WO2025214949A1 - Optoelektronische anordnung und verfahren zum formen eines von einer halbleiterlaservorrichtung einer optoelektronischen anordnung emittierten laserlichts - Google Patents

Optoelektronische anordnung und verfahren zum formen eines von einer halbleiterlaservorrichtung einer optoelektronischen anordnung emittierten laserlichts

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Christian SCHOERNER
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Ams Osram International GmbH
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    • H01S5/4087—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar emitting more than one wavelength

Definitions

  • the present invention relates to an optoelectronic arrangement comprising a semiconductor laser device and a photonically integrated element coupled to the semiconductor laser device, wherein the photonically integrated element has a light-shaping element for shaping the laser light emitted by the semiconductor laser device. Furthermore, the present invention relates to a method for shaping laser light emitted by a semiconductor laser device of an optoelectronic arrangement.
  • the laser light emitted by a semiconductor laser light source is projected into or near the eye of a user of the application using an optical module.
  • the optical module downstream of the semiconductor laser light source usually includes circular mirrors (e.g., MEMS scanning mirrors) by means of which the laser light can be redirected into or near the eye of a user of the application.
  • EELs Semiconductor edge-emission lasers
  • fast axis a rapidly diverging axis
  • slow axis a more slowly diverging axis
  • electro-optical design of the EEL with its vertical EPI layer stack and an etched ridge structure, which favors an elliptical profile of the optical wave guided within the EEL resonator.
  • parts of the elliptical beam are typically clipped. However, this leads to a loss of optical efficiency.
  • the emission points for example of an RGB light source comprising three semiconductor laser devices or a semiconductor laser device with three emission windows for emitting red, green and blue laser light, to be close together in order to keep the overall size of a system comprising the light source and a downstream optical module small.
  • the invention relates to an optoelectronic device comprising a semiconductor laser device and a photonic integrated element/circuit ("PIC") coupled to the semiconductor laser device, which emits circular output beams with a suitable divergence over the entire visible range of the laser light.
  • PIC photonic integrated element/circuit
  • the beam-shaping element is designed as an RIB waveguide which is configured such that it has a substantially point-symmetric, in particular square, cross-section at its light exit surface in order to allow emission of a substantially circular beam profile into the environment, e.g. air, at its light exit side.
  • the optoelectronic arrangement and in particular the photonically integrated element is designed to provide a small distance between a plurality of emission points of a plurality of semiconductor laser devices (RGB outputs), while the overall size of the optoelectronic arrangement can be kept very small.
  • a RIB waveguide is designed not to produce circular output beams.
  • a typical RIB waveguide has, in particular, different geometries along the vertical and horizontal axes, which lead to different divergence angles of the output beam along the fast and slow axes.
  • the geometry of the plate region of such a RIB waveguide By varying, in particular continuously varying, the geometry of the plate region of such a RIB waveguide, a transition to a square output geometry can be achieved, for example, so that the output beam is shaped such that it has an essentially identical divergence angle along the fast and slow axes.
  • the aim of the present application is to provide a PIG waveguide element or a light shaping element integrated into a photonic integrated element, which is capable of providing at least some of the following properties:
  • the footprint of the proposed light-shaping element can be kept very small ( ⁇ 100 pm), and the divergence angles (> 10 ° to > 45 °) are in a range that allows a smaller overall size of the downstream optical module and thus a smaller overall size of the overall system.
  • this concept enables an advantageous implementation for (ultra) compact optoelectronic arrangements for NTE applications that aim for a minimal overall area and circular output beams.
  • an optoelectronic arrangement comprises a first semiconductor laser device, in particular having an optical resonator, and a first laser light exit surface for coupling out a laser light generated by the first semiconductor laser device.
  • the first semiconductor laser device is configured to emit laser light having a different divergence angle in two mutually perpendicular directions, i.e., along the fast and slow axes of the laser light.
  • the first semiconductor laser device can be configured to emit laser light with an elliptically shaped beam profile.
  • the first semiconductor laser device is configured to emit laser light in the spectrum visible to the human eye, for example in a range between 380 nm and 750 nm. Furthermore, the first semiconductor laser device can be configured to emit laser light only in the fundamental mode or the transverse mode. The first semiconductor laser device can therefore also be referred to, in particular, as a single-mode laser, which is designed to emit laser light only of the fundamental mode or the lowest-order transverse oscillation modes.
  • the optoelectronic arrangement additionally comprises a photonically integrated element or a photonically integrated circuit into which the laser light coupled out from the first semiconductor laser device through the first laser light exit surface is coupled.
  • the photonically integrated element comprises a first laser light coupling surface which is optically coupled to the first laser light exit surface, a first waveguide section which adjoins the laser light coupling surface and is designed to guide the laser light coupled into the first laser light coupling surface, and a first light-shaping element which is at least optically coupled to the first waveguide section and is designed to shape the laser light emitted by the first semiconductor laser device in such a way that the laser light has a substantially identical divergence angle in the two mutually perpendicular directions after being coupled out from the photonically integrated element.
  • the photonically integrated element comprises a first coupling-out element, which is operatively connected to the first light-shaping element for emitting the laser light shaped by the first light-shaping element, and via which the laser light can be coupled out of the optoelectronic arrangement.
  • the coupled-out laser light has a substantially equal divergence angle in the two mutually perpendicular directions, particularly in the far field.
  • the first semiconductor laser device can be formed by an edge-emitting laser chip having an optical resonator, at one end of which the first laser light exit surface is located.
  • the optical resonator can be formed between the first laser light exit surface and an end opposite the first laser light exit surface.
  • the first laser light exit surface can be designed to be partially reflective, and a opposite end may be mirrored to form an optical resonator.
  • the first semiconductor laser device may have one or more laser ridges formed in the first semiconductor laser device and providing current constriction within the semiconductor laser device. Alternatively, current constriction may also be achieved by applying narrow contact layers, such as in a current-guided or gain-guided laser.
  • An optical coupling between the first semiconductor laser device and the photonically integrated element can, for example, be effected in a direct manner, namely in that a laser light coupled out of the first laser light exit surface is coupled directly or by means of a further optical element into a first laser light coupling surface of the photonically integrated element opposite the first laser light exit surface.
  • the first laser light exit surface and the first laser light coupling surface can be formed by a surface of the semiconductor laser device or of the photonically integrated element, which are evanescently coupled to one another, or for the first laser light exit surface to be directly optically coupled to a further optical element, such as a prism, wherein the further optical element is evanescently coupled to the first laser light coupling surface.
  • the options mentioned are to be understood merely as examples and not as restrictive.
  • an optical coupling between the first semiconductor laser device and the photonically integrated element can also be effected according to other known types of optical coupling.
  • the first laser light coupling surface substantially corresponds to the size of the first laser light exit surface.
  • the first laser light coupling surface is optically and optionally mechanically coupled to the first laser light exit surface and configured such that substantially any laser light coupled out via the first laser light exit surface is coupled into the first waveguide section of the photonically integrated element via the first laser light coupling surface.
  • the first laser light coupling surface is formed by a standard RIB waveguide to realize efficient coupling of the laser light into the PIC across the entire visible spectral range.
  • a RIB waveguide may, for example, comprise a rib region and a slab region, wherein the rib region and the slab region preferably have a substantially different cross-section than commonly used strip waveguides.
  • the first waveguide section is configured to guide the coupled laser light along its propagation direction.
  • the waveguide section is a structure that guides electromagnetic waves with minimal energy loss by restricting energy transfer to one direction.
  • the waveguide is made of a radiation-transmissive material for the laser light emitted by the semiconductor laser device.
  • the first light-shaping element comprises a rib region and an underlying plate region.
  • the rib region and the plate region are stacked on top of one another and extend between a first end of the first light-shaping element and a second end of the first light-shaping element opposite the first end.
  • the rib region and the plate region act as a common core region of the first light-shaping element, which core region has a higher refractive index than a surrounding material.
  • the rib region and the plate region have different dimensions in a direction transverse to a main extension direction of the light-shaping element, at least at the first end.
  • the plate region tapers from the first end of the light-shaping element towards the second end transversely to a main extension direction of the light-shaping element.
  • the rib region together with the plate region has, at least at the second end, a cross-section which is point-symmetrical with respect to its center point.
  • the first light- The first light-shaping element or the rib region together with the plate region can in particular have a T-shaped cross-section which tapers towards the second end in such a way that the rib region together with the plate region has, at least at the second end, a cross-section which is point-symmetrical, for example square or round, with respect to its centre point.
  • the first light-shaping element or the rib region together with the plate region can in particular be designed in such a way that the point-symmetrical cross-section extends from the second end between 0 ⁇ m and 2 mm, in particular between 10 ⁇ m and 100 ⁇ m, towards the first end.
  • the fact that the first light-shaping element or the rib region together with the plate region has the point-symmetrical cross-section over a length of at least 10 ⁇ m can ensure that the laser light emitted by the first light-shaping element and coupled out of the photonically integrated element has an essentially identical divergence angle in the two mutually perpendicular directions.
  • the plate region has a width, at least at the first end, that is greater than a width of the rib region.
  • the width of the plate region describes a lateral extent of the plate region in an orientation transverse to a main propagation direction of the laser light in the first light-shaping element.
  • the width of the rib region also describes a lateral extent of the rib region in an orientation transverse to a main propagation direction of the laser light in the first light-shaping element.
  • the first light-shaping element has, at least at the second end, a height between 100 nm and 2000 nm, preferably between 200 nm and 1400 nm, and particularly preferably between 400 nm and 1200 nm.
  • the height of the first light-shaping element describes a vertical extension of the first light-shaping element in an orientation transverse to a main propagation direction of the laser light in the first light-shaping element and perpendicular to the lateral extension of the rib region and the plate region.
  • the rib region has a height of 10% - 80% of the height of the first light-shaping element.
  • HR x*HLf, where x is in the range from 0.1 to 0.8, HR corresponds to the height of the rib region and HLf to the height of the first light-shaping element.
  • the height of the rib region describes a vertical extent of the rib region in an orientation transverse to a main propagation direction of the laser light in the first light-shaping element and perpendicular to the lateral extent of the rib region and the plate region.
  • the rib region has a height of between 100 nm and 600 nm, at least at the second end.
  • the height of the rib region can, among other things, be an indication of whether the first light-shaping element limits the propagation of the coupled-in laser light to a single-mode electromagnetic wave, or allows the propagation of multiple modes of an electromagnetic wave simultaneously.
  • the rib region can have a width of between 500 nm and 10,000 nm, preferably between 600 nm and 2,000 nm, and particularly preferably between 1,000 nm and 1,500 nm, at least at the second end.
  • the width of the rib region describes a lateral extent of the rib region.
  • the width of the rib region can, among other things, be an indication of whether the first light-shaping element limits the propagation of the coupled-in laser light to a single-mode electromagnetic wave, or allows the propagation of multiple modes of an electromagnetic wave simultaneously.
  • the rib region has a substantially constant width from the first end to the second end. Constant means without variations within manufacturing tolerances. For example, the rib region does not have any tapered regions.
  • the rib region tapers from the first to the second end.
  • the rib region can taper together with the plate region such that the beam-shaping element has a substantially point-symmetric, in particular square, cross-section at least at its second end.
  • the photonically integrated element comprises a substrate and a cladding region.
  • the plate region of the first light-shaping element is arranged on the substrate and the rib region is arranged on the plate region on a side facing away from the substrate.
  • the cladding region is arranged, for example, on the rib region and on the plate region on a side facing away from the substrate and also covers side surfaces of the rib region along its main extension.
  • the cladding region can also be formed between the substrate and the plate region and thus essentially completely enclose the plate region and the rib region except for the first and the second end.
  • the refractive indices of the cladding region and the substrate differ from the refractive indices of the ridge region and the plate region by at least 0.1, in particular by at least 0.2.
  • the refractive index of the waveguide is higher than the refractive indices of the substrate and the cladding region.
  • the first light-shaping element is formed with SiN or AlN.
  • SiN and AlN exhibit good transmission for electromagnetic radiation in the visible spectral range and are readily available.
  • the cladding region and/or the substrate are formed with Si or SiO 2 .
  • SiO 2 advantageously has a relatively low refractive index compared to SiN and AlN and is therefore particularly suitable as a cladding material for producing the first light-shaping element.
  • the first light-shaping element is configured to predominantly guide and shape a fundamental waveguide mode, particularly the fundamental mode, of the laser light emitted by the first semiconductor laser device. In other words, the first light-shaping element restricts propagation predominantly to a single-mode electromagnetic wave.
  • the optoelectronic arrangement further comprises at least one second semiconductor laser device having a second laser light exit surface for coupling out a laser light generated by the second semiconductor laser device.
  • the optoelectronic arrangement may comprise more than two semiconductor laser devices, each having a laser light exit surface for coupling out a laser light generated by the respective semiconductor laser device. It is also conceivable for a semiconductor laser device to have a plurality of resonators and a plurality of laser light exit surfaces for coupling out a laser light generated in the respective resonator.
  • the photonically integrated element can accordingly have a second laser light coupling surface or a plurality of further laser light coupling surfaces which are optically coupled to the second or a plurality of laser light exit surfaces. Furthermore, the photonically integrated element can have a second waveguide section which adjoins the second laser light coupling surface and is designed to guide the laser light coupled into the second laser light coupling surface. It is understood that in the case of a plurality of laser light exit surfaces and correspondingly a plurality of laser light coupling surfaces, a plurality of waveguide sections can also be provided into which the light coupled out from the laser light exit surfaces is coupled via the laser light coupling surfaces.
  • the first and second waveguide sections are optically coupled to one another, and the first light-shaping element is configured to shape the laser light emitted by the first and second semiconductor laser devices such that the laser light has a substantially equal divergence angle after being coupled out of the photonically integrated element in the two mutually perpendicular directions.
  • the laser light from the first and second semiconductor laser devices can be mixed by optical coupling and shaped together by the first light-shaping element such that the laser light has a substantially equal divergence angle after being coupled out of the photonically integrated element in the two mutually perpendicular directions.
  • the laser light from all or a subset of the semiconductor laser devices present can be mixed and then shaped by means of the first light-shaping element in such a way that the laser light coupled out from the photonically integrated element has a substantially identical divergence angle in the two mutually perpendicular directions.
  • Such mixing can have the advantage that the intensity of the mixed laser light can be higher than unmixed laser light, or a desired mixed light comprising a plurality of colors can already be generated, which can then be coupled out of the optoelectronic arrangement via the first coupling-out element.
  • the first coupling-out element is in particular operatively connected to the first light-shaping element and is designed to emit the mixed laser light emitted by the first and second semiconductor laser devices (or a plurality of semiconductor laser devices) and shaped by the light-shaping element.
  • the laser light of all or a subset of the semiconductor laser devices is coupled out by the photonically integrated element in a common emission region, namely the first coupling-out element.
  • the resulting emission region of the photonically integrated element has a smaller lateral extent than all semiconductor laser devices taken together.
  • the emission points of the optoelectronic arrangement can accordingly be arranged significantly closer to one another than the laser light exit surfaces of the semiconductor laser device(s).
  • the photonically integrated element comprises a second light-shaping element which is at least optically coupled to the second waveguide section and which is designed to shape the laser light emitted by the second semiconductor laser device in such a way that the laser light coupled out from the photonically integrated element is directed in the two mutually perpendicular directions has a substantially identical divergence angle.
  • the photonically integrated element has a second decoupling element spaced apart from the first decoupling element, which is operatively connected to the second light-shaping element for emitting the shaped laser light.
  • a lateral distance between the first and second coupling element or between a plurality of associated coupling elements is at most 10 pm, preferably at most 5 pm, and particularly preferably at most 3 pm.
  • Such a compact distance makes it possible to mount a compact optical module for projecting the coupled-out light, for example, near a human eye, downstream of the optoelectronic arrangement.
  • the first and the second semiconductor laser device are designed to emit laser light of different wavelengths.
  • the main wavelengths of the semiconductor laser device differ, for example, by at least 10 nm, preferably by at least 20 nm.
  • a first semiconductor laser device is designed to emit electromagnetic radiation with a main wavelength in the red spectral range
  • a second semiconductor laser device is designed to emit electromagnetic radiation with a main wavelength in the green spectral range.
  • a third semiconductor laser device is designed to emit electromagnetic radiation having a main wavelength in the blue spectral range.
  • semiconductor laser devices can also be provided which emit electromagnetic radiation having a main wavelength in a different spectral range, and in particular, a plurality of semiconductor laser devices can be provided which emit laser light having a main wavelength in one of the spectral ranges mentioned.
  • the first light-shaping element is optically and optionally mechanically coupled to the first waveguide section.
  • the first light-shaping element may be adjacent to or downstream of the first waveguide section and may be optically and mechanically connected thereto.
  • the first light-shaping element may also be evanescently coupled to the first waveguide section.
  • the first coupling-out element is formed by the first light-shaping element.
  • the second end of the first light-shaping element can form the first coupling-out element.
  • the first light-shaping element it is also conceivable for the first light-shaping element to be followed by a waveguide section that forms the first coupling-out element, or for the photonically integrated element to comprise an optical element that follows the first light-shaping element and forms the first coupling-out element.
  • An optoelectronic arrangement described here is particularly suitable for use in integrated laser products, light source units and RGB light sources, such as augmented reality glasses, virtual reality glasses and compact mini projectors, especially for NTE applications.
  • a method for shaping a laser light emitted by a first semiconductor laser device of an optoelectronic arrangement, wherein the first semiconductor laser device is designed to emit laser light which has a different di- vergence angle.
  • the method can in particular be a method for shaping a laser light emitted by a first semiconductor laser device of an optoelectronic arrangement according to at least some of the aforementioned aspects.
  • the procedure includes the following steps:
  • the first semiconductor laser device in such a way that it emits laser light from a first laser light exit surface which has a different divergence angle in two mutually perpendicular directions;
  • the photonically integrated element comprises a first laser light coupling surface which is optically coupled to the first laser light exit surface in order to guide the laser light coupled into the first laser light coupling surface, and a first light shaping element which is at least optically coupled to the first waveguide section and which is designed to shape the laser light coupled into the first light shaping element in such a way that the laser light coupled out from the photonically integrated element has a substantially equal divergence angle in the two mutually perpendicular directions.
  • Fig. 1 shows an embodiment of an optoelectronic device according to the proposed principle
  • Fig. 2 shows a further embodiment of an optoelectronic device according to the proposed principle
  • Fig. 3A and 3B show a theoretical beam profile of three
  • Fig. 4A to 4D show an isometric view, a top view, as well as a front and a rear view of a light shaping element according to the proposed principle.
  • Fig. 1 shows an embodiment of an optoelectronic arrangement 1 according to the proposed principle.
  • the optoelectronic arrangement 1 comprises a first, second and third semiconductor laser device 2a, 2b, 2c, each with an optical resonator, and a laser light exit surface 3a, 3b, 3c for coupling out a laser light generated by the semiconductor laser device.
  • the semiconductor laser devices are designed to emit laser light that has a different divergence angle in two mutually perpendicular directions, in particular with an elliptical beam profile.
  • the optoelectronic arrangement 1 additionally comprises a photonically integrated element 4.
  • the photonically integrated element 4 has laser light coupling surfaces 5a, 5b, 5c which are optically coupled to the laser light exit surfaces 3a, 3b, 3c.
  • the photonically integrated element 4 has a waveguide section 6a, 6b, 6c which adjoins each of the laser light coupling surfaces and is designed to guide the laser light coupled into the laser light coupling surfaces.
  • the photonically integrated element 4 has a first light-shaping element 7a which is at least optically coupled to the waveguide sections and is designed to shape the laser light emitted by the semiconductor laser devices in such a way that the laser light coupled out of the photonically integrated element has a substantially identical divergence angle in the two mutually perpendicular directions.
  • the waveguide sections are optically coupled to one another in a region in front of the first light-shaping element 7a, so that the laser light emitted by the semiconductor laser devices is mixed and subsequently shaped by means of the first light-shaping element 7a.
  • the first light-shaping element 7a is designed as a geometrically adapted RIB waveguide which adjoins the optically coupled waveguide sections and is optically and mechanically coupled to them.
  • the first light-shaping element 7a shapes laser light emitted by the semiconductor laser devices, which has a different divergence angle in two mutually perpendicular directions, in particular has an elliptical beam profile, in such a way that the laser light has a substantially identical divergence angle after leaving the first light-shaping element 7a and in particular after being coupled out of the photonically integrated element in the two mutually perpendicular directions.
  • first coupling-out element 8a which in the illustrated case is formed by an outer surface of the first light-forming element 7a.
  • FIG. 2 shows further embodiments of an optoelectronic arrangement 1 according to the proposed principle.
  • the waveguide sections 6a, 6b, 6c are not optically coupled, and a light-shaping element 7a, 7b, 7c is provided in each case, which is coupled to one of the waveguide sections. Accordingly, light is coupled out of the optoelectronic arrangement 1 via three coupling-out elements 8a, 8b, 8c, which in the case shown are each formed by an outer surface of the light-shaping elements.
  • Figure 3A shows the theoretical beam profile of a laser light emitted from the laser light exit surfaces of three semiconductor laser devices
  • Figure 3B shows the beam profile of a laser light emitted by a light-forming device.
  • element according to the proposed principle a beam profile of a laser light emitted by three semiconductor laser devices.
  • Figure 3A shows that the laser light emitted by the semiconductor laser devices from their laser light exit surfaces has a different divergence angle sin (0 x ), sin (0 y ) in two mutually perpendicular directions x, y, and in particular has an elliptical beam profile.
  • Figure 3B shows that the laser light emitted by the semiconductor laser devices from their laser light exit surfaces and the beam profile generated by a light shaping element according to the proposed principle has an essentially identical divergence angle sin (0 x ), sin (0 y ) in the two mutually perpendicular directions x, y, and in particular has a circular beam profile.
  • Figures 4A to 4D show an isometric view (Fig. 4A), a top view (Fig. 4B), as well as a front view (Fig. 4C) and a rear view (Fig. 4D) of a light-shaping element according to the proposed principle.
  • Figures 4C and 4D also show the iso-intensity lines of a laser light traveling along the light-shaping element.
  • the light-shaping element comprises a rib region 10 and an underlying plate region 11, which are arranged on a substrate 12.
  • the rib region 10 and the plate region 11 are stacked on top of one another and extend between a first end 9a of the light-shaping element and a second end 9b of the light-shaping element, which is opposite the first end 9a.
  • the rib region 10 and the plate region 11 act as a common core region of the light-shaping element, which has a higher refractive index than a surrounding material, so that the light-shaping element can also be referred to as a light-shaping waveguide.
  • the rib region 10 and the plate region 11 can be encased in a cladding region (not shown), which can also extend between the substrate 12 and the plate region 11.
  • a cladding region (not shown), which can also extend between the substrate 12 and the plate region 11.
  • the light-shaping element or the rib region 10 together with the plate region 11 has a T-shaped cross-section which tapers towards the second end 9b in such a way that the rib region 10 together with the plate region 11 has a cross-section at the second end 9b which is point-symmetrical, in particular square, with respect to its centre point.
  • the plate region 11 has a width b1 at the first end which is wider than the width b2 of the rib region 10 and tapers towards the second end 9b down to the width b2 of the rib region 10, so that the square cross-section is produced at the second end 9b.
  • the rib region 10 on the other hand, has an essentially constant width b2 from the first to the second end. The taper takes place up to a point between 0 pm and 2 mm away from the second end, so that the point-symmetrical cross-section extends from the second end 9b between 0 pm and 2 mm in the direction of the first end 9a.
  • the light-shaping element or the rib region 10 together with the plate region 11 has the point-symmetrical cross-section over a length 1 of at least 10 pm, so that it can be ensured that the laser light emitted by the light-shaping element and coupled out of the photonically integrated element has a substantially equal divergence angle in the two mutually perpendicular directions x, y.
  • the light-shaping element has a height h between 100 nm and 2000 nm, preferably between 200 nm and 1400 nm, and particularly preferably between 400 nm and 1200 nm.
  • the rib region 10 has a height h2 of 10% - 80% of the height h of the light-shaping element, and in particular a height h2 between 100 nm and 600 nm.
  • the rib region 10 has a width b2 between 500 nm and 10,000 nm, preferably between 600 nm and 2000 nm, and particularly preferably between 1000 nm and 1500 nm.
  • the light-shaping element is designed to shape a laser light coupled in at the first end 9a in such a way that, as shown in Figure 4D, it has a substantially equal divergence angle after coupling out of the photonically integrated element in the two mutually perpendicular directions x, y.
  • the width bl of the plate region 11 can be between 500 nm and 15,000 nm at the first end, preferably between 700 nm and 5,000 nm, and particularly preferably between 800 nm and 3,000 nm, and corresponds at the second end 9b to the width b2 of the rib region 10.
  • the height hl of the plate region 11 results from the information on the height h of the light-shaping element and the height h2 of the rib region 10.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Anordnung umfassend eine erste Halbleiterlaservorrichtung und ein mit der ersten Halbleiterlaservorrichtung optisch gekoppeltes photonisch integriertes Element. Die erste Halbleiterlaservorrichtung weist eine erste Laserlichtaustrittsfläche zur Auskopplung eines von der ersten Halbleiterlaservorrichtung erzeugten Laserlichts auf, wobei die erste Halbleiterlaservorrichtung ausgebildet ist Laserlicht zu emittieren, das in zwei zueinander senkrechte Richtungen einen unterschiedlichen Divergenzwinkel aufweist. Das photonisch integrierte Element umfasst eine ersten Laserlichteinkoppelfläche, die optisch mit der ersten Laserlichtaustrittsfläche gekoppelt ist, einen sich an die erste Laserlichteinkoppelfläche anschließenden ersten Wellenleiterabschnitt, der ausgebildet das in die erste Laserlichteinkoppelfläche eingekoppelte Laserlicht zu leiten, ein mit dem ersten Wellenleiterabschnitt zumindest optisch gekoppelten ersten Lichtformungselement, das ausgebildet ist das von der ersten Halbleiterlaservorrichtung emittierte Laserlicht derart zu formen, dass das Laserlicht nach Auskopplung aus dem photonisch integrierten Element in die zwei zueinander senkrechten Richtungen einen im Wesentlichen gleichen Divergenzwinkel aufweist, und ein erstes Auskoppelelement, das zur Abgabe des geformten Laserlichts mit dem ersten Lichtformungselement in Wirkverbindung steht.

Description

OPTOELEKTRONISCHE ANORDNUNG UND VERFAHREN ZUM FORMEN EINES VON EINER
HALBLEITERLASERVORRICHTUNG EINER OPTOELEKTRONISCHEN ANORDNUNG EMITTIERTEN LASERLICHTS
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung Nr . 10 2024 110 364 . 7 vom 12 . April 2024 , deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung auf genommen wird .
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optoelektronische Anordnung umfassend eine Halbleiterlaservorrichtung und ein mit der Halbleiterlaservorrichtung gekoppeltes photonisch integriertes Element , wobei das photonisch integrierte Element ein Lichtformungselement zur Formung des von der Halbleiterlaservorrichtung emittierten Laserlichts aufweist . Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Formung eines von einer Halbleiterlaservorrichtung einer optoelektronischen Anordnung emittierten Laserlichts .
HINTERGRUND
Bei Near-to-Eye (NTE ) Anwendungen, wie beispielsweise der Laserstrahl- Abtastproj ektion, wird mittels eines optischen Moduls das von einer Halbleiterlaserlichtquelle emittierte Laserlicht in oder in die Nähe des Auges eines Benutzers der Anwendung proj iziert . Dabei umfasst das der Halbeliterlaserlichtquelle nachgeordnete optische Modul zumeist kreisförmige Spiegel ( z . B . MEMS-Abtastspiegel ) mittels denen das Laserlicht in oder in die Nähe des Auges eines Benutzers der Anwendung umgelenkt werden kann .
Halbleiter-Kantenemissionslaser ( EEL ) beispielsweise haben einen elliptischen Ausgangsstrahl mit einer schnell divergierenden Achse ( schnelle Achse ) und einer langsamer divergierenden Achse ( langsame Achse ) . Der Grund dafür ist das elektrooptische Design des EEL mit seinem vertikalen EPI-Schichtstapel und einer geätzten Rippenstruktur , die ein elliptisches Profil der im EEL-Resonator geführten optischen Welle begünstigt . Bei der Beleuchtung kreisförmiger Spiegel mit einem solchen elliptischen Strahlprofil werden typischerweise Teile des elliptischen Strahls abgeschnitten . Dies führt j edoch zu einem Verlust an optischer Effizienz .
Zudem kann es bei NTE-Anwendungen gewünscht sein, dass die Emissionspunkte , beispielsweise einer RGB-Lichtquelle umfassend drei Halleiterlaservorrichtungen oder einer Halbleiterlaservorrichtung mit drei Emissionsfenstern zur Emission von rotem, grünem und blauem Laserlicht , eng beieinander liegen, um die Gesamtgröße eines Systems umfassend die Lichtquelle und ein nachgelagertes optisches Modul klein zu halten .
Zum gegenwärtigen Zeitpunkt sind j edoch keine Lösungen bekannt mittels denen zum einen das System für eine NTE-Anwendung klein gehalten werden kann und gleichzeitig die optische Effizienz des Systems hoch gehalten werden kann .
Es besteht demnach das Bedürfnis , eine optoelektronische Anordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer optoelektronische Anordnung bereitzustellen, mittels dem zumindest einige der genannten Aspekte überwunden werden können oder diesen zumindest entgegengewirkt werden kann .
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diesem Bedürfnis wird mit den Gegenständen der unabhängigen Patentansprüche Rechnung getragen . Weiterbildungen und Ausgestaltungsformen des vorgeschlagenen Prinzips sind in den Unteransprüchen angegeben .
Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Anordnung umfassend eine Halbleiterlaservorrichtung und ein mit der Halbleiterlaservorrichtung gekoppeltes photonisch integriertes Element/Schaltung ( "PIC" ) , die kreisförmige Ausgangsstrahlen mit einer geeigneten Divergenz über den gesamten sichtbaren Bereich des Laserlichts ausgibt . Das technische Problem kreisförmige optische Strahlen mit ähnlichen Divergenzwinkeln über den gesamten sichtbaren Bereich bereitzustellen, wird mittels einem Strahlformungselement gelöst , das in dem photonisch integrierten Element vorgesehen ist , und welches dazu ausgebildet ist ein von der Halbleiterlaservorrichtung emittiertes elliptisches Strahlprofil in ein im Wesentlichen kreisförmiges Strahlprofil zu formen . Das Strahlformungselement ist dazu als RIB-Wellenleiter ausgebildet , der derart ausgestaltet ist , dass er an seiner Lichtaustrittsfläche einen im wesentlichen punktsymmetrischen, insbesondere quadratischen, Querschnitt aufweist , um an seiner Lichtaustrittsseite eine Emission eines im Wesentlichen kreisförmigen Strahlprofils in die Umgebung z . B . Luft , zu erlauben . Gleichzeitig ist die optoelektronische Anordnung und insbesondere das photonisch integrierte Element ausgebildet , einen geringen Abstand zwischen mehreren Emissionspunkten mehrerer Halbleiterlaservorrichtungen ( RGB-Ausgänge ) bereitzustellen, während die Gesamtgröße der optoelektronischen Anordnung sehr klein gehalten werden kann .
Bei typischen Geometrien ist ein RIB-Wellenleiter ausgebildet keine kreisförmigen Ausgangsstrahlen zu liefern . Ein typischer RIB-Wellenleiter weist insbesondere unterschiedliche Geometrien entlang der vertikalen und horizontalen Achse auf , was zu unterschiedlichen Divergenzwinkeln des Ausgangsstrahls entlang der schnellen und langsamen Achse führt . Durch Variation, insbesondere stufenlose Variation, der Geometrie des Plattenbereichs eines solchen RIB-Wellenleiters kann bspw . ein Übergang zu einer quadratische Ausgangsgeometrie erreicht werden, sodass der Ausgangsstrahl derart geformt wird, dass er entlang der schnellen und langsamen Achse einen im Wesentlichen identischen Divergenzwinkel aufweist .
Ziel der vorliegenden Anmeldung ist es , ein PIG-Wellenleiterelement bzw . einen in ein photonisch integriertes Element integriertes Lichtformungselement bereitzustellen, das in der Lage ist , zumindest einige der folgenden Eigenschaften bereitzustellen :
• Transversale Modenanregung lediglich einer transversalen Schwingungsmode , insbesondere der Fundamentalmode der Halbleiterlaservorrichtung ( en) , über den gesamten sichtbaren Bereich (blau, grün, rot ) .
• Kreisförmiger Strahl an seinem Ausgang über den gesamten sichtbaren Bereich mit geeigneten und ähnlichen Divergenzwinkeln, insbesondere für Laserlicht der RGB-Farben .
• Geringer Flächenverbrauch und relativ einfache Implementierung in der Fertigung . • Es können relativ große Divergenzwinkel über den gesamten sichtbaren Bereich erreicht werden, was die Verwendung von nachgelagerten Linsenoptiken mit kurzer Brennweite ermöglicht .
In einer , wie eingangs beschriebenen, NTE-Anwendung führt dies zu einer homogenen Ausleuchtung von kreisförmigen Spiegeln ( z . B . MEMS-Scanner- Spiegeln) und damit zu einer höheren Effizienz des Gesamtsystems im Vergleich zu einem sogenannten Clipping bei einer Ausleuchtung von kreisförmigen Spiegeln mit Laserlicht mit einem elliptischen Strahlprofil . Darüber hinaus kann die Grundfläche des vorgeschlagenen Lichtformungselementes sehr klein (< 100 pm) gehalten werden, und die Divergenzwinkel ( > 10 ° bis > 45 ° ) liegen in einem Bereich, der eine geringere Gesamtgröße des nachgelagerten optischen Moduls und damit eine geringere Gesamtgröße des Gesamtsystems ermöglicht . Zusammenfassend lässt sich sagen, dass dieses Konzept eine vorteilhafte Implementierung für (ultra ) kompakte optoelektronische Anordnungen für NTE Anwendungen ermöglicht , die auf eine minimale Gesamtfläche und kreisförmige Ausgangsstrahlen abzielen .
Gemäß einem ersten Aspekt wird eine optoelektronische Anordnung bereitgestellt . Die optoelektronische Anordnung umfasst eine erste Halbleiterlaservorrichtung, insbesondere mit einem optischen Resonator , und einer ersten Laserlichtaustrittsfläche zur Aus kopplung eines von der ersten Halbleiterlaservorrichtung erzeugten Laserlichts .
Die erste Halbleiterlaservorrichtung ist ausgebildet Laserlicht zu emittieren, das in zwei zueinander senkrechte Richtungen, also entlang der schnellen und der langsamen Achse des Laserlichts , einen unterschiedlichen Divergenzwinkel aufweist . Beispielsweise kann die erste Halbleiterlaservorrichtung ausgebildet sein, Laserlicht mit einem elliptisch geformten Strahlprofil zu emittieren .
Nach einigen Aspekten ist die erste Halbleiterlaservorrichtung ausgebildet Laserlicht im für das menschliche Auge sichtbaren Spektrum, beispielsweise in einem Bereich zwischen 380 nm und 750 nm zu emittieren . Ferner kann die erste Halbleiterlaservorrichtung ausgebildet sein, Laserlicht lediglich der Fundamentalmode oder der transversalen Schwingungsmoden niedrigster Ordnung gleichzeitig zu emittieren . Die erste Halbleiterlaservorrichtung kann daher insbesondere auch als Sin- gle-Mode-Laser bezeichnet werden, der ausgebildet ist , Laserlicht lediglich der Fundamentalmode oder der transversalen Schwingungsmoden niedrigster Ordnung zu emittieren .
Die optoelektronische Anordnung umfasst zudem ein photonisch integriertes Element bzw . eine photonisch integrierte Schaltung , in die das von der ersten Halbleiterlaservorrichtung durch die erste Laserlichtaustrittsfläche ausgekoppelte Laserlicht eingekoppelt wird . Das photonisch integrierte Element umfasst eine erste Laserlichteinkoppelfläche , die optisch mit der ersten Laserlichtaustrittsfläche gekoppelt ist , einen sich an die Laserlichteinkoppelfläche anschließenden ersten Wellenleiterabschnitt , der ausgebildet ist das in die erste Laserlichteinkoppelfläche eingekoppelte Laserlicht zu leiten, und ein mit dem ersten Wellenleiterabschnitt zumindest optisch gekoppeltes erstes Lichtformungselement , das ausgebildet ist , das von der ersten Halbleiterlaservorrichtung emittierte Laserlicht derart zu formen, dass das Laserlicht nach Auskopplung aus dem photonisch integrierten Element in die zwei zueinander senkrechten Richtungen einen im Wesentlichen gleichen Divergenzwinkel aufweist . Zudem umfasst das photonisch integrierte Element ein erstes Auskoppelelement , das zur Abgabe des von dem ersten Lichtformungselement geformten Laserlichts mit dem ersten Lichtformungselement in Wirkverbindung steht , und über das das Laserlicht aus der optoelektronischen Anordnung ausgekoppelt werden kann . Das ausgekoppelte Laserlicht weist insbesondere im Fernfeld in die zwei zueinander senkrechten Richtungen einen im Wesentlichen gleichen Divergenzwinkel auf .
Beispielsweise kann die erste Halbleiterlaservorrichtung durch einen kantenemittierenden Laserchip ausgebildet sein, der einen optischen Resonator aufweist , an dessen einem Ende sich die erste Laserlichtaustrittsfläche befindet . Der optische Resonator kann dabei zwischen der ersten Laserlichtaustrittsfläche und einem der ersten Laserlichtaustrittsfläche gegenüberliegenden Ende ausgebildet sein . Beispielsweise kann die erste Laserlichtaustrittsfläche dazu teilreflektierend ausgebildet sein und ein der ersten Laserlichtaustrittsfläche gegenüberliegendes Ende verspiegelt sein, sodass sich ein optischer Resonator bildet . Die erste Halbleiterlaservorrichtung kann einen oder mehrere Lasersteg ( e ) ( engl . Laserridge ) aufweisen, der in der ersten Halbleiterlaservorrichtung ausgebildet ist und eine Stromeinschnürung innerhalb der Halbleiterlaservorrichtung bereitstellt . Alternative kann eine Stromeinschnürung auch durch schmale aufgebrachte Kontaktschicht ( en) erreicht werden wie beispielsweise bei einem Strom/- oder Gain geführten Laser .
Eine optische Kopplung zwischen der ersten Halbleiterlaservorrichtung und dem photonisch integrierten Element kann beispielsweise in direkter Weise erfolgen, nämlich dahingehend, dass ein aus der ersten Laserlichtaustrittsfläche ausgekoppeltes Laserlicht direkt oder mittels eines weiteren optischen Elementes in eine der ersten Laserlichtaustrittsfläche gegenüberliegende erste Laserlichteinkoppelfläche des photonisch integrierten Elementes eingekoppelt wird . Es ist j edoch auch möglich, dass die erste Laserlichtaustrittsfläche und die erste Laserlichteinkoppelfläche durch eine Fläche der Halbleiterlaservorrichtung bzw . des photonisch integrierten Elementes gebildet sind, die evanes zent miteinander gekoppelt sind, oder, dass die erste Laserlichtaustrittsfläche mit einem weiteren optischen Element , wie bspw . einem Prisma , direkt optisch gekoppelt ist , wobei das weitere optische Element evaneszent mit der ersten Laserlichteinkoppelfläche gekoppelt ist . Die genannten Optionen sind dabei j edoch lediglich als exemplarisch und nicht einschränkend zu verstehen . Eine optische Kopplung zwischen der ersten Halbleiterlaservorrichtung und dem photonisch integrierten Element kann hingegen auch gemäß weiteren bekannten Arten einer optischen Kopplung erfolgen .
Nach einigen Aspekten entspricht die erste Laserlichteinkoppelfläche im Wesentlichen der Größe der ersten Laserlichtaustrittsfläche . Insbesondere ist die erste Laserlichteinkoppelfläche derart mit der ersten Laserlichtaustrittsfläche optisch und optional mechanisch gekoppelt und ausgebildet , dass im Wesentlichen j egliches über die erste Laserlichtaustrittsfläche ausgekoppelte Laserlicht über die erste Laserlichteinkoppelfläche in den ersten Wellenleiterabschnitt des photonisch integrierten Elementes eingekoppelt wird . Nach einigen Aspekten ist die erste Laserlichteinkoppelfläche durch einen standardmäßigen RIB-Wellenleiter gebildet , um eine effiziente Kopplung des Laserlichts in den PIC über den gesamten sichtbaren Spektralbereich zu realisieren . Solch ein RIB-Wellenleiter kann beispielsweise einen Rippenbereich und einem Plattenbereich aufweisen, wobei der Rippenbereich und der Plattenbereich vorzugsweise einen wesentlich anderen Querschnitt als üblicherweise verwendete Streifenwellenleiter aufweisen .
Nach einigen Aspekten ist der erste Wellenleiterabschnitt so konfiguriert , dass er das eingekoppelte Laserlicht entlang seiner Ausbreitungsrichtung leitet . Insbesondere ist der Wellenleiterabschnitt eine Struktur, die elektromagnetische Wellen mit minimalem Energieverlust leitet , indem sie die Energieübertragung auf eine Richtung beschränkt . Der Wellenleiter besteht beispielsweise aus einem strahlungsdurchlässigen Material für das von der Halbleiterlaservorrichtung emittierte Laserlicht .
Nach einigen Aspekten umfasst das erste Lichtformungselement einen Rippenbereich und einen darunter liegenden Plattenbereich . Insbesondere sind der Rippenbereich und der Plattenbereich aufeinandergestapelt und die erstrecken sich zwischen einem ersten Ende des ersten Lichtformungselementes und einem gegenüber dem ersten Ende liegenden zweiten Ende des ersten Lichtformungselementes . Der Rippenbereich und der Plattenbereich wirken dabei als ein gemeinsamer Kernbereich des ersten Lichtformungselementes , der einen höheren Brechungsindex als ein umgebendes Material aufweist . Beispielsweise haben der Rippenbereich und der Plattenbereich in einer Richtung quer zu einer Haupterstreckungsrichtung des Lichtformungselementes zumindest am ersten Ende unterschiedliche Abmessungen .
Nach einigen Aspekten verj üngt sich der Plattenbereich von dem ersten Ende des Lichtformungselementes in Richtung des zweiten Endes quer zu einer Haupterstreckungsrichtung des Lichtformungselementes . Zudem weist der Rippenbereich zusammen mit dem Plattenbereich zumindest am zweiten Ende einen Querschnitt auf , der bezogen auf seinen Mittelpunkt punktsymmetrisch ist . Im Bereich des ersten Endes kann das erste Licht- f ormungselement bzw . der Rippenbereich zusammen mit dem Plattenbereich insbesondere einen T-förmigen Querschnitt aufweisen, der sich in Richtung des zweiten Endes derart verj üngt , dass der Rippenbereich zusammen mit dem Plattenbereich zumindest am zweiten Ende einen Querschnitt aufweist , der bezogen auf seinen Mittelpunkt punktsymmetrisch, beispielsweise quadratisch oder rund, ist . Das erste Lichtformungselement bzw . der Rippenbereich zusammen mit dem Plattenbereich kann dabei insbesondere derart ausgestaltet sein, dass sich der punktsymmetrische Querschnitt von dem zweiten Ende zwischen 0 pm und 2 mm, insbesondere zwischen 10 pm und 100 pm in Richtung des ersten Endes erstreckt . Dadurch, dass das erste Lichtformungselement bzw . der Rippenbereich zusammen mit dem Plattenbereich über eine Länge von zumindest 10 pm den punktsymmetrischen Querschnitt aufweist kann sichergestellt werden, dass das von dem ersten Lichtformungselement emittierte und aus dem photonisch integrierten Element ausgekoppelte Laserlicht in die zwei zueinander senkrechten Richtungen einen im Wesentlichen gleichen Divergenzwinkel aufweist .
Nach einigen Aspekten weist der Plattenbereich zumindest am ersten Ende eine Breite auf , die größer ist als eine Breite des Rippenbereichs . Die Breite des Plattenbereichs beschreibt eine laterale Ausdehnung des Plattenbereichs in einer Orientierung quer zu einer Hauptausbreitungsrichtung des Laserlichts im ersten Lichtformungselement . Die Breite des Rippenbereichs beschreibt ebenfalls eine laterale Ausdehnung des Rippenbereichs in einer Orientierung quer zu einer Hauptausbreitungsrichtung des Laserlichts im ersten Lichtformungselement .
Nach einigen Aspekten weist das erste Lichtformungselement zumindest am zweiten Ende eine Höhe zwischen 100 nm und 2000 nm, vorzugsweise zwischen 200 nm und 1400 nm, und besonders bevorzugt zwischen 400 nm und 1200 nm auf . Die Höhe des ersten Lichtformungselementes beschreibt eine vertikale Ausdehnung des ersten Lichtformungselementes in einer Orientierung quer zu einer Hauptausbreitungsrichtung des Laserlichts im ersten Lichtformungselement und senkrecht zur lateralen Ausdehnung des Rippenbereichs und des Plattenbereichs . Nach einigen Aspekten weist der Rippenbereich eine Höhe von 10% - 80% der Höhe des ersten Lichtformungselementes auf . Mit anderen Worten : HR = x*HLf , wobei x im Bereich von 0 , 1 bis 0 , 8 liegt , HR der Höhe des Rippenbereichs und HLf der Höhe des ersten Lichtformungselementes entspricht . Vorzugsweise ist x = 0 , 2 bis 0 , 6 , und besonders bevorzugt ist x = 0 , 3 bis 0 , 5 . Die Höhe des Rippenbereichs beschreibt dabei eine vertikale Ausdehnung des Rippenbereichs in einer Orientierung quer zu einer Hauptausbreitungsrichtung des Laserlichts im ersten Lichtformungselement und senkrecht zur lateralen Ausdehnung des Rippenbereichs und des Plattenbereichs .
Nach einigen Aspekten weist der Rippenbereich zumindest am zweiten Ende eine Höhe zwischen 100 nm und 600 nm auf . Die Höhe des Rippenbereichs kann unter anderem ein Indiz dafür sein, ob das erste Lichtformungselement die Ausbreitung des eingekoppelten Laserlichts auf eine elektromagnetische Single-Mode-Welle beschränkt , oder die Ausbreitung mehrerer Moden einer elektromagnetischen Welle gleichzeitig erlaubt . Zusätzlich oder alternativ dazu kann der Rippenbereich zumindest am zweiten Ende eine Breite zwischen 500 nm und 10000 nm, vorzugsweise zwischen 600 nm und 2000 nm, und besonders bevorzugt zwischen 1000 nm und 1500 nm aufweisen . Die Breite des Rippenbereichs beschreibt eine laterale Ausdehnung des Rippenbereichs . Die Breite des Rippenbereichs kann unter anderem ein Indiz dafür sein, ob das erste Lichtformungselement die Ausbreitung des eingekoppelten Laserlichts auf eine elektromagnetische Single-Mode-Welle beschränkt , oder die Ausbreitung mehrerer Moden einer elektromagnetischen Welle gleichzeitig erlaubt .
Nach einigen Aspekten weist der Rippenbereich vom ersten bis zum zweiten Ende eine im Wesentlichen konstante Breite auf . Konstant bedeutet ohne Schwankungen innerhalb der Fertigungstoleranzen . Der Rippenbereich weist beispielsweise keine verj üngten Bereiche auf .
Nach einigen Aspekten verj üngt sich der Rippenbereich vom ersten bis zum zweiten Ende . Insbesondere kann sich der Rippenbereich zusammen mit dem Plattenbereich derart verj üngen, sodass das Strahlformungselement zumindest an seinem zweiten Ende einen im wesentlichen punktsymmetrischen, insbesondere quadratischen, Querschnitt aufweist . Nach einigen Aspekten umfasst das photonisch integrierte Element ein Substrat und einen Mantelbereich . Insbesondere ist der Plattenbereich des ersten Lichtformungselementes auf dem Substrat angeordnet und der Rippenbereich ist auf dem Plattenbereich auf einer vom Substrat abgewandten Seite angeordnet . Der Mantelbereich ist beispielsweise auf dem Rippenbereich und auf dem Plattenbereich auf einer dem Substrat abgewandten Seite angeordnet und bedeckt auch Seitenflächen des Rippenbereichs entlang seiner Haupterstreckung . Zudem kann der Mantelbereich kann auch zwischen dem Substrat und dem Plattenbereich ausgebildet sein und somit den Plattenbereich und den Rippenbereich bis auf das erste und das zweite Ende im Wesentlichen vollständig umschließen .
Nach einigen Aspekten unterscheiden sich die Brechungsindizes des Mantelbereichs und des Substrats um mindestens 0 , 1 , insbesondere um mindestens 0 , 2 von den Brechungsindizes des Rippenbereichs und des Plattenbereichs . Insbesondere ist der Brechungsindex des Wellenleiters höher als die Brechungsindizes des Substrats und des Mantelbereichs .
Nach einigen Aspekten ist das erste Lichtformungselementes mit SiN oder AIN gebildet . Vorteilhaft ist , dass SiN und AIN eine gute Durchlässigkeit für elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Spektralbereich aufweisen und leicht verfügbar sind .
Nach einigen Aspekten sind der Mantelbereich und/oder das Substrat mit Si oder SiO2 ausgebildet . SiO2 hat vorteilhafterweise einen relativ niedrigen Brechungsindex im Vergleich zu SiN und AIN und eignet sich daher insbesondere als Mantelmaterial zur Herstellung des ersten Lichtformungselementes .
Nach einigen Aspekten ist das erste Lichtformungselement so konfiguriert , überwiegend eine grundlegende Wellenleitermode , insbesondere die Fundamentalmode des von der ersten Halbleiterlaservorrichtung emittierten Laserlichts zu leiten und zu formen . Mit anderen Worten, das erste Lichtformungselement beschränkt die Ausbreitung überwiegend auf eine elektromagnetische Single-Mode-Welle . Nach einigen Aspekten umfasst die optoelektronische Anordnung ferner zumindest eine zweite Halbleiterlaservorrichtung mit einer zweiten Laserlichtaustrittsfläche zur Aus kopplung eines von der zweiten Halbleiterlaservorrichtung erzeugten Laserlichts . Es ist j edoch auch möglich, dass die optoelektronische Anordnung mehr als zwei Halbleiterlaservorrichtungen umfasst , die j eweils eine Laserlichtaustrittsfläche zur Auskopplung eines von der j eweiligen Halbleiterlaservorrichtung erzeugten Laserlichts aufweisen . Auch ist es denkbar, dass eine Halbleiterlaservorrichtung mehrere Resonatoren und mehrere Laserlichtaustrittsflächen zur Auskopplung eines in dem j eweiligen Resonator erzeugten Laserlichts aufweisen .
Das photonisch integrierte Element kann entsprechend eine zweite Laserlichteinkoppelfläche oder mehrere weitere Laserlichteinkoppelflächen auweisen, die optisch mit der zweiten oder den mehreren Laserlichtaustrittsfläche ( n) gekoppelt ist . Ferner kann das photonisch integrierte Element einen sich an die zweite Laserlichteinkoppelfläche anschließenden zweiten Wellenleiterabschnitt aufweisen, der ausgebildet das in die zweite Laserlichteinkoppelfläche eingekoppelte Laserlicht zu leiten . Es versteht sich dabei , dass im Falle mehrerer Laserlichtaustrittsflächen und entsprechend mehrerer Laserlichteinkoppelflächen auch mehrere Wellenleiterabschnitte vorgesehen sein können, in die das aus den Laserlichtaustrittsflächen ausgekoppelte Licht über die Laserlichteinkoppelflächen eingekoppelt wird .
Nach einigen Aspekten sind der erste und der zweite Wellenleiterabschnitt optisch miteinander gekoppelt und das erste Lichtformungselement ist ausgebildet , das von der ersten und zweiten Halbleiterlaservorrichtung emittierte Laserlicht derart zu formen, dass das Laserlicht nach Aus kopplung aus dem photonisch integrierten Element in die zwei zueinander senkrechten Richtungen einen im Wesentlichen gleichen Divergenzwinkel aufweist . Entsprechend kann das Laserlicht der ersten und zweiten Halbleiterlaservorrichtung durch optische Kopplung gemischt werden und zusammen mittels dem ersten Lichtformungselement derart geformt werden, dass das Laserlicht nach Aus kopplung aus dem photonisch integrierten Element in die zwei zueinander senkrechten Richtungen einen im Wesentlichen gleichen Divergenzwinkel aufweist . Dabei ist zu verstehen, dass im Falle mehrerer Laserlichtaustrittsflächen und entsprechend mehrerer Laserlichteinkoppelflächen und Wellenleiterabschnitten das Laserlicht aller oder einer Teilmenge der vorhandenen Halbleiterlaservorrichtungen gemischt werden kann und anschließend mittels dem ersten Lichtformungselement derart geformt werden kann, dass das aus dem photonisch integrierten Element ausgekoppelte Laserlicht in die zwei zueinander senkrechten Richtungen einen im Wesentlichen gleichen Divergenzwinkel aufweist . Ein derartiges Mischen kann dabei den Vorteil haben, dass die Intensität des gemischten Laserlichts gegenüber ungemischtem Laserlicht höher sein kann, oder es kann bereits ein gewünschtes Mischlicht aus mehreren Farben erzeugt werden, welches anschließend über das erste Auskoppelelement aus der optoelektronischen Anordnung ausgekoppelt werden kann . Das erste Auskoppelelement steht in diesem Fall insbesondere in Wirkverbindung mit dem ersten Lichtformungselement und ist ausgebildet , das von der ersten und zweiten Halbleiterlaservorrichtung ( oder mehreren Halbleiterlaservorrichtungen ) emittierte , gemischte und durch das Lichtformungselement geformte Laserlicht zu emittieren .
Nach einigen Aspekten wird das Laserlicht aller oder einer Teilmenge der Halbleiterlaservorrichtungen durch das photonisch integrierte Element in einem gemeinsamen Emissionsbereich, nämlich dem erste Auskoppelelement , ausgekoppelt . Auch im Fall mehrere Auskoppelelemente , über die das von den Halbleiterlaservorrichtungen emittierte Laserlicht ausgekoppelt wird, weist der dadurch entstehende Emissionsbereich des photonisch integrierten Elementes eine geringere laterale Ausdehnung auf als alle Halbleiterlaservorrichtungen zusammengenommen . Die Emissionspunkte des aus der optoelektronischen Anordnung können entsprechend deutlich enge zueinander angeordnet sein, als die Laserlichtaustrittsflächen der Halbleiterlaservorrichtung ( en ) .
Nach einigen Aspekten weist das photonisch integrierte Element ein zweites Lichtformungselement auf , das mit dem zweiten Wellenleiterabschnitt zumindest optisch gekoppelt ist und das ausgebildet ist das von der zweiten Halbleiterlaservorrichtung emittierte Laserlicht derart zu formen, dass das aus dem photonisch integrierten Element ausgekoppelte Laserlicht in die zwei zueinander senkrechten Richtungen einen im Wesentlichen gleichen Divergenzwinkel aufweist . Zudem weist das photonisch integrierte Element ein zum ersten Aus koppelelement beabstandetes zweites Auskoppelelement auf , das zur Abgabe des geformten Laserlichts mit dem zweiten Lichtformungselement in Wirkverbindung steht .
Entsprechend ist es auch möglich, das Laserlicht mehrerer Halbleiterlaservorrichtungen einzeln mit j eweils einem separaten Lichtformungselement zu formen und über ein separates Aus koppelelement aus dem photonisch integrierten Element bzw . der optoelektronischen Anordnung auszukoppeln . Es soll dabei j edoch verstanden werden, dass Kombinationen der genannten Ausführungen möglich sind, nämlich, Laserlicht einzelner Halbleiterlaservorrichtungen zu formen und auszukoppeln, Laserlicht einzelner Halbleiterlaservorrichtungen und gemischtes Laserlicht mehrerer Halbleiterlaservorrichtungen unabhängig voneinander mittels mehrerer Lichtformungselemente zu formen und auszukoppeln, unterschiedlich gemischtes Laserlicht mehrerer Halbleiterlaservorrichtungen unabhängige voneinander mittels mehrerer Lichtformungselemente zu formen und aus zukoppeln, usw . .
Nach einigen Aspekten beträgt ein lateraler Abstand zwischen dem ersten und zweiten Aus koppelelement bzw . zwischen mehreren zusammengehörenden Auskoppelelementen höchstens 10 pm, vorzugsweise höchstens 5 pm und besonders bevorzugt höchstens 3 pm beträgt . Durch einen derart kompakten Abstand ist es möglich der optoelektronischen Anordnung ein kompaktes optisches Modul zur Proj ektion des ausgekoppelten Lichts , beispielsweise in die Nähe eines menschlichen Auges , nachzulagern .
Nach einigen Aspekten ist die erste und die zweite Halbleiterlaservorrichtung dazu ausgebildet Laserlicht unterschiedlicher Wellenlänge zu emittieren . Die Hauptwellenlängen der Halbleiterlaservorrichtung unterscheiden sich zum Beispiel um mindestens 10 nm, vorzugsweise um mindestens 20 nm . Insbesondere ist eine erste Halbleiterlaservorrichtung so ausgelegt , dass sie elektromagnetische Strahlung mit einer Hauptwellenlänge im roten Spektralbereich emittiert , eine zweite Halbleiterlaservorrichtung ist so ausgelegt , dass sie elektromagnetische Strahlung mit einer Hauptwellenlänge im grünen Spektralbereich emit- tiert , und eine dritte Halbleiterlaservorrichtung ist so ausgelegt , dass sie elektromagnetische Strahlung mit einer Hauptwellenlänge im blauen Spektralbereich emittiert . Zudem können auch Halbleiterlaservorrichtungen vorgesehen sein, die elektromagnetische Strahlung mit einer Hauptwellenlänge in einem anderen Spektralbereich emittieren, und es können insbesondere j eweils mehrere Halbleiterlaservorrichtungen vorgesehen sein, die Laserlicht mit einer Hauptwellenlänge in einem der genannten Spektralbereiche emittieren .
Nach einigen Aspekten ist das erste Lichtformungselement optisch und optional mechanisch mit dem ersten Wellenleiterabschnitt gekoppelt . Beispielsweise kann das erste Lichtformungselement an den ersten Wellenleiterabschnitt angrenzen bzw . diesem nachfolgen und optisch und mechanisch mit diesem verbunden sein . Das erste Lichtformungselement kann j edoch auch evaneszent mit dem ersten Wellenleiterabschnitt gekoppelt sein .
Nach einigen Aspekten ist das erste Auskoppelelement durch das erste Lichtformungselement gebildet . Insbesondere kann das zweite Ende des ersten Lichtformungselementes das erste Aus koppelelement formen . Es ist j edoch auch denkbar , dass dem ersten Lichtformungselement ein Wellenleiterabschnitt nachfolgt , der das erste Aus koppelelement formt , oder dass das photonisch integrierte Element ein dem ersten Lichtformungselement nachfolgendes optisches Element umfasst , das das erste Auskoppelelement formt .
Eine hier beschriebene optoelektronische Anordnung eignet sich besonders für den Einsatz in integrierten Laserprodukten, Lichtquelleneinheiten und RGB-Lichtquellen, wie z . B . Augmented-Reality-Brillen, Vir- tual-Reality-Brillen und kompakten Miniproj ektoren, insbesondere für NTE-Anwendungen .
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Formen eines von einer ersten Halbleiterlaservorrichtung einer optoelektronischen Anordnung emittierten Laserlichts bereitgestellt , wobei die erste Halbleiterlaservorrichtung ausgebildet ist Laserlicht zu emittieren, das in zwei zueinander senkrechte Richtungen einen unterschiedlichen Di- vergenzwinkel aufweist . Das Verfahren kann insbesondere ein Verfahren zum Formen eines von einer ersten Halbleiterlaservorrichtung emittierten Laserlichts einer optoelektronischen Anordnung gemäß zumindest einigen der vorgenannten Aspekte sein . Somit können alle bereits für die optoelektronische Anordnung beschriebenen Aspekte in gleicher Weise auf das Verfahren angewendet werden .
Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte :
Betreiben der ersten Halbleiterlaservorrichtung derart , dass diese aus einer ersten Laserlichtaustrittsfläche Laserlicht emittiert , das in zwei zueinander senkrechte Richtungen einen unterschiedlichen Divergenzwinkel aufweist ;
Einkoppeln des Laserlichts in einen sich an eine erste Laserlichteinkoppelfläche anschließenden ersten Wellenleiterabschnitt eines pho- tonisch integrierten Elementes ;
Einkoppeln des Laserlichts in ein sich an den ersten Wellenleiterabschnitt anschließendes erstes Lichtformungselement des photonisch integrierten Elementes ;
Formen des Laserlichts derart , dass das Laserlicht nach Aus kopplung aus dem photonisch integrierten Element in die zwei zueinander senkrechten Richtungen einen im Wesentlichen gleichen Divergenzwinkel aufweist ; und
Aus koppeln des geformten Laserlichts aus der optoelektronischen Anordnung über ein erstes Aus koppelelement des photonisch integrierten Elementes .
Das photonisch integrierte Element umfasst eine erste Laserlichteinkoppelfläche , die optisch mit der ersten Laserlichtaustrittsfläche gekoppelt ist , das in die erste Laserlichteinkoppelfläche eingekoppelte Laserlicht zu leiten, und ein mit dem ersten Wellenleiterabschnitt zumindest optisch gekoppeltes erstes Lichtformungselement , das ausgebildet ist das in das erste Lichtformungselement eingekoppelte Laserlichts derart zu formen, dass das aus dem photonisch integrierten Element ausgekoppelte Laserlicht in die zwei zueinander senkrechten Richtungen einen im Wesentlichen gleichen Divergenzwinkel aufweist .
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN Weitere Aspekte und Ausführungsformen nach dem vorgeschlagenen Prinzip werden sich in Bezug auf die verschiedenen Ausführungsformen und Beispiele offenbaren, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen ausführlich beschrieben werden .
Fig . 1 zeigt eine Ausführungsform einer optoelektronischen Anordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip ;
Fig . 2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer optoelektronischen Anordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip ;
Fig . 3A und 3B zeigen ein theoretisches Strahlprofil von drei
Halbleiterlaservorrichtungen, sowie das mittels einem Lichtformungselement erzeugte Strahlprofil nach dem vorgeschlagenen Prinzip; und
Fig . 4A bis 4D zeigen eine isometrische Ansicht , eine Draufsicht , sowie eine Vorder- und eine Rückansicht eines Lichtformungselementes nach dem vorgeschlagenen Prinzip .
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgenden Ausführungsformen und Beispiele zeigen verschiedene Aspekte und ihre Kombinationen nach dem vorgeschlagenen Prinzip . Die Ausführungsformen und Beispiele sind nicht immer maßstabsgetreu . Ebenso können verschiedene Elemente vergrößert oder verkleinert dargestellt werden, um einzelne Aspekte hervorzuheben . Es versteht sich von selbst , dass die einzelnen Aspekte und Merkmale der in den Abbildungen gezeigten Ausführungsformen und Beispiele ohne weiteres miteinander kombiniert werden können, ohne dass dadurch das erfindungsgemäße Prinzip beeinträchtigt wird . Einige Aspekte weisen eine regelmäßige Struktur oder Form auf . Es ist zu beachten, dass in der Praxis geringfügige Abweichungen von der idealen Form auf treten können, ohne j edoch der erfinderischen Idee zu widersprechen . Außerdem sind die einzelnen Figuren, Merkmale und Aspekte nicht unbedingt in der richtigen Größe dargestellt , und auch die Proportionen zwischen den einzelnen Elementen müssen nicht grundsätzlich richtig sein . Einige Aspekte und Merkmale werden hervorgehoben, indem sie vergrößert dargestellt werden . Begriffe wie "oben" , "oberhalb" , "unten" , "unterhalb" , "größer" , " kleiner" und dergleichen werden j edoch in Bezug auf die Elemente in den Figuren korrekt dargestellt . So ist es möglich, solche Beziehungen zwischen den Elementen anhand der Abbildungen abzuleiten .
Fig . 1 zeigt eine Ausführungsform einer optoelektronische Anordnung 1 nach dem vorgeschlagenen Prinzip . Die optoelektronische Anordnung 1 umfasst eine erste , zweite und dritte Halbleiterlaservorrichtung 2a , 2b , 2 c, mit j eweils einem optischen Resonator, und einer Laserlichtaustrittsfläche 3a, 3b , 3c zur Auskopplung eines von der Halbleiterlaservorrichtung erzeugten Laserlichts . Die Halbleiterlaservorrichtungen sind dabei ausgebildet Laserlicht zu emittieren, das in zwei zueinander senkrechte Richtungen einen unterschiedlichen Divergenzwinkel aufweist , insbesondere mit einem elliptischen Strahlprofil .
Die optoelektronische Anordnung 1 umfasst zudem ein photonisch integriertes Element 4 . Das photonisch integrierte Element 4 weist Laserlichteinkoppelflächen 5a, 5b, 5 c auf , die optisch mit den Laserlichtaustrittsflächen 3a , 3b, 3c gekoppelt sind . Ferner weist das photonisch integrierte Element 4 einen sich j eweils an die Laserlichteinkoppelflächen anschließenden Wellenleiterabschnitt 6a , 6b , 6c auf , der ausgebildet ist das in die Laserlichteinkoppelflächen j eweils eingekoppelte Laserlicht zu leiten . Außerdem weist das photonisch integrierte Element 4 ein mit den Wellenleiterabschnitten zumindest optisch gekoppeltes erstes Lichtformungselement 7a auf , das ausgebildet ist das von den Halbleiterlaservorrichtungen emittierte Laserlicht derart zu formen, dass das aus dem photonisch integrierten Element ausgekoppelte Laserlicht in die zwei zueinander senkrechten Richtungen einen im Wesentlichen gleichen Divergenzwinkel aufweist . Im dargestellten Fall sind die Wellenleiterabschnitte in einem Bereich vor dem ersten Lichtformungselement 7a optisch miteinander gekoppelt , sodass das von den Halbleiterlaservorrichtungen emittierte , Laserlicht gemischt und anschließend mittels dem ersten Lichtformungselement 7a geformt wird .
Das erste Lichtformungselement 7a ist in der dargestellten Ausführungsform als geometrisch angepasster RIB-Wellenleiter ausgebildet , der an die optisch miteinander gekoppelten Wellenleiterabschnitte angrenzt und mit diesen optisch und mechanisch gekoppelt ist . Durch das erste Lichtformungselement 7a wird ein von den Halbleiterlaservorrichtungen emittiertes Laserlicht , das in zwei zueinander senkrechte Richtungen einen unterschiedlichen Divergenzwinkel aufweist , insbesondere ein elliptisches Strahlprofil aufweist , derart geformt , dass das Laserlicht nach Verlassen des ersten Lichtformungselementes 7a und insbesondere nach Aus kopplung aus dem photonisch integrierten Element in die zwei zueinander senkrechten Richtungen einen im Wesentlichen gleichen Divergenzwinkel aufweist .
Eine Lichtauskopplung aus der optoelektronischen Anordnung 1 erfolgt über ein erstes Aus koppelelement 8a, welches im dargestellten Fall durch eine äußere Fläche des ersten Lichtformungselementes 7a gebildet ist .
Figur 2 zeigt weitere Ausführungsformen einer optoelektronische Anordnung 1 nach dem vorgeschlagenen Prinzip . Im Vergleich zu der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform sind die Wellenleiterabschnitte 6a , 6b , 6c nicht optisch gekoppelt und es ist j eweils ein Lichtformungselement 7a , 7b, 7c vorgesehen, das mit einem der Wellenleiterabschnitte gekoppelt ist . Entsprechend erfolgt eine Lichtaus kopplung aus der optoelektronischen Anordnung 1 über drei Aus koppelelemente 8a , 8b , 8 c welches im dargestellten Fall j eweils durch eine äußere Fläche der Lichtformungselemente gebildet sind .
Die Figur 3A zeigen das theoretische Strahlprofil eines von drei Halbleiterlaservorrichtungen aus ihrer Laserlichtaustrittsflächen emittierten Laserlichts , sowie Figur 3B das mittels einem Lichtf ormungs- element gemäß dem vorgeschlagen Prinzip erzeugte Strahlprofil eines von drei Halbleiterlaservorrichtungen emittierten Laserlichts . Der Figur 3A ist zu entnehmen, dass das von den Halbleiterlaservorrichtungen aus ihren Laserlichtaustrittsflächen emittierte Laserlicht in zwei zueinander senkrechte Richtungen x , y einen unterschiedlichen Divergenzwinkel sin ( 0x ) , sin ( 0y) aufweist , und insbesondere ein elliptisches Strahlprofil aufweist . Der Figur 3B ist hingegen zu entnehmen, dass das von den Halbleiterlaservorrichtungen aus ihren Laserlichtaustrittsflächen emittierte Laserlicht und mittels einem Lichtformungselement gemäß dem vorgeschlagen Prinzip erzeugte Strahlprofil in die zwei zueinander senkrechten Richtungen x , y einen im wesentlichen identischen Divergenzwinkel sin ( 0x ) , sin ( 0y) aufweist , und insbesondere ein kreisrundes Strahlprofil aufweist . Die unterschiedlichen Bereiche innerhalb des j eweiligen dargestellten Strahlprofils , sowie die rechts des Profils dargestellte Skala geben dabei die normierte
Intensität I des Laserlichts im Fernfeld an .
Die Figuren 4A bis 4D zeigen eine isometrische Ansicht ( Fig . 4A) , eine Draufsicht ( Fig . 4B ) , sowie eine Vorder- ( Fig . 4C ) und eine Rückansicht ( Fig . 4D ) eines Lichtformungselementes nach dem vorgeschlagenen Prinzip . In den Figuren 4C und 4D sind zudem noch die Iso-Intensitäts- Linien eines entlang des Lichtformungselementes laufenden Laserlichts dargestellt .
Das Lichtformungselemente umfasst einen Rippenbereich 10 und einen darunter liegenden Plattenbereich 11 , die auf einem Substrat 12 angeordnet sind . Insbesondere sind der Rippenbereich 10 und der Plattenbereich 11 aufeinandergestapelt und erstrecken sich zwischen einem ersten Ende 9a des Lichtformungselementes und einem gegenüber dem ersten Ende 9a liegenden zweiten Ende 9b des Lichtformungselementes . Der Rippenbereich 10 und der Plattenbereich 11 wirken dabei als ein gemeinsamer Kernbereich des Lichtformungselementes , der einen höheren Brechungsindex als ein umgebendes Material aufweist , sodass das Lichtformungselement auch als Licht formender Wellenleiter bezeichnet werden kann . Dazu kann der Rippenbereich 10 und der Plattenbereich 11 mit einem nicht dargestellten Mantelbereich ummantelt sein, der sich auch zwischen dem Substrat 12 und dem Plattenbereich 11 erstrecken kann . Im Bereich des ersten Endes 9a weist das Lichtformungselement bzw . der Rippenbereich 10 zusammen mit dem Plattenbereich 11 einen T-förmigen Querschnitt auf , der sich in Richtung des zweiten Endes 9b derart verj üngt , dass der Rippenbereich 10 zusammen mit dem Plattenbereich 11 am zweiten Ende 9b einen Querschnitt aufweist , der bezogen auf seinen Mittelpunkt punktsymmetrisch, insbesondere quadratisch ist . Der Plattenbereich 11 weist am ersten Ende eine Breite bl auf , die breiter ist als die Breite b2 des Rippenbereichs 10 , und verj üngt sich in Richtung des zweiten Endes 9b bis auf die Breite b2 des Rippenreichs 10 , sodass sich der quadratische Querschnitt am zweiten Ende 9b ergibt . Der Rippenbereich 10 weist hingegen vom ersten bis zum zweiten Ende eine im Wesentlichen konstante Breite b2 auf . Die Verj üngung erfolgt bis zu einem Punkt zwischen 0 pm und 2 mm entfernt von dem zweiten Ende , sodass sich der der punktsymmetrische Querschnitt von dem zweiten Ende 9b zwischen 0 pm und 2 mm in Richtung des ersten Endes 9a erstreckt . Es kann j edoch insbesondere bevorzugt sein, dass das Lichtformungselement bzw . der Rippenbereich 10 zusammen mit dem Plattenbereich 11 über eine Länge 1 von zumindest 10 pm den punktsymmetrischen Querschnitt aufweist , sodass sichergestellt werden kann, dass das von dem Lichtformungselement emittierte und aus dem photonisch integrierten Element ausgekoppelte Laserlicht in die zwei zueinander senkrechten Richtungen x, y einen im Wesentlichen gleichen Divergenzwinkel aufweist .
Das Lichtformungselement weist eine Höhe h zwischen 100 nm und 2000 nm, vorzugsweise zwischen 200 nm und 1400 nm, und besonders bevorzugt zwischen 400 nm und 1200 nm auf . Der Rippenbereich 10 weist dabei eine Höhe h2 von 10% - 80% der Höhe h des Lichtformungselementes auf , und insbesondere eine Höhe h2 zwischen 100 nm und 600 nm. Außerdem weist der Rippenbereich 10 eine Breite b2 zwischen 500 nm und 10000 nm, vorzugsweise zwischen 600 nm und 2000 nm, und besonders bevorzugt zwischen 1000 nm und 1500 nm auf . Mit derartigen Abmessungen ist das Lichtformungselement ausgebildet ein am ersten Ende 9a eingekoppeltes Laserlicht zu formen, derart , dass es wie in Figur 4D dargestellt , nach auskopplung aus dem photonisch integrierten Element in die zwei zueinander senkrechten Richtungen x, y einen im Wesentlichen gleichen Divergenzwinkel aufweist . Die Breite bl des Plattenbereichs 11 kann am ersten Ende zwischen 500 nm und 15000 nm, vorzugsweise zwischen 700 nm und 5000 nm, und besonders bevorzugt zwischen 800 nm und 3000 nm liegen und entspricht am zweiten Ende 9b der Breite b2 des Rippenbereichs 10 . Die Höhe hl des Plattenbereichs 11 ergibt sich aus den Angaben zur Höhe h des Lichtformungselementes und zur Höhe h2 des Rippenbereiches 10 .
BEZUGSZEICHENLISTE optoelektronische Anordnunga, 2b, 2c Halbleiterlaservorrichtunga, 3b, 3c Laserlichtaustrittsfläche photonisch integriertes Elementa, 5b, 5c Laserlichteinkoppelflächea, 6b, 6c Wellenleiterabschnitt a, 7b, 7c Lichtformungselement a, 8b, 8c Auskoppelelement a, 9b Ende 0 Rippenbereich I Plattenbereich 2 Substrat
Richtung
Höhe
Breite
Länge Divergenz winkel

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Optoelektronische Anordnung (1) umfassend: eine erste Halbleiterlaservorrichtung (2a) , insbesondere mit einem optischen Resonator, und einer ersten Laserlichtaustrittsfläche (3a) zur Auskopplung eines von der ersten Halbleiterlaservorrichtung (2a) erzeugten Laserlichts, wobei die erste Halbleiterlaservorrichtung (2a) ausgebildet ist Laserlicht zu emittieren, das in zwei zueinander senkrechte Richtungen (x, y) einen unterschiedlichen Divergenzwinkel (sin(0x) , sin(0y) ) aufweist; und ein photonisch integriertes Element (4) mit einer ersten Laserlichteinkoppelfläche (5a) , die optisch mit der ersten Laserlichtaustrittsfläche (3a) gekoppelt ist, einem sich an die erste Laserlichteinkoppelfläche (5a) anschließenden ersten Wellenleiterabschnitt (6a) , der ausgebildet das in die erste Laserlichteinkoppelfläche (5a) eingekoppelte Laserlicht zu leiten, einem mit dem ersten Wellenleiterabschnitt (6a) zumindest optisch gekoppelten ersten Lichtformungselement (7a) , das ausgebildet ist das von der ersten Halbleiterlaservorrichtung (2a) emittierte Laserlicht derart zu formen, dass das Laserlicht nach Auskopplung aus dem photonisch integrierten Element in die zwei zueinander senkrechten Richtungen (x, y) einen im Wesentlichen gleichen Divergenzwinkel (sin(0x) , sin(0y) ) aufweist, und einem ersten Auskoppelelement (8a) , das zur Abgabe des geformten Laserlichts mit dem ersten Lichtformungselement (7a) in Wirkverbindung steht.
2. Optoelektronische Anordnung nach Anspruch 1, wobei das erste Lichtformungselement (7a) einen sich zwischen einem ersten Ende (9a) des ersten Lichtformungselementes (7a) und einem gegenüber dem ersten Ende (9a) liegenden zweiten Ende (9b) des ersten Lichtformungselementes (7a) erstreckenden Rippenbereich (10) und einen Plattenbereich (11) umfasst.
3. Optoelektronische Anordnung nach Anspruch 2, wobei sich der Plattenbereich (11) von dem ersten Ende (9a) des ersten Lichtformungselementes (7a) in Richtung des zweiten Endes (9b) verjüngt, und der Rippenbereich (10) zusammen mit dem Plattenbereich (11) zumindest am zweiten Ende (9b) einen Querschnitt umfasst, der bezogen auf seinen Mittelpunkt punktsymmetrisch ist.
4. Optoelektronische Anordnung nach Anspruch 3, wobei der Rippenbereich (10) zusammen mit dem Plattenbereich (11) einen sich von dem zweiten Ende (9b) zumindest 10 pm in Richtung des ersten Endes (9a) erstreckenden punktsymmetrischen Querschnitt aufweist, und/oder wobei das zweite Ende (9b) höchstens 2 mm von dem ersten Auskoppelelement (8a) beabstandet ist.
5. Optoelektronische Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Plattenbereich (11) zumindest am ersten Ende (9a) eine Breite (bl) aufweist, die größer ist als eine Breite (b2) des Rippenbereichs (10) .
6. Optoelektronische Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das erste Lichtformungselement (7a) zumindest am zweiten Ende (9b) eine Höhe (h) zwischen 100 nm und 2000 nm, vorzugsweise zwischen 200 nm und 1400 nm und besonders bevorzugt zwischen 400 nm und 1200 nm aufweist.
7. Optoelektronische Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei der Rippenbereich (10) eine Höhe (h2) von 10% - 80% der Höhe (h) des ersten Lichtformungselementes (7a) aufweist.
8. Optoelektronische Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei der Rippenbereich (10) zumindest am zweiten Ende (9b) eine Höhe (h2) zwischen 100 nm und 600 nm aufweist; und/oder wobei der Rippenbereich (10) zumindest am zweiten Ende (9b) eine Breite (b2) zwischen 500 nm und 10000 nm, vorzugsweise zwischen 600 nm und 2000 nm und besonders bevorzugt zwischen 1000 nm und 1500 nm aufweist.
9. Optoelektronische Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei der Rippenbereich (10) vom ersten bis zum zweiten Ende (9a, 9b) eine im wesentlichen konstante Breite (b2) aufweist.
10. Optoelektronische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche , wobei das erste Lichtformungselement (7a) dazu ausgebildet ist im Wesentlichen eine Fundamentalmode des von der ersten Halbleiterlaservorrichtung (2a) emittierten Laserlichts zu formen.
11. Optoelektronische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche , wobei die erste Halbleiterlaservorrichtung (2a) ausgebildet ist Laserlicht im sichtbaren Bereich zu emittieren, insbesondere mit einer Wellenlänge zwischen 380 nm und 750 nm.
12. Optoelektronische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche , ferner umfassend zumindest eine zweite Halbleiterlaservorrichtung (2b) mit einer zweiten Laserlichtaustrittsfläche (3b) zur Auskopplung eines von der zweiten Halbleiterlaservorrichtung (2b) erzeugten Laserlichts, wobei das photonisch integrierte Element (4) eine zweite Laserlichteinkoppelfläche (5b) , die optisch mit der zweiten Laserlichtaustrittsfläche (3b) gekoppelt ist, und einen sich an die zweite Laserlichteinkoppelfläche (5b) anschließenden zweiten Wellenleiterabschnitt (6b) aufweist, der ausgebildet das in die zweite Laserlichteinkoppelfläche (5b) eingekoppelte Laserlicht zu leiten .
13. Optoelektronische Anordnung nach Anspruch 12, wobei der erste und der zweite Wellenleiterabschnitt (6a, 6b) optisch miteinander gekoppelt sind und das erste Lichtformungselement (7a) ausgebildet ist, das von der ersten und zweiten Halbleiterlaservorrichtung (2a, 2b) emittierte Laserlicht derart zu formen, dass das Laserlicht nach Auskopplung aus dem photonisch integrierten Element in die zwei zueinander senkrechten Richtungen (x, y) einen im Wesentlichen gleichen Divergenzwinkel (sin(0x) , sin(0y) ) aufweist; und wobei das erste Auskoppelelement (8a) in Wirkverbindung mit dem ersten Lichtformungselement (7a) steht und ausgebildet ist, das von der ersten und zweiten Halbleiterlaservorrichtung (2a, 2b) emittierte und durch das erste Lichtformungselement (7a) geformte Laserlicht zu emittieren.
14. Optoelektronische Anordnung nach Anspruch 12, wobei das photonisch integrierte Element (4) ein zweites Lichtformungselement (7b) aufweist, das mit dem zweiten Wellenleiterabschnitt (6b) zumindest optisch gekoppelt ist und das ausgebildet ist das von der zweiten Halbleiterlaservorrichtung (2b) emittierte Laserlicht derart zu formen, dass das Laserlicht nach Auskopplung aus dem photonisch integrierten Element in die zwei zueinander senkrechten Richtungen (x, y) einen im Wesentlichen gleichen Divergenzwinkel (sin(0x) , sin(0y) ) aufweist; und wobei das photonisch integrierte Element (4) ein zum ersten Auskoppelelement (8a) beabstandetes zweites Auskoppelelement (8b) aufweist, das zur Abgabe des geformten Laserlichts mit dem zweiten Lichtformungselement (7b) in Wirkverbindung steht.
15. Optoelektronische Anordnung nach Anspruch 14, wobei ein lateraler Abstand zwischen dem ersten und zweiten Auskoppelelement (8a, 8b) höchstens 10 pm, vorzugsweise höchstens 5 pm und besonders bevorzugt höchstens 3 pm beträgt.
16. Optoelektronische Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei die erste und die zweite Halbleiterlaservorrichtung (2a, 2b) dazu ausgebildet sind Laserlicht unterschiedlicher Wellenlänge zu emittieren .
17. Optoelektronische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche , wobei das erste Lichtformungselement (7a) evaneszent mit dem ersten Wellenleiterabschnitt (6a) gekoppelt ist.
18. Optoelektronische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche , wobei das erste Auskoppelelement (8a) durch das erste Lichtformungselement (7a) gebildet ist.
19. Verfahren zum Formen eines von einer ersten Halbleiterlaservorrichtung (2a) einer optoelektronischen Anordnung (1) , insbesondere einer optoelektronischen Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, emittierten Laserlichts umfassend die Schritte:
Betreiben der ersten Halbleiterlaservorrichtung (2a) derart, dass diese aus einer ersten Laserlichtaustrittsfläche (3a) Laserlicht emittiert, das in zwei zueinander senkrechte Richtungen (x, y) einen unterschiedlichen Divergenzwinkel (sin(0x) , sin(0y) ) aufweist ;
Einkoppeln des Laserlichts in einen sich an eine erste Laserlichteinkoppelfläche (5a) anschließenden ersten Wellenleiterabschnitt (6a) eines photonisch integrierten Elementes (4) ;
Einkoppeln des Laserlichts in ein sich an den ersten Wellenleiterabschnitt (6a) anschließendes erstes Lichtformungselement (7a) des photonisch integrierten Elementes (4) ;
Formen des Laserlichts derart, dass das Laserlicht nach Auskopplung aus dem photonisch integrierten Element in die zwei zueinander senkrechten Richtungen (x, y) einen im Wesentlichen gleichen Divergenzwinkel (sin(0x) , sin(0y) ) aufweist; und
Auskoppeln des geformten Laserlichts aus der optoelektronischen Anordnung (1) über ein erstes Auskoppelelement (8a) des photonisch integrierten Elementes (4) .
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