Einführung in Kantenemittierende Laser (EEL)

Einführung in Kantenemittierende Laser (EEL)
Um eine hohe Ausgangsleistung von Halbleiterlasern zu erzielen, wird derzeit die Kantenemissionsstruktur genutzt. Der Resonator des Kantenemissionslasers besteht aus der natürlichen Dissoziationsfläche des Halbleiterkristalls, und der Ausgangsstrahl wird an der Vorderseite des Lasers emittiert. Kantenemissionslaser erreichen zwar eine hohe Ausgangsleistung, ihr Emissionsfleck ist jedoch elliptisch, die Strahlqualität gering, und die Strahlform muss mithilfe eines Strahlformungssystems angepasst werden.
Das folgende Diagramm zeigt den Aufbau eines kantenemittierenden Halbleiterlasers. Der optische Resonator des EEL ist parallel zur Oberfläche des Halbleiterchips ausgerichtet und emittiert Laserlicht an dessen Kante. Dadurch wird eine Laserleistung mit hoher Geschwindigkeit und geringem Rauschen erzielt. Allerdings weist der vom EEL emittierte Laserstrahl im Allgemeinen einen asymmetrischen Strahlquerschnitt und eine große Winkelstreuung auf, und die Kopplungseffizienz mit Fasern oder anderen optischen Komponenten ist gering.

Die Steigerung der EEL-Ausgangsleistung wird durch die Wärmeentwicklung im aktiven Bereich und optische Schäden an der Halbleiteroberfläche begrenzt. Durch Vergrößerung der Wellenleiterfläche zur Reduzierung der Wärmeentwicklung im aktiven Bereich und Verbesserung der Wärmeableitung sowie durch Vergrößerung der Lichtaustrittsfläche zur Reduzierung der optischen Leistungsdichte des Strahls und Vermeidung optischer Schäden lässt sich in der Einzelmoden-Wellenleiterstruktur eine Ausgangsleistung von bis zu mehreren hundert Milliwatt erzielen.
Bei einem 100-mm-Wellenleiter kann ein einzelner Kantenemittierender Laser eine Ausgangsleistung von mehreren zehn Watt erreichen. Allerdings ist der Wellenleiter in dieser Phase auf der Chipebene stark multimodal, und das Aspektverhältnis des Ausgangsstrahls erreicht ebenfalls 100:1, was ein komplexes Strahlformungssystem erfordert.
Unter der Annahme, dass es keine neuen Durchbrüche in der Material- und Epitaxietechnologie gibt, besteht die Hauptmethode zur Steigerung der Ausgangsleistung eines einzelnen Halbleiterlaserchips in der Vergrößerung der Streifenbreite seiner Leuchtzone. Eine zu große Streifenbreite kann jedoch leicht zu transversalen Moden höherer Ordnung und filamentartigen Schwingungen führen, was die Gleichmäßigkeit der Lichtausbeute stark beeinträchtigt. Da die Ausgangsleistung nicht proportional zur Streifenbreite ansteigt, ist die Ausgangsleistung eines einzelnen Chips extrem begrenzt. Um die Ausgangsleistung deutlich zu steigern, wurde die Array-Technologie entwickelt. Diese Technologie integriert mehrere Lasereinheiten auf demselben Substrat, sodass jede Leuchteinheit in Richtung der langsamen Achse als eindimensionales Array angeordnet ist. Durch optische Isolation der einzelnen Leuchteinheiten im Array wird eine gegenseitige Beeinflussung verhindert. So entsteht ein Laser mit mehreren Aperturen. Die Ausgangsleistung des gesamten Chips lässt sich durch Erhöhung der Anzahl integrierter Leuchteinheiten steigern. Bei diesem Halbleiterlaserchip handelt es sich um einen Halbleiterlaser-Array-Chip (LDA-Chip), auch bekannt als Halbleiterlaserbarren.