Einführung in den Kantenemittierenden Laser (EEL)

Einführung in den Kantenemittierenden Laser (EEL)
Um eine hohe Leistung eines Halbleiterlasers zu erzielen, setzt die aktuelle Technologie auf Kantenemissionsstrukturen. Der Resonator des kantenemittierenden Halbleiterlasers besteht aus der natürlichen Dissoziationsfläche des Halbleiterkristalls, und der Ausgangsstrahl wird von der Vorderseite des Lasers emittiert. Der kantenemittierende Halbleiterlaser kann zwar eine hohe Leistung erzielen, sein Ausgangsfleck ist jedoch elliptisch, die Strahlqualität ist schlecht und die Strahlform muss mit einem Strahlformungssystem modifiziert werden.
Das folgende Diagramm zeigt den Aufbau eines kantenemittierenden Halbleiterlasers. Der optische Resonator des EEL verläuft parallel zur Oberfläche des Halbleiterchips und emittiert Laserlicht am Rand des Halbleiterchips. Dadurch wird eine Laserleistung mit hoher Geschwindigkeit und geringem Rauschen erreicht. Der vom EEL ausgegebene Laserstrahl weist jedoch in der Regel einen asymmetrischen Strahlquerschnitt und eine große Winkeldivergenz auf, und die Kopplungseffizienz mit Fasern oder anderen optischen Komponenten ist gering.

Die Steigerung der EEL-Ausgangsleistung wird durch Abwärmeansammlung im aktiven Bereich und optische Schäden an der Halbleiteroberfläche begrenzt. Durch Vergrößerung der Wellenleiterfläche zur Reduzierung der Abwärmeansammlung im aktiven Bereich und Verbesserung der Wärmeableitung sowie Vergrößerung der Lichtaustrittsfläche zur Reduzierung der optischen Leistungsdichte des Strahls und Vermeidung optischer Schäden kann in der Single-Transversalmode-Wellenleiterstruktur eine Ausgangsleistung von bis zu mehreren hundert Milliwatt erreicht werden.
Bei einem 100-mm-Wellenleiter kann ein einzelner Kantenemittierlaser eine Ausgangsleistung von mehreren zehn Watt erreichen. Allerdings ist der Wellenleiter auf der Chipebene stark multimodal und das Seitenverhältnis des Ausgangsstrahls erreicht ebenfalls 100:1, was ein komplexes Strahlformungssystem erfordert.
Sofern es in der Materialtechnologie und der Epitaxietechnologie keine neuen Durchbrüche gibt, liegt die Hauptmethode zur Verbesserung der Ausgangsleistung eines einzelnen Halbleiterlaserchips in der Vergrößerung der Streifenbreite des Leuchtbereichs des Chips. Eine zu große Streifenbreite führt jedoch leicht zu transversalen Schwingungen höherer Ordnung und filamentartigen Schwingungen, die die Gleichmäßigkeit der Lichtleistung stark reduzieren. Zudem steigt die Ausgangsleistung nicht proportional zur Streifenbreite, sodass die Ausgangsleistung eines einzelnen Chips stark begrenzt ist. Um die Ausgangsleistung deutlich zu steigern, bietet sich die Array-Technologie an. Bei dieser Technologie werden mehrere Lasereinheiten auf demselben Substrat integriert, sodass jede Leuchteinheit in Richtung der langsamen Achse als eindimensionales Array angeordnet ist. Sofern die einzelnen Leuchteinheiten im Array optisch isoliert sind, sodass sie sich nicht gegenseitig stören und ein Laser mit mehreren Aperturen entsteht, kann die Ausgangsleistung des gesamten Chips durch Erhöhung der Anzahl der integrierten Leuchteinheiten gesteigert werden. Bei diesem Halbleiterlaserchip handelt es sich um einen Halbleiterlaserarray-Chip (LDA), auch als Halbleiterlaserbarren bekannt.