CN102160246B - 波长受控的半导体激光器设备 - Google Patents

Abstract

半导体激光器设备包含具有集成光电二极管的激光二极管，其中具有集成光电二极管的激光二极管的部件其中之一也被用于加热激光二极管。因而获得了一种设计更简单的波长受控的半导体激光器。

Description

波长受控的半导体激光器设备

技术领域

本发明大体上涉及光学计量设备的领域，且更具体地涉及光学自混合传感器。

背景技术

具有集成光电二极管的VCSEL（VIP）将是车辆传感器中用于例如对地速度测量的关键部件。车辆应用要求设备工作的宽的温度范围（例如-40℃至120℃）。然而，VIP在这个宽的范围上显著改变它们的属性（如果它们还工作的话）。

特征VCSEL性能参数的温度依存性在文献（例如H. Li和K. Iga, “Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser Devices”, S69ff, Springer 2003）中是公知的。可以确认三个主要效应：

腔体共振按照下述关系随温度偏移：

λ_res/

T≈0.07nm/K

另外，增益峰按照下述关系偏移：

λ_gain/

T≈0.32nm/K

附加效应为激光阈值的变化以及增益/电流随温度增加而减小。

恰当的设计允许VCSEL在宽的温度范围从头到尾工作（例如B. Weigl等的“High-performance oxide-confined GaAs VCSELs”, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 3, 409-415(1997)中的-80℃至180℃）。

然而，这种设备的输出功率在该工作温度范围内变化大于10倍，且激射波长偏移大约10nm。原则上，集成光电二极管的性能（灵敏度和噪声）也随温度强烈变化。所有这些效应与诸如下述的稳定VIP性能的目标相抵触：恒定的信噪比、恒定的输出功率（输出功率应优选地保持低于人眼安全限制）以及严格限定的波长。如果该激光器用作自混合传感器，则10nm的偏移已经造成距离和速度测量中1%的系统误差。

VCSEL的温度依存波长偏移已经被采用来调整用于DWDM的激光器阵列的波长。US2008/0031294A1公开了一种VCSEL阵列，其中对VCSEL进行单独的波长调整。波长调整是通过偏置加热来实现的。阵列安装在被冷却的表面上。波长随后由邻近VCSEL的加热元件单独地设定。然而，该布置需要VCSEL附近的附加部件从而实现波长调整。另外，根据US2008/0031294A1的偏置加热需要被冷却的表面。尽管VCSEL不是单独被冷却，但是该冷却需要用于热散逸的附加部件。

发明内容

因此本发明的目的是提供一种设计更简单的波长受控的半导体激光器。该目的是通过如权利要求1限定的激光器设备来实现。本发明的有利实施例和改进在从属权利要求中限定。作为大体思想，提供了一种激光器设备，其中具有集成光电二极管的激光二极管的部件其中之一也被用于加热该激光二极管。

具体而言，提出了一种半导体激光器设备，其包含

激光二极管设备，其具有

半导体激光二极管，其为具有集成光电二极管的垂直腔面发射激光器（300），

集成光电二极管，所述激光二极管设备包括具有所述集成光电二极管的垂直腔面发射激光器，以及

电接触，典型地为沉积金属层，其用于电连接该半导体激光二极管和该集成光电二极管。

因此，提出了一种包含集成加热装置的半导体激光器设备，例如为具有集成光电二极管的VCSEL。本发明特别适合用于在宽的工作温度范围从头到尾稳定激光波长。本发明的基本思想是采用一种加热元件，该加热元件为比如VIP的激光二极管设备的集成部分。换言之，除了其正常功能之外，具有集成光电二极管的激光二极管的元件其中之一也被用作受控加热元件。因此，不需要单独的加热器。因此，包含激光二极管设备的电接触的现有结构至少其一用作加热元件。

该半导体激光器设备还包含用于通过稳定或设定激光二极管设备的温度来设定或稳定激光波长的反馈控制电路。该电路被设置从而响应于测量的温度依存参数生成加热电压或电流。该加热电压或电流应用到激光二极管设备的至少一个电接触。该电接触的至少其一也电连接半导体激光二极管或集成光电二极管，使得加热电流流过激光二极管设备并加热半导体激光二极管。大体上，反馈控制电路包含反馈环路，在该反馈环路中，所述测量的温度依存参数从激光二极管设备被反馈到该控制电路。

该半导体激光二极管为具有垂直集成光电二极管的垂直腔面发射激光器（VCSEL）（VIP）。VCSEL结构有利于光电二极管的集成。较低的功耗且因此较低的热发射扩大了温度调整范围。

根据本发明一个实施例，集成光电二极管在反向偏置工作，且用于稳定或设定激光二极管设备的温度的反馈控制电路被设置从而设定集成光电二极管两端的电压，该集成光电二极管藉此被由所接收的光感应形成的光电流加热。

这种情况下，附加加热元件是不需要的且具有集成光电二极管的常规激光二极管（例如VIP）可以与反馈控制电路一起被采用。

根据又一实施例，用于电连接半导体激光二极管和集成光电二极管的电接触至少其一具有连接到用于稳定或设定激光波长的电路的两个端点或电极。这种情况下，由该电路控制的加热电流横向流过两个端点之间的电接触。另一可能性为将加热电流部分地传导通过相应电接触之下的衬底或层。因此，替代使用具有两个端点的电接触，该电接触也可以分离成两个横向分离接触。加热电流或电压因此在位于公共表面上的两个分离电接触之间馈送，所述电接触至少其一接触半导体激光二极管或集成光电二极管。为了提高这种类型加热元件的电阻，可以由不同材料生产所述分离电接触。具体而言，尽管一个接触可以是标准合金接触，但是另一个可以是纯金属接触，从而造成附加高损耗且由此提高包含接触电阻和薄层电阻的总电阻。

通过光电流和光电二极管两端的电压来加热以及经由设计成加热元件的一个或多个电接触来加热也可以被组合。

激光二极管的温度可以使用合适的温度传感器来检测。然而，监测激光二极管的工作温度而无需额外的温度传感器，这是有可能的且是有利的。具体而言，活性区域的相关温度可以直接测量。为此目的，激光二极管正向电压（工作电压）的温度依存性可以被计量。典型地，该依存性是负的。

根据本发明的该实施例，反馈控制电路的输入端连接到半导体激光二极管的电接触，该反馈控制电路测量激光二极管的正向电压作为温度依存输入参数。

根据该实施例的改进，为了控制激光波长，如果激光二极管温度低于与预定波长（即，将被设定或稳定的波长）对应的温度，只要在固定工作电流时工作电压低于预定值，则该二极管被反馈控制电路加热。

可替换地或者附加地，由集成光电二极管测量的光输出可以用作反馈控制电路的输入参数。根据本发明的有利改进，反馈控制电路的输入端因而连接到集成光电二极管的电接触，且由集成光电二极管测量的光输出作为输入参数被馈送到反馈控制电路，该反馈控制电路依据该光输出设定加热电流或电压。尽管该参数对反馈略微敏感，特别是在激射条件下，但是该实施例也具有非常简单的设计，因为不需要附加的温度传感器。另外，如已经在上文所述，激光强度的温度依存性非常强，这允许进行非常敏感的温度测量。

作为另一可替换或附加的输入参数，反馈控制电路可以被设置成直接使用在加热部分上测量的信号。具体而言，与由加热电压或加热电流加热的部分的电阻对应的参数可以被检测。加热部分两端的电压也依赖于温度，特别是由于温度依存电阻的原因。如果被加热部分在几何上是分离的，则控制被加热元件的温度而不是激光器的温度会是有用的。这种情况下，如果激光器温度是从激光器电压导出，则该温度的反应时间将使得反馈环路非常慢。根据本发明的另一改进，激光二极管设备的被加热部分两端的电压因而作为输入参数被馈送到反馈控制电路，并且加热电压或电流由反馈控制电路响应于该电压来设定。

为了减小将激光二极管加热到期望温度所需的功率且同时使反馈环路更快，采用形成为衬底上的台面结构的半导体激光二极管也是有利的，该台面结构至少部分地被衬底中的槽围绕。槽减小了在横向上沿着衬底的热散逸。

为激光二极管提供某种热绝缘的另一可替换或附加可能性是将部分氧化的层布置在台面和衬底之间。

到目前为止，激光二极管通常被冷却从而最优化它们的寿命和效率。然而，冷却（特别是主动冷却）需要附加部件。如果激光二极管被动冷却，则环境温度限制工作温度。然而，取决于应用，环境温度可以大范围波动。在波动的环境温度的环境中的典型应用为用于车辆的传感器，特别是车辆、航海或航空传感器。作为本发明的总体思想，如果激光二极管在环境温度典型范围内的应用的高温端工作，则可以避免对激光传感器的主动冷却。为此目的，提出了利用加热元件从而显著地减小温度范围，使得比如VIP的激光二极管总是工作于这样的温度，所述温度远高于对于该应用是典型的环境温度范围的下限。然而，对于高到可以预期对激光二极管寿命的负面影响的温度的温度范围，优选可能性是使VCSEL在中间温度工作，这仍将出现的温度的总跨度减小例如至少2倍。这种情况下，激光二极管在例如>100℃工作的时间间隔可以缩短，同时仍减小工作温度范围。因此通常优选地将工作温度设定为低于对激光二极管寿命有害的温度范围。

该设备因而可以设计成针对更高温度表现出最佳属性。更具体而言，提出了一种具有半导体激光器设备（特别是如前文所述的半导体激光器设备）的车辆速度或距离传感器，其包含

半导体激光二极管，

自混合信号解码电路，其用于根据激光强度的自混合振荡测量与距离或速度有关的参数，以及

反馈控制电路，其具有用于检测温度相关参数的输入端。该反馈控制电路控制加热该半导体激光二极管的加热电流或加热电压，并且藉此将半导体激光二极管的温度稳定在至少20°，优选地至少50°，以及更优选地至少60°的值。如前所述，车辆应用中出现的温度典型地是在-40℃至120℃的范围。激光二极管因此工作于相关温度范围的上部60%。

由于如此工作的原因，主动冷却是不需要的，并且加热足以将激光二极管稳定在固定但是相对较高的温度。本发明特别适合用于激光自混合传感器，因为自混合振荡的频率是激光波长的函数。

在航海和航空应用中的温度范围大体上是相似的。取决于应用，激光二极管的温度也可以设定为更高或更低。然而，由反馈控制电路稳定的温度优选地低于100℃，更优选地低于80℃，从而确保稳定工作和长寿命。

附图说明

图1和2分别为根据本发明第一实施例的半导体激光器设备的俯视图和侧视图。

图3为具有用作加热元件的环形接触的本发明第二实施例的俯视图。

图4和5示出图3所示实施例的变型。

图6为用于半导体激光二极管和集成光电二极管的控制电路的实施例的框图。

图7示出半导体激光器设备1的应用。

具体实施方式

图1和2分别为半导体激光器设备1的示意性俯视图和侧视图。

半导体激光器设备1包含激光二极管设备3，该激光二极管设备具有VCSEL 300和集成光电二极管200以及用于电连接VCSEL 300和集成光电二极管200的电接触110、210、310。VCSEL 300包含两个布拉格反射器叠层301、303，该叠层具有例如三个量子阱的中间叠层302。VCSEL和光电二极管的多个层沉积在衬底100上。用于VCSEL的典型衬底材料为GaAs。

半导体激光器设备1还包含用于通过稳定或设定激光二极管设备3的温度来设定或稳定激光波长的反馈控制电路10。反馈控制电路10被设置成响应于由反馈控制电路10检测的温度依存参数产生加热电压或电流。此加热电压或电流应用到激光二极管设备3的电接触。至少一个电接触还电连接VCSEL 300或集成光电二极管200，使得加热电流流过激光二极管设备3并将VCSEL 300加热直到与期望波长关联的预定温度。具体而言，如果激光二极管温度低于与预定波长对应的温度，只要在固定工作电流时工作电压低于预定值，则VCSEL 300经由光电流和经调整的反向偏置电压被反馈控制电路10加热。

具体而言，反馈控制电路10经由线路12、14、16连接到激光二极管设备3。线路12和16连接到VCSEL 300顶部上的环形接触310以及连接集成监测二极管200和VCSEL的电接触210。经由这些线路12、16，反馈控制电路10测量VCSEL 300的正向电压作为温度依存参数。

反馈控制电路10经由线路14进一步连接到背部接触110。经由线路12和14，集成光电二极管（200）在反向偏置工作，并且反馈控制电路10经由线路12、14调整集成光电二极管（200）两端的电压。光电二极管因此被由所接收的光感应形成的光电流加热，并且应用到集成光电二极管200的加热功率是由该光电流和通过反馈控制电路10应用的电压的乘积给出。

由于在反向偏置工作时光电流几乎不依赖于反向偏置电压，加热功率可以通过调整反向偏置电压来控制，而不干扰对激光强度的测量。如果光电流也被反馈到反馈控制电路10，使得依据VCSEL 300的实际温度和期望温度的偏差可以确定电压从而获得特定加热功率，这是进一步有用的。

集成光电二极管200和VCSEL 300一起形成台面结构，该台面结构被引入在衬底100中的槽600围绕。槽600提供了台面结构的某种热分离。除了蚀刻形成的槽600之外，在台面和衬底100之间具有部分氧化的层（与VCSEL的氧化物开孔相似）会是有帮助的。

图3示出半导体激光器设备1的又一实施例。该实施例是基于采用电接触110、210、310其中之一作为加热元件的认识，所述电接触连接VCSEL 300和集成光电二极管200。为此目的，相应电接触被调整使得电接触上的两个端点被使用，所述端点连接到反馈控制电路10。反馈控制电路10接着控制两个端点之间的加热电流。

在图3所示实施例中，VCSEL顶部上的环形接触310用作加热元件。环形导电层被中断从而形成两个端部。所述端部用作端点18、19，反馈控制电路10经由线路12、14被连接在所述端点。由反馈控制电路10控制的加热电流因此沿着环形接触在端点18、19之间流动。

再者，由于环形接触310的导电材料具有温度依存电阻，环形接触310可以同时用作温度传感器。一种用作反馈控制的输入的合适参数因而可以为在端点18、19之间流动的电流与线路12、14之间的电势差之间的比率。

图4示出图3所示实施例的变型。替代VCSEL 300顶部上的环形接触310，集成光电二极管200顶部上的电接触210被用作加热元件，该电接触210优选地为用于VCSEL 300和集成光电二极管200的n接触。为此目的，接触210形成为绕VCSEL 300延伸的细长U形层。此U形接触的腿部的端部被线路12、14接触且由此构成端点18、19。

图5示出实施例的另一变型，其中电接触附加地被用作加热元件。根据图5所示的变型，加热电流或电压在位于公共表面上的两个横向分离电接触之间馈送，所述电接触至少其一接触VCSEL 300和/或集成光电二极管200。与图4所示实施例相似，接触VCSEL 300和集成光电二极管200这二者的n接触被调整以用作加热元件。集成光电二极管200上的n接触被分离成两个分离接触230、231。接触230、231其中之一或者这两个接触可以用于连接到用于VCSEL的电源（未示出）。由反馈控制电路10控制的加热电压经由线路12、14应用在接触230、231之间。总加热功率是由接触230、231之间的薄层电阻以及接触230、231与光电二极管200底层之间的接触电阻引起。为了提高接触电阻，对于接触230、231可以使用不同金属。具体而言，接触230、231其中之一可以是标准合金，如通常用于VCSEL设备上的导电层的标准合金。另一接触接着可以由这样的材料制成，该材料提供了到台面底层的高的过渡电阻。

在上文描述的实施例中，反馈控制电路10被示为独立部分。然而，反馈控制电路10可以嵌在和/或集成在半导体激光器设备1的驱动电路中。图6的框图示出包含反馈控制电路10的驱动器电路的实施例。对于电接触被调整为电加热元件的激光二极管元件，即，图3至5所示的激光二极管元件，这种设置是特别有用的。

通过VCSEL 300的电流由激光器驱动器350控制，该激光器驱动器也测量激光器电压（用于温度的指示）。集成光电二极管200上的反向电压以及光电流在光电二极管控制电路250中被控制。加热元件700（比如，如图3至5所示的经调整的电接触）可以单独由反馈控制电路10控制。反馈环路800获得关于激光器电压的信息，并且如果需要，如虚线所指示，还获得关于光电流的信息。

在图1和2所示实施例中，经由光电二极管（例如设备250）上的反向电压可以影响该加热。在此实施例中，反馈控制电路10因而也可以集成在光电二极管控制电路250中。

图7示出半导体激光器设备1的应用。半导体激光器设备1被用作车辆速度传感器，特别是用于测量汽车4的速度。半导体激光器设备1安装在汽车4下面。通过评价比如自混合振荡的自混合效应和/或散斑效应来测量速度。对于通过激光强度的多普勒感应自混合振荡来测量速度，设备1布置成使得激光束5以倾斜角度照在人行道6。为了在强烈变化的环境温度下使激光波长稳定，反馈控制电路稳定将VCSEL的温度稳定在介于50℃和80℃之间的值。因此，不需要冷却（特别是主动冷却）以保证在大的环境温度范围中的稳定波长，因为半导体激光器设备1的激光二极管总是在汽车典型环境条件下出现的温度的上限范围工作。然而，为了避免性能损失和寿命降低，温度控制电路优选地将VCSEL的温度稳定在不高于180℃，更优选地不高于120℃的值。对于本发明的该实施例，通常也可以采用其它类型的包含加热元件的半导体激光器设备。例如，替代使用激光二极管的部件其中之一以及监测二极管，可以将附加加热元件布置在激光二极管的衬底上。

尽管本发明的优选实施例已经在附图中予以说明且在前述说明书中予以描述，但是将理解，本发明不限于所公开的实施例且可以想到许多调整而不背离如所附权利要求限定的本发明的范围。

附图标记列表：

1：半导体激光器设备

3：激光二极管设备

4：汽车

5：激光束

6：人行道

10：反馈控制电路

12、14、16：线路

18、19：端点

100：衬底

110、210、310、230、231：电接触

200：集成光电二极管

250：光电二极管控制电路

300：VCSEL

301、303：布拉格反射器

302：量子阱

350：激光器驱动器

600：槽

700：加热元件

800：反馈环路。

Claims (14)

1.一种半导体激光器设备（1），包含

激光二极管设备（3），其具有

半导体激光二极管，

集成光电二极管（200），所述激光二极管设备（3）包括具有所述集成光电二极管（200）的垂直腔面发射激光器（300），以及

用于电连接所述半导体激光二极管和所述集成光电二极管（200）的电接触，所述半导体激光器设备还包含

用于通过稳定或设定该激光二极管设备（3）的温度来稳定激光波长的反馈控制电路（10），所述反馈控制电路（10）被设置以响应于测量的温度依存参数生成加热电压或电流，

所述加热电压或电流应用到所述激光二极管设备（3）的电接触，所述电接触至少其一还电连接所述半导体激光二极管或所述集成光电二极管（200），使得加热电流流过该激光二极管设备（3）并且加热所述半导体激光二极管。

2.根据权利要求1的半导体激光器设备，其特征在于，所述集成光电二极管（200）在反向偏置工作，并且用于稳定或设定该激光二极管设备的温度的所述反馈控制电路被设置以设定该集成光电二极管（200）两端的电压，该集成光电二极管藉此被由所接收的光感应形成的光电流加热。

3.根据权利要求1的半导体激光器设备，其特征在于，用于电连接该半导体激光二极管和该集成光电二极管的所述电接触至少其一具有连接到所述反馈控制电路的两个端点，其中所述加热电流在所述两个端点之间流动。

4.根据权利要求1的半导体激光器设备，其特征在于，该加热电流或电压在位于公共表面上的两个横向分离电接触之间馈送，所述电接触至少其一接触所述半导体激光二极管或所述集成光电二极管。

5.根据权利要求4的半导体激光器设备，其特征在于，所述分离电接触由不同材料制成。

6.根据权利要求1的半导体激光器设备，其特征在于，该反馈控制电路的输入端连接到所述半导体激光二极管的电接触，所述反馈控制电路测量该激光二极管的正向电压。

7.根据权利要求6的半导体激光器设备，其特征在于，如果激光二极管温度低于与预定波长对应的温度，只要在固定工作电流时该工作电压低于预定值，则所述半导体激光二极管被该反馈控制电路加热。

8.根据权利要求1的半导体激光器设备，其特征在于，该反馈控制电路（10）测量与由所述加热电流或电压加热的部分的电阻对应的参数。

9.根据权利要求1的半导体激光器设备，其特征在于，该反馈控制电路的输入端连接到所述集成光电二极管的电接触，并且该集成光电二极管测量的光输出作为输入参数被馈送到该反馈控制电路，该反馈控制电路依据该光输出设定该加热电流或电压。

10.根据权利要求1的半导体激光器设备，其特征在于，该半导体激光二极管形成为衬底（100）上的台面结构，该台面结构至少部分地被所述衬底（100）中的槽（600）围绕。

11.根据权利要求1的半导体激光器设备，其特征在于，该半导体激光二极管形成为衬底（100）上的台面结构，其中部分氧化的层布置在所述台面和所述衬底（100）之间。

12.具有根据权利要求1的半导体激光器设备的车辆速度或距离传感器。

13.根据权利要求12的车辆速度或距离传感器，其特征在于所述半导体激光器设备还包含：

自混合信号解码电路，其用于根据激光强度的自混合振荡测量与距离或速度有关的参数，其中所述反馈控制电路具有用于检测温度相关参数的输入端并且控制加热所述半导体激光二极管的加热电流或加热电压，所述反馈控制电路藉此将所述半导体激光二极管的温度稳定在至少20℃的值。

14.根据权利要求13的车辆速度或距离传感器，其特征在于，所述反馈控制电路将所述半导体激光二极管的温度稳定在不高于100℃的值。

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