raum innerhalb einer zur Massenproduktion besonders geeigneten, weitgehend 2» stoßunempfindlichen Geräteeinheit in kompakter Bauweise ermöglicht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausführungen nach der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausfüh- ;< > rung einer Injektions-Halbleiterlaservorrichtung,

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie A-A' in Fig. 1,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführung einer lnjektions-Halbleiterlaservorrichi' > tung,

Fig.4 einen Querschnitt entlang der Linie A-A'm F i g. 3,

Fig.5 einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführung einer Injektions-Halbleiterlaservorrichtung und
w Fig.6 einen Querschnitt entlang der Linie A-A' in Fig. 5.

In Fig. 1 und 2 ist ein Laser-Kristall 1 in einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse untergebracht. Ein Metallkörper 2 ζ. B. aus Kupfer enthält ein •i> Gewindeteil 3 (10 mm Länge, 4 mm Durchmesser), ein sockeiförmig vorspringendes Teil 5 (7,5 mm Außendurchmesser) und einen Flanschteil 4 (3 mm unterhalb der Stirnfläche des vorspringenden Teiles 5 mit 0,5 mm Dicke und 10 mm Außendurchmesser). Ein Zwischen- vi ring 6 (10 mm Außendurchmesser, 8 mm Innendurchmesser und 1,5 mm Dicke) ist durch Metallschmelzen mit dem Flanschteil 4 verbunden. Ein zylindrischer Hohlkörper 7 aus Glas (10 mm Außendurchmesser, 8 mm Innendurchmesser und 3 mm Höhe) und ein Vi Zwischenring 8 (12 mm Außendurchmesser, 8 mm Innendurchmesser, 0,3 mm Dicke und mit einer Stufe von 1 mm Höhe) sind übereinander auf dem Zwischenring 6 durch Metallschmelzen aufgebracht. Beide Enden des zylindrischen Hohlkörpers 7 wurden vorher durch ω einen bekannten Sinterungsprozeß metallisiert.

Der Laserkristall 1 befindet sich im engen Kontakt mit dem oberen Ende eines kupfernen Teiles einer Wärmesenke 11 (z.B. 2mm Durchmesser und 1 mm Höhe). Der Laserkristall ist ungefähr 80 Mikrometer ω dick und enthält eine aktive Schicht, die in 3 Mikrometer Entfernung von der Oberfläche der p-Schicht entfernt liegt.

Diese p-Schicht ist in Verbindung mit der Wärniesen-

ke 11, die auf das vorspringende Teil 5 aufgebracht wird, nachdem der Laser-Kristall 1 auf der Wärmesenke 11 angebracht worden ist Die η-Schicht des Laserkristalls

1 ist durch einen weichen, elektrisch leitenden Draht 10 mit dem gestuften Zwischenring 8 verbundtn, an den die , andere Elektrode 9 anschließt

Die Laserausgangsstrahlen eines Halbleiterlasers sind unsymmetrisch. Der Divergenzwinkel in der Richtung senkrecht zum p-n-Obergang beträgt in der Regel etwa 80", parallel zum p-n-Obergang etwa 10°. Der iii Strahlquers-hnitt ist extrem elliptisch. Deswegen divergiert der Laserstrahl von bekannten Vorrichtungen der eingangs genannten Art stark hinter dem Gehäuse, wodurch die Anwendung der hierbei abgestrahlten Laserstrahlen eingeschränkt ist. ι >

Zum Konvergieren der nach der einen (rechten) Seite austretenden Laserstrahlen ist ein wegen seiner linsenartigen Wirkung weiter als Linsenelement 12 bezeichneter Lichtleiterkörper (3.5 mm Länge, 2 mm Durchmesser) mit Epoxydharz so auf dem orspringen- :ίι den Teil 5 aufgebracht, daß die Zentralachse des Linsenelementes 12 mit der Schwingungszone und der Achse des Laserkristalles 1 zusammenfällt. Das Gehäuse ist mit einem scheibenförmigen Metallkörper 9 als Abdeckung (12 mm Außendurchmesser und 0,5 mm .> > Dicke) abgeschlossen und zwar durch Schweißen in trockener Stickstoffatmosphäre.

Im Ausführungsbeispiel der Erfindung gemä!> Fig. 1,

2 befinden sich der Laserkristall 1 und das Linsenelement 12 im Abstand von 1,2 mm. Das Linsenelement ist n> z. B. 3,5 mm lang, wodurch ein im wesentlicher paralleler Laserstrahl 22 erhalten wird.

Der linke Laserstrahl 23 ist an der dem Linsenelement 12 gegenüberliegenden Seite stark divergierend. Trotzdem kann dieser Strahl 23 mit Vorteil zu Überwachungszwecken oder zur Stabilisierung des Lichtausganges verwendet werden. Es ist besonders vorteilhaft, daß der nahezu parallele rechte Strahl 22 etwa in der gleichen Art wie bekannte Gas-Laser- oder Festkörperlaser benutzt werden kann. Für Glasfaser-Bildübertra- x> gungen wird ein Linsenelement mit geeigneter Brechungsindexverteilung und Länge so installiert, daß ein konvergierender Strahl erhalten und einem Glasfaser-Lichtleitkabel zugeführt werden kann. Obwohl der Glaszylinder 7 wie eine konvexe Linse wirkt, ist diese v> konvexe Linsenwirkung sehr gering. Wenn der Ausgangsstrahl beispielsweise durch den Glaszylinder 7 hindurchfällt und dann ajf ein Glasfaser-Lichtleitkabel auftrifft, wobei der Durchmesser des Strahles mit 4 μίτι so klein ist, daß für die optische Kopplung besondere ■> <> Sorgfalt geboten ist, so fällt der Kopplungsgrad bei dem zylindrischen Glas nur um 10% kleiner als bei einem ebenen Glas aus.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt entlang der Linie A -A 'in Fig. 1 durch die Zentralachse des Laserkristalls 1 und ^rA das Linsenelement 12. Wie dargestellt, wird der Laserstrahl 22 durch die konvexe Linsenwirkung des Glaszylinders 7 nicht wesentlich deformiert. Das Linsenelement 12 im Glaszylinder 7 kann je nach Verwendungszweck verschieden ausgebildet sein. Es e>o kann z. B. zylindrisch, halbzylindrisch oder eben ausgebildet sein. Es kann sich aber auch um einen Hohlzylinder aus Glas handeln. Die Laservorrichtung ist auch für Raumhologramme verwendbar. Der Spalt /wischen dem Laserkristall 1 und dem Linsenelement 12 hS kann mit Epoxydharz ausgefüllt sein, um den Kopplungsfaktor zwischen diesen Teilen zu vergrößern. Wenn der Laser nut einer geringen Ausgangsleistung betrieben wird, kann das durch den Glaszylinder eintretende Licht ein Rauschen verursachen. Um solche Störeinflüsse zu verhindern, kann der Glaszylinder, mit Ausnahme von den Austrittsstellen der Laserstrahlen, schwarz abgedeckt sein.

Der linke Laserstrahl 23 kann optisch in der gleichen Weise fokussiert werden wie der rechte Laserstrahl 22, so daß beide Strahlen benutzbar sind. Dabei kann die Vorrichtung als optischer Verstärker a'isgebildet sein. Zum Beispiel wird ein schwacher Lichtstrahl über ein Lichtleitkabel auf das eine Ende des Laserkristalls geleitet. Dieser Strahl wird in dem Laserkristal! verstärkt am anderen Ende emittiert und in ein weiteres Lichtleitkabel eingekoppelt

Die scheibenförmige Wärmesenke 11 kann eine Diamantgitterstruktur oder irgendeine andere geeignete Struktur haben. Der Laserkristall kann auch mit einer dicken plattierten Goldschicht auf der Wärmesenke 11 befestigt sein, um zu verhindern, daß der Laserstrahl durch die Wärmesenke 11 nachteilig beeinflußt wird.

Wie schon gesagt wirkt der Glaszylinder 7 wird eine konvexe Linse. Der nahezu parallele fokussierte Lichtstrahl 22 ist nicht kreissymmetrisch deformiert, so daß die Bildpunktgröße des Lichtes eine Gaußverteilung aufweist. Sofern hierdurch Schwierigkeiten beim Einkoppeln des Lichtstrahles in ein Glasfaserlichtleitkabel auftreten, so kann der Teil des Glaszylinders 7, durch den der Laserstrahl 22 hindurchtritt, in einer Ebene senkrecht zu dem Laserstrahl wölbungsfrei ausgebildet sein.

In der Praxis kann ein kommerziell erhältlicher Glaszylinder 7 in einer Einspannvorrichtung durch Erhitzen teilweise abgeflacht werden, was einfacher durchführbar und ökonomischer ist als die Verwendung von untereinander befestigten ebenen Platten von z. B. rechteckigen Querschnitten.

Ein solcher Glaszylinder 7 ist in den F i g. 3 und 4 dargestellt. Im übrigen entspricht diese Laservorrichtung der Ausbildung nach F i g. 1 und 2. Der Glaszylinder 6 in Fi g. 3 und 4 wird erwärmt und dann an der Durchtrittsstelle für den Strahl zu einem optisch ebenen Teil 13 von 3 mm Ausdehnung verformt. Anschließend wird der Glaszylinder 7 auf eine Länge von 3 mm abgeschnitten und auf den Zwischenring 6 aufgeschmolzen.

Entsprechend Fig.4 sind die Schwingungsachse des Laserkristalls 1 und die optische Achse 31 des Linsenelementes 12 zueinander ausgerichtet. Der Laserkristall 1 und das Linsenelement 12 sind dabei derart angeordnet, daß die optische Achse 31 im wesentlichen senkrecht durch die Mitte des optisch ebenen Teiles 13 des Glaszylinders 7 hindurchgeht Wenn die optische Achse 31 nicht senkrecht auf dem optisch ebenen Teil 13 stehen würde, würde der Laserstrahl 22 gebrochen. In Experiementen wurde ein Kopplungsgrad von 60 bis 70% erreicht, wenn der fokussierte, nahezu parallele Lichtstrahl in ein Lichtleitkabel eingekoppelt wurde, wobei die Bildpunktgröße 4 μιη betrug.

In Fig. 5 und 6 ist das Linsenelement 12 durch den Glaszylinder 7 hindurchgeführt um Reflexions- und Refraktionseinflüsse des Laserstrahles beim Hindurchtreten durch den Glaszylinder 7 zu vermeiden. Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt durch die Vorrichtung und Fi £.6 einen Querschnitt entlang der Linie A-A'. Der Glaszylinder 7 besitzt eine öffnung 14, in die ein Linsenelement 12, das mit Glasharz 15 oder einem ähnlichen Material hermetisch abgedichtet ist, einge-

paßt ist.

Bei Ausführungen, bei denen das Linsenelement 12 innerhalb des Glaszylinders 7 angeordnet ist, beträgt die Reflexion der Laserstrahlen an der inneren Oberfläche des Glaszylinders 14%, an der äußeren Oberfläche 7% und jeweils 7% am Ein- und Ausgang des zylindrischen Linsenelementes 12, sofern der Strahl senkrecht auf der Zylinderoberfläche auftrifft. Diese Reflexionsverluste können verringert werden, wenn sich das Linsenelement 12 gem. F i g. 5 und 6 durch den Glaszylinder hindurch erstreckt. Der Reflexionsverlust kann nahezu zu Null werden, wenn das Linsenelement 12 mit einem antireflektierenden Film überzogen ist. Die beiden Laserstrahlen können dadurch mit hoher Lichtausbeute erhalten werden.

Weitere Merkmale dieser Ausführung sind nachstehend in Gegenüberstellung mit der Ausführung nach F i g. 1 und 2 beschrieben. In F i g. 5 ist vorteilhafterweise ein Linsenelement 12 in der Gestalt eines zylindrischen Lichtleitkörpers verwendet. Das Linsenelement 12 ist in die öffnung 14 des Glaszylinders 7 eingepaßt und mit Epoxydharz 15 hermetisch abgedichtet. Ein kupferner Metallkörper besitzt einen Gewindeabschnitt 3 (7 mm Länge, 3 mm Durchmesser), einen vorspringenden Teil 5 (3 mm Außendurchmesser) und einen Flanschteil 4 (5 mm Außendurchmesser, 0,5 mm Dicke, 3 mm unterhalb der Stirnfläche des Teiles 5). Ein Zwischenring 6 (5 mm Außendurchmesser, 3,5 mm Innendurchmesser und 1,5 mm Dicke) ist durch Metallschmelzen auf dem Flanschteil 4 aufgebracht. Der Glaszylinder 7 (5 mm Außendurchmesser, 3,5 mm Innendurchmesser und 3 mm Länge) besitzt eine öffnung 14 (2 mm Durchmesser) und ist mit dem Zwischenring 6 verschweißt. Der stufenförmige Zwischenring 8 (6 mm Außendurchmesser, 3,5 mm Innendurchmesser und 03 mm Dicke) ist auf den Glaszylinder 7 aufgeschweißt. Der Spalt zwischen dem Laserkristall 1 und dem Linsenelement 12 beträgt 1,2 mm, die Länge des Linsenelementes 12 ist 3 mm gewählt. Auf diese Weise wird ein nahezu paralleler Laserstrahl 22

t- I IIOlli.il.

Der Laserkristall ist ca. 80 μηπ dick. Seine aktive Schicht ist etwa 3 μηι von der p-leitenden Oberfläche entfernt, die mit der Wärmesenke 11 in Kontakt ist. Diese Wärmesenke U wird mit dem oberen Ende 5 des Metallkörpers 2 verbunden, nachdem der Lascrkristall auf der Wärmesenke 11 befestigt worden ist. Die andere mit der η-leitenden Oberfläche verbundene Elektrode des Laserkristalls 1 ist mittels eines Golddrahtes 10 mit dem stufenförmigen Zwischenring 8 verbunden. Das zylindrische Linsenelement 12 (3 mm Länge und 2 mm Durchmesser) ist so ausgebildet, daß es durch die Öffnung 14 (z. B. 2,2 mm Weite) des Glaszylinders 7 hindurchragt. Das Linsenelement 12 wird in die öffnung 14 eingesetzt und in der öffnung 14 mit Epoxydharz befestigt, nachdem die zentrale Achse des Linsenelemcntes 12 mit der optischen Achse des Laserkristalls 1 ausgerichtet worden sind.

Abschließend wird ein Metallkörper 9 als Deckplattenelektrode durch Schweißung in trockener Stickstoffatmosphäre mit dem Zwischenring 8 verbunden. Jeder Spalt zwischen dem Linsenelement 12 und dem Glaszylinder 7 wird mit Epoxydharz so ausgefüllt, daß der Glaszylinder 12 hermetisch abgeschlossen ist.

Der Laserkristall 1 kann auch direkt mit dem oberen Ende 5 des Metallkörpers 2 ohne Zwischenschaltung einer Wärmesenke 11 verbunden werden, wenn das obere Ende 5 auf Grund seiner Konstruktion einen Wärmewiderstand von weniger als 15°C/W aufweist.

Das Linsenelement 12 ist also derart angeordnet, daß es dr.rch den Glaszylinder 7 hindurchragt, wobei der Laserstrahl 22 durch dieses Linsenelement hindurchläuft, ohne daß dabei Reflexionsverluste auftreten, die von dem Glaszylinder 7 herrühren. Wenn beide Enden des Linsenelementes 12 mit einem antireflektierenden Film überzogen werden, so wird gemäß F i g. 5 und 6 ein Halbleiterlasergehäuse erhalten, das praktisch keine Reflexionsverluste aufweist. Außerdem ist es schwierig, die innere Oberfläche eines zylindrischen Glaszylinders 7 mit einem antireflektierenden Film zu überziehen.

Die quasi parallelen Laserstrahlen des Halbleiterlasers 1 können somit wie Strahlen bekannter Gas- oder Festkörperlaser verwendet werden. Durch den Einsatz von Linsenelementen 12 der vorstehenden Art kann fokussiertes Licht erhalten werden. Um das fokussierte Licht einem Lichtleitkabel aufgeben zu können ist es nötig, die Brechungsindexverteilung des Linsenelementes 12, seine Länge und seine Befestigungslage genau zu bestimmen. Dabei können zylindrische, ebene, halbzylindrische Linsenelemente 12 aus Glas oder andere geeignete Linsenelemente verwendet werden, die in Öffnungen 14 im Glaszylinder 7 eingepaßt sein können. Der Teil des Glaszylinders 7, durch den das Linsenelement 12 in F i g. 6 hindurchragt, ist z. B. 2,2 mm dick.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Injektions-Halbleiterlaservorrichtung mit einem zylindrischen Hohlkörper aus transparentem Isoliermaterial, der an seinen beiden Enden von zwei metallischen Elektroden dicht abgeschlossen ist, von denen die eine Elektrode sich mit einem sockeiförmig vorspringenden Teil axial in das Innere des von dem zylindrischen Hohlkörper umschlossenen Raum hineinerstreckt, wobei mit dem vorspringenden Teil ein Halbleiterlaser thermisch und elektrisch verbunden ist, der in elektrischer Verbindung mit der anderen Elektrode steht, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem vorspringenden Teil (5) gegenüber dem Halbleiterlaser ein Lichtleitkörper

(12) angeordnet ist, dessen Brechungsindex über seinem Querschnitt derart von der optischen Achse des Lasers (1) nach außen stetig abnimmt, daß der aus dem Laser austretende divergierende Strahl nach seinem Durchgang durch den Lichtleitkörper in einen im wesentlichen parallelen oder konvergierenden Strahl (22) umgewandelt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleitkörper (12) zylindrisch ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleitkörper (12) aus einem flachen Körper mit rechteckigem Querschnitt besteht.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der Teil

(13) des transparenten Hohlkörpers (7), an dem der parallele oder konvergierende Laserstrahl (22) hindurchtritt, in einer Ebene senkrecht zu dem Laserstrahl wölbungsfrei ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleitkörper (12) durch den transparenten Hohlkörper (7) dicht hindurchgeführt ist.