▶ オスラム オーエルイーディー ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツングの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023053027
(43)【公開日】2023-04-12
(54)【発明の名称】半導体レーザ
(51)【国際特許分類】
H01S 5/02255 20210101AFI20230404BHJP
H01S 5/02257 20210101ALI20230404BHJP
【ＦＩ】
H01S5/02255
H01S5/02257
【審査請求】有
【請求項の数】12
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023017581
(22)【出願日】2023-02-08
(62)【分割の表示】P 2021500223の分割
【原出願日】2019-07-15
(31)【優先権主張番号】102018117518.3
(32)【優先日】2018-07-19
(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE
(71)【出願人】
【識別番号】514272140
【氏名又は名称】オスラム オーエルイーディー ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング
【氏名又は名称原語表記】ＯＳＲＡＭ ＯＬＥＤ ＧｍｂＨ
【住所又は居所原語表記】Ｌｅｉｂｎｉｚｓｔｒａｓｓｅ ４， ９３０５５ Ｒｅｇｅｎｓｂｕｒｇ， Ｇｅｒｍａｎｙ
(74)【代理人】
【識別番号】110002952
【氏名又は名称】弁理士法人鷲田国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ゾルグ ヨルグ エリヒ
(72)【発明者】
【氏名】シンゲル フランク
(72)【発明者】
【氏名】コーラー クリストフ
(57)【要約】 （修正有）
【課題】効率よく動作させることができる半導体レーザを特定する。
【解決手段】１つの実施形態によれば、半導体レーザ２０は、キャリア２１と、キャリア上に配置され、レーザ放射を発生させるための活性領域を有するエッジ発光レーザダイオード２２と、放射出口領域２４を有するファセット２３と、ファセットを覆う光学素子２５と、光学素子とファセットとの間に配置される接続部材２６と、前記レーザダイオードおよび前記光学素子を少なくとも部分的に覆う成形体２７と、を備え、前記光学素子は、前記レーザダイオードによって動作中に出射されるレーザ放射に対して少なくとも部分的に透過性であり、前記光学素子は、動作中に前記光学素子に入射するレーザ放射の主伝搬方向を変更するように設計されている。
【選択図】図１
【解決手段】１つの実施形態によれば、半導体レーザ２０は、キャリア２１と、キャリア上に配置され、レーザ放射を発生させるための活性領域を有するエッジ発光レーザダイオード２２と、放射出口領域２４を有するファセット２３と、ファセットを覆う光学素子２５と、光学素子とファセットとの間に配置される接続部材２６と、前記レーザダイオードおよび前記光学素子を少なくとも部分的に覆う成形体２７と、を備え、前記光学素子は、前記レーザダイオードによって動作中に出射されるレーザ放射に対して少なくとも部分的に透過性であり、前記光学素子は、動作中に前記光学素子に入射するレーザ放射の主伝搬方向を変更するように設計されている。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
キャリア（２１）と、
前記キャリア（２１）上に配置され、レーザ放射を発生させるための活性領域および放射出口領域（２４）を伴うファセット（２３）を有するエッジ発光レーザダイオード（２２）と、
前記ファセット（２３）を覆う光学素子（２５）と、
前記光学素子（２５）および前記ファセット（２３）の間に配置される接続部材（２６）と、
前記レーザダイオード（２２）および前記光学素子（２５）を少なくとも部分的に覆う成形体（２７）と、
を備え、
前記光学素子（２５）は、動作中に前記レーザダイオード（２２）によって出射されるレーザ放射に対して少なくとも部分的に透過性であり、
前記光学素子（２５）は、動作中に前記光学素子（２５）に入射するレーザ放射の主伝搬方向を変化させるように構成され、
前記光学素子（２５）の放射出口側（３６）に光触媒作用層が適用され、前記放射出口側（３６）での分解反応を支援する、
半導体レーザ（２０）。
前記キャリア（２１）上に配置され、レーザ放射を発生させるための活性領域および放射出口領域（２４）を伴うファセット（２３）を有するエッジ発光レーザダイオード（２２）と、
前記ファセット（２３）を覆う光学素子（２５）と、
前記光学素子（２５）および前記ファセット（２３）の間に配置される接続部材（２６）と、
前記レーザダイオード（２２）および前記光学素子（２５）を少なくとも部分的に覆う成形体（２７）と、
を備え、
前記光学素子（２５）は、動作中に前記レーザダイオード（２２）によって出射されるレーザ放射に対して少なくとも部分的に透過性であり、
前記光学素子（２５）は、動作中に前記光学素子（２５）に入射するレーザ放射の主伝搬方向を変化させるように構成され、
前記光学素子（２５）の放射出口側（３６）に光触媒作用層が適用され、前記放射出口側（３６）での分解反応を支援する、
半導体レーザ（２０）。
【請求項2】
前記成形体（２７）は、前記レーザダイオード（２２）を少なくとも片側上で完全に覆う、請求項１に記載の半導体レーザ（２０）。
【請求項3】
前記レーザダイオード（２２）の主放射方向は、前記半導体レーザ（２０）の前記主放射方向に対して横方向または直交方向である、請求項１から２のいずれか一項に記載の半導体レーザ（２０）。
【請求項4】
前記キャリア（２１）は、少なくとも部分的に前記成形体（２７）によって横方向（ｘ）に取り囲まれており、前記横方向（ｘ）は、前記キャリア（２１）の主延長面と平行である、請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体レーザ（２０）。
【請求項5】
前記成形体（２７）から開放された放射出口面（４３）を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体レーザ（２０）。
【請求項6】
前記光学素子（２５）は、前記ファセット（２３）を完全に覆う、請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体レーザ（２０）。
【請求項7】
前記光学素子（２５）の前記放射出口領域（２４）に面する側に反射防止層が適用されている、請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体レーザ（２０）。
【請求項8】
前記光学素子（２５）は、反射防止層がさらに適用された放射出口側（３６）を有する、請求項１～７のいずれか一項に記載の半導体レーザ（２０）。
【請求項9】
前記光学素子（２５）は、動作中に前記光学素子（２５）に入射する前記レーザ放射を整形するように設計されている、請求項１から８のいずれか一項に記載の半導体レーザ（２０）。
【請求項10】
それぞれがキャリア（２１）上に配置された２つのさらなるエッジ発光レーザダイオード（２８）を備える、請求項１から９のいずれか一項に記載の半導体レーザ（２０）。
【請求項11】
ビームコンバイナ（２９）を備える、請求項１０に記載の半導体レーザ（２０）。
【請求項12】
前記光学素子（２５）に、動作中に前記レーザダイオード（２２）によって出射される前記放射の波長を変換するように設計された変換素子（３０）が続く、請求項１から１１のいずれか一項に記載の半導体レーザ（２０）。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【0001】
半導体レーザが特定される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0002】
本開示の目的は、効率よく動作させることができる半導体レーザを特定することである。
【課題を解決するための手段】
【0003】
本発明の半導体レーザの少なくとも１つの実施形態によれば、半導体レーザは、キャリアを備える。キャリアは、いわゆるサブマウントであることができる。キャリアは、三次元体であることができ、例えば、円柱、円盤、または立方体の形状を有する。キャリアは、主延長面を有することができる。例えば、キャリアの主延長面は、キャリアの上面などの表面と平行である。キャリアは、半導体材料を備えることができる。
【0004】
キャリアが、半導体レーザを制御することができるドライバを含むことが可能である。あるいは、キャリアが電子的に受動的なコンポーネントを表し、実装レベルとしてのみ機能することも可能である。
【0005】
本発明の半導体レーザの少なくとも１つの実施形態によれば、半導体レーザは、キャリア上に配置され、レーザ放射を発生させるための活性領域と、放射出口領域を伴うファセットとを有するエッジ発光レーザダイオードからなる。エッジ発光レーザダイオードは、動作中に、例えば、キャリアの主延長面に少なくとも部分的に平行な方向にレーザ放射を出射するように設計されている。活性領域は、キャリアの主延長面と平行な主延長面を有する。したがって、レーザダイオードは、表面エミッタではない。
【0006】
レーザダイオードは、例えばＩＩＩ－Ｖ半導体材料系をベースとする異なる半導体材料を備えることができる。レーザダイオードは、キャリアの上面に配置することができる。レーザダイオードは、電気接点を介してキャリアに接続することができ、これにより、キャリアを介してレーザダイオードを制御することができる。例えば、レーザダイオードは、キャリアの上面に面する側に電気接点を有し、前記接点は、キャリアに電気的に接続されている。あるいは、レーザダイオードがボンディングワイヤを介してキャリアに電気的に接続されていることも可能である。レーザダイオードは、上面のキャリアに機械的に取り付けられていてもよい。
【0007】
ファセットは、横方向に、好ましくは活性領域の主延長面に対して直交方向に配向されている。さらに、ファセットは、横方向に、好ましくは、動作中に出射されるレーザ放射の主伝搬方向に対して直交方向に配向されている。放射出口領域では、動作中に発生したレーザ放射は、レーザダイオードを出射する。放射出口領域は、特に、ファセットの部分領域であり、したがって、ファセットに限定される。
【0008】
本発明の半導体レーザの少なくとも１つの実施形態によれば、半導体レーザは、ファセットを覆う光学素子からなる。光学素子は、出射されたレーザ放射を整形するように設計することができる。光学素子は、ファセットを完全に覆うことができる。この目的のために、光学素子をファセットに取り付けることができる。また、光学素子は、放射出口領域を完全に覆うことができる。
【0009】
本発明の半導体レーザの少なくとも１つの実施形態によれば、半導体レーザは、光学素子とファセットとの間に配置された接続部材を備える。接続部材は、少なくとも部分的にファセットを覆うことができる。例えば、ファセットは、放射出口領域において接続部材から開放されている。また、接続部材がファセットを完全に覆うことも可能である。光学素子は、接続部材を介してレーザダイオードに機械的に取り付けられる。
【0010】
特に、接続部材は、放射出口領域が可能な限り封入されるような仕方で、光学素子とファセットとの間に配置される。これは、例えば、接続部材が放射出口領域の周囲に配置されていることを意味する。あるいは、接続部材は、ファセットを完全に覆ってファセットを封入することができる。放射出口領域が封入されていることは、放射出口領域が半導体レーザの環境に対して気密封的に封入されていることを意味することができる。放射出口領域が封入されていることによって、環境の影響、例えば、半導体レーザの環境からの機械的または化学的な影響から放射出口領域が保護される。例えば、接続部材を通る水蒸気透過率は、最大でも１×１０－３ｇ／ｍ２／日、好ましくは最大でも３×１０－４ｇ／ｍ２／日である。
【0011】
また、接続部材は、ガラスや金属などの無機材料を含んでいてもよい。さらに、接続部材は、シリコーン、シリコーン誘導体、シラザン、シロキサン、ポリシロキサン、ポリシラザン、またはシリコーンハイブリッド材料などのプラスチックを含んでもよい。あるいは、接続部材は、炭素含有構造単位のエポキシまたはポリマーを含んでいてもよい。
【0012】
本発明の半導体レーザの少なくとも１つの実施形態によれば、半導体レーザは、レーザダイオードおよび光学素子を少なくとも部分的に覆う成形体を備える。成形体は、封止体であってもよい。成形体は、環境の影響からレーザダイオードを保護するように設計されている。成形体は、射出成形法、いわゆるＤａｍ＆Ｆｉｌｌ工程、またはスプレー（噴射）法により構成することができる。例えば、成形体は、エポキシ樹脂、熱可塑性樹脂、シリコーンまたはシリコーン誘導体を含む。
【0013】
本発明の半導体レーザの少なくとも１つの実施形態によれば、光学素子は、レーザダイオードによって動作中に出射されるレーザ放射に対して少なくとも部分的に透過性である。このことは、動作中に発生したレーザ放射は、光学素子を少なくとも部分的に通過することができることを意味する。放射出口領域に面した光学素子の放射入口側では、レーザダイオードによって放射されたレーザ放射の少なくとも一部が光学素子に入射することができる。光学素子の放射出口側では、レーザ放射の少なくとも一部が光学素子を出射することができる。光学素子は、サファイア、ダイヤモンド、ＳｉＣ、または有機ケイ素化合物を含むことができる。特に、光学素子は、レーザダイオードによって動作中に出射されるレーザ放射の低い吸収を示す。さらに、光学素子は、高い熱伝導率を有していてもよい。
【0014】
本発明の半導体レーザの少なくとも１つの実施形態によれば、光学素子は、動作中に光学素子に入射するレーザ放射の主伝搬方向を変更するように設計されている。レーザダイオードによって出射されるレーザ放射は、例えば、キャリアの主延長面に平行な主伝搬方向を有することができる。主伝搬方向は、レーザ放射のビーム方向であってもよい。半導体レーザから出射されるレーザ放射は、レーザダイオードによって出射されるレーザ放射の主伝搬方向とは異なる主伝搬方向を有する。光学素子を通過させることにより、レーザ放射の主伝搬方向が変化する。例えば、レーザダイオードから出射するレーザ放射の主伝搬方向は、キャリアの主延長面に対して横方向または直交方向である。
【0015】
この目的のために、光学素子は、球体または楕円体の断片の形状を有することができる。例えば、光学素子は、４分の１球の形状を有する。つまり、光学素子の形状は、球体の４分の１に相当する。
【0016】
本発明の半導体レーザの少なくとも１つの実施形態によれば、半導体レーザは、キャリアと、キャリア上に配置され、レーザ放射を発生させるための活性領域および放射出口領域を有するファセットを備えるエッジ発光レーザダイオードと、ファセットを覆う光学素子と、光学素子とファセットとの間に配置された接続部材と、レーザダイオードおよび光学素子を少なくとも部分的に覆う成形体と、を備え、光学素子は、レーザダイオードによって動作中に出射されるレーザ放射に対して少なくとも部分的に透過性であり、光学素子は、動作中に光学素子に入射するレーザ放射の主伝搬方向を変化させるように設計されている。
【0017】
本明細書に記載された半導体レーザは、特に、追加の気密性のある封止をすることなく、通常の大気下で動作させることができるという考えに基づいている。これは、ファセット、特に放射出口領域の封入および保護が、光学素子と一緒に接続部材によって達成されることを意味する。さらに、レーザダイオードは、成形体によって封入されている。このことは、半導体レーザは、気密封止された筐体を必要としないことを意味する。ファセット上に配置された光学素子と成形体により、レーザダイオードとファセットは環境の影響から既に保護されている。したがって、レーザダイオードをキャビティ内のより大きな筐体に配置し、筐体を封入する必要がない。したがって、半導体レーザのために必要とされる設置スペースがより少ない。
【0018】
ファセットを封止することにより、ファセットは、レーザダイオードの環境からの粒子の堆積に対して保護される。ファセット上の粒子の堆積または蓄積は、特に放射出口領域において、放射されたレーザ放射との相互作用を引き起こし、ファセットの領域での加熱を引き起こす可能性がある。これは、レーザダイオードの破壊につながる可能性がある。ファセット上の堆積物は、特に短波放射によって、分解され、焼き付きうる。ファセットの領域におけるそのような変化は、半導体レーザのデカップリング効率を低下させ、例えば、堆積物中の光吸収によってファセットコーティングを損傷させうるので、その結果、過熱につながることがある。したがって、接続部材によってファセットを封止することが特に有利であることが証明される。さらに、半導体レーザは、より費用対効果の高い製造が可能であり、必要な設置スペースを削減して設置することができる。
【0019】
光学素子を使用することにより、レーザダイオードから出射されるレーザ放射のビーム発散を低減することができる。そうでない場合、発散したビームの電界強度が、光学ピンセットのように、ファセット近傍にありうる汚染物質を吸い込み、ファセット上に堆積させてしまう可能性がある。このように、ビームの発散の減少は、直ちに堆積物の減少につながる。
【0020】
さらに、光学素子を用いることで、大気との境界面を増加させることができる。境界面を増加させることにより、可能性のある単位面積当たりの堆積量が減少する。さらに、この境界面でのエネルギー密度は、直接のファセットでのエネルギー密度に比べて減少する。
【0021】
光学素子はまた、レーザダイオードから出射するレーザ放射を整形し、向きを変更する可能性を提供する。このように、エッジ発光レーザダイオードは面発光半導体レーザに使用することができる。
【0022】
光学素子は、熱伝導率の高い材料を含むことができるので、光学素子を介して熱を放熱することができる。これにより、ファセットの過熱を防止することができる。
【0023】
半導体レーザは既に光学素子を構成しているため、下流側の光学系をより小型化し、より簡略化することができる。全体として、半導体レーザ近傍の光学、ロジック、センサ技術の集積化は、設置スペースの減少により簡素化される。
【0024】
有利には、半導体レーザは複合体で製造することができ、製造工程の後半で個々の半導体レーザに分離することができる。
【0025】
本発明の半導体レーザの少なくとも１つの実施形態によれば、成形体は、少なくとも片側上でレーザダイオードを完全に覆う。成形体は、キャリアとは反対側でレーザダイオードを完全に覆うことができる。また、成形体が、キャリアの主延長面に対して横方向または直交方向に向いている側でレーザダイオードを完全に覆うことも可能である。特に、成形体は、成形体がレーザダイオードを封入するように、少なくとも片側上でレーザダイオードを完全に覆うことができる。成形体は、半導体レーザの環境からの環境による影響からレーザダイオードを保護する役割を果たすことができる。成形体およびキャリアのようなレーザダイオードを取り囲む他の要素によって、レーザダイオードは、半導体レーザの環境と直接接触しない。成形体は、少なくとも部分的にレーザダイオードと直接接触することができる。このように、成形体は、レーザダイオード上に直接成形することができる。また、成形体を用いることで、半導体レーザの環境からの環境による影響からレーザダイオードを保護するために、レーザダイオードを収容するキャビティを有する周囲の筐体が不要となる。
【0026】
本発明の半導体レーザの少なくとも１つの実施形態によれば、レーザダイオードの主放射方向は、半導体レーザの主放射方向に対して横方向または直交方向である。レーザダイオードの主放射方向は、動作中にレーザダイオードによって放射されるレーザ放射の主伝搬方向に対応する。また、半導体レーザの主放射方向は、動作中に半導体レーザによって放射されるレーザ放射の主伝搬方向に対応する。このことは、動作中に半導体レーザダイオードが出射するレーザ放射の主伝搬方向が、半導体レーザの主伝搬方向に対して横方向または直交方向に光学素子を通過させることにより、半導体レーザが動作中に出射するレーザ放射の主伝搬方向が変更されることを意味する。例えば、半導体レーザの主放射方向は、キャリアとは反対方向に延びる。このように、エッジ発光レーザダイオードは、有利には、面発光半導体レーザに使用することができる。
【0027】
さらに、半導体レーザの主放射方向が、キャリアの主延長面に平行である横方向に平行であり、レーザダイオードの主放射方向に平行ではないことが可能である。このように、レーザの放射を半導体レーザの横方向外側で結合することができる。
【0028】
レーザ放射の主伝搬方向を変えるために、光学素子は回折光学構造を有していてもよい。例えば、回折光学素子は、光学素子の放射入口側及び／又は放射出口側に配置されている。また、回折光学素子は、レーザ放射の形状に合わせて設計されていてもよい。
【0029】
本発明の半導体レーザの少なくとも１つの実施形態によれば、キャリアは、少なくとも部分的に成形体によって横方向に取り囲まれており、横方向はキャリアの主延長面に平行である。これは、キャリアの主延長面に対して横方向または直交方向のキャリアの側面が、少なくとも部分的に成形体によって覆われていることを意味することができる。成形体は、部分的にキャリアと直接接触していてもよい。また、キャリアが、横方向において成形体によって完全に取り囲まれていてもよい。このようにして、キャリア及びレーザダイオードは、成形体によって封入され、半導体レーザの環境からの環境による影響から保護されうる。
【0030】
本発明の半導体レーザの少なくとも１つの実施形態によれば、成形体は、鋳造および／または射出成形工程によって形成される。これらの工程は、成形化合物が所定の金型に導入され、特に、その後硬化されるすべての製造工程を含む。特に、鋳造工程という用語は、鋳造、射出成形、転写成形、および圧縮成形を含む。したがって、成形体は、レーザダイオードに成形することができる。成形体は、成形コンパウンドを有することができる。鋳造および／または射出成形工程によって形成された成形体は、環境による影響に対してレーザダイオードを気密封止することができる。
【0031】
本発明の半導体レーザの少なくとも１つの実施形態によれば、半導体レーザは、成形体から開放された放射出口面を有する。放射出口面は、半導体レーザのキャリアとは反対側に配置され得る。放射出口面は、キャリアの主延長面と平行な主延長面を有していてもよい。また、放射出口面は、湾曲していてもよいし、平面ではないものであってもよい。半導体レーザの放射出口面は、光学素子の放射出口面であってもよい。あるいは、半導体レーザの放射出口面は、光学素子の下流側の半導体レーザの構成要素の放射出口面であってもよい。したがって、成形体は、半導体レーザから出射されるレーザ放射に対して透過性である必要はない。
【0032】
本発明の半導体レーザの少なくとも１つの実施形態によれば、光学素子は、ファセットを完全に覆う。これは、ファセットに面する光学素子の側面が、少なくともファセットの表面と同じ大きさであることを意味する。光学素子は、横方向において、ファセットを完全に覆う。光学素子とファセットとは、接続部材を介して互いに接続されている。これにより、光学素子は、半導体レーザの環境からの環境による影響に対してファセットを封入する。
【0033】
本発明の半導体レーザの少なくとも１つの実施形態によれば、反射防止層が、放射出口領域に面する側の光学素子上に適用される。光学素子は、放射出口領域に面する放射入口側を有していてもよい。光学素子の放射入口側は、レーザダイオードによって放射されるレーザ放射に対して、０．５％以上または０．１％以上の反射率を有することができる。これにより、反射されたレーザ放射のレーザダイオードへのフィードバックを防止または低減することができる。さらに、半導体レーザの効率を向上させることができる。
【0034】
本発明の半導体レーザの少なくとも１つの実施形態によれば、光学素子は、反射防止層がさらに適用された放射出口側を有する。光学素子に入射するレーザ放射を、レーザ放射が放射出口側で光学素子から離れるように、光学素子内で偏向することができる。光学素子の放射出口側は、レーザダイオードによって放射されたレーザ放射に対して、最大で０．５％または最大で０．１％の反射率を有することができる。したがって、半導体レーザの損失を最小限に抑えることができ、半導体レーザの効率を向上させることができる。
【0035】
本発明の半導体レーザの少なくとも１つの実施形態によれば、光触媒作用層が、放射出口側の分解反応を支援するために、光学素子の放射出口側に適用される。光触媒作用層は、レーザ照射により、放射出口側の堆積物を除去および／または分解するように構成されている。このように、光触媒作用層は、堆積物の除去と分解による洗浄との間の反応平衡に影響を与える。光触媒作用層は、特に、二酸化チタンまたは酸化ジルコニウムのような金属酸化物によって形成される。あるいは、光触媒作用層は、白金、パラジウムまたはロジウムを含む。光触媒作用層が金属を含む場合、好ましくは、レーザ放射が大きな損失なしに光触媒作用層を通過することができるように、１０ｎｍ以下または５ｎｍ以下または３ｎｍ以下の厚さを有する。このように、光触媒作用層を光学素子の放射出口側に適用することにより、望ましくない材料の蓄積を低減または防止することができる。
【0036】
本発明の半導体レーザの少なくとも１つの実施形態によれば、光学素子は、動作中に光学素子に入射するレーザ放射を整形するように設計されている。これは、光学素子が、レーザ放射の主伝搬方向を変更するように設計されていることを意味してもよい。また、光学素子が、レーザ放射の他のパラメータ、例えばビーム発散量を変更するように設計されていることもあり得る。入射するレーザ放射を整形するために、光学素子は、少なくとも１つの回折光学素子を有することができる。特に、光学素子は、少なくとも１つの金属ミラー層または誘電体ミラー層、または金属ミラーと誘電体ミラーの組み合わせから構築されたミラー層を有することができる。１つ以上のミラー層は、光学素子の表面に配置されていてもよい。さらに、光学素子は、レーザ放射を整形するための１つ以上のマスクを有していてもよい。レーザ放射を整形するように設計された光学素子を用いることにより、下流側の光学系をより小型化し、より簡略化することができる。
【0037】
本発明の半導体レーザの少なくとも１つの実施形態によれば、半導体レーザは、それぞれがキャリア上に配置された２つのさらなるエッジ発光レーザダイオードからなる。レーザダイオードおよび２つのさらなるレーザダイオードは、横方向に並んで配置され得る。さらなるレーザダイオードの各々は、キャリア上に配置される。さらなるレーザダイオードの各々は、レーザダイオードと同じ構造を有することができる。各光学素子は、１つのさらなるレーザダイオードのファセットを覆うことができる。レーザダイオードおよび２つのさらなるレーザダイオードは、動作中に異なる波長範囲のレーザ放射を生成するように設計することができる。これは、レーザダイオードが第１の波長範囲でレーザ放射を生成するように設計されていることを意味することができる。さらなるレーザダイオードの一方は、第２の波長範囲でレーザ放射を生成するように設計され、さらなるレーザダイオードの他方は、第３の波長範囲でレーザ放射を生成するように設計され得る。
【0038】
例えば、第１の波長範囲は、電磁スペクトルの赤色範囲、例えば６００ｎｍと７８０ｎｍとの間の範囲であることができる。第２の波長範囲は、電磁スペクトルの緑色範囲、例えば、４９０ｎｍと５７０ｎｍとの間の範囲であることができる。第３の波長範囲は、電磁スペクトルの青色範囲、例えば、４３０ｎｍと４９０ｎｍの間の範囲であることができる。
【0039】
レーザダイオードとさらに２つのレーザダイオードを使用することで、混合光を発生させることができる。また、３つの異なる色、例えば、赤、緑、青でレーザ放射が可能なため、半導体レーザは、小さい設置スペースしか必要としない。
【0040】
本発明の半導体レーザの少なくとも１つの実施形態によれば、半導体レーザは、ビームコンバイナを備える。ビームコンバイナは、レーザダイオードおよび２つのさらなるレーザダイオードの３つの光学素子の下流に配置されている。ビームコンバイナは、レーザダイオードおよび２つのさらなるレーザダイオードによって放射されたレーザ放射を混合し、混合光を生成するように設計されている。例えば、ビームコンバイナは、動作中に光学素子を出射したレーザ放射がビームコンバイナに入射する放射入口側を有している。また、ビームコンバイナは、混合光がビームコンバイナを出る放射出口側を有していてもよい。例えば、ビームコンバイナは、接続部材、例えばシリコーンによって光学素子と接続されている。ビームコンバイナの放射出口面は、半導体レーザの放射出口面を形成することができる。有利には、このようにして、半導体レーザは、混合光、例えば白色混合光を出射することができる。
【0041】
本発明の半導体レーザの少なくとも１つの実施形態によれば、光学素子に、動作中にレーザダイオードによって出射される放射の波長を変換するように設計された変換素子が続く。特に、変換要素は、動作中にレーザダイオードによって出射される放射の少なくとも一部の波長を変換するように設計されることができる。動作中にレーザダイオードから放射される放射の波長を変換することにより、例えば、高い演色評価数を伴う白色混合光を生成することができる。
【0042】
以下では、ここで説明した半導体レーザを、例示的な実施形態および対応する図と併せて、より詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【0043】
【0044】
図中では、同一、類似または同等の要素には同一の参照符号が付されている。図および図中の要素の比率は、相互間での真の縮尺とはみなされない。むしろ、表現のしやすさおよび／または理解のしやすさをより高めるために、個々の要素のサイズを大きくすることがある。
【発明を実施するための形態】
【0045】
図１は、例示的な実施形態に従った半導体レーザ２０を示す。半導体レーザ２０は、延在する主面を有するキャリア２１からなる。エッジ発光レーザダイオード２２がキャリア２１上に配置されている。レーザダイオード２２は、レーザ放射を発生させるための活性領域と、放射出口領域２４を有するファセット２３とを有する。動作中にレーザダイオード２２によって生成されたレーザ放射は、キャリア２１の主延長面に平行な主伝搬方向を有する。半導体レーザ２０は、さらに光学素子２５を構成する。光学素子２５は、ファセット２３及び放射出口領域２４を完全に覆う。光学素子２５は、横方向ｘにおいてレーザダイオード２２に隣接して配置され、横方向ｘはキャリア２１の主延長面に平行である。光学素子２５は、４分の１球の形状を有している。４分の１球の平坦な外面のうちの一つは、ファセット２３に面している。４分の１球の平坦な外面の別の面は、キャリア２１とは反対側に向いている。
【0046】
光学素子２５とファセット２３との間には、接続部材２６が配置されている。光学素子２５は、接続部材２６を介してファセット２３に機械的に接続されている。光学素子２５は、動作中にレーザダイオード２２によって出射されるレーザ放射に対して部分的に透過性である。光学素子２５は、ファセット２３に割り当てられた放射入口側３５を有する。さらに、光学素子２５は、キャリア２１とは反対側に向く放射出口側３６を有する。このように、光学素子２５は、動作中に光学素子２５に入射するレーザ放射の主伝搬方向を変化させるように構成されている。これは、レーザダイオード２２の主伝搬方向は、半導体レーザ２０の主放射方向と直交することを意味する。また、放射出口側３６で出射するレーザ放射の主伝搬方向は、レーザダイオード２２の主放射方向に対して直交する。
【0047】
また、半導体レーザ２０は、レーザダイオード２２及び光学素子２５を少なくとも部分的に覆う成形体２７を有している。成形体２７は、レーザダイオード２２、キャリア２１及び光学素子２５を横方向ｘに取り囲んでいる。これにより、成形体２７は、レーザダイオード２２を側面３９で完全に覆う。レーザダイオード２２の側面３９は、キャリア２１の主延長面に対して横方向または直交方向に延びている。キャリア２１とは反対側のレーザダイオード２２の上面３７は、成形体２７から開放されている。キャリア２１とは反対側の光学素子２５の放射出口側３６もまた、成形体２７から開放されている。放射出口側３６は、平面状、すなわち湾曲していない形状を有している。成形体２７は、鋳造および／または射出成形工程によって形成される。
【0048】
キャリア２１と成形体２７とは、基板３２上に配置されている。ここで、成形体２７は、基板３２に直に接している。基板３２は、窒化アルミニウム等の半導体材料を含んでいる。基板３２は、接続キャリア３１上に配置されている。基板３２と接続キャリア３１との間には、電気接点３８が配置されている。電気接点３８を介して、レーザダイオード２２を制御することができる。接続キャリア３１は、プリント回路基板であってもよい。
【0049】
図２は、別の例示的な実施形態による半導体レーザ２０の上面図である。成形体２７は、この図には図示されない。電気接点３８が基板３２上に配置されている。電気接点３８は、ボンディングワイヤ３３を介してレーザダイオード２２及びキャリア２１に電気的に接続されている。任意選択のＥＳＤ（静電放電）素子３４もまた、キャリア２１上に配置されている。
【0050】
光学素子２５は、動作中に光学素子２５に入射するレーザ放射を整形するように設計されている。このために、光学素子２５は、回折素子を有することができる。さらに、光学素子２５の湾曲した外面には、ミラー層４０が適用されている。ミラー層４０は、金属または誘電体、またはその両方の組み合わせであってもよい。
【0051】
また、光学素子２５の放射入口側３５に反射防止層を適用してもよい。さらに、光学素子２５の放射出口側３６に反射防止層を適用してもよい。また、光学素子２５の放射出口側３６に光触媒作用層を塗布して、放射出口側３６での分解反応を支援するようにしてもよい。
【0052】
図３は、別の例示的な実施形態に従った半導体レーザ２０を通る概略断面図である。図１の例示的な実施形態とは対照的に、成形体２７は、キャリア２１とは反対側の上面３７でレーザダイオード２２を覆う。したがって、レーザダイオード２２は完全に封入され、半導体レーザ２０の環境からの環境による影響から保護される。レーザダイオード２２が配置される追加の筐体またはキャビティは必要とされない。貫通接続部４１が基板３２内に配置されている。貫通接続部４１は、導電性材料で充填されている。貫通接続部４１は、基板３２のキャリア２１とは反対側からキャリア２１に向かって延びている。基板３２のキャリア２１とは反対側には、電気接点３８が配置されており、これを介してキャリア２１は接続キャリア３１に電気的に接続される。接続キャリア３１は、図示されない。
【0053】
さらに、光学素子２５の後には、レーザダイオード２２が動作中に出射する放射の波長を変換するための変換素子３０が設けられている。変換素子３０は、光学素子２５の放射出口側３６に面する放射入口側３５を有している。また、変換素子３０は、半導体レーザ２０の基板３２とは反対側の上面３７に放射出口側３６を有する。このように、変換素子３０を通過することによって光学素子２５を出射するレーザ放射の主伝搬方向が大きく変化することはない。また、変換素子３０は、円柱状の形状を有することができる。さらに、変換素子３０は、変換粒子が組み込まれたマトリックス材料を有することができる。横方向ｘにおいて、変換素子３０は、成形体２７によって完全に取り囲まれている。
【0054】
図４は、別の例示的な実施形態に従った半導体レーザ２０を通る概略断面図である。レーザダイオード２２、キャリア２１、および光学素子２５のみが図示されている。半導体レーザ２０の他の構成要素は図示されていない。光学素子２５には、レーザダイオード２２によって動作中に放射されるレーザ放射のビーム経路が示されている。レーザダイオード２２のファセット２３を出射するレーザ放射の主伝搬方向は、キャリア２１の主延長面と平行であることが示されている。光学素子２５は、光学素子２５から出射されるレーザ放射の主伝搬方向がキャリア２１の主延長面に対して直交するように、レーザ放射が整形され、偏向されていることが示されている。
【0055】
図５Ａは、別の例示的な実施形態に従った半導体レーザ２０の上面図である。半導体レーザ２０は、レーザダイオード２２と、２つのさらなるエッジ発光レーザダイオード２８とからなる。さらなるレーザダイオード２８の各々は、キャリア２１上に配置されている。さらに、１つの光学素子２５が、さらなるレーザダイオード２８の各々のファセット２３を覆う。レーザダイオード２２及びさらなるレーザダイオード２８は、動作中に異なる色のレーザ放射を出射するように設計されている。例えば、レーザダイオード２２は、動作中に赤色のレーザ放射を放射するように設計することができる。さらなるレーザダイオード２８の一方は、動作中に青色のレーザ放射を放射するように設計することができる。さらなるレーザダイオード２８の他方は、動作中に緑色のレーザ放射を放射するように設計することができる。
【0056】
３つの光学素子２５にビームコンバイナ２９が続く。ビームコンバイナ２９は、レーザダイオード２２とさらなるレーザダイオード２８から放射されたレーザ放射を混合して混合光を発生させるためのものである。このために、ビームコンバイナ２９は、光学素子２５の放射出口側３６に面する放射入口側３５を有している。さらに、ビームコンバイナ２９は、混合光がビームコンバイナ２９を出射する放射出口側３６を有する。ビームコンバイナ２９は、シリコーン等の接続部材を介して光学素子２５に接続されていてもよい。
【0057】
さらに、半導体レーザ２０は、３つの監視ダイオード４２を有する。監視ダイオード４２の各々は、レーザダイオード２２，２８の１つに割り当てられている。監視ダイオード４２は、レーザダイオード２２，２８の、ファセット２３とは反対側に配置されている。監視ダイオード４２は、ファセット２３とは反対側に出射されたレーザ放射を検出するように配置されている。したがって、レーザダイオード２２，２８によって出射されるレーザ放射の強度をおおよそ決定することができる。これは、例えば、人間が使用する用途で半導体レーザ２０が使用される場合に有利である。目に有害な高すぎる強度を回避することができる。
【0058】
レーザダイオード２２及びさらなるレーザダイオード２８のファセット２３とは反対側には、高い熱伝導率を有し、レーザダイオード２２及びさらなるレーザダイオード２８からの熱を放散することができる追加のヒートシンクを配置することができる。ヒートシンクは図示されない。
【0059】
図５Ｂは、図５Ａの線ＡＡに沿った半導体レーザ２０を通る断面図である。レーザダイオード２２および２つのさらなるレーザダイオード２８は、横方向ｘに隣り合って配置されている。光学素子２５は、４分の１球の形状を有している。ビームコンバイナ２９は、３つの光学素子２５を覆う。成形体２７は、レーザダイオード２２、さらなるレーザダイオード２８、キャリア２１、およびビームコンバイナ２９を横方向ｘに完全に取り囲む。ビームコンバイナ２９の基板３２とは反対側は、成形体２７から開放されている。
【0060】
ビームコンバイナ２９は、放射出口面４３を有する。ビームコンバイナ２９の放射出口面４３は、レーザダイオード２２及び２つのさらなるレーザダイオード２８の横方向ｘに隣り合って配置されている。ビームコンバイナ２９の放射出口面４３は、ビームコンバイナ２９の横方向の延長よりも小さい。ビームコンバイナ２９は、基板３２とは反対側で成形体２７から開放されているので、ビームコンバイナ２９の放射出口面４３は、半導体レーザ２０の放射出口面４３を形成している。半導体レーザ２０は、放射出口面４３を介して混合光、特に白色混合光を出射するように構成されている。
【0061】
図５Ｃは、図５Ａの線ＢＢに沿った半導体レーザ２０を通る断面図である。キャリア２１および光学素子２５を有するさらなるレーザダイオード２８は、図１および図２に示すレーザダイオード２２の構造を有する。監視ダイオード４２は、ファセット２３とは反対側に配置されている。さらなるレーザダイオード２８、光学素子２５、キャリア２１、ビームコンバイナ２９、及び監視ダイオード４２は、横方向ｘにおいて成形体２７によって完全に取り囲まれている。
【0062】
成形体２７を貫通して、基板３２とは反対側の成形体２７の上面３７から基板３２に向けて貫通接続部４１が延びている。接続キャリア３１は、図示されない。貫通接続部４１は、成形体２７に面する側から基板３２をさらに貫通して、成形体２７とは反対側の基板３２の下側４４まで延びている。貫通接続部４１は、導電性材料を含む。電気接点３８は、成形体２７の上面３７に配置されており、当該接点は、貫通接続部４１に電気的に接続されている。貫通接続部４１を介して、成形体２７の上面３７に配置された電気接点３８は、基板３２の下側４４に配置された電気接点３８に電気的に接続される。さらに、貫通接続部４１は、基板３２を介してキャリア２１、ひいてはレーザダイオード２２，２８に電気的に接続されている。多数の電気接点３８が、例えば、レーザダイオード２２，２８と監視ダイオード４２とを接触させるために必要な場合には、電気接点３８を成形体２７の上面３７と基板３２の下側４４の両方に配置することが有利である。しかし、電気接点３８を成形体２７の上面３７のみに配置したり、基板３２の下側４４のみに配置したりすることも可能である。
【0063】
図６は、例示的な実施形態に従った半導体レーザ２０の放射出口側３６から出射するレーザ放射のエネルギー分布を示す図である。ｘ軸上には、横方向ｘにおける横方向の伸張がミリメートル単位でプロットされている。ｙ軸上では、横方向ｘに直交するさらなる横方向伸張がミリメートル単位でプロットされる。着色されたｚ成分は、半導体レーザ２０が放射出口側３６で出射するレーザ放射の強度を示している。レーザ放射の強度は、放射出口面４３の中心で最も高くなる。半導体レーザ２０は、図４に示す例示的な実施形態である。
【0064】
本特許出願は、ドイツ特許出願１０２０１８１１７５１８．３の優先権を主張しており、その開示内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【0065】
本発明は、詳細な説明に基づく詳細な説明によって例示的な実施形態に限定されるものではない。むしろ、本発明は、新規の特徴または特徴の組み合わせ自体が特許請求の範囲または例示的実施形態に明示的に記載されていなくても、その特徴および任意のその組み合わせを含み、特に、特許請求の範囲に記載された特徴の任意の組み合わせを含む。
【符号の説明】
【0066】
２０ 半導体レーザ
２１ キャリア
２２ レーザダイオード
２３ ファセット
２４ 放射出口領域
２５ 光学素子
２６ 接続部材
２７ 成形体
２８ さらなるレーザダイオード
２９ ビームコンバイナ
３０ 変換素子
３１ 接続キャリア
３２ 基板
３３ ボンディングワイヤ
３４ ＥＳＤ素子
３５ 放射入口側
３６ 放射出口側
３７ 上面
３８ 電気接点
３９ 側面
４０ ミラー層
４１ 貫通接続部
４２ 監視ダイオード
４３ 放射出口面
４４ 下側
ｘ 横方向
２１ キャリア
２２ レーザダイオード
２３ ファセット
２４ 放射出口領域
２５ 光学素子
２６ 接続部材
２７ 成形体
２８ さらなるレーザダイオード
２９ ビームコンバイナ
３０ 変換素子
３１ 接続キャリア
３２ 基板
３３ ボンディングワイヤ
３４ ＥＳＤ素子
３５ 放射入口側
３６ 放射出口側
３７ 上面
３８ 電気接点
３９ 側面
４０ ミラー層
４１ 貫通接続部
４２ 監視ダイオード
４３ 放射出口面
４４ 下側
ｘ 横方向
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図6】