DE60304275T2 - Organische, phasenverriegelte vertical-cavity-laser-array-vorrichtung - Google Patents

Organische, phasenverriegelte vertical-cavity-laser-array-vorrichtung Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine organische Vertical-Cavity-Laser-Array-Vorrichtung.
  • Flächenemittierende Vertical-Cavity-Laser (VCSEL) auf Basis anorganischer Halbleiter (z.B. AlGaAs) werden seit Mitte der 80er Jahre entwickelt (K. Kinoshita et al., IEEE J. Quant. Electron. QE-23, 882 [1987]). Mittlerweile wurde ein Punkt erreicht, an dem AlGaAs-basierende VCSEL mit einer Abstrahlung von 850 nm von mehreren Unternehmen hergestellt werden und eine Lebensdauer von mehr als 100 Jahren aufweisen (K.D. Choquette et al., Proc. IEEE 85, 1730[1997]). Mit dem in den vergangenen Jahren verzeichneten Erfolg dieser Nahinfrarot-Laser hat sich die Aufmerksamkeit auf weitere Systeme aus anorganischen Materialien zur Herstellung von VCSEL gerichtet, die Licht im sichtbaren Wellenbereich abstrahlen (C. Wilmsen et al., Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers, Cambridge University Press, Cambridge, 2001). Für sichtbare Laser gibt es zahlreiche erfolgreiche Anwendungen, beispielsweise Anzeige, lesbare oder beschreibbare optische Speicher und Telekommunikation über kurze Strecken unter Verwendung kunststoffoptischer Fasern (T. Ishigure et al., Electron. Lett. 31, 467 [1995]). Trotz des weltweiten Bemühens zahlreicher industrieller und akademischer Laboratorien ist es noch ein weiter Weg bis zur Herstellung wirtschaftlicher Laserdioden (entweder kantenemittierender LEDs oder VCSELs), die das sichtbare Spektrum umspannen.
  • In dem Bemühen zur Herstellung von VCSELs mit sichtbarer Wellenlänge wäre es vorteilhaft, anorganisch basierende Systeme zu verlassen und sich auf organisch basierende Lasersysteme zu konzentrieren, da organisch basierende Verstärkungsmaterialien vorteilhafte Eigenschaften bezüglich niedriger ungepumpter Streu-/Absorptionsverluste und einer hohen Quanteneffizienz aufweisen. Im Vergleich mit anorganischen Lasersystemen sind organische Laser relativ preisgünstig herzustellen, können über das gesamte sichtbare Spektrum abstrah len, sind auf eine beliebige Größe skalierbar und sind vor allem in der Lage, von einem einzelnen Chip mehrere Wellenlängen auszustrahlen (z.B. rot, grün und blau).
  • Der übliche Weg zur Herstellung eines wirtschaftlichen Laserdiodensystems besteht in der Verwendung einer elektrischen Injektion im Unterschied zum optischen Pumpen, um die notwendige Populationsinversion in der aktiven Region der Vorrichtung zu erzeugen. Dies ist für anorganische Systeme der Fall, da deren optisch gepumpte Schwellenwerte (siehe P.L. Gourley et al., Appl. Phys. Lett. 54, 1209 [1989]) für Breitstreifenlaser im Bereich von 104 W/cm2 liegt. Derartig hohe Leistungsdichten sind nur erreichbar, indem man andere Laser als Pumpquellen verwendet, wodurch der Weg für anorganische Laserkavitäten ausgeschlossen ist. Ungepumpte organische Lasersysteme weisen stark reduzierte kombinierte Streu- und Absorptionsverluste (~0,5 cm–1) auf der Laserwellenlänge auf, insbesondere wenn man eine Kombination aus Wirt und Dotierung als aktives Medium verwendet. Optisch gepumpte Leistungsdichteschwellen unterhalb von 1 W/cm2 sollten daher erzielbar sein, insbesondere wenn ein VCSEL-basierendes Mikrokavitätendesign verwendet wird, um das aktive Volumen zu minimieren (das niedrigere Schwellenwerte bewirkt). Die Bedeutung von Leistungsdichteschwellen unterhalb von 1 W/cm2 liegt darin, dass damit möglich ist, die Laserkavitäten mit preisgünstigen, standardmäßigen, inkohärenten LEDs optisch zu pumpen.
  • Um aus einer organischen VCSEL-Vorrichtung eine Einmoden-Ausgabeleistung im Milliwattbereich zu erzeugen, muss der Durchmesser der Emissionsfläche typischerweise 10 μm groß sein. Für eine Ausgabeleistung von 1 mW müsste die Vorrichtung daher von einer Quelle optisch gepumpt werden, die 6000 W/cm2 erzeugt (eine Konversionseffizienz von 25% vorausgesetzt). Diese Leistungsdichte (und Pixelgröße) liegt weit über den Möglichkeiten von LEDs und würde höchstwahrscheinlich Probleme durch Verschlechterung der organischen Materialien bewirken, wenn sie im Dauerstrichbetrieb betrieben würden. Zur Umgehung dieses Problems kann man den Durchmesser der Emissionsfläche des organischen Lasers auf ca. 350 μm vergrößern, wodurch sich die Pumpenleistungsdichte auf 4 W/cm2 verringerte (um 1 mW Ausgabeleistung zu erzeugen). Diese Leistungsdichte und Pixelgröße ist mit üblichen anorganischen 400 nm LEDs erzielbar. Leider würden Breitstreifenlaservorrichtungen mit Emissionsflächen von 350 μm Durchmesser zu einer ausgeprägten Mehrmoden-Ausgabe führen und eine niedrige Konversionseffizienz aufweisen (aufgrund der Filamentierung). Es ist daher vorteilhaft, organische VCSEL-Breitstreifenvorrichtungen herzustellen, die eine gute Konversionseffizienz und Einmoden-Ausgaben aufweisen.
  • US-A-6,160,828 beschreibt einen Vertical-Cavity-Laser mit einer dünnen Schicht eines aktiven organischen Materials, das Laserlicht erzeugt. Die dünne Schicht des aktiven organischen Materials ist zwischen reflektierenden Spiegeln angeordnet, die als dielektrische Spiegelstapel ausgebildet sein können. Um das aktive organische Material herum können wahlweise transparente Hüllschichten angeordnet sein. Es können mehrere organische Vertical-Cavity-Laser übereinander gestapelt werden.
  • EP 0847094 beschreibt eine dielektrische, durchscheinende, mehrschichtige Aufsichtsfolie, die auf einem Glasträger ausgebildet ist. Eine transparente Elektrode, eine Lochtransportschicht, eine Leuchtschicht und entweder eine Metallrückenflächenelektrode oder eine zweite mehrschichtige Aufsichtsfolie sind auf der durchscheinenden Folie aufgebracht und bilden eine Resonatorstruktur. Ein periodisch angeordnetes Punktmuster wird mit einem Abstand zwischen zwei benachbarten Leuchtelementen ausgebildet, die auf mehr als 1/4 der Wellenlänge des emittierten Lichts eingestellt sind.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine organische flächenemittierende Laseranordnung bereitzustellen, die insbesondere geeignet ist, um eine phasenverriegelte Laseremission von einem zweidimensionalen Array aus mikrometergroßen organischen Laserpixeln zuzulassen.
  • Diese Aufgaben werden durch eine organische Vertical-Cavity-Laser-Array-Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
  • Die Erfindung hat den Vorteil, dass sie zweidimensionale organische Laserarray-Vorrichtungen mit mikrometergroßen Laserpixeln bereitstellt, die entweder elektrisch oder optisch von großflächigen Quellen angesteuert werden können und eine phasenverriegelte Laserausgabe erzeugen. Die Vorrichtung verwendet eine Mikrokavitätenkonstruktion mit stark reflektierenden, dielektrischen Stapeln für den oberen und unteren Reflektor und ist mit einem Verstärkungsmittel aus organischem Material mit niedriger Molmasse versehen. Die mikrometergroßen Laserpixel der Vorrichtung werden durch Modulation des Reflexionsvermögens des unteren dielektrischen Stapels bereitgestellt. Die Emission dieser Pixel ist phasenverriegelt, wodurch die Vorrichtung von einer Quelle mit großer Fläche ansteuerbar ist, während die Laserausgabe eine Einmodenausgabe bleibt (oder höchstens zwei laterale Moden). Durch Kombination der niedrigen Leistungsdichteschwellen mit dem Pumpen über großflächige Quellen lassen sich die Vorrichtungen mittels kostengünstiger, inkohärenter LEDs optisch ansteuern.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
  • Es zeigen
  • 1 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen optisch gepumpten, zweidimensionalen, phasenverriegelten, organischen Vertical-Cavity-Laser-Arrays;
  • 2 eine schematische Draufsicht eines erfindungsgemäßen optisch gepumpten, zweidimensionalen, phasenverriegelten, organischen Vertical-Cavity-Laser-Arrays;
  • 3 eine Kurve der zur Wellenlänge abgetragenen Intensität zur Darstellung der Laseremissionsspektren für ein optisch gepumptes, zweidimensionales, phasenverriegeltes, organisches Vertical-Cavity-Laser-Array;
  • 4 eine Kurve zur Darstellung der optischen Ausgangsleistung gegenüber der Eingangsleistung für ein zweidimensionales, phasenverriegeltes, organisches Vertical-Cavity-Laser-Array;
  • 5 eine ähnliche Kurve wie in 4 der Pumpeneingangsleistung gegenüber der Laserausgangsleistung in Nähe des Laserübergangsbereichs für ein zweidimensionales, phasenverriegeltes, organisches Vertical-Cavity-Laser-Array; und
  • 6 eine Kurve der Auswirkung der Einstellung der Linsenapertur auf das Laserspektrum eines zweidimensionalen, phasenverriegelten, organischen Vertical-Cavity-Laser-Arrays.
  • Um eine großflächige Laserstruktur mit Einmoden-Emission zu ermöglichen, ist es erforderlich, eine wie in 1 gezeigte, erfindungsgemäße zweidimensionale, phasenverriegelte Laser-Array-Vorrichtung 100 zu konstruieren. Das Substrat 110 kann entweder lichtdurchlässig oder opak sein, je nach vorgesehener Richtung des optischen Pumpens und der Laseremission. Das Substrat 110 kann transparentes Glas oder transparenter Kunststoff sein. Alternativ hierzu sind auch opake Substrate verwendbar, beispielsweise, aber nicht abschließend, Halbleitermaterialien (beispielsweise Silicium) oder keramische Materialien, falls optisches Pumpen und Laserabstrahlung auf der gleichen Oberfläche erfolgen sollen. Auf dem Substrat ist ein unterer dielektrischer Stapel 120 aufgebracht, der sich abwechselnd aus dielektrischen Materialien mit starkem und schwachem Brechungsindex zusammensetzt. Der untere dielektrische Stapel 120 ist so ausgelegt, dass er Licht über einen vorbestimmten Wellenlängenbereich zu reflektieren vermag. Typische Materialien mit starkem und schwachem Brechungsindex sind TiO2 und SiO2. Der untere dielektrische Stapel 120 wird durch übliche Elektronenstrahlabscheidung bei einer typischen Temperatur von 240°C aufgebracht.
  • Um eine zweidimensionale, phasenverriegelte Laser-Array-Vorrichtung 100 zu erzeugen, müssen auf der Oberfläche der VCSEL Laserpixel 200 ausgebildet werden, die durch Interpixelbereiche 210 voneinander getrennt sind, wie in 2 gezeigt. Um eine Phasenverriegelung zu erzielen, müssen unter den Pixeln Informationen über Intensität und Phase ausgetauscht werden. Hierzu ist es günstig, die Laseremissionen etwas auf die Pixelbereiche zu beschränken, und zwar entweder durch einen gewissen eingebauten Brechungsindex oder durch Verstärkungsführung. Für zweidimensionale anorganische Laser-Arrays kann dieser Einschluss erfolgreich durch Modulierung des Reflexionsvermögens des oberen dielektrischen Stapels erfolgen, indem man entweder Metall zugibt (E. Kapon und M. Orenstein, US-A-5,086,430) oder indem man den oberen dielektrischen Stapel tiefätzt (P.L. Gourley et al., Appl. Phys. Lett. 58, 890 [1991]). In beiden Fällen für anorganische Laser-Arrays würden die Laserpixel ca. 3-5 μm breit sein (um eine Einmodenabstrahlung zu ermöglichen), bei einem Interpixelabstand von 1-2 μm. Wenn man diese Ergebnisse auf organische Lasersysteme anwendet, ist eine gewisse Sorgfalt geboten, weil es sehr schwierig ist, eine mikroskopisch kleine Bemusterung auf der Laserstruktur vorzunehmen, nachdem die organischen Schichten aufgetragen worden sind. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wurde die Reflexionsgradmodulation durch Bemustern und Ausbilden eines geätzten Bereichs 150 in dem unteren dielektrischen Stapel 120 beeinflusst, und zwar mithilfe fotolithografischer und Ätztechniken, wodurch ein zweidimensionales Array aus kreisförmigen Säulen auf der Oberfläche des unteren dielektrischen Stapels ausgebildet wurde. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel waren die Laserpixel kreisförmig, aber es sind auch andere Pixelformen möglich, beispielsweise rechtwinklige. Die Interpixelbeabstandung liegt im Bereich von 0,25 bis 4 μm. Der phasenverriegelte Array-Betrieb tritt auch bei größeren Interpixelabständen auf, führt allerdings zu einer ineffizienten Nutzung der optischen Pumpenergie. Die Verfolgung des anorganischen Leiters und das tiefe Ätzen in dem unteren dielektrischen Stapel 120, um den Interpixelreflexionsgrad deutlich abzusenken, ist kein bevorzugter Weg, da dies zu einer erheblichen Modulation der Lage des aktiven Bereichs führen würde. Ein bevorzugtes Verfahren besteht darin, eine flache Ätzung von 50 bis 400 nm Tiefe vorzunehmen, um einen geätzten Bereich 150 auszubilden und den Zustand zu nutzen, dass eine Laseremission nur für Wellenlängen auftritt, deren Umlaufphase ein ganzzahliges Mehrfaches von 2π ist. Als ein Beispiel für rote Laserarrays wurde eine Laseremissionswellenlänge von 660 nm gewählt. Durch Entfernen ungerader Vielfacher von Schichten (beispielsweise eine SiO2 Schicht oder zwei SiO2 Schichten und eine TiO2 Schicht) aus dem unteren dielektrischen Stapel 120 wurde berechnet (S.W. Corzine et al. IEEE J. Quant. Electron. 25, 1513 [1989]), dass die Laseremissionswellenlänge in den Interpixelbereichen 210 so weit wie möglich von 660 nm verschoben würde (~610 and 710 nm). Hierbei wurde festgestellt, dass die Laseremissions- und die spontanen Emissionssignale im Bereich von 710 nm sehr klein sind. Außerdem wurde festgestellt, dass durch wenige Zehntel Nanometer tieferes Ätzen bis in die nächste Tio2 Schicht der kurze Wellenlängenresonanzzustand in den Wellenlängenbereich von 590 nm verschoben würde. In diesem Wellenlängenbereich ist der Reflexionsgrad des dielektrischen Stapels deutlich niedriger (was eine unerwünschte Laseremission unterbinden würde), und die Fluoreszenzstärke der Verstärkungsmedien wird deutlich verringert (was unerwünschte spontane Emissionen verhinderte). Durch Ätzen über einige ungerade Mehrfache aus Schichten im unteren dielektrischen Stapel 120 hinaus wird die Laseraktivität in den Interpixelbereichen 210 somit unterbunden und die spontane Emission deutlich reduziert. Das Endergebnis der Ausbildung des geätzten Bereichs 150 besteht darin, dass die Laseremission moderat auf die Laserpixel 200 beschränkt ist, wobei keine Laseremission aus den Interpixelbereichen 210 austritt und wobei der Array 100 kohärentes, phasenverriegeltes Laserlicht abstrahlt.
  • Der organische, aktive Bereich 130 ist über dem geätzten unteren dielektrischen Stapel 120 aufgebracht. Der aktive Bereich kann entweder aus organischem Material mit kleiner Molmasse oder einem konjugierten, polymeren, organischen Material zusammengesetzt sein. Das organische Material mit kleiner Molmasse wird üblicherweise durch thermische Hochva kuumaufdampfung (10–6 Torr) aufgebracht, während konjugierte Polymere üblicherweise durch Schleudergießen ausgebildet werden. 1 zeigt, dass der organisch aktive Bereich 130 keine massive Schicht, sondern eine mehrschichtige Zusammensetzung ist. Nach den Empfehlungen von Brueck et al. (US-A-4,881,236) für anorganische Laser enthält der organische, aktive Bereich 130 einen oder mehrere periodische Verstärkungsbereiche 160, die durch organische Abstandsschichten 170 getrennt sind. Die Dicke der periodischen Verstärkungsbereiche 160 beträgt typischerweise weniger als 50 nm, wobei der bevorzugte Bereich zwischen 10 und 30 nm liegt. Die Dicke der organischen Abstandsschichten 170 ist derart gewählt, dass die periodischen Verstärkungsbereiche mit den Wellenbäuchen des elektrischen Stehwellenfeldes der Laserkavitäten ausgerichtet sind. Die Verwendung periodischer Verstärkungsbereiche in dem aktiven Bereich bewirkt einen größeren Leistungsumwandlungswirkungsgrad und eine deutliche Reduzierung unerwünschter spontaner Emissionen. Der aktive Bereich 130 umfasst einen oder mehrere periodische Verstärkungsbereiche 160 und organische Abstandsschichten 170, die auf einer der Seiten des oder der Verstärkungsbereiche so angeordnet sind, dass der oder die Verstärkungsbereiche auf die Wellenbäuche des elektromagnetischen Stehwellenfeldes der Vorrichtung ausgerichtet ist bzw. sind.
  • Der periodische Verstärkungsbereich 160 setzt sich aus organischem Material mit niedriger Molmasse oder einem polymeren organischen Material zusammen, das mit einer hohen Quanteneffizienz fluoresziert. Typische polymere Materialien sind beispielsweise Polyphenylenvinylenderivate, Dialkoxy-polyphenylenvinylene, Polyparaphenylenderivate und Polyfluorderivate, wie von Wolk et al. in der Parallelanmeldung US-A-6,194,119 B1 und anderen hier genannten Quellen beschrieben. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Verwendung organischen Materials mit niedriger Molmasse bevorzugt, da eine Kombination aus Wirts- und Dotierungsmaterial verwendbar ist, was (über den Mechanismus der Forster-Energieübertragung) einen sehr kleinen ungepumpten Band-zu-Band-Absorptionskoeffizienten von < 1 cm–1 für das Verstärkungsmedium bei der Laserwellenlänge bewirkt (M. Berggren et al., Nature 389, 466[1997]). Ein Beispiel einer verwendbaren Kombination aus Wirts- und Dotierungsmaterial für rotemittierende Laser ist Aluminiumtris(8-Hydroxychinolin) (Alq) als Wirtsmaterial und [4-(Dicyanmethylen)-2-t-Butyl-6-(1,1,7,7-Tetramethyljulolidyl-9-enyl)-4H-pyran] (DCJTB) als Dotierungsmittel (bei einem Volumenanteil von 1%). Andere Kombinationen aus Wirts- und Dotierungsmaterial können für die Emission in anderen Wellenlängenbereichen verwendet werden, wie z.B. im grünen und blauen Bereich. Für die organische Abstandsschicht 170 wird vorzugsweise ein Material verwendet, das sowohl gegenüber der Laseremission 190 als auch gegenüber dem Pumpstrahl 180 hoch transparent ist. In diesem Ausführungsbeispiel wurde 1,1-Bis-(4-Bis(4-Methylphenyl)-aminphenyl)-cyclohexan (TAPC) als Abstandsmaterial gewählt, da es eine sehr niedrige Absorption im gesamten sichtbaren und nahen UV-Spektrum aufweist und da dessen Brechungsindex etwas niedriger als der der meisten organischen Wirtsmaterialien ist. Diese Brechungsindexdifferenz ist nützlich, da sie dazu beiträgt, die Überlagerung zwischen den Wellenbäuchen der elektrischen Stehwellen und dem oder den periodischen Verstärkungsbereich(en) 160 zu maximieren.
  • Im Anschluss an den aktiven Bereich 130 wird der obere dielektrische Stapel 140 aufgebracht. Der obere dielektrische Stapel 140 ist zum unteren dielektrischen Stapel beabstandet und gegenüber Licht in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich reflektierend. Die Zusammensetzung ist analog zu der des unteren dielektrischen Stapels 120. Da der obere dielektrische Stapel 140 über einem organisch basierenden, aktiven Bereich aufgebracht ist, muss dessen Abscheidungstemperatur niedrig sein, um ein Schmelzen der organischen Bestandteile zu vermeiden. Eine typische Abscheidungstemperatur für den oberen dielektrischen Stapel 140 beträgt daher 70°C. Um eine gute Laserleistung zu erzielen, sollte die Spitzenreflexion des oberen dielektrischen Stapels 140 und des unteren dielektrischen Stapels 120 größer als 99% sein, wobei kleinere Werte zu größeren Laserzeilenbreiten führen.
  • Die Laserpixel 200 in 2 sind in einem quadratischen, zweidimensionalen Array angeordnet, das im phasenverriegelten Betrieb bewirkt, dass jedes Element um 180 Grad außer Phase zu seinen vier nächstgelegenen Nachbarn ist (E. Kapon and M. Orenstein, US-A-5,086,430). Andere Anordnungen der Laserpixel 200 sind zulässig, beispielsweise lineare Arrays oder zweidimensionale, periodische Anordnungen der Pixel. Wie von Kapon et al. gezeigt (US-A-5,086,430), bewirken eng gepackte zweidimensionale Anordnungen (z.B. ein hexagonales Gitter-Array) kompliziertere Phasenbeziehungen zwischen den benachbarten Pixeln.
  • Die zweidimensionale, phasenverriegelte Laser-Array-Vorrichtung 100 wird optisch von einer Pumpstrahllichtquelle 180 angesteuert und strahlt eine phasenverriegelte Laserstrahlung 190 ab. Je nach Laserleistungsdichteschwelle der organischen Laserkavität kann der Pumpstrahl entweder fokussiertes Laserlicht oder inkohärentes LED-Licht sein. 1 zeigt die Laseremission 190 durch den oberen dielektrischen Stapel 140. Alternativ hierzu könnte die Laser struktur optisch durch den oberen dielektrischen Stapel 140 gepumpt werden, wobei bei einem entsprechenden Entwurf der Reflexionseigenschaften des dielektrischen Stapels die Laseremission durch das Substrat 110 erfolgt. Im Falle eines opaken Substrats (z.B. Silicium) erfolgt das optische Pumpen und die Laseremission durch den oberen dielektrischen Stapel 140. Der Betrieb der optisch gepumpten, organischen Laser-Array-Vorrichtung erfolgt mithilfe folgender Mittel. Der Pumpstrahl 180 tritt durch das Substrat 110 und den unteren dielektrischen Stapel 120 und wird von den periodischen Verstärkungsbereichen 160 absorbiert, worin ein Teil der Pumpstrahlenergie als Laserlicht mit längerer Wellenlänge reemittiert wird. Wenn der Pumpstrahl 180 durch das Substrat 110 tritt, ist es notwendig, dass der Spitzenreflexionsgrad des unteren dielektrischen Stapels so gewählt wird, dass er größer als der Spitzenreflexionsgrad des oberen dielektrischen Stapels ist, um zu gewährleisten, dass die Laserausgabe 190 vorwiegend durch den oberen dielektrischen Stapel 140 tritt. Um den Leistungsumwandlungswirkungsgrad der Vorrichtung zu verbessern, ist es üblich, zusätzliche dielektrische Schichten zu beiden dielektrischen Stapeln hinzuzufügen, so dass der untere dielektrische Stapel 120 gegenüber dem Pumpstrahl 180 hoch durchlässig ist, und dass der obere dielektrische Stapel 140 gegenüber dem Pumpstrahl hoch reflektierend ist. Das Laserlicht wird von den Laserpixeln 200 abgestrahlt, wobei aufgrund der schwachen Beschränkung sowohl Phasen- als auch Intensitätsinformationen zwischen den Pixeln ausgetauscht werden. Das Ergebnis ist, dass durch den oberen dielektrischen Stapel 140 eine phasenverriegelte Laseremission auftritt.
  • In einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird der obere dielektrische Stapel 140 durch Aufgingen einer reflektierenden Metallspiegelschicht ersetzt. Typische Metalle sind Silber oder Aluminium mit einem Reflexionsgrad von über 90%. Vorzugsweise werden die Metalle durch thermische Vakuumaufdampfung aufgebracht, um eine Beschädigung der darunterliegenden organischen Schichten zu vermeiden. In diesem alternativen Ausführungsbeispiel würden der Pumpstrahl 180 und die Laseremission 190 durch das Substrat 110 treten.
  • Die folgenden Beispiele werden zum weiteren Verständnis der vorliegenden Erfindung beschrieben und sind in keiner Weise einschränkend zu verstehen.
  • Beispiel 1
  • Um die Lasereigenschaften der zweidimensionalen, phasenverriegelten Laser-Arrays aus 1 und 2 zu bestimmen, wurden Laserstrukturen auf vorgereinigten 6-Zoll-Si-Substraten (15,24 cm) aufgebracht. Da die Si-Substrate opak sind, tritt der Pumpstrahl 180 und die Laseremission 190 durch die obere Seite der Vorrichtung (und durch den oberen dielektrischen Stapel 140). Über dem Substrat wurde mittels konventioneller Elektronenstrahlabscheidung der untere dielektrische Stapel 120 aufgebracht, der aus abwechselnden Schichten mit hohem und niedrigem Brechungsindex aus TiO2 bzw. SiO2, bestand. Der resultierende dielektrische Spiegel wies ein gemessenes Spitzenreflexionsvermögen von 99.95% bei 660 nm auf. Dann wurden übliche Photolithographietechniken verwendet, um den unteren dielektrischen Stapel 120 so zu bemustern, dass ein zweidimensionales quadratisches Array aus 5 μm großen kreisförmigen Pfeilern mit einem Kante-Kante-Abstand von 1 μm entstand. Ein konventionelles fluorbasiertes Trockenätzmittel wurde benutzt, um die Interpixelbereiche 210 in einer Tiefe von 330 nm zu ätzen. Über dem unteren dielektrischen Stapel 120 wurde durch thermisches Hochvakuumaufdampfen der organische aktive Bereich 130 aufgebracht, worauf in der genannten Reihenfolge 168 nm TAPC, 50 nm Alq mit 1 % DCJTB und 172 nm TAPC gezüchtet wurden. Zuletzt wurde der obere dielektrische Stapel 140 mittels Elektronenstrahlabscheidung bei niedrigen Temperaturen aufgebracht, so dass die gemessene Temperatur des Si-Substrats unter 72°C blieb. Sie setzte sich aus wechselnden Schichten mit hohem und niedrigen Brechungsindex aus TiO2 bzw. SiO2 zusammen. Der resultierende dielektrische Spiegel wies ein gemessenes Spitzenreflexionsvermögen von 99.9% bei 660 nm auf.
  • Um die Vorrichtungen auf ihre Spektral- und Leistungseigenschaften zu testen, wurden die Laserkavitäten von der oberen Seite bei ungefähr 30° zur Senkrechten mittels einer Nichia-Laserdiode mit 5 mW Leistung und einer Wellenlänge von 404 nm optisch gepumpt. Der Pumplaser erzeugte Laserimpulse von 50 ns bei einer Frequenz von 5 kHz. Die Pumpstrahlintensität wurde durch Kombination von zwei Neutraldichterädern eingestellt und auf die Oberfläche der Laserkavitäten mittels einer Linse mit 1000 mm Brennweite fokussiert. Die gemessene resultierende Pumpstrahlpunktgröße der Vorrichtungsfläche war elliptisch mit Abmessungen von 177 × 234 μm. Die Laserausgabe 190 der Kavität wurde auf den Eintrittsschlitz eines Spex-Doppelmonochromators (0,22 m) durch Kombination einer 50 mm/F2-Linse und einer zum Schlitz gelegenen 100mm/F4-Linse fokussiert (was eine 2fache Vergrößerung des Laser-Nahfeldbildes bewirkt). Die Auflösung des Monochromators beträgt ca. 0,45 nm; die Ausgabe wurde mit einer gekühlten Hamamatsu-Photovervielfacherröhre gemessen.
  • 3 zeigt das mit der Linse von 0,25 NA (numerische Apertur) gesammelte Spektrum. Die Abtastung hat zwei Laserspitzen, nämlich TEM0,0 bei 663,7 nm und TEM1,0 bei 661,6 nm, deren volle Breite bei halbem Maximum (FWHM) 0,55 bzw. 0,69 nm beträgt. Auf der langwelligen Seite der Spitze TEM0,0 liegt das spontane Emissionssignal innerhalb des Spektrometerrauschens. Auf der kurzwelligen Seite der Spitze TEM1,0 ist das spontane Emissionssignal größer, wobei die Spitzenintensität um den Faktor 21 kleiner als die Spitzenintensität der Laseremission TEM0,0 ist. Diese spontane Emission wird von den Interpixelbereichen 210 des Arrays emittiert. In einer verwandten Laserarray-Vorrichtung, bei der die Kante-zu-Kante-Pixelbeabstandung auf 0,6 μm abgesenkt wurde, lag das Spitzensignal der spontanen Emission um einen Faktor 57 zur Intensität der Laserspitze TEM0,0 niedriger.
  • Beispiel 2
  • Die Laserarray-Struktur war analog zu der mit Bezug auf Beispiel 1 beschriebenen, mit dem Unterschied, dass die Dicke der organischen Schicht des aktiven Bereichs 130 186 nm aus TAPC betrug, 20 nm aus Alq mit 1% DCJTB und 186 nm aus TAPC, wobei die Ätztiefe im Interpixelbereich 210 110 nm betrug. 4 zeigt eine Kurve der Pumpstrahlleistung, abgetragen zur Laserausgangsleistung. Wie anhand der Fig. zu sehen, hat der VCSEL-Array eine Leistungsdichteschwelle von 0,02 W/cm2. Damit ist der Wert um zwei Größenordnungen niedriger als das vorherige Ergebnis für Breitstreifenvorrichtungen mit kleinem Durchmesser (2,5 μm) und um drei Größenordnungen besser als das in der Literatur über organische Laser genannte (Berggren et al., Nature 389, 466[1997]). Der starke Abfall des Schwellenwerts verglichen mit dem für die Breitstreifenvorrichtung mit kleinem Durchmesser ist wahrscheinlich auf die geringere lokale Erwärmung und auf deutlich reduzierte Brechungsverluste zurückzuführen. Die Fig. zeigt, dass die Kurve nach einem scharfen Anstieg nach Erreichen des Laserschwellenwerts erneut für Eingangsleistungsdichten abfällt, die eine Größenordnung über dem Laserschwellenwert liegen. Der gleiche Trend ist für Breitstreifenvorrichtungen zu verzeichnen; daraus ist zu schließen, dass dieser Effekt nicht auf die Arrays zurückzuführen ist, sondern allgemein für organische VCSELs zutrifft. Um eine Nahansicht des Laserübergangsbereichs zu zeigen, wurde die Laserausgabekurve in 5 im linearen Maßstab noch einmal abgetragen. Die Figur zeigt, dass der Array einen sehr scharfen Anstieg aufweist.
  • 6 weist nach, dass die Laseremission aus dem Array phasenverriegelt ist. Um diese Spektren zu erzielen, wurde eine Apertur hinter der f2 Kollimationslinse angeordnet. Die Figur vergleicht die Arrayemission mit der Apertur im geöffneten und auf 7 mm geschlossenen Zustand. Diese Messung wurde durchgeführt, weil zweidimensionale phasenverriegelte quadratische Arrays vier Laserstrahlungskeulen emittieren, so dass eine Null entlang der optischen Achse vorliegt (P. L. Gourley et al., Appl. Phys. Lett. 58, 890 [1991]). 6 zeigt, dass die Array-Emission um einen Faktor 3 abgesenkt wird, indem die Apertur auf 7 mm geschlossen wird. Das Schließen der Apertur auf 7 mm hat keinen Einfluss auf die Spitzenintensität TEM0,0 des Breitstreifenlasers (2,5 μm Durchmesser). Unter Berücksichtigung der Größe des von dem Pumpstrahl bebilderten Arrays (ca. 201 μm Durchmesser) würde ein kohärenter Breitstreifenlaser eine Divergenz von ca. 0,2 Grad oder eine Strahlenausbreitung an der 50 mm Kollimationslinse von ca. 0,2 mm aufweisen (und daher bei einer Apertur von 7 mm keiner Dämpfung unterliegen).
  • Ein letzter Hinweis auf die Phasenverriegelung ist die Verkleinerung der Laser-Linienbreiten bei zunehmender Arraygröße (P. L. Gourley et al., Appl. Phys. Lett. 58, 890 [1991]).
  • In einigen Fällen wurde der gleiche VCSEL-Array mit einer 150 mm Linse und einer 300 mm Linse bebildert, wobei Pumpstrahl-Punktgrößen von 21 × 29 μm bzw. 52 × 73 μm gemessen wurden. Im letztgenannten Fall hat der TEM0,0 Mode eine FWHM von ca. 0,54 nm, während sich die FWHM bei der großen Punktgröße auf ca. 0,47 nm verkleinerte. Ein weiterer Hinweis ist die Verkleinerung der Linienbreite, wenn Arrays mit verschiedenen Interpixelabständen getestet werden. Beispielsweise fielen beim gleichen VCSEL-Muster die Linienbreiten der beiden Moden in den Bereich von 0,54 bis 1,04 nm bzw. von 0,45 bis 0,86 nm bei einer Verkürzung des Interpixelabstands von 10 μm auf 1 μm.

Claims (7)

  1. Organische Vertical-Cavity-Laser-Array-Vorrichtung (100) mit: einem Substrat (110); einem über dem Substrat angeordneten unteren dielektrischen Stapel (120), der Licht über einen vorbestimmten Wellenlängenbereich zu reflektieren vermag; einem organischen, aktiven Halbleiterbereich (130), der über dem unteren dielektrischen Stapel zur Erzeugung von Laserlicht angeordnet ist; einem zu dem unteren dielektrischen Stapel beabstandeten oberen dielektrischen Stapel (140), der Licht über einen vorbestimmten Wellenlängenbereich zu reflektieren vermag; einem geätzten Bereich (150), der in einer Oberfläche des unteren dielektrischen Stapels ausgebildet ist, um ein Array aus beabstandeten Laserpixeln (200) zu bilden, das ein höheres Reflexionsvermögen als die Interpixelbereiche (210) aufweist, und worin die Beabstandung zwischen den Pixeln im Bereich von 0,25 bis 4 μm liegt, so dass das Array kohärentes, phasenverriegeltes Laserlicht abstrahlt, und worin der organische, aktive Halbleiterbereich einen Verstärkungsbereich (160) oder mehrere periodische Verstärkungsbereiche (160) und organische Abstandsschichten (170) umfasst, die auf einer der Seiten der Verstärkungsbereiche oder des Verstärkungsbereichs so angeordnet sind, dass der oder die Verstärkungsbereiche auf die Wellenbäuche des elektromagnetischen Stehwellenfeldes der Vorrichtung ausgerichtet ist bzw. sind.
  2. Organische Vertical-Cavity-Laser-Array-Vorrichtung nach Anspruch 1, worin Pumpstrahllicht (180) übertragen und in den organischen, aktiven Bereich (130) durch mindestens einen der dielektrischen Stapel (120, 140) eingebracht wird.
  3. Organische Vertical-Cavity-Laser-Array-Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der organische, aktive Bereich (130) eine Kombination eines Wirtsmaterials und eines Dotierungsmittels ist und worin die Abstandsschicht (170) gegenüber Pumpstrahllicht und Laserlicht transparent ist.
  4. Organische Vertical-Cavity-Laser-Array-Vorrichtung nach Anspruch 3, worin das Wirtsmaterial Aluminium-Tris(8-hydroxychinolin), das Dotierungsmittel [4-(Dicyanmethylen)-2-t-Butyl-6-(1,1,7,7-Tetramethyljulolidyl-9-Enyl)-4H-Pyran] und die organische Abstandsschicht (170) 1,1-Bis-(4-Bis(4-Methylphenyl)-Aminophenyl)-Cyclohexan ist.
  5. Organische Vertical-Cavity-Laser-Array-Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der organische, aktive Bereich (130) Polymermaterialien umfasst.
  6. Organische Vertical-Cavity-Laser-Array-Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Pixel (200) in einem linearen Array angeordnet sind.
  7. Organische Vertical-Cavity-Laser-Array-Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Pixel (200) in einem zweidimensionalen Quadrat-Array angeordnet sind.
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