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DE102010014100A1 - Semiconductor laser element, has laser diode and positive temperature co-efficient resistor that are thermally connected with one another and arranged on heat sink and thermal conductive intermediate medium - Google Patents

Semiconductor laser element, has laser diode and positive temperature co-efficient resistor that are thermally connected with one another and arranged on heat sink and thermal conductive intermediate medium Download PDF

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DE102010014100A1
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laser diode
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semiconductor laser
diode chip
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DE102010014100A
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German (de)
Inventor
Dr. Lindberg Hans
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Ams Osram International GmbH
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Osram Opto Semiconductors GmbH
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Abstract

The element (1) has a laser diode (2) e.g. edge-emitting laser diode, and a positive temperature co-efficient (PTC) resistor (3) that are thermally connected with one another and arranged on a heat sink (4) and a thermal conductive intermediate medium. The PTC resistor comprises ceramic that contains barium titanate, lead titanate or strontium titanate, where nominal temperature of the PTC resistor is 40 degree Celsius. The laser diode and the PTC resistor are arranged in a housing that comprises a cylindrical housing base and a housing side wall. An independent claim is also included for a method for operating a semiconductor laser component.

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterlaserbauelement und ein Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterlaserbauelements.The invention relates to a semiconductor laser component and a method for operating a semiconductor laser component.

Bei Halbleiterlasern ist die Wellenlänge der emittierten Strahlung von der Temperatur des Halbleiterlaserbauelements abhängig. Dies kann zu einer unerwünschten Änderung der Emissionswellenlänge führen, wenn sich zum Beispiel die Temperatur des Halbleiterlaserbauelements aufgrund einer Änderung der Umgebungstemperatur verändert. Zur Verminderung der Temperaturdrift können passiv stabilisierte Laserdioden wie beispielsweise DFB-Laser, DBR-Laser oder VCSEL eingesetzt werden, bei denen die Wellenlänge durch den Aufbau des Resonators und/oder der Kontaktstruktur stabilisiert wird. Bei solchen passiv stabilisierten Lasern können aber Nicht-Linearitäten in der Ausgangsleistung auftreten und die Ausgangsleistung ist in der Regel auf einige Milliwatt limitiert.In semiconductor lasers, the wavelength of the emitted radiation is dependent on the temperature of the semiconductor laser device. This may result in an undesirable change in emission wavelength, for example, when the temperature of the semiconductor laser device changes due to a change in ambient temperature. To reduce the temperature drift, passively stabilized laser diodes such as DFB lasers, DBR lasers or VCSELs can be used, in which the wavelength is stabilized by the structure of the resonator and / or the contact structure. In such passively stabilized lasers, however, non-linearities in the output power can occur and the output power is usually limited to a few milliwatts.

Andererseits ist es möglich, die Temperatur des Halbleiterbauelements aktiv zu stabilisieren, indem ein Regelkreis aus einem Kühlelement, einem Temperatursensor und einer Treiberschaltung verwendet wird. Dadurch erhöhen sich aber die Größe und die Kosten des Halbleiterlaserbauelements.On the other hand, it is possible to actively stabilize the temperature of the semiconductor device by using a control circuit of a cooling element, a temperature sensor, and a driver circuit. However, this increases the size and cost of the semiconductor laser device.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterlaserbauelement und ein Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterlaserbauelements anzugeben, bei denen auf vergleichsweise einfache und kostengünstige Weise eine Stabilisierung der Emissionswellenlänge erzielt wird.The invention has for its object to provide a semiconductor laser device and a method for operating a semiconductor laser device, in which a stabilization of the emission wavelength is achieved in a relatively simple and cost-effective manner.

Diese Aufgabe wird durch ein Halbleiterlaserbauelement und ein Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterlaserbauelements gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by a semiconductor laser device and a method for operating a semiconductor laser device according to the independent claims. Advantageous embodiments and modifications of the invention are the subject of the dependent claims.

Ein Halbleiterlaserbauelement umfasst gemäß zumindest einer Ausführungsform der Erfindung einen Laserdiodenchip und einen PTC-Widerstand, wobei der Laserdiodenchip und der PTC-Widerstand thermisch miteinander verbunden sind. Der Laserdiodenchip und der PTC-Widerstand sind insbesondere derart thermisch miteinander verbunden, dass während des Betriebs des Halbleiterlaserbauelements auftretende Temperaturänderungen des PTC-Widerstands zu einer Temperaturänderung des Laserdiodenchips führen und umgekehrt.A semiconductor laser device according to at least one embodiment of the invention comprises a laser diode chip and a PTC resistor, wherein the laser diode chip and the PTC resistor are thermally connected together. The laser diode chip and the PTC resistor are in particular thermally connected to one another in such a way that temperature changes of the PTC resistor occurring during operation of the semiconductor laser component lead to a temperature change of the laser diode chip and vice versa.

Vorzugsweise sind die Temperaturänderungen des PTC-Widerstands und des Laserdiodenchips im Wesentlichen gleich, so dass beispielsweise eine Erhöhung der Temperatur des PTC-Widerstands um etwa 10°C auch eine Erhöhung der Temperatur des Laserdiodenchips um etwa 10°C bewirkt.Preferably, the temperature changes of the PTC resistor and the laser diode chip are substantially equal so that, for example, raising the temperature of the PTC resistor by about 10 ° C also causes the temperature of the laser diode chip to increase by about 10 ° C.

Die Betriebstemperatur des Laserdiodenchips unterscheidet sich bevorzugt um nicht mehr als 10°C und besonders bevorzugt um nicht mehr als 5°C von der Betriebstemperatur des PTC-Widerstands.The operating temperature of the laser diode chip preferably differs by not more than 10 ° C and more preferably not more than 5 ° C from the operating temperature of the PTC resistor.

Die Erfindung macht sich die stark nicht lineare Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands und der daraus resultierenden Änderung des Betriebsstroms und der in Wärme umgesetzten elektrischen Leistung bei einem PTC-Widerstand zunutze. Bei einem PTC-Widerstand steigt der elektrische Widerstand oberhalb der so genannten Nenntemperatur, die in etwa der ferroelektrischen Curie-Temperatur entspricht, exponentiell an. Beispielsweise kann der Widerstand innerhalb eines Temperaturintervalls von wenigen °C um mehrere Größenordnungen ansteigen.The invention takes advantage of the highly non-linear temperature dependence of the electrical resistance and the resulting change in operating current and heat-converted electrical power in a PTC resistor. In a PTC resistor, the electrical resistance above the so-called nominal temperature, which corresponds approximately to the ferroelectric Curie temperature, increases exponentially. For example, the resistance can increase by several orders of magnitude within a temperature interval of a few degrees Celsius.

Wenn sich beispielsweise beim Betrieb des Halbleiterlaserbauelements die Umgebungstemperatur verringert, führt dies zu einer starken Verringerung des elektrischen Widerstands des PTC-Widerstands, so dass der Betriebsstrom beim Betrieb mit einer konstanten Spannung stark ansteigt. Dadurch wird eine höhere elektrische Leistung in dem PTC-Widerstand umgesetzt, die zu einer Erwärmung des PTC-Widerstands führt. Die sich bei der geringeren Umgebungstemperatur einstellende Temperatur des PTC-Widerstands stellt sich dabei vorzugsweise derart ein, dass sie in etwa der Temperatur bei der vorherigen größeren Umgebungstemperatur entspricht. Entsprechend führt eine Erhöhung der Umgebungstemperatur zu einer Erhöhung des Widerstands des PTC-Widerstands und somit zu einer Verminderung der in dem PTC-Widerstand in Wärme umgesetzten elektrischen Leistung, die einer Temperaturerhöhung des PTC-Widerstands entgegenwirkt und diese vorzugsweise sogar ganz kompensiert.For example, when the ambient temperature decreases during operation of the semiconductor laser device, this leads to a large reduction in the electrical resistance of the PTC resistor, so that the operating current increases sharply when operating at a constant voltage. As a result, a higher electrical power is converted in the PTC resistor, which leads to a heating of the PTC resistor. The adjusting itself at the lower ambient temperature temperature of the PTC resistor is preferably such that it corresponds approximately to the temperature at the previous larger ambient temperature. Correspondingly, an increase in the ambient temperature leads to an increase in the resistance of the PTC resistor and thus to a reduction in the electrical power converted into heat in the PTC resistor, which counteracts and preferably even completely compensates for a temperature increase of the PTC resistor.

Das Temperaturverhalten des PTC-Widerstands ist also vorteilhaft dadurch gekennzeichnet, dass sich unabhängig von der Umgebungstemperatur eine zumindest annähernd stabile Gleichgewichtstemperatur einstellt. Der PTC-Widerstand ist daher thermisch selbststabilisierend.The temperature behavior of the PTC resistor is thus advantageously characterized in that an at least approximately stable equilibrium temperature is established independently of the ambient temperature. The PTC resistor is therefore thermally self-stabilizing.

Dadurch, dass der PTC-Widerstand und der Laserdiodenchip thermisch miteinander verbunden sind, werden vorteilhaft die Temperaturschwankungen des Laserdiodenchips vermindert. Insbesondere wird auf diese Weise erreicht, dass temperaturbedingte Schwankungen der Emissionswellenlänge der Laserdiode vermindert werden.By virtue of the fact that the PTC resistor and the laser diode chip are thermally connected to one another, the temperature fluctuations of the laser diode chip are advantageously reduced. In particular, it is achieved in this way that temperature-induced fluctuations in the emission wavelength of the laser diode are reduced.

Der PTC-Widerstand und der Laserdiodenchip sind vorzugsweise dadurch thermisch miteinander verbunden, dass sie auf einem gemeinsamen thermisch leitfähigen Träger angeordnet sind. Der thermisch leitfähige Träger kann insbesondere ein Träger aus einem Metall oder einer Metalllegierung sein. Bei dem Metall oder der Metalllegierung kann es sich beispielsweise um Cu oder CuW handeln. Alternativ sind auch andere thermisch leitfähige Materialien geeignet.The PTC resistor and the laser diode chip are preferably thermally connected to each other by being on a common thermally conductive carrier are arranged. The thermally conductive carrier may in particular be a carrier made of a metal or a metal alloy. The metal or metal alloy may be, for example, Cu or CuW. Alternatively, other thermally conductive materials are suitable.

Der Laserdiodenchip und der PTC-Widerstand können beispielsweise nebeneinander auf dem thermisch leitfähigen Träger angeordnet sein. In diesem Fall besteht eine thermische Verbindung zwischen dem PTC-Widerstand und dem Laserdiodenchip dadurch, dass der PTC-Widerstand und der Laserdiodenchip jeweils Wärme über die dem Träger zugewandte Grundfläche an den Träger abgeben und vom Träger aufnehmen können.The laser diode chip and the PTC resistor may, for example, be arranged side by side on the thermally conductive carrier. In this case, there is a thermal connection between the PTC resistor and the laser diode chip in that the PTC resistor and the laser diode chip can each deliver heat to the carrier via the base area facing the carrier and absorb it from the carrier.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind der Laserdiodenchip und der PTC-Widerstand auf einander gegenüberliegenden Seiten eines thermisch leitfähigen Trägers angeordnet. In diesem Fall liegen sich der Laserdiodenchip und der PTC-Widerstand vorzugsweise einander direkt gegenüber, das heißt sie sind in lateraler Richtung nicht voneinander beabstandet. In diesem Fall sind der Laserdiodenchip und der PTC-Widerstand vorteilhaft nur durch die Dicke des thermisch leitfähigen Trägers und gegebenenfalls vorhandene Verbindungsschichten wie beispielsweise Lotschichten voneinander beabstandet.In another preferred embodiment, the laser diode chip and the PTC resistor are disposed on opposite sides of a thermally conductive support. In this case, the laser diode chip and the PTC resistor are preferably directly opposite each other, that is, they are not spaced apart in the lateral direction. In this case, the laser diode chip and the PTC resistor are advantageously only spaced apart from one another by the thickness of the thermally conductive carrier and optionally existing connecting layers, such as solder layers.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung weist der PTC-Widerstand eine Keramik auf. Die Keramik kann insbesondere eine Titanat-Keramik sein. Vorzugsweise enthält die Keramik Barium-Titanat, Blei-Titanat oder Strontium-Titanat. Die Keramik kann Zusatzstoffe, insbesondere Dotierstoffe, enthalten. Beispielsweise handelt es sich bei den Zusatzstoffen um Yttrium, Mangan, Tantal oder Silizium. Mittels solcher Zusatzstoffe ist es insbesondere möglich, die Nenntemperatur des PTC-Widerstands zu beeinflussen. Unter der Nenntemperatur wird im Rahmen der Anmeldung die Temperatur verstanden, bei der der Widerstand Rn des PTC-Widerstands doppelt so groß ist wie der Anfangswiderstand Ra. Der Anfangswiderstand Ra ist dabei der Widerstand, bei dem der temperaturabhängige Widerstand des PTC-Widerstands ein Minimum aufweist, das heißt, dass ein Wechsel von einem negativen zu einem positiven Temperaturkoeffizienten stattfindet. Oberhalb der Nenntemperatur, die in etwa mit der ferroelektrischen Curie-Temperatur übereinstimmt, weist ein PTC-Widerstand einen stark positiven Temperaturkoeffizienten auf.In a preferred embodiment, the PTC resistor has a ceramic. The ceramic may in particular be a titanate ceramic. Preferably, the ceramic contains barium titanate, lead titanate or strontium titanate. The ceramic may contain additives, in particular dopants. For example, the additives are yttrium, manganese, tantalum or silicon. By means of such additives, it is possible in particular to influence the nominal temperature of the PTC resistor. Under the nominal temperature is understood in the context of the application, the temperature at which the resistance R n of the PTC resistor is twice as large as the initial resistance R a . The initial resistance R a is the resistance at which the temperature-dependent resistance of the PTC resistor has a minimum, that is, a change from a negative to a positive temperature coefficient takes place. Above the nominal temperature, which coincides approximately with the ferroelectric Curie temperature, a PTC resistor has a strongly positive temperature coefficient.

Die Nenntemperatur des PTC-Widerstands beträgt vorzugsweise mindestens 40°C. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Nenntemperatur nicht mehr als 70°C beträgt.The rated temperature of the PTC resistor is preferably at least 40 ° C. Furthermore, it is advantageous if the nominal temperature is not more than 70 ° C.

Im Betrieb des Halbleiterlaserbauelements wird der PTC-Widerstand vorzugsweise bei einer Temperatur betrieben, die größer als die Nenntemperatur ist. Der PTC-Widerstand weist in diesem Fall einen stark positiven Temperaturkoeffizienten auf, wodurch sich, wie zuvor beschrieben, eine thermische Selbststabilisierung des PTC-Widerstands ergibt. Die Temperaturstabilisierung erfolgt vorzugsweise in der Nähe der maximal zulässigen Umgebungstemperatur des Laserdiodenchips, beispielsweise bei etwa 50°C.In operation of the semiconductor laser device, the PTC resistor is preferably operated at a temperature greater than the nominal temperature. The PTC resistor in this case has a strong positive temperature coefficient, resulting in thermal self-stabilization of the PTC resistor, as described above. The temperature stabilization is preferably carried out in the vicinity of the maximum permissible ambient temperature of the laser diode chip, for example at about 50 ° C.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Halbleiterlaserbauelement ein Gehäuse auf und der Laserdiodenchip und der PTC-Widerstand sind in das Gehäuse integriert. Durch die Integration des Laserdiodenchips und des PTC-Widerstands in ein gemeinsames Gehäuse wird die thermische Verbindung und somit der Temperaturaustausch zwischen dem PTC-Widerstand und dem Laserdiodenchip weiter verbessert. Bei dem Gehäuse des Halbleiterlaserbauelements, in das der PTC-Widerstand und der Laserdiodenchip integriert sind, kann es sich insbesondere um ein so genanntes TO(Transistor Outline)-Gehäuse handeln. Alternativ sind auch andere Gehäuse, insbesondere oberflächenmontierbare Gehäuse, geeignet.In a further advantageous embodiment, the semiconductor laser component has a housing and the laser diode chip and the PTC resistor are integrated into the housing. The integration of the laser diode chip and the PTC resistor in a common housing, the thermal connection and thus the temperature exchange between the PTC resistor and the laser diode chip is further improved. The housing of the semiconductor laser component, in which the PTC resistor and the laser diode chip are integrated, can in particular be a so-called TO (transistor outline) housing. Alternatively, other housings, in particular surface mount housings, are suitable.

Bei einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betrieb eines Halbleiterlaserbauelements weist das Halbleiterlaserbauelement einen PTC-Widerstand und einen Laserdiodenchip auf, die derart thermisch miteinander verbunden sind, dass sich die Betriebstemperatur des Laserdiodenchips vorteilhaft um nicht mehr als 10°C und besonders bevorzugt nicht mehr als 5°C von der Betriebstemperatur des PTC-Widerstands unterscheidet.In one embodiment of the method for operating a semiconductor laser component, the semiconductor laser component has a PTC resistor and a laser diode chip which are thermally connected to one another such that the operating temperature of the laser diode chip is advantageously not more than 10 ° C. and more preferably not more than 5 ° C is different from the operating temperature of the PTC resistor.

Der PTC-Widerstand wird bevorzugt oberhalb seiner Nenntemperatur betrieben. Die Nenntemperatur des PTC-Widerstands beträgt vorzugsweise zwischen einschließlich 40°C und einschließlich 70°C.The PTC resistor is preferably operated above its nominal temperature. The nominal temperature of the PTC resistor is preferably between 40 ° C and 70 ° C inclusive.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung emittiert die Halbleiterlaserdiode bei einer Umgebungstemperatur T Strahlung mit einer Wellenlänge λ, wobei bei einer Änderung der Umgebungstemperatur ΔT eine Änderung der Wellenlänge Δλ auftritt, für die Δλ/ΔT ≤ 0,1 nm/°C gilt. Vorzugsweise gilt Δλ/ΔT ≤ 0,05 nm/°C. Beispielsweise tritt bei einer Änderung der Umgebungstemperatur von 10°C eine Änderung der Wellenlänge von nur weniger als 1 nm oder sogar von nur weniger als 0,5 nm auf.In a preferred embodiment, the semiconductor laser diode emits radiation having a wavelength λ at an ambient temperature T, wherein a change in the wavelength Δλ occurs when the ambient temperature ΔT changes, for which Δλ / ΔT ≤ 0.1 nm / ° C. Preferably, Δλ / ΔT ≤ 0.05 nm / ° C. For example, with a change in ambient temperature of 10 ° C, a change in wavelength of only less than 1 nm or even less than 0.5 nm occurs.

Die Umgebungstemperatur T, bei der das Halbleiterlaserbauelement betrieben wird, kann beispielsweise zwischen 0°C und 50°C betragen.The ambient temperature T at which the semiconductor laser device is operated may be, for example, between 0 ° C and 50 ° C.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Zusammenhang mit den 1 bis 6 näher erläutert. The invention will be described below with reference to embodiments in connection with the 1 to 6 explained in more detail.

Es zeigen:Show it:

1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Halbleiterlaserbauelement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, 1 a schematic representation of a cross section through a semiconductor laser device according to a first embodiment,

2 eine schematische graphische Darstellung des Verlaufs des Widerstands R eines PTC-Widerstands in Abhängigkeit von der Temperatur T, 2 a schematic diagram of the course of the resistance R of a PTC resistor as a function of the temperature T,

3 eine schematische graphische Darstellung des Verlaufs der Spannung V in Abhängigkeit von der Stromstärke I für einen PTC-Widerstand bei zwei verschiedenen Temperaturen T1 und T2, 3 1 is a schematic graphical representation of the variation of the voltage V as a function of the current intensity I for a PTC resistor at two different temperatures T 1 and T 2 ,

4 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Halbleiterlaserbauelement gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, 4 a schematic representation of a cross section through a semiconductor laser device according to a second embodiment,

5 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Halbleiterlaserbauelement gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, und 5 a schematic representation of a cross section through a semiconductor laser device according to a third embodiment, and

6 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Halbleiterlaserbauelement gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel. 6 a schematic representation of a cross section through a semiconductor laser device according to a fourth embodiment.

Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Größen der Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.Identical or equal components are provided in the figures with the same reference numerals. The sizes of the components and the size ratios of the components with each other are not to be regarded as true to scale.

Das in 1 schematisch im Querschnitt dargestellte Halbleiterlaserbauelement 1 enthält eine Laserdiode 2, die Laserstrahlung 6 emittiert. Bei der Laserdiode 2 handelt es sich bei dem Ausführungsbeispiel um eine kantenemittierende Laserdiode. Alternativ wäre es aber auch möglich, dass es sich bei der Laserdiode 2 um eine Vertikalresonator-Laserdiode (VCSEL, Vertical Cavity Surface Emitting Laser) oder um eine Vertikalresonator-Laserdiode mit externem Resonator (VECSEL, Vertical External Cavity Surface Emitting Laser) handelt.This in 1 schematically shown in cross-section semiconductor laser device 1 contains a laser diode 2 , the laser radiation 6 emitted. At the laser diode 2 the embodiment is an edge-emitting laser diode. Alternatively, it would also be possible that it is the laser diode 2 is a Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) or an Vertical External Cavity Surface Emitting Laser (VECSEL) laser diode.

Die Laserdiode 2 ist auf einem thermisch leitfähigen Träger 4 angeordnet. Der thermisch leitfähige Träger 4 enthält vorzugsweise ein Metall oder eine Metalllegierung und kann als Wärmesenke für die Laserdiode 2 fungieren. Beispielsweise kann der thermisch leitfähige Träger 4 Kupfer, Kupferwolfram oder ein anderes thermisch leitendes Material enthalten.The laser diode 2 is on a thermally conductive support 4 arranged. The thermally conductive carrier 4 preferably contains a metal or a metal alloy and can serve as a heat sink for the laser diode 2 act. For example, the thermally conductive support 4 Copper, tungsten tungsten or another thermally conductive material.

Weiterhin enthält das Halbleiterlaserbauelement 1 einen PTC-Widerstand 3. Der PTC-Widerstand enthält vorzugsweise eine Keramik, insbesondere eine Titanat-Keramik. Vorzugsweise enthält die Keramik des PTC-Widerstands 3 Barium-Titanat, Blei-Titanat oder Strontium-Titanat. Die Keramik kann Zusatzstoffe wie insbesondere Yttrium, Mangan, Tantal oder Silizium enthalten, durch die insbesondere die thermoelektrischen Eigenschaften der Keramik gezielt eingestellt werden können.Furthermore, the semiconductor laser component contains 1 a PTC resistor 3 , The PTC resistor preferably contains a ceramic, in particular a titanate ceramic. Preferably, the ceramic contains the PTC resistor 3 Barium titanate, lead titanate or strontium titanate. The ceramic may contain additives such as in particular yttrium, manganese, tantalum or silicon, by means of which in particular the thermoelectric properties of the ceramic can be adjusted in a targeted manner.

Der PTC-Widerstand 3 ist bei dem Ausführungsbeispiel der 1 neben der Laserdiode 2 auf dem thermisch leitfähigen Träger 4 angeordnet. Sowohl die Laserdiode 2 als auch der PTC-Widerstand 3 sind thermisch leitend mit dem Träger 4 verbunden, so dass auf diese Weise die Laserdiode 2 und der PTC-Widerstand 3 thermisch miteinander verbunden sind. Temperaturänderungen des PTC-Widerstands 3 während des Betriebs des Halbleiterlaserbauelements 1 wirken sich daher auch auf die Temperatur der Laserdiode 2 aus und umgekehrt.The PTC resistor 3 is in the embodiment of 1 next to the laser diode 2 on the thermally conductive support 4 arranged. Both the laser diode 2 as well as the PTC resistor 3 are thermally conductive with the carrier 4 connected, so that way the laser diode 2 and the PTC resistor 3 thermally connected to each other. Temperature changes of the PTC resistor 3 during operation of the semiconductor laser device 1 Therefore, they also affect the temperature of the laser diode 2 off and vice versa.

Zur elektrischen Kontaktierung können die Laserdiode 2 und der PTC-Widerstand 3 an ihrer Oberseite elektrische Kontakte 5 aufweisen. Ein weiterer elektrischer Kontakt der Laserdiode 2 und des PTC-Widerstands 3 kann beispielsweise durch den thermisch als auch elektrisch leitfähigen Träger 4 ausgebildet sein. Der PTC-Widerstand 3 und die Laserdiode 2 sind vorzugsweise in zwei voneinander getrennte elektrischen Stromkreisen angeordnet, d. h. sie sind insbesondere nicht parallel oder in Serie zueinander geschaltet.For electrical contacting, the laser diode 2 and the PTC resistor 3 on its top electrical contacts 5 exhibit. Another electrical contact of the laser diode 2 and the PTC resistor 3 For example, by the thermally and electrically conductive support 4 be educated. The PTC resistor 3 and the laser diode 2 are preferably arranged in two separate electrical circuits, ie they are in particular not connected in parallel or in series with each other.

Dadurch, dass in dem Halbleiterlaserbauelement 1 ein PTC-Widerstand 3 thermisch mit der Laserdiode 2 verbunden ist, wird die Temperatur der Laserdiode 2 stabilisiert und somit einer temperaturbedingten Änderung der Emissionswellenlänge der Laserdiode 2 entgegengewirkt.Characterized in that in the semiconductor laser device 1 a PTC resistor 3 thermally with the laser diode 2 is connected, the temperature of the laser diode 2 stabilized and thus a temperature-induced change in the emission wavelength of the laser diode 2 counteracted.

Die Wirkungsweise des PTC-Widerstands als temperaturstabilisierendes Element wird anhand der 2 und 3 näher erläutert. 2 zeigt eine schematische graphische Darstellung des Verlaufs des Widerstands R eines PTC-Widerstands in Abhängigkeit von der Temperatur T. Bei sehr niedrigen Temperaturen nimmt der Widerstand R mit zunehmender Temperatur ab. Erst bei einer Anfangstemperatur Ta wechselt der Temperaturkoeffizient sein Vorzeichen, so dass der Widerstand oberhalb der Anfangstemperatur Ta zunimmt. Bei der Anfangstemperatur Ta weist der Widerstand R ein Minimum auf. Der Widerstand Rn, bei dem der Widerstand R den doppelten Wert des Anfangswiderstands Ra aufweist, wird üblicherweise als Nennwiderstand des PTC-Widerstands bezeichnet. Oberhalb der Nenntemperatur Tn, bei der der Widerstand R gleich dem Nennwiderstand Rn ist, nimmt die Steigung der Kurve R (T) deutlich zu. In diesem Bereich steigt der Widerstand R exponentiell mit der Temperatur T an. Die Nenntemperatur Tn entspricht in etwa der ferroelektrischen Curie-Temperatur des Materials des PTC-Widerstands. Der PTC-Widerstand wird in dem Halbleiterlaserbauelement vorteilhaft oberhalb der Nenntemperatur Tn betrieben.The mode of action of the PTC resistor as a temperature-stabilizing element is based on the 2 and 3 explained in more detail. 2 shows a schematic diagram of the course of the resistance R of a PTC resistor as a function of temperature T. At very low temperatures, the resistance R decreases with increasing temperature. Only at an initial temperature T a , the temperature coefficient changes its sign, so that the resistance above the initial temperature T a increases. At the initial temperature T a , the resistance R has a minimum. The resistor R n , in which the resistor R is twice the value of the initial resistance R a , is commonly referred to as the nominal resistance of the PTC resistor. Above the nominal temperature T n , at which the resistance R is equal to the nominal resistance R n , the slope of the curve R (T) increases significantly. In this region, the resistance R increases exponentially with the temperature T. The nominal temperature T n corresponds approximately to the ferroelectric Curie temperature of the material of the PTC resistor. The PTC resistor is advantageously operated in the semiconductor laser device above the nominal temperature T n .

Die Nenntemperatur Tn des PTC-Widerstands ist abhängig vom Material und darin enthaltenen Zusatzstoffen und kann beispielsweise zwischen etwa 40°C und etwa 150°C betragen.The nominal temperature T n of the PTC resistor is dependent on the material and additives contained therein and may for example be between about 40 ° C and about 150 ° C.

Vorzugsweise beträgt die Nenntemperatur des PTC-Widerstands zwischen einschließlich 40°C und einschließlich 70°C. Dies ermöglicht einen Betrieb des Halbleiterlaserbauelements oberhalb der Nenntemperatur Tn, so dass der PTC-Widerstand vorteilhaft einen stark positiven Temperaturkoeffizienten aufweist.Preferably, the nominal temperature of the PTC resistor is between 40 ° C and 70 ° C inclusive. This allows operation of the semiconductor laser device above the nominal temperature T n , so that the PTC resistor advantageously has a strongly positive temperature coefficient.

In 3 ist der Verlauf der Spannung V in Abhängigkeit von der Stromstärke I für einen PTC-Widerstand bei zwei verschiedenen Temperaturen T1 und T2 dargestellt. Wenn der PTC-Widerstand mit einer Spannung V0 betrieben wird, stellt sich bei der Temperatur T1 eine Stromstärke I1 ein und die elektrische Leistung, die in Wärme umgesetzt wird, beträgt P1 = V0 × I1. Wenn sich beispielsweise aufgrund einer Änderung der Umgebungstemperatur die Temperatur auf eine Temperatur T2 < T1 vermindert, steigt die Stromstärke in dem PTC-Widerstand aufgrund der Verringerung des Widerstands R auf eine größere Stromstärke I2 an. Folglich erhöht sich auch die in Wärme umgesetzte elektrische Leistung in dem PTC-Widerstand auf P2 = V0 × I2. Aufgrund der größeren in Wärme umgesetzten elektrischen Leistung erhöht sich die Temperatur des PTC-Widerstands, wodurch einer Verminderung der Betriebstemperatur aufgrund der verringerten Umgebungstemperatur entgegengewirkt wird. Vorzugsweise kompensieren sich der Einfluss der Änderung der Umgebungstemperatur und der Einfluss der Änderung der im Betrieb in Wärme umgesetzten elektrischen Leistung derart gegenseitig, dass sich eine stabile Betriebstemperatur des PTC-Widerstands einstellt. Der PTC-Widerstand ist daher thermisch selbst stabilisierend.In 3 the course of the voltage V as a function of the current I for a PTC resistor at two different temperatures T 1 and T 2 is shown. When the PTC resistor is operated at a voltage V 0 , a current I 1 is established at the temperature T 1, and the electric power converted into heat is P 1 = V 0 × I 1 . For example, when the temperature decreases to a temperature T 2 <T 1 due to a change in the ambient temperature, the current in the PTC resistor increases to a larger current I 2 due to the decrease in the resistance R. Consequently, the electric power converted to heat in the PTC resistor also increases to P 2 = V 0 × I 2 . Due to the larger electrical power converted to heat, the temperature of the PTC resistor increases, thereby counteracting a reduction in operating temperature due to the reduced ambient temperature. Preferably, the influence of the change of the ambient temperature and the influence of the change of the converted into heat in operation electric power compensate each other in such a way that sets a stable operating temperature of the PTC resistor. The PTC resistor is therefore thermally self-stabilizing.

Da der PTC-Widerstand und die Laserdiode thermisch miteinander verbunden sind, bewirkt das thermisch selbststabilisierende Verhalten des PTC-Widerstands auch eine thermische Stabilisierung der Laserdiode. Insbesondere kann erreicht werden, dass bei einer Änderung der Umgebungstemperatur ΔT eine Änderung der Wellenlänge Δλ auftritt, für die Δλ/ΔT ≤ 0,1 nm/°C gilt. Vorzugsweise gilt Δλ/ΔT ≤ 0,05 nm/°C. Die Umgebungstemperatur T kann beispielsweise zwischen 0°C und 50°C betragen.Since the PTC resistor and the laser diode are thermally connected to each other, the thermally self-stabilizing behavior of the PTC resistor also causes thermal stabilization of the laser diode. In particular, it can be achieved that, when the ambient temperature ΔT changes, a change in the wavelength Δλ occurs for which Δλ / ΔT ≤ 0.1 nm / ° C. Preferably, Δλ / ΔT ≤ 0.05 nm / ° C. The ambient temperature T may for example be between 0 ° C and 50 ° C.

Das Halbleiterlaserbauelement 1 wird durch den PTC-Widerstand 3 vorzugsweise bei einer Betriebstemperatur oberhalb der Umgebungstemperatur stabilisiert. Der PTC-Widerstand hat also die Funktion einer selbstregulierenden Heizung.The semiconductor laser device 1 is through the PTC resistor 3 preferably stabilized at an operating temperature above the ambient temperature. The PTC resistor thus has the function of a self-regulating heater.

Die in 3 dargestellte Spannungs-Strom-Charakteristik des PTC-Widerstands verläuft derart, dass bei konstanter Temperatur die elektrische Leistung P = V × I in etwa konstant ist. Beim Betrieb des Halbleiterlaserbauelements auftretende Schwankungen des Betriebsstroms oder der Spannung haben daher vorteilhaft nur einen kleinen Einfluss auf die in elektrische Wärme umgesetzte elektrische Leistung.In the 3 shown voltage-current characteristic of the PTC resistor is such that at constant temperature, the electrical power P = V × I is approximately constant. Variations in the operating current or voltage occurring during operation of the semiconductor laser component therefore advantageously have only a small influence on the electrical power converted into electrical heat.

Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Laserdiode 2 mittels einer Kontakt- und Verbindungsschicht 5 auf einen Zwischenträger 7 montiert. Der Zwischenträger (Submount) 7 ist aus einem thermisch leitfähigen Material gebildet, insbesondere aus einem Metall oder einer Metalllegierung. Beispielsweise kann der Zwischenträger 7 Cu oder CuW aufweisen. Über den Zwischenträger 7 ist die Laserdiode 2 mit dem PTC-Widerstand 3 thermisch leitend verbunden. Zur Wärmeabfuhr kann der PTC-Widerstand 3 auf eine Wärmesenke 4 montiert sein. Bei dieser Ausführungsform sind die Laserdiode 2 und der PTC-Widerstand 3 auf einander gegenüberliegenden Seiten des thermisch leitfähigen Zwischenträgers 7 angeordnet und vorteilhaft nur durch die Dicke des thermisch leitfähigen Trägers 7 und gegebenenfalls vorhandener Verbindungs- oder Kontaktschichten 5 voneinander beabstandet.At the in 4 illustrated embodiment, the laser diode 2 by means of a contact and connection layer 5 on an intermediate carrier 7 assembled. The subcount 7 is formed of a thermally conductive material, in particular of a metal or a metal alloy. For example, the subcarrier 7 Have Cu or CuW. About the subcarrier 7 is the laser diode 2 with the PTC resistor 3 connected thermally conductive. For heat dissipation, the PTC resistor 3 on a heat sink 4 be mounted. In this embodiment, the laser diode 2 and the PTC resistor 3 on opposite sides of the thermally conductive subcarrier 7 arranged and advantageous only by the thickness of the thermally conductive support 7 and optionally existing connecting or contact layers 5 spaced apart.

Bei dem in 5 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Halbleiterlaserbauelement 1 ein Gehäuse 8 auf, in dem sowohl die Laserdiode 2 als auch der PTC-Widerstand 3 angeordnet sind. Das Gehäuse 8 ist bei dem Ausführungsbeispiel der 5 ein TO-Gehäuse. Das Gehäuse 8 weist eine beispielsweise zylinderförmige Gehäusebasis 10 auf, aus der Anschlussbeine 9 zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterlaserbauelements 1 herausragen. Die Anschlussbeine 9 können beispielsweise über Durchführungen durch die Gehäusebasis 10 und Anschlussdrähte mit den elektrischen Kontakten 5 des PTC-Widerstands 3 oder der Laserdiode 2 verbunden sein (nicht dargestellt). Das Gehäuse 8 weist ferner eine Gehäuseseitenwand 11 auf, die beispielsweise aus Glas, Kunststoff oder einem Metall bestehen kann. An der Strahlungsaustrittsseite weist das Halbleiterlaserbauelement 1 eine transparente Gehäuseabdeckung 12 auf, die beispielsweise linsenförmig ausgebildet ist.At the in 5 schematically illustrated embodiment, the semiconductor laser device 1 a housing 8th on, in which both the laser diode 2 as well as the PTC resistor 3 are arranged. The housing 8th is in the embodiment of 5 a TO package. The housing 8th has an example cylindrical housing base 10 on, off the connecting legs 9 for electrical contacting of the semiconductor laser component 1 protrude. The connecting legs 9 For example, through bushings through the housing base 10 and connecting wires with the electrical contacts 5 of the PTC resistor 3 or the laser diode 2 be connected (not shown). The housing 8th also has a housing side wall 11 on, which may for example consist of glass, plastic or a metal. At the radiation exit side has the semiconductor laser device 1 a transparent housing cover 12 on, which is for example formed lens-shaped.

Innerhalb des Gehäuses 8 sind der PTC-Widerstand 3 und die Laserdiode 2 wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel auf eine Wärmesenke 4 montiert, über die der PTC-Widerstand 3 und die Laserdiode 2 thermisch miteinander verbunden sind. Die Wärmesenke 4 kann insbesondere senkrecht auf der Gehäusebasis 10 montiert sein.Inside the case 8th are the PTC resistor 3 and the laser diode 2 as in the first embodiment of a heat sink 4 mounted over which the PTC resistor 3 and the laser diode 2 thermally connected to each other. The heat sink 4 can in particular perpendicular to the housing base 10 be mounted.

In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die Laserdiode 2 und der PTC-Widerstand 3 in ein TO-Gehäuse 8 integriert sind. Wie das in 5 dargestellte Ausführungsbeispiel weist auch das in 6 dargestellte Ausführungsbeispiel eine Wärmesenke 4 auf, deren Haupterstreckungsrichtung senkrecht zur Gehäusebasis 10 verläuft. Im Gegensatz zum in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Laserdiode 2 und der PTC-Widerstand 3 auf gegenüberliegenden Seiten der Wärmesenke 4 montiert.In 6 another embodiment is shown in which the laser diode 2 and the PTC resistor 3 in a TO package 8th are integrated. Like that in 5 illustrated embodiment also has the in 6 illustrated embodiment, a heat sink 4 on, whose main extension direction perpendicular to the housing base 10 runs. Unlike in 5 illustrated embodiment, the laser diode 2 and the PTC resistor 3 on opposite sides of the heat sink 4 assembled.

Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.The invention is not limited by the description with reference to the embodiments. Rather, the invention encompasses any novel feature as well as any combination of features, including in particular any combination of features in the claims, even if this feature or combination itself is not explicitly stated in the claims or exemplary embodiments.

Claims (14)

Halbeleiterlaserbauelement (1), umfassend einen Laserdiodenchip (2) und einen PTC-Widerstand (3), wobei der Laserdiodenchip (2) und der PTC-Widerstand (3) thermisch miteinander verbunden sind.Half conductor laser component ( 1 ) comprising a laser diode chip ( 2 ) and a PTC resistor ( 3 ), wherein the laser diode chip ( 2 ) and the PTC resistor ( 3 ) are thermally connected to each other. Halbeleiterlaserbauelement nach Anspruch 1, wobei der Laserdiodenchip (2) und der PTC-Widerstand (3) auf einem gemeinsamen thermisch leitfähigen Träger (4, 7) angeordnet sind.A half-fiber laser device according to claim 1, wherein the laser diode chip ( 2 ) and the PTC resistor ( 3 ) on a common thermally conductive support ( 4 . 7 ) are arranged. Halbleiterlaserbauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Laserdiodenchip (2) und der PTC-Widerstand (3) auf einander gegenüberliegenden Seiten eines thermisch leitfähigen Trägers (4, 7) angeordnet sind.A semiconductor laser device according to claim 1 or 2, wherein the laser diode chip ( 2 ) and the PTC resistor ( 3 ) on opposite sides of a thermally conductive support ( 4 . 7 ) are arranged. Halbleiterlaserbauelement nach Anspruch 3, wobei sich der Laserdiodenchip (2) und der PTC-Widerstand (3) direkt gegenüberliegen.A semiconductor laser device according to claim 3, wherein the laser diode chip ( 2 ) and the PTC resistor ( 3 ) directly opposite. Halbleiterlaserbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der PTC-Widerstand (3) eine Keramik aufweist.Semiconductor laser device according to one of the preceding claims, wherein the PTC resistor ( 3 ) has a ceramic. Halbleiterlaserbauelement nach Anspruch 5, wobei die Keramik Barium-Titanat, Blei-Titanat oder Strontium-Tinitat enthält.A semiconductor laser device according to claim 5, wherein the ceramic contains barium titanate, lead titanate or strontium tinate. Halbleiterlaserbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der PTC-Widerstand (3) eine Nenntemperatur Tn von mindestens 40°C und nicht mehr als 70°C aufweist.Semiconductor laser device according to one of the preceding claims, wherein the PTC resistor ( 3 ) has a nominal temperature T n of at least 40 ° C and not more than 70 ° C. Halbleiterlaserbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleiterlaserbauelement (1) ein Gehäuse (8) aufweist und der Laserdiodenchip (2) und der PTC-Widerstand (3) in dem Gehäuse (8) angeordnet sind.Semiconductor laser device according to one of the preceding claims, wherein the semiconductor laser component ( 1 ) a housing ( 8th ) and the laser diode chip ( 2 ) and the PTC resistor ( 3 ) in the housing ( 8th ) are arranged. Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterlaserbauelements nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Betriebstemperatur des Laserdiodenchips (2) um nicht mehr als 10°C von der Betriebstemperatur des PTC-Widerstands (3) unterscheidet.Method for operating a semiconductor laser component according to one of the preceding claims, wherein the operating temperature of the laser diode chip ( 2 ) by no more than 10 ° C from the operating temperature of the PTC resistor ( 3 ) is different. Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterlaserbauelements nach Anspruch 9, wobei sich die Betriebstemperatur des Laserdiodenchips (2) um nicht mehr als 5°C von der Betriebstemperatur des PTC-Widerstands (3) unterscheidet.A method of operating a semiconductor laser device according to claim 9, wherein the operating temperature of the laser diode chip ( 2 ) by no more than 5 ° C from the operating temperature of the PTC resistor ( 3 ) is different. Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterlaserbauelements nach Anspruch 9 oder 10, wobei PTC-Widerstand (3) oberhalb seiner Nenntemperatur Tn betrieben wird.A method of operating a semiconductor laser device according to claim 9 or 10, wherein PTC resistor ( 3 ) is operated above its nominal temperature T n . Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterlaserbauelements nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem der Laserdiodenchip (2) bei einer Umgebungstemperatur T Strahlung mit einer Wellenlänge λ emittiert, und bei einer Änderung der Umgebungstemperatur ΔT eine Änderung der Wellenlänge Δλ auftritt, für die Δλ/ΔT ≤ 0,1 nm/°C gilt.Method for operating a semiconductor laser component according to one of Claims 9 to 11, in which the laser diode chip ( 2 ) emits radiation having a wavelength λ at an ambient temperature T, and a change in the wavelength Δλ occurs when the ambient temperature ΔT changes, for which Δλ / ΔT ≤ 0.1 nm / ° C. Verfahren nach Anspruch 12, wobei Δλ/ΔT ≤ 0,05 nm/°C gilt.The method of claim 12, wherein Δλ / ΔT ≤ 0.05 nm / ° C. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Umgebungstemperatur T zwischen 0°C und 50°C beträgt.A method according to claim 12 or 13, wherein the ambient temperature T is between 0 ° C and 50 ° C.
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