DE2451018C3 - Injektions-Halbleiterlasereinrichtung - Google Patents
Injektions-HalbleiterlasereinrichtungInfo
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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 Lpserlichtstrahleii
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
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
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
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 Ausführung
einer Injektions-Halbleiterlaservorrichtung,
Fig.2 einen Querschnitt entlang der Linie A-A'm
Fig. 1,
Fig.3 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführung einer Injektions-Halbleiterlaservorrichtung,
Fig.4 einen Querschnitt entlang der Linie A-A' in
F i g. 3,
F i g. 5 einen Längsschnitt durck eine dritte Ausführung
einer Injektions-Halbleiterlaservorrichtung und
Fig.6 einen Querschnitt entlang der Linie Λ-Λ'ίη
Fig. 5.
In Fig. I und 2 ist ein Laser-Kristall 1 in einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse untergebracht.
Ein Metallkörper 2 z. B. aus Kupfer enthält ein 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 Zwischenring
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 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
einen bekannten Sintcrungsprozeß metallisiert.
Der Laserkristal! 1 befindet sich im engen Kontakt mit dem oberen Kride eines kupfernen Teiles einer
Wärmesenke 11 (/. B. 2 mm Durchmesser und I mm
Höhe). Der Lascrkristall ist ungefähr 80 Mikrometer dick und enthalt eine aktive Schicht, die in 3 Mikrometer
Entfernung von der Oberfläche der p-Schicht entfernt
liegt.
Diese p-Schicht ist in Verbindung mit der Wärmesen-
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 verbunden, an den die andere Elektrode 9 anschließt
Die Laserausgangsstrahlen eines Halbleiterlasen sind
unsymmetrisch. Der Divergenzwinkel in der Richtung senkrecht zum p-n-Übergang beträgt in der Regel etwa
80°, parallel zum p-n-Übergang etwa 10°. Der Strahlquerschnitt 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
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 vorspringenden Teil 5 aufgebracht daß die Zentr^lachsc 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 gemäß Fig. ϊ,
2 befinden sich der Laserkristall 1 und das Linsenelement 12 im Abstand von 1,2 mm. Das Linsenelement ist
z. B. 3,5 mm lang, wodurch ein im wesentlicher paralleltr 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 A rt wie bekannte Gas-Laser- oder Festkörperlaser benutzt werden kann. Für Glasfaser-Bildübertragungen
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 Uns? wirkt, ist diese
konvexe Linsenwirkung sehr gering. Wenn der Ausgangsstrahl beispielsweise durch den Glaszylinder 7
hindurchfällt und dann auf ein Glasfaser-Lichtleitkabel auftrifft, wobei der Durchmesser des Strahles mit 4 μπι
so klein ist, daß für die optische Kopplung besondere Sorgfalt jeboten ist, so fällt der Kopplungsgrad bei dem
zylindrischen Glas nur um 10% kleiner ais bei einem ebenen Glas aus.
Fig.2 zeigt einen Schnitt entlang der Linie A-A'in
Fig. 1 durch die Zentralachse des Laserkristaüs 1 und
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 jr nach
Verwendungszweck verschieden ausgebildet sein. Es kann z. B. zylindrisch, halbzylindrisch oder eben
ausgebildet sein. Es kann sich aber auch um einen Hohlzylinder aus Glas handeln. Die Laservorrichtung isi
auch für Raumhologramme verwendbar. Der Spalt zwischen dem Laserkristall 1 und dem Linsenelement I?
kann mit Epoxydhar: ausgefüllt sein, um den Kopplungsfaktor
zwischen diesen Teilen zu vergrößern. Wenn der Laser mit 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 ausgebildet sein.
iii Zum Beispiel wird ein schwacher Lichtstrahl über ein
Lichtleitkabel auf das eine Ende des Laserkristalls geleitet. Dieser Strahl wird in dem Laserkristall
verstärkt, am anderen Ende emittiert und in ein weiteres Lichtleitkabel eingekoppelt
ii 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
jii durch die Wärmesenke 11 nachteilig beeinflußt wird.
Wie schon gesagt wirkt der Glaszyi.nder 7 wird eine konvexe Linse Der nahezu parallele fokussierte
Lichtstrahl 22 ist nicht kreissymmetrisch deformiert, so daß die Bildpunktgröße des Lichtes eine Gaußvertei-
>i lung 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
jo 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
ti 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 Fig. 1 und 2. Der
4ii Glaszylinder 6 in Fig.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 der Zwischenring 6
•ii aufgeschmolzen.
Entsprechend F i g. 4 sind die Schwingungsachss des Laserkristalls 1 und die optische Achse 31 des
Linsenelementes 12 zueinander ausgerichtet. Der Laserkristall 1 und das Linsenelement 12 sind dabei
in 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
Oi Laserstrahl 22 gebrochen. In Experiementun wurde ein
Kopplungsgrad von 60 bis 70% erreicht, wenn der fokussierte, nahezu parallele Lichtstrahl in ein Lichtleitkabel
eingekoppelt wurde, wobei die Bildpunktgröße 4 μπι betrug.
wi In Fig. 5 und 6 ist das Linsenelement 12 durch den
Glaszylinder 7 hindurchgeführt um Reflexions- und Refraktionseinflüsse des Laserstrahles beim Hindurchtretui
durch den Glaszylinder 7 zu vermeiden. Fig. 5 zeigt einen Läng schnitt durch die Vorrichtung und
hi Fig. 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, betragt Hie
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 Reflexionsverlustc können verringert werden, wenn sich das Linsenelement
12 gem. Fig. 5 und 6 durch den Glaszylinder hindurch erstreckt. Der Reflexionsverlust kann nahezu
zu Null werden, wenn das l.insenelement 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 0.3 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 erhalten.
Der Laserkristall ist ca. 80 um dick. Seine aktive
Schicht ist etwa 3 μίτι von der p-leitenden Oberfläche
entfernt, die mit der Wärmesenke 11 in Kontakt ist. Diese Wärmesenke 11 wird mit dem oberen Ende 5 des
Metallkörpers 2 verbunden, nachdem der Laserkristall 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 Linsenelementes 12 mit der optischen Achse des Laserkristalls 1
ausgerichtet worder, sind.
Abschließend wird ein Metallkörper 9 als Dcckplattenelektrode
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 l.aserkristall 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 I5°C/W aufweist.
Das Linsenelement 12 ist also derart angeordnet, daß
es durch den Glaszylinder 7 hindurchragt, wobei der Laserstrahl 22 durch dieses Linsenelement hindurchläuft,
öhre 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 Offnungen 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. 22 mm dick.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
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 auOen stetig abnimmt, da3 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 einen 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 ! bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleitkörper
(12) durch den transparenten Hohlkörper (7) dicht hindurchgeführt ist.
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