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DE19523267A1 - Vertical cavity surface emitting laser module for transmitter in long wavelength region - Google Patents

Vertical cavity surface emitting laser module for transmitter in long wavelength region

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DE19523267A1 DE19523267A DE19523267A DE19523267A1 DE 19523267 A1 DE19523267 A1 DE 19523267A1 DE 19523267 A DE19523267 A DE 19523267A DE 19523267 A DE19523267 A DE 19523267A DE 19523267 A1 DE19523267 A1 DE 19523267A1
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Abstract

The laser module includes two surface emitting transmitters (VCSEL,VCSEL'). One laser transmitter (VCSEL') is for the longwave region, e.g. 1300 to 1560 nm, while the other (VCSEL) is for a shorter wavelength region, e.g. 850 to 950 nm. Both are mounted on a carrier (T) with the shorter wavelength transmitter acting as a pump element for the transmitter of the longwave region. Both laser transmitters have a perpendicular resonator. The laser transmitter for the shortwave region is pumped by an electrical injection current. The active zone of the laser transmitter for longwave region contains epitaxial layers adapted to indium phosphide.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft ein Lasermodul mit einem oberflächenemittierenden Sendeelement für den langwelligen Bereich und mit einem Träger.The invention relates to a laser module with a surface-emitting transmission element for long-wave Area and with a carrier.

Es wurden oberflächenemittierende Laserdioden mit senkrechtem Resonator (VCSEL: vertical cavity surface emitting laserdiode) entwickelt. Im Unterschied zu einer kantenemittierenden Laserdiode, deren Strahltaille einen Durchmesser um einen µm hat, ist bei der oberflächenemittierenden Laserdiode die Strahltaille mit ungefähr 9 bis 10 µm so groß wie die einer Einmodenfaser. Dadurch läßt sich ohne Transformation des Strahls bei einer Kopplung zwischen Laserdiode und Einmodenfaser ein nahezu hundertprozentiger Koppelwirkungsgrad erreichen. Die Abstrahlrichtung ist entsprechend der Ausrichtung des Resonators senkrecht zur Oberfläche der Laserdiode. Durch den Einsatz mikrostrukturierter Siliziumsubstrate und oberflächenemittierender Sendeelemente ist eine Reduzierung der Kosten durch Einsparung von aktiven Justagetechniken bei der Ankopplung zwischen Lichtleitfaser und Sendeelement möglich. Zum Einsatz von oberflächenemittierenden Sendeelementen, beispielsweise in der Übertragungstechnik, ist es notwendig, daß diese eine ausreichende Lebensdauer im Dauerbetrieb aufweisen. Bisher sind nur oberflächenemittierende Sendeelemente im kurzwelligen Bereich mit zufriedenstellenden Kennwerten hergestellt worden. Ein Dauerbetrieb von oberflächenemittierenden Sendeelementen, die Licht im langwelligen Bereich emittieren, erscheint zur Zeit nicht realisierbar. Eines der grundlegenden Probleme stellt dabei die Wärmeabfuhr dar. Da aufgrund der schlechteren Güte der aktiven Schichten von oberflächenemittierenden Sendeelementen für den langwelligen Bereich, diese mit einer höheren Energie gepumpt werden müssen, muß auch mehr Wärme abgeführt werden. Da aber materialbedingt eine schlechtere Wärmekopplung vorliegt, treten thermische Probleme auf, die die Lebensdauer der oberflächenemittierenden Sendeelemente für den langwelligen Bereich im Dauerbetrieb begrenzen.There were surface emitting laser diodes vertical resonator (VCSEL: vertical cavity surface emitting laser diode). Unlike one edge emitting laser diode, the beam waist one Has a diameter of one µm, is the surface emitting laser diode with the beam waist about 9 to 10 µm as large as that of a single mode fiber. This allows one to transform the beam without transforming it Coupling between laser diode and single-mode fiber an almost achieve 100 percent coupling efficiency. The Beam direction is according to the orientation of the Resonators perpendicular to the surface of the laser diode. By the use of microstructured silicon substrates and surface-emitting transmission elements is a reduction costs by saving active adjustment techniques in the coupling between optical fiber and transmission element possible. For the use of surface emitting Transmission elements, for example in transmission technology,  it is necessary that they have a sufficient lifespan in the Have continuous operation. So far only surface-emitting transmission elements in the short-wave Area with satisfactory parameters been. Continuous operation of surface emitting Transmitting elements that emit light in the long-wave range emit does not currently appear to be feasible. One of the heat dissipation represents fundamental problems due to the poorer quality of the active layers of surface-emitting transmission elements for long-wave Area, these are pumped with higher energy more heat must be dissipated. Here but there is poorer heat coupling due to the material, thermal problems occur that affect the life of the surface-emitting transmission elements for long-wave Limit the area in continuous operation.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Lasermodul mit einem oberflächenemittierenden Sendeelement für den langwelligen Bereich anzugeben, das bei Zimmertemperatur im Dauerbetrieb betrieben werden kann.It is an object of the invention to provide a laser module with a surface-emitting transmission element for long-wave Specify range that at room temperature in continuous operation can be operated.

Die Aufgabe wird durch ein Lasermodul mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.The task is carried out by a laser module with the characteristics of Claim 1 solved. Advantageous further developments are specified in the subclaims.

Das oberflächenemittierende Sendeelement des Lasermoduls wird nicht direkt mit einem Injektionsstrom elektrisch gepumpt, sondern optisch von einem zweiten oberflächenemittierenden Sendeelement, das Licht im kurzwelligen Bereich emittiert. Damit entfallen die thermischen Probleme, die üblicherweise beim direkten elektrischen Pumpen von oberflächenemittierenden Sendeelementen für den langwelligen Bereich auftreten. Durch den Einsatz eines oberflächenemittierenden Sendelementes für den kurzwelligen Bereich als Pumpquelle wird eine schnelle Modulierbarkeit des Lasermoduls erreicht. Aufgrund der geringen Divergenz des Ausgangsstrahls des oberflächenemittierenden Sendeelementes ist eine gute Strahlverkopplung zu realisieren. Bei der Ankopplung des Lasermoduls an eine Faser ist keine aktive Justage notwendig. Außerdem können optische Bauelemente zur Strahlanpassung eingespart werden. Eine gute Pumpeffizienz kann erzielt werden, indem in der aktiven Zone des oberflächenemittierenden Sendeelements für den langwelligen Bereich eine GRIN-SCH-MQW-Struktur vorgesehen wird, deren Claddingmaterial im Bandabstand auf die Wellenlänge des Pumplichts angepaßt ist. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figur erläutert.The surface emitting transmitter element of the laser module does not become electrical directly with an injection current pumped but optically from a second surface emitting transmission element, the light in emitted short-wave range. This eliminates the thermal problems that are common with direct electric pumps from surface emitting Transmitting elements for the long-wave range occur. By the use of a surface emitting element for  the short-wave range as a pump source becomes a fast one Modulability of the laser module achieved. Due to the low divergence of the output beam of the surface emitting element is a good one Realize beam coupling. When coupling the Laser module on a fiber is not an active adjustment necessary. In addition, optical components for Beam adjustment can be saved. Good pumping efficiency can be achieved by in the active zone of the surface-emitting transmission element for long-wave Area a GRIN-SCH-MQW structure is provided, the Cladding material in the band gap to the wavelength of the Pump lights is adjusted. An embodiment of the Invention is explained with reference to the figure.

Auf einem Träger T befindet sich ein oberflächenemittierendes Sendeelement VCSEL, das Licht im kurzwelligen Bereich emittiert. Die Wellenlänge λ1 liegt zwischen 850 und 950 nm. Das oberflächenemittierende Sendeelement für den kurzwelligen Bereich VCSEL ist mittels flip-chip-bonding FCB auf dem Träger T montiert. Es weist Halbleiterschichten HL1 und zwei Spiegel S1 und S2 auf. Als Kontakt ist auf der Oberfläche eine Goldschicht K vorgesehen, die auch zur Abstrahlung von Wärme dient. Das Licht aus dem oberflächenemittierenden Sendeelement für den kurzwelligen Bereich VCSEL mit der Wellenlänge λ₁ dringt durch den Träger T und trifft auf das zweite oberflächenemittierende Sendeelement VCSEL′, das für den langwelligen Bereich geeignet ist. Dieses Sendeelement baut sich ebenfalls aus den Halbleiterschichten HL2 und zwei Spiegeln S3 und S4 auf. Es ist auf die Rückseite des Trägers T montiert. Licht der Wellenlänge λ1, dringt durch die Spiegel S3 in die aktiven Halbleiterschichten ein. Von den aktiven Halbleiterschichten wird Licht der zweiten Wellenlänge λ2 beispielsweise 1300 nm oder 1550 nm emittiert.A is located on a carrier T. surface-emitting transmission element VCSEL, the light in the emitted short-wave range. The wavelength λ1 is between 850 and 950 nm. The surface emitting Transmitting element for the short-wave range VCSEL is by means of flip-chip-bonding FCB mounted on the carrier T. It points Semiconductor layers HL1 and two mirrors S1 and S2. As Contact is a gold layer K on the surface provided that also serves to radiate heat. The Light from the surface emitting element for the short-wave area VCSEL penetrates with the wavelength λ₁ through the carrier T and meets the second surface-emitting transmission element VCSEL ′, which for the long-wave range is suitable. This sending element is building also consist of the semiconductor layers HL2 and two Mirror S3 and S4. It is on the back of the carrier T mounted. Light of wavelength λ1 penetrates through the Mirror S3 in the active semiconductor layers. Of the active semiconductor layers becomes light of the second  Wavelength λ2, for example 1300 nm or 1550 nm emitted.

Es wird ein monolithisch oder hybrid integriertes Bauelement vorgeschlagen, indem Halbleitermaterialien mit unterschiedlichen Gitterkonstanten und Bandabständen eingesetzt werden. Um einen durch einen elektrischen Strom gepumpten VCSE-Laser, ein oberflächenemittierendes Sendeelement, für den kurzwelligen Bereich herzustellen, werden auf GaAs angepaßte Epitaxieschichten eingesetzt. Die Emission dieser Schichten wird auf einen zweiten Halbleiterbereich, der auf Indiumphosphid angepaßte Epitaxieschichten enthält, abgebildet und dort zum optischen Pumpen einer VCSE-Laserstruktur für den langwelligen Bereich verwendet.It becomes a monolithic or hybrid integrated component proposed by using semiconductor materials different lattice constants and band gaps be used. To you by an electric current pumped VCSE laser, a surface emitting Transmitter element to manufacture for the short-wave range, epitaxial layers adapted to GaAs are used. The Emission of these layers is on a second Semiconductor area, adapted to indium phosphide Contains epitaxial layers, imaged and there for optical Pumping a VCSE laser structure for the long-wave range used.

Claims (9)

1. Lasermodul mit einem oberflächenemittierenden Sendeelement (VCSEL′) für den langwelligen Bereich mit folgenden Merkmalen:
es ist ein Träger (T) vorgesehen, auf dem Träger (T) befindet sich ein oberflächenemittierendes Sendeelement (VCSEL), das Licht im kurzwelligen Bereich emittiert, das oberflächenemittierende Sendeelement (VCSEL) für den kurzwelligen Bereich ist als Pumpquelle für das oberflächenemittierende Sendeelement (VCSEL′) für den langwelligen Bereich eingesetzt.1. Laser module with a surface-emitting transmission element (VCSEL ′) for the long-wave range with the following features:
a carrier (T) is provided, on the carrier (T) there is a surface-emitting transmission element (VCSEL) that emits light in the short-wave range, the surface-emitting transmission element (VCSEL) for the short-wave range is used as a pump source for the surface-emitting transmission element (VCSEL ') Used for the long-wave range. 2. Lasermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die oberflächenemittierenden Sendeelemente (VCSEL, VCSEL′) einen senkrechten Resonator aufweisen.2. Laser module according to claim 1, characterized in that the surface emitting transmission elements (VCSEL, VCSEL ′) have a vertical resonator. 3. Lasermodul nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrischer Injektionsstrom vorgesehen ist, um das oberflächenemittierende Sendeelement (VCSEL) für den kurzwelligen Bereich zu pumpen.3. Laser module according to one of claims 1 or 2, characterized characterized that an electrical injection current is provided to the surface emitting transmission element (VCSEL) for the shortwave range. 4. Lasermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der aktiven Zone des oberflächenemittierenden Sendeelements (VCSEL′) für den langwelligen Bereich auf Indiumphosphid angepaßte Epitaxieschichten vorgesehen sind. 4. Laser module according to one of claims 1 to 3, characterized characterized in that in the active zone of the surface emitting transmission element (VCSEL ′) for the long-wave range adapted to indium phosphide Epitaxial layers are provided.   5. Lasermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der aktiven Zone des oberflächenemittierenden Sendeelementes (VCSEL) für den kurzwelligen Bereich auf Galliumarsenid angepaßte Epitaxieschichten vorgesehen sind.5. Laser module according to one of claims 1 to 4, characterized characterized in that in the active zone of the surface emitting transmission element (VCSEL) for the shortwave range adapted to gallium arsenide Epitaxial layers are provided. 6. Lasermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der aktiven Zone des oberflächenemittierenden Sendeelementes eine GRIN-SCH-MQW-Struktur vorgesehen ist.6. Laser module according to one of claims 1 to 5, characterized characterized in that in the active zone of the surface emitting transmission element GRIN-SCH-MQW structure is provided. 7. Lasermodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Claddingmaterial der GRIN-SCH-MQW-Struktur im Bandabstand auf die Wellenlänge des Pumplichtes angepaßt ist.7. Laser module according to claim 6, characterized in that the cladding material of the GRIN-SCH-MQW structure in Band gap adapted to the wavelength of the pump light is. 8. Lasermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge des emittierten Lichts des oberflächenemittierenden Sendeelementes (VCSEL) für den kurzwelligen Bereich zwischen 850 und 980 nm liegt.8. Laser module according to one of claims 1 to 7, characterized characterized in that the wavelength of the emitted light of the surface emitting transmission element (VCSEL) for the short-wave range between 850 and 980 nm. 9. Lasermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge des emittierten Lichtes des oberflächenemittierenden Sendeelementes (VCSEL′) für den langwelligen Bereich zwischen 1300 und 1560 nm liegt.9. Laser module according to one of claims 1 to 8, characterized characterized in that the wavelength of the emitted light of the surface-emitting transmission element (VCSEL ′) for the long-wave range between 1300 and 1560 nm.
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