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Title:
SURFACE-EMITTING SEMICONDUCTOR LASER HAVING AN ADJUSTABLE WAVE NUMBER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/177715
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a wavelength-tunable surface-emitting semiconductor laser (2) having an HCG mirror (3). The semiconductor laser is arranged in an air-tight housing (15) that is filled with a filling gas (16). The pressure of the filling gas is selected at such a high level that supercritical viscous damping of the mirror is achieved and the semiconductor laser can thus be operated in a particularly stable manner. Also disclosed is a manufacturing process.

Inventors:
JUNG SEBASTIAN (DE)
WOLF JÜRGEN (DE)
KNOKE STEFAN (DE)
Application Number:
PCT/EP2018/055771
Publication Date:
October 04, 2018
Filing Date:
March 08, 2018
Export Citation:
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Assignee:
JENOPTIK LASER GMBH (DE)
International Classes:
H01S5/022; H01S5/183
Domestic Patent References:
WO2014100564A12014-06-26
WO2014144998A22014-09-18
WO2014144866A22014-09-18
Foreign References:
US9337618B22016-05-10
US20160079736A12016-03-17
US20140268169A12014-09-18
US20120257210A12012-10-11
US20150171597A12015-06-18
US20140268050A12014-09-18
US20050242359A12005-11-03
US20160079736A12016-03-17
US20150002849A12015-01-01
US9337618B22016-05-10
US20070115553A12007-05-24
US20070153860A12007-07-05
US20100316079A12010-12-16
US20100316083A12010-12-16
Attorney, Agent or Firm:
WALDAUF, Alexander (DE)
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Claims:
Patentansprüche:

1. Lichtquelle (1 ) mit einer veränderlichen Wellenzahl k umfassend

a. einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser (2) mit einem Halbleiterchip (7), wobei der oberflächenemittierende Halbleiterlaser einen Resonator umfasst und der Halbleiterchip eine im Resonator liegende Halbleiteroberfläche (11 ) aufweist, wobei der Resonator einen ersten Spiegel (3) und einen zweiten Spiegel (4) umfasst und der erste Spiegel als HCG (Hochkontrastgitter) ausgebildet ist und der erste Spiegel (3) in einem veränderlichen Abstand I zu der Halbleiteroberfläche (1 1 ) angeordnet ist,

b. ein oder mehrere Federelemente (13), über welche der erste Spiegel beweglich mit dem Halbleiterchip verbunden ist, wobei der erste Spiegel und die Federelemente ein schwingfähiges mechanisches System mit einer Eigenfrequenz f0 einer ersten Ordnung (Grundmode) bilden,

c. ein hermetisches Gehäuse (15) zur Aufnahme des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers,

d. ein im Inneren des Gehäuses befindliches Füllgas,

dadurch gekennzeichnet, dass das Füllgas (16) unter einem Druck p steht und der Druck p so hoch gewählt wird, dass das mechanische System auf der Eigenfrequenz fo überkritisch gedämpft ist.

2. Lichtquelle (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Füllgas eine mittlere molare Masse aufweist, die kleiner ist als die mittlere molare Masse von Stickstoff.

3. Lichtquelle (1 ) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllgas Helium ist.

4. Lichtquelle (1 ) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck p größer ist als der atmosphärische Druck

5. Verfahren zur Herstellung einer Lichtquelle (1 ) mit einer veränderlichen Wellenzahl k umfassend

a. Bereitstellen eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers (2) mit einem Halbleiterchip (7), wobei der oberflächenemittierende Halbleiterlaser einen Resonator umfasst und der Halbleiterchip eine im Resonator liegende Halbleiteroberfläche (1 1 ) aufweist, wobei der Resonator einen ersten Spiegel (3) und einen zweiten Spiegel (4) umfasst und der erste Spiegel als HCG (Hochkontrastgitter) ausgebildet ist und der erste Spiegel (3) in einem veränderlichen Abstand I zu der Halbleiteroberfläche (11 ) angeordnet ist,

b. Herstellen eines oder mehrerer Federelemente (13), über welche der erste Spiegel beweglich mit dem Halbleiterchip verbunden ist, wobei der erste Spiegel und die Federelemente ein schwingfähiges mechanisches System mit einer Eigenfrequenz f0 einer ersten Ordnung (Grundmode) bilden,

c. Bereitstellen eines Gehäuse (15) zur Aufnahme des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers,

d. Einbauen des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers in das Gehäuse e. Befüllen des Gehäuses mit einem Füllgas,

f. Hermetisches Verschließen des Gehäuses.

dadurch gekennzeichnet, dass das Füllgas (16) im Gehäuse einen Druck p aufweist und der Druck p so hoch ist, dass das mechanische System auf der Eigenfrequenz f0 überkritisch gedämpft ist.

Description:
Oberflächenemittierender Halbleiterlaser mit veränderlicher Wellenzahl

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser mit veränderlicher Wellen- zahl k.

Der Auswertungs- und Bildgenerierungsalgorithmus in der Optischen Kohärenztomografie (OCT) basierend auf Frequenzraum (Frequency Domain)- OCT erfordert unter anderem die Anwendung von Fouriertransformationen auf das gewonnene Signal. Ein Spezialfall des Verfahrens stellt das Swept Source OCT (SSOCT) dar, bei dem die notwendige Erfassung des Spekt- rums sequentiell erfolgt und zu diesem Zweck eine hochfrequent durchstimmbare Laserquelle („Swept Source") zum Einsatz kommt. Im Deutschen könnte man eine Swept Source als optischen Wobbeigenerator bezeichnen. Dabei kann es sich um einen durchstimmbaren Laser handeln. Für die erforderliche Weiterverarbeitung und die Fourier-Transformation der Daten beim SSOCT Verfahren ist es erforderlich, dass das Spektrum mit äquidistanten Stützstellen bezüg- lieh der Wellenzahl bzw. der Frequenz des Lichts vorliegt.

Für die OCT-Anwendung ist ein rauscharmer Laserbetrieb notwendig. Limitierender Faktor ist insbesondere beim Einsatz eines HCG-Gitters als einer der den Resonator begrenzenden Spiegel mit entsprechend geringer Masse der Einfluss Brownscher Molekülbewegungen des umgebenen Gasvolumens. Diese verursachen unter anderem eine unerwünschte Vergrößerung der Emissionsbandbreite. Das kann die negative Folge haben, dass die Kohärenzlänge gegenüber der theoretisch möglichen Kohärenzlänge im rauschfreien Fall verkürzt ist.

Weiterhin wird die Bilderfassungsrate maßgeblich durch die Durchstimmgeschwindigkeit des T- VCSEL bestimmt. Die sogenannte Sweep-Rate liegt in aktuellen OCT-Systemen im Bereich mehrerer zehn bis hundert Kilohertz. Begrenzender Faktor für den T-VCSEL stellt hier die er- reichbare Dynamik des beweglichen Endspiegels dar. Die Resonanzfrequenz des beweglichen Endspiegels hängt von seiner Bauform ab. Für HCG-Spiegel liegt diese typischerweise im Bereich mehrerer hundert Kilohertz. Die mechanische Resonanzfrequenz eines HCG Spiegels kann deutlich höher sein als die eines herkömmlichen DBR-Spiegels. Es können auch mehrere Resonanzfrequenzen vorhanden sein. Dabei kann es sich um resonante Oberschwingungen eines mechanischen Freiheitsgrades handeln und/ oder es können mehrere Freiheitsgrade vor- handen sein, die unterschiedliche Eigenfrequenzen aufweisen. Aufgrund der Resonanzfrequenzen kann es beim schnellen Durchstimmen der Wellenzahl zu parasitären Schwingungen kommen, durch welche die Spiegelposition und damit die Wellenzahl vom Vorgabewert abweichen.

Stand der Technik

Die VCSEL-Struktur wird allein schon zum mechanischen Schutz in ein Gehäuse eingebracht, Bauform sind z.B. TO-Gehäuse unterschiedlicher Abmessungen. Das die VCSEL-Struktur umgebene Volumen kann dadurch hermetisch versiegelt werden. Im Gehäuseinneren befindet sich nach dem Stand der Technik trockene Luft, Stickstoff, Sauerstoff oder Argon. Ebenfalls empfohlen wird der Einsatz von Unterdruck oder Vakuum im Gehäuse. In WO2014100564A1 wird empfohlen, für einen abstimmbaren VCSEL ein hermetisch abgeschlossenes Butterfly Gehäuse zu verwenden und mit einem Inertgas zu befüllen, um Korrosion zu vermeiden. US20120257210A1 hingegen lehrt, trockenen Sauerstoff oder Ozon zur Befüllung zu verwenden. Bei solchen Anordnungen kann eine Linienverbreiterung auftreten.

US20150171597A1 lehrt hingegen, dass es vorteilhaft sei, das Gehäuse für einen MEMS- VCSEL zu evakuieren, mit dem Ziel, die mechanische Dämpfung des Systems zu verringern. US20140268050A1 empfiehlt ebenfalls ein Gehäuse mit Vakuum. WO2014144998A2 empfiehlt ebenfalls ein Gehäuse mit Vakuum. WO2014144866A2 empfiehlt ebenfalls ein Gehäuse mit Vakuum, um eine mechanische (viskose) Dämpfung des MEMS zu vermeiden. Die in diesem Absatz genannten gleichlautenden Empfehlungen, die Gitter im Vakuum zu betreiben, können für herkömmliche MEMS mit Bragggitter- Spiegel vorteilhaft sein. Bei Verwendung von HCG Gittern können nachteilige resonante mechanische Schwingungen auftreten. Außerdem ist das Gitter durch das Vakuums thermisch isoliert von dem Halbleiterchip. Wegen der mangelnden thermischen Anbindung kann die im Gitter entstehende Abwärme schlecht abgeführt werden.

US20050242359A1 empfiehlt, eine organische Siliziumverbindung zum Befüllen des Gehäuses zu verwenden mit einem Dampfdruck von weniger als 540 Pa. Auch ein solches Vorgehen ist für MEMS mit HCG nicht geeignet.

Aus US 2016 / 0 079 736 A1 ein Verfahren zur Herstellung einer wellenlängenveränderlichen Photonenquelle bekannt, die aus einer Vielzahl von Elementen aufgebaut ist. Nachteilig ist der komplexe Aufbau der Anordnung. Aus US 2015/ 0 002 849 A1 ist ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser mit feststehenden Interferenzspiegeln und einem im Resonator angeordneten beweglichen Teil zur

Wellenlängenabstimmung bekannt. Das bewegliche Teil kann nachteiligerweise einen Teil der Laserstrahlung absorbieren. Dadurch kann die erreichbare Ausgangsleistung des Lasers begrenzt sein.

Aus US 9 337 618 B2 ist ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser bekannt, der im Vakuum betrieben wird.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lichtquelle hoher Kohärenzlänge für das SSOCT Verfahren zu finden, bei der das Rauschen vermindert ist und außerdem eine hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit beim Durchstimmen ermöglicht wird. Weitere Ziele sind eine gute thermische Anbindung des HCG Gitters an den Halbleiterchip, eine geringe Linienbreite der emittierten Laserstrahlung auf der Wellenlängenskala und eine gute Langzeitstabilität der Lichtquelle.

Lösung der Aufgabe:

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Lichtquelle mit einer veränderlichen Wellenzahl k umfassend

a einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser mit einem Halbleiterchip, wobei der oberflächenemittierende Halbleiterlaser einen Resonator umfasst und der Halbleiterchip eine im Resonator liegende Halbleiteroberfläche aufweist, wobei der Resonator einen ersten Spiegel und einen zweiten Spiegel umfasst und der erste Spiegel als HCG (Hochkontrastgitter) ausgebildet ist und der erste Spiegel in einem veränderlichen Abstand I zu der Halbleiteroberfläche angeordnet ist,

b ein oder mehrere Federelemente, über welche der erste Spiegel beweglich mit dem Halbleiterchip verbunden ist, wobei der erste Spiegel und die Federelemente ein schwingfähi- ges mechanisches System mit einer Eigenfrequenz f 0 einer ersten Ordnung (Grundmode) bilden,

c ein hermetisches Gehäuse zur Aufnahme des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers, d ein im Inneren des Gehäuses befindliches Füllgas,

dadurch gekennzeichnet, dass das Füllgas unter einem Druck p steht und der Druck p so hoch gewählt wird, dass das mechanische System auf der Eigenfrequenz f 0 überkritisch gedämpft ist. Vorteile der Erfindung

Vorteilhaft sind eine hohe Kohärenzlänge sowie eine schnelle Durchstimmbarkeit der Lichtquelle bei guter Reproduzierbarkeit des Durchstimmens. Von Vorteil sind ebenso eine lange Lebensdauer und eine hohe erreichbare Ausgangsleistung. Außerdem kann eine schmale Linien- breite erreicht werden. Vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Lichtquelle für ein SSOCT-Ver- fahren verwendet werden.

Beschreibung

Das SSOCT- Verfahren erfordert eine schmalbandige Lichtquelle, welche Licht mit einer hohen Kohärenzlänge emittiert. Das Licht einer bestimmten Wellenlänge λ weist eine Wellenzahl k auf, die dem Kehrwert der Wellenlänge entspricht. Die Wellenzahl k muss über einen bestimmten Wellenzahlbereich ki ... k 2 veränderlich sein. Aus der Vielzahl verfügbarer Lichtquellen wird erfindungsgemäß ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser ausgewählt. Ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser wird auch als VCSEL (englisch vertical-cavity surface-emitting laser) bezeichnet. Ein solcher Laser ist wegen der hohen Kohärenzlänge von einigen 10 cm oder mehr besonders geeignet. Vorteilhaft kann ein Ein-Moden-Betrieb sein.

Die erfindungsgemäße Lichtquelle umfasst einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser mit einem Halbleiterchip. Der oberflächenemittierende Halbleiterlaser umfasst einen Resonator. Der Halbleiterchip weist eine im Resonator liegende Halbleiteroberfläche auf.

Der Resonator umfasst einen ersten Spiegel und einen zweiten Spiegel. Der Resonator kann durch den ersten und den zweiten Spiegel begrenzt sein. Der erste und der zweite Spiegel können parallel zueinander angeordnet sein. Der erste Spiegel und der zweite Spiegel weisen einen Abstand voneinander auf. Der VCSEL kann eine Laserstrahlung in einer Richtung z emittieren, die senkrecht zum ersten Spiegel sein kann.

Bekannte durchstimmbare VCSEL nutzen einen sogenannten EMS-Spiegel (englisch microoptomechanical System) als einen der beiden Endspiegel der Laserkavität. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung kann die Position dieses Spiegels beeinflusst und somit die Gesamtlänge der Laserkavität verändert werden. Ein solcher MEMS-Spiegel besteht typischerweise aus einem beweglich gelagerten DBR Spiegel (englisch disributed bragg reflector). Wegen der hohen Masse eines aus mehreren Schichten aufgebauten bekannten DBR-Spiegels sind relativ hohe Stellkräfte erforderlich, um die Resonatorlänge durchzustimmen. Für die OCT- Applikation ist eine kontinuierliche und präzise Kenntniss der aktuellen Emissions-Wellenzahl erforderlich. Hierzu wird von der Swept Source Quelle ein sogenanntes k-clock Triggersignal generiert. Die Reproduzierbarkeit der Wellenzahleinstellung ist bei Verwendung eines DBR- Spiegels als erstem Spiegel insbesondere bei schneller Verstellung bzw. bei hohen Durchstim- mfrequenzen so schlecht, dass ein optisch generiertes k-clock Triggersignal erforderlich ist. Er- findungsgemäß hingegen ist der erste Spiegel als HCG (Hochkontrastgitter) ausgebildet. Ein HCG Spiegel kann eine ca. etwa ein bis zwei Größenordnungen geringere Masse aufweisen im Vergleich zu einem DBR-Spiegel. Dadurch kann die Einstellgenauigkeit deutlich verbessert sein. Hochkontrastgitter werden auch als Subwellenlängengitter (sub wavelength grating) bezeichnet. HCG sind beispielsweise aus US20070115553A1 bekannt, deren Verwendung für VCSEL aus US20070153860A1 , US20100316079A1 und US20100316083A1.

Die im Resonator liegende Halbleiteroberfläche kann beispielsweise durch Unterätzen des unten beschriebenen ersten Spiegels hergestellt werden. Die Halbleiteroberfläche kann parallel zum ersten Spiegel sein. Der VCSEL kann ein Substrat aufweisen. Der VCSEL kann eine Halbleiterstruktur aufweisen. Die Halbleiterstruktur kann wenigstens einen p-n-Übergang und we- nigstens einen Quantengraben aufweisen. Die Halbleiterstruktur kann dafür vorgesehen sein, eine optische Verstärkung zu bewirken, die zum Laserbetrieb erforderlich ist. Die Halbleiteroberfläche kann auf einer Oberseite der Halbleiterstruktur angeordnet sein. Der Resonator um- fasst einen ersten Spiegel und einen zweiten Spiegel. Der erste Spiegel ist als HCG (Hochkontrastgitter) ausgebildet. Der erste Spiegel ist in einem veränderlichen Abstand I zu der Halb- leiteroberfläche angeordnet. Der erste Spiegel kann also mit einem Parallelspalt der Dicke I zur Halbleiteroberfläche angeordnet sein. Der Spalt kann bevorzugt mit einem gasförmigen Medium gefüllt sein. Ebenfalls vorteilhaft kann der Spalt auch ohne Medium, d.h. unter Vakuum betrieben werden. Der Brechungsindex des Spaltes kann den Wert 1 aufweisen. Der Abstand I kann kleiner als 5pm sein. Die erfindungsgemäße Lichtquelle umfasst ein oder mehrere Federelemente, über welche der erste Spiegel beweglich mit dem Halbleiterchip verbunden ist. Das Federelement kann aus dem gleichen Material bestehen wie der erste Spiegel. Der erste Spiegel kann einen ersten elektrischen Kontakt aufweisen. Der erste Spiegel kann eine erste Elektrode darstellen. Der VCSEL kann eine zweite Elektrode mit einem zweiten elektrischen Kontakt aufweisen. Die zweite Elekt- rode kann vorteilhaft auf der Halbleiterstruktur angeordnet sein. Durch Anlegen einer Steuerspannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode kann der Abstand I verringert werden. Der zweite Kontakt kann eine Apertur aufweisen, durch die das Laserlicht hindurchtreten kann. Die zweite Elektrode kann aber auch in einem Abstand zur Halbleiterstruktur angeordnet sein, der größer ist als der Abstand I. Durch Anlegen einer Steuerspannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode kann in diesem Fall der Abstand I vergrößert werden

Der erste Spiegel und die Federelemente bilden ein schwingfähiges mechanisches System mit einer Eigenfrequenz fo. Als Eigenfrequenz fo wird hier die Eigenfrequenz einer ersten Ordnung (Grundmode) der mechanischen Schwingung bezeichnet. Die mechanische Schwingung kann den mechanischen Freiheitsgrad betreffen, der zur Veränderung der Wellenzahl benutzt wird. Dieser Freiheitsgrad kann die Verschiebung des ersten Spiegels in Richtung des Laserstrahls (Richtung z) sein. Daneben können noch weitere mechanische Freiheitsgrade vorhanden sein. Bezüglich dieser weiteren Freiheitsgrade kann das System weitere von fo verschiedene Eigenfrequenzen aufweisen.

Die erfindungsgemäße Lichtquelle umfasst ein hermetisches Gehäuse zur Aufnahme des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers. Darunter ist ein Gehäuse zu verstehen, welches den oberflächenemittierenden Halbleiterlaser gasdicht von der Umwelt abschließt. Die erfindungsgemäße Lichtquelle umfasst ein im Inneren des Gehäuses befindliches Füllgas. Das Füllgas kann auch den Raum zwischen dem ersten Spiegel und der Halbleiteroberfläche ausfüllen. Das Füllgas steht unter einem Druck p. Erfindungsgemäß ist der Druck p so hoch gewählt wird, dass das mechanische System auf der Eigenfrequenz fo überkritisch gedämpft ist. Hierbei kann die modale Dämpfung für die Grundmode der Schwingung betrachtet werden, wel- che für die Veränderung der Wellenzahl k verwendet wird. Das kann die Bewegung des ersten Spiegels in Richtung der Laserstrahlung (Richtung z) sein. Die anderen Schwingungsmoden, insbesondere auch die von solchen Freiheitsgraden, welche nicht der Verstellung der Wellenzahl dienen, können dabei vorteilhaft ebenfalls eine Dämpfung erfahren. Diese Dämpfung kann dabei vorteilhaft stärker sein, als die modale Dämpfung für die Grundmode der Schwingung, welche für die Veränderung der Wellenzahl k verwendet wird.

Die Dämpfung kann eine viskose Dämpfung sein. Die viskose Dämpfung kann durch eine laminare Umströmung des ersten Spiegels und/oder die innere Reibung des Füllgases erreicht werden. Unter einer überkritischen Dämpfung ist eine Dämpfung zu verstehen, die stärker ist als die Dämpfung im aperiodischen Grenzfall. Bei einer überkritischen Dämpfung kann der Dämp- fungsgrad größer als 1 sein. Die überkritische Dämpfung der Bewegung des ersten Spiegels kann vorteilhaft sein, um ein Flattern des Spiegels zu vermeiden sowie eine Zerstörung der Federelemente durch resonante Anregung zu verhindern. Weiterhin kann die Lichtquelle toleranter bezüglich der Fertigungsgenauigkeit sein, da herstellungsbedingte Toleranzen der Resonanzfrequenz fo wegen der Dämpfung kaum noch eine Rolle spielen. Außerdem kann eine Knudsenströmung zwischen dem ersten Spiegel und der Halbleiteroberfläche vermieden werden. Dadurch können Undefinierte Strömungsverhältnisse vermieden und/ oder die thermische Ankopplung des ersten Spiegels an den Halbleiterchip verbessert werden.

Die erfindungsgemäße Lichtquelle emittiert eine Lichtstrahlung mit einer veränderlichen Wellen- zahl k und kann vorteilhaft als Lichtquelle für ein SSOCT Verfahren verwendet werden.

Die erfindungsgemäße Lichtquelle kann vorteilhaft derart ausgebildet sein, dass das Füllgas eine mittlere molare Masse aufweist, die kleiner ist als die mittlere molare Masse von Stickstoff. Durch diese Maßnahme kann das Rauschen der Wellenzahl infolge der Brownschen Molekularbewegung im Vergleich zu einer Befüllung mit Stickstoff vermindert werden. Dieser vorteilhafte Effekt resultiert daraus, dass bei gleicher mittlerer kinetischer Energie der Gasmoleküle der mittlere Impuls der leichteren Gasmoleküle vergleichsweise geringer ist. Besonders Vorteilhaft kann das Füllgas Helium umfassen oder aus Helium bestehen. Ebenfalls vorteilhaft kann das Füllgas Wasserstoff umfassen oder aus Wasserstoff bestehen.

Vorteilhaft kann die Lichtquelle derart ausgebildet sein, dass der Druck p größer ist als der at- mosphärische Druck. Falls ein Leck im Gehäuse vorhanden ist, kann das Füllgas rasch entweichen. Dadurch kann die mechanische Dämpfung des Systems meßbar abnehmen. Die Messung kann beispielsweise als Sprungantwort der Wellenzahl k bei einer Steuerspannung U, die einer Heavyside Funktion folgt, erfolgen. Dadurch ist es möglich, fehlerhafte Lichtquellen bereits in einem Frühstadium zu erkennen und auszusondern. So können Ausfälle im Feld vermieden werden.

Ein Verfahren zur Herstellung einer Lichtquelle mit einer veränderlichen Wellenzahl k umfasst folgende Schritte: a Bereitstellen eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers mit einem Halbleiterchip, wobei der oberflächenemittierende Halbleiterlaser einen Resonator umfasst und der Halbleiter- chip eine im Resonator liegende Halbleiteroberfläche aufweist, wobei der Resonator einen ersten Spiegel und einen zweiten Spiegel umfasst und der erste Spiegel als HCG (Hochkontrastgitter) ausgebildet ist und der erste Spiegel in einem veränderlichen Abstand I zu der Halbleiteroberfläche angeordnet ist, b Herstellen eines oder mehrerer Federelemente, über welche der erste Spiegel beweglich mit dem Halbleiterchip verbunden ist, wobei der erste Spiegel und die Federelemente ein schwingfähiges mechanisches System mit einer Eigenfrequenz fo einer ersten Ordnung (Grundmode) bilden,

Bereitstellen eines Gehäuse zur Aufnahme des oberflächenemittierenden Halbleiterla-

d Einbauen des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers in das Gehäuse e Befüllen des Gehäuses mit einem Füllgas, f Hermetisches Verschließen des Gehäuses.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Füllgas im Gehäuse einen Druck p aufweist und der Druck p so hoch ist, dass das mechanische System auf der Eigenfrequenz fo überkritisch gedämpft ist. Die Schritte e und f können dabei zusammen derart ausgeführt werden, dass das Gehäuse in einer Füllgasatmosphäre mit dem Druck p verschlossen wird.

Schritt b kann vorteilhaft derart ausgeführt werden, dass der erste Spiegel und die Federele- mente durch Strukturieren auf dem Halbleiterchip aufgetragenen bzw. aufgewachsenen Schicht hergestellt werden. Danach kann die strukturierte Schicht, die den ersten Spiegel und die Federelemente umfasst, unterätzt werden. Dabei kann unter dem ersten Spiegel und den Federelementen ein Spalt entstehen. Der Spalt kann nach oben (Richtung +z) durch den ersten Spiegel und nach unten (Richtung -z) durch die Halbleiteroberfläche begrenzt sein. Im Betrieb der Lichtquelle kann eine zeitlich veränderliche Steuerspannung U an den ersten Spiegel angelegt werden. Dadurch ändert sich der Abstand I. Diese Änderung des Abstands I kann aufgrund der elektrostatischen Anziehung zwischen dem Spiegel und einer zweiten Elektrode bewirkt werden. Der Spiegel dient dabei als erste Elektrode. Die Steuerspannung kann zwischen einem ersten Kontakt, der mit dem Spiegel elektrisch verbunden ist und dem zweiten Kontakt, der mit der zweiten Elektrode elektrisch verbunden ist oder mit dieser identisch ist, an- gelegt werden. Dadurch kann es zu einer elektrostatischen Anziehungskraft zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode kommen, die von der angelegten Steuerspannung abhängt. Die Änderung des Abstandes I bewirkt eine Änderung der Wellenzahl k.

Die Figuren zeigen Folgendes:

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Lichtquelle mit veränderlicher Wellenzahl.

Fig. 2 zeigt die viskose Dämpfung.

Fig. 3 zeigt einen Zeitverlauf der Steuerspannung U und der Wellenzahl k.

Ausführungsbeispiele:

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Lichtquelle mit veränderlicher Wellenzahl. Die Lichtquelle 1 umfasst einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser (2) mit einem Halbleiterchip 7. Der oberflächenemittierende Halbleiterlaser umfasst einen Resonator. Der Halbleiterchip weist eine im Resonator liegende Halbleiteroberfläche 11 auf. Der Resonator umfasst einen ersten Spiegel 3 und einen zweiten Spiegel 4. Der erste Spiegel ist als HCG (Hochkontrastgitter) ausgebildet. Der erste Spiegel 3 ist in einem veränderlichen Abstand I zu der Halbleiteroberfläche 11 ange- ordnet. Der Abstand I kann dadurch verändert werden, dass zwischen einem ersten Kontakt 8 und einem zweiten Kontakt 9 eine Steuerspannung U angelegt wird. Infolge des elektrischen Feldes wird der erste Spiegel in Richtung z verschoben. Legt man eine Wechselspannung U(t) als Steuerspannung an, kann der Spiegel eine mechanische Schwingung 18 ausführen. Der erste Spiegel 3 hat die zusätzliche Funktion einer ersten Elektrode. Bezugspotential für die elektrische Steuerspannung U(t) ist eine zweite Elektrode 9, die gleichzeitig als zweiter Kontakt ausgebildet ist. Diese weist eine Apertur 10 auf, damit das Laserlicht hindurchtreten kann. Durch das Anlegen der Steuerspannung wird ein elektrisches Feld ausgebildet, welches eine Anziehungskraft zwischen der ersten und zweiten Elektrode bewirkt. Dadurch kommt es zu einer Verformung des Federelements und damit zu einer Veränderung des Abstands I. Weiterhin gezeigt ist eine Halbleiterstruktur 5, die für die optische Verstärkung sorgt und ein Substrat 6, welches als Ausgangsmaterial für die Herstellung des VCSEL dient. Die Lichtquelle umfasst mehrere Federelemente 13, über welche der erste Spiegel beweglich mit dem Halbleiterchip verbunden ist. Der erste Spiegel und die Federelemente bilden ein schwingfähiges mechanisches System mit einer Eigenfrequenz f 0 . Die Eigenfrequenz ist die modale Eigenfrequenz der ersten Ordnung (Grundmode) der mechanischen Schwingung 18 in z-Richtung.

Der VCSEL kann derart hergestellt werden, dass der erste Spiegel und die Federelemente unterätzt werden. Beim Unterätzen sind hier Abstandshalter 14 stehen geblieben, durch welche die mechanische Verbindung der Federelemente mit dem Halbleiterchip hergestellt ist.

Die Lichtquelle umfasst ein hermetisch verschlossenes Gehäuse 15 zur Aufnahme des oberflä- chenemittierenden Halbleiterlasers. Die Lichtquelle umfasst ein im Inneren des Gehäuses befindliches Füllgas 16, wobei das Füllgas auch den Raum zwischen dem ersten Spiegel und der Halbleiteroberfläche ausfüllt. Das Füllgas 16 steht unter einem Druck p der so hoch gewählt wird, dass das mechanische System auf der Eigenfrequenz fo überkritisch gedämpft ist.

Der Halbleiterchip 7 umfasst ein Halbleitersubstrat 6, den zweiten Spiegel 4 und eine Halb- leiterstruktur 5. Die Laserstrahlung 12 wird hier senkrecht zur Halbleiteroberfläche in z-Richtung emittiert. Damit die Laserstrahlung das Gehäuse verlassen kann, ist ein Fenster 17 vorgesehen.

Fig. 2 zeigt die viskose Dämpfung. Dargestellt ist die Amplitude der mechanischen Schwingung des ersten Spiegels über der relativen Frequenz für verschiedene Dämpfungsfaktoren (Dam- ping factor). Der Wert 1 des Frequenzverhältnisses (Frequency Ratio) stellt dabei die Reso- nanzfrequenz des ungedämpften Systems dar. Der Dämpfungsfaktor von 1 repräsentiert den aperiodischen Grenzfall (kritische Dämpfung). Der Wert von 1 ,5 ist eine überkritische Dämpfung. Hier wird der Vorteil der Erfindung deutlich, dass zwar bereits bei niedrigen Frequenzen eine merklich reduzierte Amplitude vorhanden ist, diese aber bis zu hohen Frequenzen einen vergleichsweise flachen Verlauf zeigt. Daher ist eine Gitterverstellung möglich, die nur schwach von der Frequenz abhängt.

Fig. 3 zeigt einen Zeitverlauf der Steuerspannung U und der Wellenzahl k. Durch einen vorgegebenen Zeitverlauf der Steuerspannung U kann die Wellenzahl k der mit der Lichtquelle erzeugten Laserstrahlung zwischen einem Wert ki und einem Wert k2 hin und her verändert werden. Wegen der schwachen Abhängigkeit der Amplitude der Schwingung des Spiegels von der Frequenz kann die Modulation der Wellenzahl über einen weiten Bereich der Frequenz der Steuerspannung U reproduziert werden.

Bezugszeichen:

I Lichtquelle mit veränderlicher Wellenzahl

2 oberflächenemittierender Halbleiterlaser

3 erster Spiegel

4 zweiter Spiegel

5 Halbleiterstruktur

6 Substrat

7 Halbleiterchip

8 Erster Kontakt

9 Zweiter Kontakt, zweite Elektrode

10 Apertur

I I Halbleiteroberfläche

12 Laserstrahlung

13 Federelement

14 Abstandshalter

15 Gehäuse

16 Füllgas

17 Fenster

18 Mechanische Schwingung