DE69308063T2

DE69308063T2 - Oberflächen emittierender Vielfachhalbleiterlaser mit verteilter Rückkopplung und mit Talbot-Filterwirkung

Info

Publication number: DE69308063T2
Application number: DE69308063T
Authority: DE
Inventors: Steven H Macomber
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Goodrich Corp
Priority date: 1992-04-24
Filing date: 1993-04-23
Publication date: 1997-09-25
Anticipated expiration: 2013-04-24
Also published as: EP0567346A3; KR940006321A; JPH0645696A; EP0567346B1; DE69308063D1; EP0567346A2; JPH0773147B2; US5282220A

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft oberflächenemittierende Halbleiterlaser mit verteilter Rückkopplung, und insbesondere eine oberflächenemittierende Halbleiterlasergruppe mit verteilter Rückkopplung, die einen Talbot-Raumfilter benutzt, um eine fundamentale Querschwingungsmode zu erhalten.

Beschreibung des Standes der Technik

Lichtverstärkung durch induzierte Emission von Strahlung (LASER) erzeugt unidirektionales bzw. gerichtetes, monochromatisches und am wichtigsten kohärentes sichtbares Licht. Die induzierte Emission von Strahlung ist ein Vorgang, bei dem sich der Energiezustand eines Atoms durch einen Quantenübergang unter Emission eines Photons ändert. Bei einem solchen Vorgang nähert sich ein Photon einem Atom, das sich anfänglich in einem angeregten Energiezustand befindet, und veranlaßt dieses Atom, einen Übergang in einen niedrigeren Energiezustand zu vollziehen. Während der Erniedrigung des Energiezustandes des Atoms, emittiert das Atom ein Photon. Dieses emittierte Photon, das ein anderes Photon ist als das, welches den Energieübergang induziert hat, besitzt eine Energie, die gleich der Differenz zwischen dem angeregten und niedrigeren Energiezustand des Atoms ist. Überdies verlassen beide, dieses emittierte Photon und das induzierende Photon, das Atom in der gleichen Richtung, welche das induzierende Photon bei seiner Annäherung an das Atom hatte. Diese austretenden Photonen sind auch exakt in relativer Phase zueinander; das heißt, sie sind kohärent. Diese Kohärenz wird durch die Energieerhaltung vorgeschrieben, dadurch, daß die zwei Photonen, falls sie um irgendeinen Betrag außer Phase wären, destruktiv interferieren und dadurch die Energieerhaltung verletzen würden. Daher ist die induzierte Emission von Strahlung ein Vorgang, der kohärente Photonenvervielfachung oder Lichtverstärkung hervorruft, also ein Laser.
Die Lasertechnologie hat sich durch Anwendung des oben dargestellten Prinzips auf mehrere verschiedene Arten von aktiven Medien entwickelt. Die jüngste Entwicklung auf diesem Gebiet, verbunden mit den Fortschritten in der Technologie der Halbleiterherstellung, ist der Halbleiterlaser. Jedoch anders als bei einem Laser auf atomarer Basis tritt induzierte Emission in einem Halbleiterlaser auf, wenn sich ein Festkörpermaterial in einem angeregten Zustand befindet. Somit schließt induzierte Emission in einem Halbleiterlaser mehr als ein Atom ein.
Ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser mit verteilter Rückkopplung ist eine Vorrichtung, die unidirektionales bzw. gerichtetes, monochromatisches, kohärentes sichtbares Licht durch induzierte Emission in Halbleitermaterialien erzeugt. Eine solche Vorrichtung besitzt eine positiv dotierte Seite und eine negativ dotierte Seite, die bei einem Übergang verbunden sind, und eine Gitteroberfläche, die in eine äußere Oberfläche der positiv dotierten Seite geätzt ist. Die Gitteroberfläche, auf der ein stark leitfähiges Material angeordnet ist, stellt eine Einrichtung bereit, durch welche kohärente Photonenenergiefelder gebeugt bzw. gestreut werden. Eine Ausführung eines Gitters zweiter Ordnung erlaubt die Ablenkungen von kohärenter Photonenstrahlung, so daß sie durch Beugung erster Ordnung senkrecht zu einem Austrittsfenster, das in die negativ dotierte Seite des Übergangs geätzt ist, und durch Beugung zweiter Ordnung parallel zur Gitteroberfläche gerichtet wird. Die Beugung erster Ordnung erzeugt am Austrittsfenster einen Strahl aus unidirektionalem bzw. gerichtetem, monochromatischem, kohärentem sichtbarem Licht, wohingegen die Beugung zweiter Ordnung eine Rückkopplung von Photonenstrahlung zu einem aktiven Bereich liefert, der benachbart und parallel zur Gitteroberfläche liegt.
Ein am Austrittsfenster einer oberflächenemittierenden Halbleiterlaservorrichtung mit verteilter Rückkopplung erzeugtes theoretisches Longitudinalmoden-Nahfeld-Intensitätsprofil ist antisymmetrisch mit einer Nullintensität Null im Zentrum des Austrittsfensters. Ein entsprechendes theoretisches Longitudinalmoden-Fernfeld-Intensitätsprofil ist doppelkeulig und symmetrisch um das Zentrum des Austrittsfensters. Diese theoretischen Intensitätsprofile sind praktisch in tatsächlichen Einzelvorrichtungsmessungen demonstriert worden, wie es in dem Artikel "Surface Emitting Distributed Feedback Semiconductor Laser", Applied Physics Letters, Volume 51, Nr. 7, S. 472-474, August 1987, beschrieben ist.
Der Einbau eines linear variierenden Chirp in eine Ausführung eines Gitters zweiter Ordnung ergibt jedoch wünschenswertere theoretische und praktisch demonstrierte Intensitätsprofile. Zum Beispiel besitzt das am Austrittsfenster einer oberflächenemittierenden Chirp-Gitterhalbleiterlaservorrichtung mit verteilter Rückkopplung erzeugte theoretische Longitudinalmoden-Nahfeld-Intensitätsprofil keine unerwünschte Nullintensität Null im Zentrum des Austrittsfensters. Weiterhin weist das entsprechende theoretische Longitudinalmoden-Fernfeld-Intensitätsprofil eine wünschenswerte Einzelkeule auf. Diese wünschenswerteren theoretischen Intensitätsprofile sind praktisch in tatsächlichen Einzelvorrichtungsmessungen demonstriert worden, wie in der verwandten und gleichzeitig anhängigen amerikanischen Patentanmeldung Nr. 862,720 mit dem Titel "Chirped Grating Surface Emitting Distributed Feedback Semiconductor Laser" beschrieben ist. Siehe die europäische Patentanmeldung Nr. 93300455.8 (EP-A-0554012).
Solche Messungen haben auch gezeigt, daß eine einzelne oberflächenemittierende Chirp-Gitterhalbleiterlaservorrichtung mit verteilter Rückkopplung in der Lage ist, eine wünschenswerte Dauerstrichleistung von 350 mW in einem Einzelkeulen-Fernfeld bzw. einzelkeuligen Fernfeld bei einer Effizienz bzw. einem Wirkungsgrad von bis zu 20% zu erzeugen. Es kann somit aufgrund dieser vielen wünschenswerten Charakteristika bzw. Eigenschaften einer einzelnen oberflächenemittierenden Chirp-Gitterhalbleiterlaservorrichtung mit verteilter Rückkopplung gefolgert werden, daß es eine große Vielfalt von Anwendungen gibt, in denen eine oder mehrere dieser Vorrichtungen verwendet werden können. Eine Lasergruppe mit Talbot-Filter ist in US-A-4972427 offenbart.

Kurzfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung, wie nachstehend in Anspruch 1 spezifiziert, betrachtet eine Gruppe aus oberflächenemittierenden Chirp-Gitterhalbleiterlaservorrichtungen mit verteilter Rückkopplung, die benutzt werden, um einen Laserstrahl hoher Qualität mit einer Dauerstrichleistung bis zu 10 Watt in einem Einzelkeulen-Fernfeld zu erzeugen. Dies wird durch die Verwendung eines Talbot-Raumfilters, um eine fundamentale Querschwingungsmode bzw. laterale Schwingungsmode zu erreichen bzw. einzurichten, realisiert. Es sollte erwähnt werden, daß ein Talbot-Raumfilter auch in einer Gruppe aus oberflächenemittierenden Nicht-Chirp-Gitterhalbleiterlaservorrichtungen mit verteilter Rückkopplung verwendet werden kann, obwohl, wie noch diskutiert werden wird, die Qualität des Austrittsstrahls und die Gesamteffizienz bzw. der Gesamtwirkungsgrad einer solchen Gruppe nicht so wünschenswert sind.
Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht augenblicklich aus zwei Untergruppen von oberflächenemittierenden Chirp-Gitterhalbleiterlaservorrichtungen mit verteilter Rückkopplung, die durch einen Bereich freier Ausbreitung getrennt sind, welcher eine Länge aufweist, die gleich der ist, die allgemein als Talbot-Distanz bekannt ist. Innerhalb jeder Untergruppe gibt es eine ähnliche bzw. gleiche Anzahl von parallel angeordneten oberflächenemittierenden Chirp-Gitterhalbleiterlaservorrichtungen mit verteilter Rückkopplung von der im Stand der Technik aufgeführten Art. Diese parallel angeordneten oberflächenemittierenden Chirp-Gitterhalbleiterlaservorrichtungen oder -elemente mit verteilter Rückkopplung sind innerhalb jeder Untergruppe seitlich bzw. lateral durch Zwischen- bzw. Inter-Element-"Streifen" aus einem optisch absorbierenden Material voneinander isoliert bzw. getrennt. Die optisch absorbierenden Inter-Element-Streifen absorbieren jegliche laterale außerphasige Wellenleitermoden bzw. laterale Außer-Phase-Wellenleitermoden bzw. phasenverschobene Wellenleiterquermoden, wodurch eine abklingende bzw. evaneszente Kopplung zwischen den Untergruppenelementen verhindert wird.
Die zwei Untergruppen sind so angeordnet, daß ein Ende eines jeden Elements in der ersten Untergruppe an eine Seite des Bereichs freier Ausbreitung angrenzt und ein Ende eines jeden Elements in der zweiten Untergruppe an die andere Seite des Bereichs freier Ausbreitung angrenzt. Außerdem ist das angrenzende Ende eines jeden Elements in der ersten Untergruppe direkt in Linie, oder entsprechend, mit dem angrenzenden Ende eines der Elemente in der zweiten Untergruppe mit der gleichen Anzahl von Elementen. Weiterhin ist eine Gruppe von optisch absorbierenden "Materialinseln" im Zentrum des Bereichs freier Ausbreitung angeordnet, derart, daß eine Insel direkt in Linie mit jedem der entsprechenden bzw. korrespondierenden Paare der Intra-Untergruppenelemente ist. Diese Inseln wirken als Raumfilter für eine spezielle Wellenleitermode, die in jedem korrespondierenden Paar von Inter-Untergruppenelementen vorhanden ist.
Da diese Gruppe von optisch absorbierenden Materialinseln beim Mittelpunkt des Bereichs freier Ausbreitung, oder beim Mittelpunkt der Talbot-Distanz, angeordnet ist, wird darauf als Talbot-Raumfilter Bezug genommen.
Wie zuvor erwähnt wurde, wird der Talbot-Raumfilter verwendet, um fundamentale Querschwingungsmoden bzw. fundamentale laterale Schwingungsmoden zu erhalten. Damit jedoch fundamentale Querschwingungsmoden auftreten, muß es eine parallele Kopplung zwischen den Elementen innerhalb jeder Untergruppe und eine effektive Filterung von unerwünschten Wellenleitermoden zwischen jeder Untergruppe geben. Der Talbot-Raumfilter erfüllt diese Anforderungen der parallelen Kopplung und der Filterung von unerwünschten Wellenleitermoden auf zweierlei Arten.
Erstens, die zwei Untergruppen aus oberflächenemittierenden Chirp-Gitterhalbleiterlaservorrichtungen mit verteilter Rückkopplung sind durch die Talbot-Distanz getrennt, da bei dieser Distanz eine parallele Kopplung zwischen den Elementen innerhalb einer jeden Untergruppe nur zu einer In-Phase-Wellenleitermode bzw. phasengleichen Wellenleitermode und einer Außer-Phase-Wellenleitermode bzw. außerphasigen bzw. phasenverschobenen Wellenleitermode führt, die gut definiert sind. Mit anderen Worten, es werden nur gut definierte Talbot-Bilder von einer phasengleichen Wellenleitermode und einer außerphasigen bzw. phasenverschobenen Wellenleitermode von einer ursprünglichen Untergruppenquelle bei der Talbot-Distanz von der ursprüng lichen Untergruppenquelle entfernt abgebildet. Von diesen zwei Wellenleitergrundmoden weist jedoch nur die phasengleiche Wellenleitermode ein konstantes Phasenprofil über alle Elemente der ursprünglichen Untergruppe hinweg bei der Talbot-Distanz auf. Somit tritt in der vorliegenden Erfindung die stärkste Kopplung zwischen den ersten und den zweiten Untergruppen auf, wenn die zwei Untergruppen durch die Talbot-Distanz (oder einem Vielfachen davon) getrennt sind und die zwei Untergruppen in Phase bzw. phasengleich zueinander sind.
Zweitens, die außerphasige bzw. phasenverschobene Wellenleitergrundmode, die sich aus der parallelen Kopplung zwischen Elementen innerhalb einer Untergruppe ergibt, weist ein alternierendes Phasenprofil zwischen jedem zweiten Untergruppenelement auf. Diese phasenverschobene Wellenleitermode erzeugt ein überwiegend doppelkeuliges Longitudinalmoden-Fernfeld-Intensitätsprofil ohne Zentralkeule, wohingegen die phasengleiche Wellenleitermode, mit ihrem konstanten Phasenprofil, ein überwiegend einzelkeuliges Longitudinalmoden-Fernfeld-Intensitätsprofil erzeugt. Da es wünschenswerter ist, die Leistung eines Laserstrahls in einem einzelkeuligen Fernfeld zu konzentrieren, ist die phasenverschobene Wellenleitermode somit nicht wünschenswert und muß deshalb weggefiltert werden.
Die phasenverschobene Wellenleitermode wird durch die optisch absorbierenden Materialinseln des Talbot-Raumfilters weggefiltert. Diese Filterung hängt direkt von der Positionierung der Talbot-Raumfilter-Inseln ab, da bei einer Hälfte der Talbot-Distanz die Außer-Phase-Wellenleitermode- Halbebene-Talbot-Bilder von Elementen in einer ursprünglichen Untergruppenquelle Maxima direkt in Linie mit den ursprünglichen Untergruppenquelle-Elementen aufweisen. Somit fällt die Anordnung bzw. Positionierung der Talbot-Raumfilter-Inseln direkt mit den Außer-Phase-Wellenleitermode- Halbebene-Talbot-Bildern zusammen, und die außerphasige bzw. phasenverschobene Wellenleitermode wird auf diese Weise durch den Talbot-Raumfilter selektiv weggefiltert. Deshalb erfüllt der Talbot-Raumfilter die Anforderungen zur Einrichtung bzw. Bereitstellung einer fundamentalen Querschwingungsmode bzw. fundamentalen lateralen Schwingungsmode und das Ergebnis ist ein Laserstrahl hoher Qualität mit einem überwiegend einzelkeuligen Fernfeld.
Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Gruppe aus oberflächenemittierenden Halbleiterlaservorrichtungen mit verteilter Rückkopplung bereitzustellen, die einen Laserstrahl hoher Qualität mit einer Dauerstrichleistung von bis zu 10 Watt in einem Einzelkeulen-Fernfeld erzeugt.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen Talbot-Raumfilter zu verwenden, um eine fundamentale Querschwingungsmode bzw. fundamentale laterale Schwingungsmode in einer Gruppe aus oberflächenemittierenden Halbleiterlaservorrichtungen mit verteilter Rückkopplung einzurichten bzw. bereitzustellen.

Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist eine dreidimensionale Ansicht einer Gruppe aus oberflächenemittierenden Chirp-Gitterhalbleiterlaservorrichtungen mit verteilter Rückkopplung gemäß der Erfindung. Ebenfalls gezeigt ist eine dreidimensionale im Aufriß gezeigte Querschnittsansicht über eine Untergruppe aus mehreren der oberflächenemittierenden Chirp-Halbleiterlaservorrichtungen mit verteilter Rückkopplung.
Figur 2 ist eine Abbildung von zwei Untergruppen aus oberflächenemittierenden Chirp-Gitterhalbleiterlaservorrichtungen mit verteilter Rückkopplung, die durch einen Bereich freier Ausbreitung mit einer Talbot-Raumfilter- Gruppe getrennt sind.
Figur 3 ist eine graphische Darstellung, die theoretische Talbot-Bilder von einer Untergruppe aus zweiundzwanzig (22) oberflächenemittierenden Chirp-Gitterhalbleiterlaservorrichtungen mit verteilter Rückkopplung bei mehreren Ebenen über einen Bereich freier Ausbreitung hinweg zeigt. Außerdem ist eine graphische Darstellung gezeigt, die ein theoretisches Phasenprofil bei der Talbot-Ebene von der Untergruppe aus zweiundzwanzig (22) oberflächenemittierenden Chirp-Gitterhalbleiterlaservorrichtungen mit verteilter Rückkopplung und ein theoretisches Intensitätsprofil bei der Talbot-Ebene von einer einzelnen oberflächenemittierenden Chirp-Gitterhalbleiterlaservorrichtung mit verteilter Rückkopplung zeigt.
Figur 4 ist eine graphische Darstellung, die theoretische Außer-Phase- und In-Phase-Wellenleitermode-Halbebene- Talbot-Bilder von einer Untergruppe aus zweiundzwanzig (22) oberflächenemittierenden Chirp-Gitterhalbleiterlaservorrichtungen mit verteilter Rückkopplung zeigt.
Figur 5 ist eine graphische Darstellung, die ein theoretisches Longitudinalmoden-Fernfeld-Intensitätsprofil einer oberflächenemittierenden Chirp-Gitterhalbleiterlasergruppe mit verteilter Rückkopplung und mit Talbot-Filter zeigt.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Bezugnehmend auf Figur 1, so ist dort eine dreidimensionale Unteransicht einer Vorrichtung 10 der vorliegenden Erfindung mit einer oberflächenemittierenden Chirp-Gitterhalbleiterlasergruppe 12 mit verteilter Rückkopplung gezeigt. Diese Vorrichtung 10 besteht aus einem negativ (N) dotierten Substrat 14 aus einem Material einer Gallium- Arsen-Verbindung (GaAs), auf das mehrere epitaktische Schichten 16 aufgewachsen sind. Das Verfahren zur Herstellung dieser Vorrichtung 10 ist ähnlich dem, welches in der verwandten und gleichzeitig anhängigen amerikanischen Patentanmeldung Nr. 822,253 mit dem Titel "Apparatus and Method for Fabricating a Chirped Grating in a Surface Emitting Distributed Feedback Semiconductor Laser Diode Device" (siehe Europäische Patentanmeldung Nr. 93300204.0, EP-A-0552028) beschrieben wird, außer daß anstelle der Herstellung einer Gruppe aus isolierten oberflächenemittierenden Chirp-Gitterhalbleiterlasern mit verteilter Rückkopplung die Vorrichtung 10 der vorliegenden Erfindung so hergestellt wird, daß sie eine oberflächenemittierende Chirp- Gitterhalbleiterlasergruppe 12 mit verteilter Rückkopplung umfaßt, die in einer ersten Untergruppe 20 und einer zweiten Untergruppe 22 angeordnet ist, welche durch einen Bereich 24 freier Ausbreitung mit einer leistungsverstärkenden Talbot-Raumfilter-Gruppe 28 getrennt sind. Es sollte erwähnt werden, daß die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung so hergestellt werden kann, daß sie eine oberflächenemittierende Chirp-Gitterhalbleiterlaservorrichtungsgruppe mit verteilter Rückkopplung mit mehr als zwei Untergruppen umfaßt, vorausgesetzt, daß sie alle voneinander durch Bereiche freier Ausbreitung mit leistungsverstärkenden Talbot-Raumfilter-Gruppen getrennt sind.
Wie in der im Aufriß gezeigten Ansicht in Figur 1 gezeigt ist, besteht eine Untergruppe 20 aus mehreren parallel angeordneten oberflächenemittierenden Chirp-Gitterhalbleiterlaservorrichtungen 18 mit verteilter Rückkopplung. Die parallel angeordneten oberflächenemittierenden Chirp-Gitterhalbleiterlaservorrichtungen oder -elemente 18 mit verteilter Rückkopplung einer Untergruppe 20 sind seitlich bzw. lateral (entlang der Y-Achse der Koordinatenebene) voneinander durch Zwischen-Element-Streifen bzw. Inter- Element-Streifen 26 aus einem optisch absorbierenden GaAs- Material getrennt bzw. isoliert. Somit tritt keine laterale Kopplung zwischen den Streifen aus GaAs-Material auf. Es sollte erwähnt werden, daß eine Chirp-Gitteroberfläche 30 für die gesamte Gruppe 12 in eine Bodenepitaxialschicht 32 geätzt wird, bevor ein Rückätz- und Überwachsungsvorgang durchgeführt wird, um die Inter-Element-Streifen 26 aus optisch absorbierendem GaAs-Material herzustellen. Somit ist für die Chirp-Gitteroberfläche 30 über alle Gruppenelemente 18 hinweg eine übereinstimmende bzw. konsistente Periodizität sichergestellt. Es sollte auch noch erwähnt werden, daß die oberflächenemittierende Chirp-Gitterhalbleiterlasergruppe 12 mit verteilter Rückkopplung so hergestellt ist, daß jedes Element 18 in der ersten Untergruppe 20 direkt in Linie mit einem Element 18 in der zweiten Untergruppe 22 liegt bzw. steht, und umgekehrt, wodurch Talbot- Kopplung zwischen den zwei Untergruppen 20, 22 gefördert bzw. unterstützt wird. Jedes Paar von in Linie liegenden bzw. stehenden Untergruppenelementen 18 wird als ein entsprechendes bzw. korrespondierendes Paar von Untergruppenelementen 18' bezeichnet.
Bezugnehmend auf Figur 2, so ist dort eine Abbildung der oberflächenemittierenden Chirp-Gitterhalbleiterlasergruppe 12 mit verteilter Rückkopplung aus Figur 1 gezeigt. Die Untergruppen 20, 22 sind durch den Bereich 24 freier Ausbreitung mit einer Länge (in der Z-Koordinatenachsenrichtung) gleich der Talbot-Distanz getrennt. Die Talbot- Distanz wird gemäß der Gleichung
ZT = 2nD²/π
berechnet, wobei n ein effektiver Brechungsindex in dem Bereich freier Ausbreitung, D ein mittiger räumlicher Abstand der benachbarten Gruppenelemente und 2 eine Vakuumwellenlänge aller in Gruppenelementen stehenden Wellen ist. Für die in Figur 2 gezeigte Gruppe 12 beträgt die Talbot-Distanz zT. = 204 µm für einen Wert von D = 5,0 µm, n = 3,47 und λ = 0,85 µm.
Außerdem wird in Figur 2 die Talbot-Raumfilter-Gruppe 28 gezeigt. Die Talbot-Raumfilter-Gruppe 28 besteht aus mehreren "Inseln" 34 aus optisch absorbierendem GaAs-Material, die im Zentrum des Bereichs 24 freier Ausbreitung, oder bei einer Hälfte der Talbot-Distanz, zT, angeordnet sind. Diese optisch absorbierenden Inseln 34 sind auch so angeordnet, daß eine Insel 34 direkt in Linie mit jedem entsprechenden bzw. korrespondierenden Paar von Gruppenelementen 18' steht bzw. liegt. Die optisch absorbierenden Inseln 34 werden in der Vorrichtung 10 während des selben Rückätz- und Überwachsungsvorgangs hergestellt, der bei der Herstellung der Zwischen- bzw. Inter-Element-Streifen 26 durchgeführt wird.
Bezugnehmend auf Figur 3, so ist dort eine graphische Darstellung gezeigt, die theoretische In-Phase-Wellenleitermode-Talbot-Bilder von einer einzelnen Untergruppe aus zweiundzwanzig (22) Elementen zeigt: bei der Untergruppenquelle 36 (z = 0), eine Hälfte der Talbot-Distanz von der Untergruppenquelle entfernt 38 (z = zT/2), und eine volle Talbot-Distanz von der Untergruppenquelle entfernt 40 (z = zT). Zum Zweck dieser Beschreibung kann die einzelne Untergruppe aus zweiundzwanzig (22) Elementen, auf die oben Bezug genommen wurde, entweder die erste Untergruppe 20 oder die zweite Untergruppe 22 der Vorrichtung 10 der vorliegenden Erfindung sein. Außerdem ist in Figur 3 eine graphische Darstellung gezeigt, die ein theoretisches In- Phase-Wellenleitermode-Phasenprofil 42 von der einzelnen Gruppe aus zweiundzwanzig (22) Elementen bei der Talbot- Distanz (z = zT) zeigt. Man beachte, daß das Talbot-Bild 40 bei der vollen Talbot-Distanz bezüglich dem Bild 36 der Untergruppenquelle gut ausgebildet ist und daß das Phasenprofil 42 über den größten Teil des Talbot-Bildes 40 hinweg sehr flach verläuft. Da die theoretischen Profile der Talbot-Intensität 40 und der Phase 42 von der einzelnen Untergruppe bei der vollen Talbot-Distanz gezeigt sind, der Distanz, durch welche die ersten 20 und die zweiten 22 Untergruppen in der Vorrichtung 10 der vorliegenden Erfindung getrennt sind, kann man somit erkennen, daß die stärkste Kopplung zwischen den ersten 20 und den zweiten 22 Untergruppen auftritt, wenn die zwei Untergruppen 20, 22 durch die Talbot-Distanz getrennt und die zwei Untergruppen 20, 22 in Phase bzw. phasengleich zueinander sind.
Zur Verdeutlichung des Grades der parallelen Kopplung zwischen Elementen 18 innerhalb einer Untergruppe 20, 22, ist in Figur 3 eine graphische Darstellung 44 gezeigt, die eine theoretische Wellenausbreitungsintensität bei der Talbot-Distanz von einem einzelnen Untergruppenelement 18 zeigt. Anhand dieser graphischen Darstellung 44 kann man erkennen, daß ein einzelnes Element 18 mit ungefähr vier benachbarten Elementen 18 bei der Talbot-Distanz parallel gekoppelt ist. Obwohl es aus dieser graphischen Darstellung nicht hervorgeht, ist es theoretisch und praktisch nachgewiesen worden, wie in dem Artikel mit dem Titel "Coherent Operation of an Array of Diode Lasers Using a Spatial Filter in a Talbot Cavity", Applied Physics Letters, Volume 50, Nr. 9, S. 816 - 818, 1988, beschrieben, daß ein hoher Grad von paralleler Kopplung zwischen Elementen 18 innerhalb einer Untergruppe 20, 22 nur zu einer phasengleichen Wellenleitermode und einer phasenverschobenen Wellenleitermode führt, die innerhalb eines Bereichs 24 freier Ausbreitung gut definiert sind. Da die stärkste Kopplung zwischen den ersten 20 und den zweiten 22 Untergruppen in der Vorrichtung 10 der vorliegenden Erfindung auftritt, wenn die Untergruppen 20, 22 in Phase bzw. phasengleich sind, muß somit die phasenverschobene Wellenleitermode weggefiltert werden.
Bezugnehmend auf Figur 4, so ist dort eine graphische Darstellung gezeigt, die die theoretischen In-Phase- Wellenleitermode- und Außer-Phase-Wellenleitermode-Talbot- Bilder von einer einzelnen Untergruppe aus zweiundzwanzig (22) Elementen bei einer Hälfte der Talbot-Distanz von der Untergruppenquelle (z = zT/2) zeigt. Außerdem ist in Figur 4 eine Blockdarstellung einer einzelnen Talbot-Raumfilter- Gruppe 50 aus zweiundzwanzig (22) Elementen gezeigt, die, gemäß der Vorrichtung 10 der vorliegenden Erfindung, bei einer Hälfte der Talbot-Distanz von der Untergruppenquelle positioniert ist, derart, daß dort eine Raumfilter-Insel 34 direkt in Linie mit jedem Untergruppenelement 18 ist. Zum Zweck dieser Beschreibung kann die einzelne Untergruppe aus zweiundzwanzig (22) Elementen, auf die oben Bezug genommen wurde, entweder die erste Untergruppe 20 oder die zweite Untergruppe 22 der Vorrichtung (10) der vorliegenden Erfindung sein.
Man erkennt anhand der graphischen Darstellung in Figur 4, daß die In-Phase-Wellenleitermode-Talbot-Bilder 46 maximale Intensitätspeaks aufweisen, die sich im Zentrum zwischen den Inseln 34 der Talbot-Raumfilter-Gruppe befinden. Dagegen weisen die Außer-Phase-Wellenleitermode-Talbot-Bilder 48 ihre Maxima im Zentrum direkt in Linie mit den Inseln 34 der Talbot-Raumfilter-Gruppe auf. Somit filtert die Talbot-Raumfilter-Gruppe selektiv die Außer-Phase- Wellenleitermode bzw. phasenverschobene Wellenleitermode weg, während sie die In-Phase-Wellenleitermode bzw. phasengleiche Wellenleitermode durchläßt bzw. überträgt.
Bezugnehmend auf Figur 5, so ist dort ein theoretisches Longitudinalmoden-Fernfeld-Intensitätsprofil einer oberflächenemittierenden Chirp-Gitterhalbleiterlasergruppe mit verteilter Rückkopplung und mit Talbot-Filter gezeigt, die zwei (2) Untergruppen aus zweiundzwanzig (22) Elementen aufweist. Obwohl die Mehrheit der Leistung in die Zentralkeule 52 gerichtet ist, gibt es signifikante Nebenkeulen 54, die von einem niedrigen Füllfaktor herrühren, der für parallele Kopplung erforderlich ist. Viel von der Energie in diesen Nebenkeulen 54 kann jedoch in die Zentralkeule 52 unter Verwendung einer binäroptischen Einzelniveau-Phasen platte zurückgerichtet werden. Ähnliche Phasenplatten sind in der Vergangenheit ohne signifikanten Verlust an Effizienz bzw. Wirkungsgrad verwendet worden, wie in dem Artikel "Coherent Operation of an Array Diode Lasers Using a Spatial Filter in a Talbot Cavity" beschrieben wird. Die Verwendung einer solchen Phasenplatte in der Vorrichtung 10 der vorliegenden Erfindung ergibt eine oberflächenemittierende Chirp-Gitterhalbleiterlasergruppe 12 mit verteilter Rückkopplung und mit Talbot-Filter, die einen Laserstrahl hoher Qualität mit einer Dauerstrichleistung von bis zu 10 Watt in der Zentral- Fernfeld-Keule 52 erzeugt.
Man erkennt somit, daß die oben hervorgehobenen Ziele effizient erreicht werden, und da bestimmte Änderungen in der oben beschriebenen Vorrichtung gemacht werden können, ohne vom Anwendungsbereich der Erfindung abzuweichen, ist es beabsichtigt, daß der gesamte Inhalt, der in der obigen Beschreibung enthalten oder in den beigefügten Zeichnungen gezeigt ist, nur als beispielhaft und nicht in einem einschränkenden Sinn zu verstehen ist.

Claims

1. Eine oberflächenemittierende Halbleiterlasergruppe (12) mit verteilter Rückkopplung und mit Talbot-Filter, die aufweist:

(i) eine Vielzahl von oberflächenemittierenden Halbleiterlaserelementen (14, 16, 18) mit verteilter Rückkopplung, und

(ii) eine Talbot-Raumfilteranordnung (28), um eine fundamentale Querschwingungsmode innerhalb und zwischen der Vielzahl von Laserelementen zu erhalten; wobei

(1) die Vielzahl von Laserelementen eine Gruppe von Chirp-Gitterlaserelementen (20, 22) aufweist, wobei die Gruppe eine erste Untergruppe (20) aus einer Vielzahl der Laserelemente (18), die parallel angeordnet sind, und eine zweite Untergruppe (22) aus einer Vielzahl der Laserelemente (18), die parallel angeordnet sind, aufweist, wobei die ersten und zweiten Untergruppen durch einen Bereich (24) freier Ausbreitung getrennt sind, und wobei jedes Laserelement aus der Vielzahl der Laserelemente innerhalb der ersten Untergruppe direkt in Linie über den Bereich freier Ausbreitung hinweg mit einem korrespondierenden Laserelement aus der Vielzahl der Laserelemente innerhalb der zweite Untergruppe ist; wobei der Bereich freier Ausbreitung eine Länge aufweist, die gleich der Talbot-Distanz ist, wobei die Talbot-Distanz durch eine Gleichung ausgedrückt wird:

ZT = 2nD²/λ,

wobei n ein effektiver Brechungsindex in dem Bereich freier Ausbreitung, D ein mittiger räumlicher Abstand zwischen den parallel angeordneten Untergruppenlaserelementen, λ eine Vakuumwellenlänge einer stehenden Welle für alle die Gruppenlaserelemente und z eine Koordinaten achse ist, die in Linie mit all den parallel angeordneten Gruppenlaserelementen ist; und

(2) die Talbot-Raumfilteranordnung (28) eine Vielzahl von optisch absorbierenden Materialinseln (34) aufweist, wobei sich die Vielzahl von optisch absorbierenden Materialinseln in dem Bereich freier Ausbreitung bei der Hälfte der Talbot-Distanz befindet, und wobei jede Materialinsel aus der Vielzahl der optisch absorbierenden Materialinseln direkt zwischen und in Linie mit einem Paar aus der Vielzahl der korrespondierenden Inter-Untergruppenlaserelementepaare (18) ist, derart, daß eine Materialinsel aus der Vielzahl der optisch absorbierenden Materialinseln (34) direkt zwischen und in Linie mit jedem Paar aus der Vielzahl der korrespondierenden Inter-Untergruppenlaser elementepaare (18) ist.

2. Ein Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle parallel angeordneten Laserelemente (18) in den ersten und zweiten Untergruppen (20, 22) durch optisch absorbierende Materialstreifen (26) voneinander lateral isoliert sind.

3. Ein Laser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optisch absorbierenden Materialstreifen (26) und die optisch absorbierenden Materialinseln (34) aus negativdotiertem Galliumarsenid sind.

4. Ein Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangslaserstrahl ein Einzelkeulen-Longitudinalmoden-Fernfeld aufweist.

5. Ein Laser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl bis zu 10 Watt Dauerstrichleistung aufweist.