DE102005016052B4

DE102005016052B4 - Selbstüberwachende Licht emittierende Vorrichtung

Info

Publication number: DE102005016052B4
Application number: DE102005016052A
Authority: DE
Inventors: Christopher L. Santa Clara Coleman
Original assignee: Avago Technologies Fiber IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2004-08-20
Filing date: 2005-04-07
Publication date: 2010-10-07
Anticipated expiration: 2025-04-08
Also published as: US20060039434A1; TWI357191B; CN1738117A; DE102005016052A1; CN1738117B; TW200608658A; JP2006060204A; US7286581B2

Abstract

Selbstüberwachende Lichtquelle (110), die folgende Merkmale umfasst:
eine Lichtquelle (120), die Licht (122) erzeugt;
eine Lichtüberwachungseinrichtung (130), die einen Teil (132) des erzeugten Lichts empfängt und auf der Basis desselben ein Rückkopplungssignal (134) erzeugt, wobei die Lichtquelle (120) und die Lichtüberwachungseinrichtung (130) auf dem gleichen Halbleiterchip (310) hergestellt sind; und
ein optisches Element (370), das in dem Halbleiterchip gebildet ist und
einen Teil des erzeugten Lichts auf die Lichtüberwachungseinrichtung (130) richtet,
– wobei die Lichtquelle (120) ein VCSEL (350) ist, der eine Apertur umfasst;
– wobei die Lichtüberwachungseinrichtung (130) ein Ringformlayout (510) umfasst, das die Apertur entweder vollständig oder teilweise umgibt;
– wobei das optische Element (370) ein zweidimensionales Gitter ist, das Licht auf vier Licht empfangende Stellen auf der Lichtüberwachungseinrichtung (130) richtet und
– wobei das Ringformlayout (510) vier Ausschnitte aufweist, innerhalb derer von der Lichtüberwachungseinrichtung (130) kein Licht empfangen...

Description

In vielen optischen Systemen werden Halbleiterlaser als Komponenten verwendet. Ein Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser (VCSEL) ist ein Halbleiterlasertyp. Weil der VCSEL weniger aufwendig hergestellt und getestet werden kann als andere Halbleiterlaser, ist der VCSEL häufig bei vielen Anwendungen eine bevorzugte Lichtquelle. Wie andere Halbleiterlaser ändert sich oder variiert die Ausgangsleistung eines VCSEL jedoch mit der Temperatur und der Zeit, wenn der VCSEL altert.
Ein Lösungsansatz zum Beibehalten einer gleichmäßigen oder konstanten Ausgangsleitung für den VCSEL ist das Überwachen der Lichtausgabe des VCSEL. Ein Teil der Lichtausgabe des VCSEL wird typischerweise in einer Rückkopplungsschleife auf eine Überwachungsvorrichtung, wie zum Beispiel eine Fotodiode, umgeleitet. Wenn die Ausgangsleistung des VCSEL schwankt stellt die Rückkopplungsschaltungsanordnung den Steuerstrom ein, der an den VCSEL geliefert wird, was wiederum die Ausgangsleistung ausgleicht, die durch den VCSEL erzeugt wird. Ein teilweise transmittierender Spiegel, der auch als Fensterspiegel bekannt ist, wird allgemein verwendet um einen Teil der VCSEL-Lichtausgabe auf die Fotodiode umzuleiten.
Die DE 100 04 398 A1 offenbart einen VCSEL mit einem integrierten Fotodetektor zur Erzeugung eines Rückkopplungssignals, das direkte Informationen über die tatsächliche optische Ausgangsleistung des Lasers liefert. Der VCSEL weist einen aus einem oberen DBR-Reflektor und einem mittleren DBR-Reflektor gebildeten Resonator und einen laseraktiven Bereich auf. Ein Nutzlaserstrahl verlässt den VCSEL durch das obere DBR Gitter. Ein einziger Referenzstrahl verlässt den VCSEL durch das mittlere DBR Gitter und trifft auf den Fotodetektor.
Die US 5,812,581 A offenbart einen Laser und einen Fotodetektor, die in einem gemeinsamen Halbleiterchip ausgebildet sind. Das von dem Laser erzeugte Licht wird an einem Auskoppelfenster teilweise reflektiert und erreicht als Referenzlicht die seitlich neben dem Laser angeordneten Fotodetektoren.
Die US 2004/0052463 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Überwachen der Stärke von optischen Transmitter-Signalen. Die Vorrichtung weist ein optisches Substrat auf, an dem sich an einer Seite sich eine Lichtquelle und ein Lichtdetektor befinden. An der gegenüberliegenden Seite befindet sich ein Feedback Block, welcher einen Reflektor aufweist. Mittels eines Strahlteilers, welcher sich zwischen dem optischen Substrat und dem Feedback Block befindet, wird eine Referenzlicht aus dem von der Lichtquelle erzeugten Nutzlichtstrahl ausgekoppelt und über den Reflektor auf den Detektor gelenkt.
Die DE 39 31 588 A1 offenbart einen interferometrischen Halbleiterlaser mit einem steuerbaren Strahlteiler, der ein holographisches Gitter aufweist. Über den steuerbaren Strahlteiler werden aus einem Referenzstrahl des Halbleiterlasers zwei Teilstrahlen erzeugt, die jeweils an einer Spiegelfläche reflektiert, an dem steuerbaren Strahlteiler wieder vereinigt und gemeinsam auf eine Monitordiode gerichtet werden.
Die JP 01-241032 A offenbart eine monolithisch hergestellte selbstüberwachende Licht emittierende Vorrichtung. Die Vorrichtung weist eine Lichtquelle mit mehreren Licht emittierenden Elementen und einen Lichtdetektor mit mehreren Licht empfangenden Elementen auf, die über ein Koppelgitter optisch miteinander gekoppelt sind. Dabei ist jeweils ein Licht emittierendes Element einem Licht empfangenden Element zugeordnet.
Eine herkömmliche Technik zum Überwachen der Leistung, die durch einen Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser (VCSEL) emittiert wird, ist das Verwenden einer externen optischen Oberfläche zum Abzweigen eines Bruchteils der emittierenden Laserleistung und Umleiten desselben auf eine getrennte Fotodetektorvorrichtung. Die US 6,636,540 B2 mit dem Titel ”Optical turn for monitoring light from a laser” beschreibt ein Beispiel dieses Lösungsansatzes. Obwohl dieselbe eine wesentliche Verbesserung im Vergleich zu den zu der Zeit bestehenden Lösungsansätzen ist, erfordert eine solche Lösung getrennte Optik- und Detektorkomponenten, um die Leistungsüberwachung zu realisieren.
Bei den meisten herkömmlichen Systemen gibt es zumindest die folgenden einzelnen Komponenten: eine VCSEL-Komponente, eine Fotodetektorkomponente und eine Optik. Es ist klar, dass die optische Komponente, die Laserkomponente und die Detektorkomponente sorgfältig zusammengebaut und integriert werden müssen, um ein funktionierendes System herzustellen. Ferner ist in der Technik klar, dass das Integrieren der Optikkomponenten mit den anderen Komponenten eine komplexe Systemintegration erfordert. Diese Systemintegration kann die Ausrichtung, komplizierte Anordnungsschritte und Häusungsverfahren umfassen. Darüber hinaus erhöht die Anzahl einzelner Teile oder Komponenten die Gesamtgehäusegröße auf unerwünschte Weise. Ferner erfordern unterschiedliche Produktplattformen jeweils einen spezifischen Entwurf zum Integrieren der getrennten optischen Komponente, der Laserkomponente und der Detektorkomponente.
Auf der Basis des Vorhergehenden bleibt ein Bedarf für ein System und ein Verfahren zum Integrieren einer Licht emittierenden Vorrichtung und einer Leistungsüberwachung, die die vorher angeführten Nachteile überwindet.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine selbstüberwachende Lichtquelle, eine selbstüberwachende Licht emittierende Vorrichtung sowie eine Licht emittierende Vorrichtung mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Lichtquelle gemäß Anspruch 1, sowie eine Licht emittierende Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6, 11 und 14 gelöst.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine selbstüberwachende Licht emittierende Vorrichtung (z. B. eine Lichtquelle) beschrieben, die als ein einzelner Halbleiterchip hergestellt ist. Die selbstüberwachende Lichtquelle umfasst eine Lichtquelle, die Licht erzeugt und eine Lichtüberwachungseinrichtung, die einen Teil des erzeugten Lichts empfängt. Die Lichtquelle (z. B. eine Vertikalemissionslichtquelle) und die Lichtüberwachungseinrichtung sind auf dem gleichen Halbleiterchip hergestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann eine Optik in dem Halbleiterchip integriert sein oder als getrenntes Element von dem Halbleiterchip vorgesehen sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine selbstüberwachende Licht emittierende Vorrichtung (z. B. eine Lichtquelle) die als eine einzelne Unterordnung eines Lichtquellenchips und eines Überwachungseinrichtungschips hergestellt ist, beschrieben. Die selbstüberwachende Lichtquelle umfasst eine Lichtquelle (z. B. eine Vertikalemissionslichtquelle), die in einem Lichtquellenchip gebildet ist, und eine Überwachungseinrichtung oder ein Detektor, der in einem Überwachungseinrichtungschip gebildet ist. Der Lichtquellenchip und der Überwachungseinrichtungstyp werden in eine einzelne Unteranordnung kombiniert oder gehäust. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Optik in dem Lichtquellenchip gebildet sein oder in dem Überwachungseinrichtungschip gebildet sein.
Die vorliegende Erfindung ist beispielhaft und nicht beschränkend in den Figuren der beiliegenden Zeichnungen dargestellt, bei denen gleiche Bezugszeichen ähnliche Elemente bezeichnen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf beiliegende Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein optisches System, das eine selbstüberwachende Lichtquelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst;
2 ein optisches System, das eine selbstüberwachende Lichtquelle mit integrierter Optik gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst;
3 eine Seitenansicht einer selbstüberwachenden Lichtquelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 eine Seitenansicht einer selbstüberwachenden Lichtquelle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5 eine Draufsicht einer selbstüberwachenden Lichtquelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Überwachungseinrichtung ein Layout mit einer Ringgeometrie gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung aufweist;
6 eine Draufsicht einer selbstüberwachenden Lichtquelle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Überwachungseinrichtung ein Layout mit einer Ringgeometrie aufweist, die Ausschnitte aufweist, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
7 eine Draufsicht einer Selbstüberwachungslichtquelle, bei der die Überwachungseinrichtung ein Layout mit einer einzelnen Licht empfangenden Stelle verwendet, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
8 eine Draufsicht eines Arrays von selbstüberwachenden Lichtquellen, wobei jede selbstüberwa chende Lichtquelle ein Layout mit zwei Licht empfangenden Stellen verwendet, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
9 ein Gitter gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
10 eine Schnittansicht von 9 durch die Linie 10'-10';
11 ein Gitter gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
12 eine Ansicht des Gitters von 11 durch 12'-12';
13 eine Ansicht des Gitters von 11 durch 13'-13';
14 ein schräges Gitter, das geeignet ist zum Erzeugen einer einzelnen Lichtregion, die gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung überwacht werden soll;
15 ein Leistungsdiagramm für eine selbstüberwachende Lichtquelle mit einer ersten Überwachungseinrichtungsgeometrie gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
16 ein Leistungsdiagramm für eine selbstüberwachende Lichtquelle mit einer zweiten Überwachungseinrichtungsgeometrie gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
17 eine selbstüberwachende Lichtquelle, bei der eine Überwachungseinrichtung in einem Überwachungseinrichtungschip gebildet ist, eine Lichtquelle in einem Lichtquellenchip gebildet ist und der Über wachungseinrichtungschip und der Lichtquellenchip in eine einzige Unteranordnung kombiniert sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
18 eine selbstüberwachende Lichtquelle, bei der die Überwachungseinrichtung als Oberflächenbehandlung implementiert ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
19 eine selbstüberwachende Lichtquelle, bei der ein optisches Element mit einem Überwachungseinrichtungschip integriert ist und der Überwachungseinrichtungschip mit einem Lichtquellenchip kombiniert ist, um eine einzelne Unteranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zu bilden.
Eine selbstüberwachende Licht emittierende Vorrichtung ist beschrieben. In der folgenden Beschreibung sind zu Erklärungszwecken zahlreiche spezifische Einzelheiten aufgeführt, um ein gründliches Verständnis der vorliegenden Erfindung zu liefern. Für einen Fachmann auf diesem Gebiet ist jedoch klar, dass die Erfindung ohne diese spezifischen Einzelheiten praktiziert werden kann. In anderen Fällen sind gut bekannte Strukturen und Vorrichtungen in Blockdiagrammform gezeigt um das unnötige Behindern der vorliegenden Erfindung zu vermeiden.
Optisches System 100
1 stellt ein optisches System 100 dar, das eine selbstüberwachende Lichtquelle 110 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst. Das optische System 100 kann beispielsweise ein optischer Sender sein, der ein Datensignal empfängt, eine Lichtquelle auf der Basis des Datensignals moduliert und das modulierte Licht in ein opti sches Medium, wie zum Beispiel ein Faseroptikkabel, einkoppelt.
Das optische System 100 umfasst eine selbstüberwachende Lichtquelle 110, eine Optik 140 und einen Lichtquellentreiber 150, der ein Antriebssignal 152 (z. B. Steuerstrom) an die Lichtquelle 110 (z. B. Laser) liefert. Die selbstüberwachende Lichtquelle 110 umfasst eine Lichtüberwachungseinrichtung 130, die einen Teil des Lichts empfängt, das durch den Laser erzeugt wird und auf der Basis desselben ein Rückkopplungssignal erzeugt und das Rückkopplungssignal an den Lasertreiber liefert. Die Lichtüberwachungseinrichtung 130 misst die Lichtmenge, die durch die Lichtquelle erzeugt wird, oder die Leistungsmenge, die dadurch erzeugt wird. Die Lichtüberwachungseinrichtung 130 kann beispielsweise ein Lichtdetektor sein und wird hierin als „Leistungsüberwachungseinrichtung”, „Leistungsdetektor”, „Überwachungseinrichtung” oder „Detektor” bezeichnet.
Selbstüberwachende Lichtquelle 110
Das optische System 100 umfasst eine selbstüberwachende Lichtquelle 110 (hierin nachfolgend auch als selbstüberwachende Licht emittierende Vorrichtung oder Gerät 110 bezeichnet) gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die selbstüberwachende Lichtquelle 110 umfasst eine Lichtquelle 120, die bei einem Ausführungsbeispiel ein Halbleiterlaser (z. B. ein VCSEL) und eine Lichtüberwachungseinrichtung 130 (z. B. ein Fotodetektor oder Fototransistor) ist, der mit der Lichtquelle 120 integriert ist.
Die Lichtquelle 120 erzeugt Licht 122, das auf die Optik 140 gerichtet wird. Ein erster Teil 124 des Lichts 122 wird an eine Anwendung übertragen und ein zweiter Teil 132 des Lichts 122 wird durch die Optik 140 zu der Lichtüberwachungseinrichtung 130 reflektiert. Bei diesem Ausführungsbeispiel verwendet die selbstüberwachende Lichtquelle 110 eine externe Optik 140. Beispielsweise kann die selbstüberwachende Lichtquelle 110 mit externer Optik zusammengebaut oder gehäust sein. Die externe Optik 140 wird verwendet, um einen Teil des Lichts, das durch den Laser 120 erzeugt wird, zu transmittieren und einen Teil zurück zu der Überwachungseinrichtung 130 zu reflektieren. Die Optik 140 kann einen teilweise transmittierenden Spiegel, der auch als Fensterspiegel bekannt ist, umfassen, um einen Teil 132 der VCSEL-Lichtausgabe 122 auf die Lichtüberwachungseinrichtung 130 umzuleiten.
Die Lichtüberwachungseinrichtung 130 misst den zweiten Teil 132 des Lichts und liefert ein Rückkopplungssignal 134 an einen Lichtquellentreiber 150 (z. B. eine Lasertreiberschaltung). Das Signal 134 kann eine Messung der Ausgangsleistung der Lichtquelle 120 darstellen. Der Lichtquellentreiber 150 empfängt das Rückkopplungssignal 134 und andere Signale (z. B. Datensignale) und liefert auf der Basis derselben ein oder mehrere Antriebssignale 152 (z. B. ein Steuerstromsignal) an die Lichtquelle 120.
Wie es vorher angemerkt wurde, ändert sich oder variiert die Ausgangsleistung der Lichtquelle 120 (z. B. Ausgabe des VCSEL) mit der Temperatur und im Lauf der Zeit (z. B. dem Alter des VCSEL). Die Lichtüberwachungseinrichtung 130 überwacht die Lichtausgabe der Lichtquelle 120 (z. B. die Lichtausgabe des VCSEL). Ein Teil 132 der Lichtausgabe des VCSEL wird typischerweise in einer Rückkopplungsschleife auf die Lichtüberwachungseinrichtung 130 umgeleitet. Wenn die Ausgangsleistung des VCSEL 122 variiert, stellt der Lichtquellentreiber 150 den Treiberstrom 152 ein, der an den VCSEL geliefert wird, was wiederum die Ausgangsleistung 122 ausgleicht, die durch den VCSEL 120 erzeugt wird. Auf diese Weise wird die Rückkopplungsschleife der Überwachungseinrichtung 130, des Lichtquellentreibers 150 und der Lichtquelle 120 verwendet, um die Ausgangsleistung für die Lichtquelle 120 zu steuern. Bei einem Ausführungsbeispiel wird die Rückkopplung verwendet, um eine gleichmäßige oder konstante Ausgangsleistung für die Lichtquelle 120 beizubehalten.
Bei einem Ausführungsbeispiel sind eine Lichtquelle (z. B. eine Vertikalemissionslichtquelle oder VCSEL) und eine Lichtüberwachungseinrichtung (z. B. ein Fotodetektor, der die Leistung, die durch den Laser erzeugt wird, misst oder überwacht) in einen einzigen Halbleiterchip integriert (z. B. monolithische Integration). Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel sind eine Lichtquelle, eine Lichtüberwachungseinrichtung und ein optisches Element (z. B. Gitter) in einen einzigen Chip integriert. Beispielsweise kann ein Gitter auf einer Oberfläche des Halbleiterchips gebildet sein.
Bei noch einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine Lichtquelle (z. B. eine Vertikalemissionslichtquelle, wie zum Beispiel ein VCSEL) in einem Lichtquellenchip gebildet, und eine Lichtüberwachungseinrichtung (z. B. ein Fotodetektor, der die Leistung, die durch den Laser erzeugt wird, misst oder überwacht) ist in einem Überwachungschip oder Dünnfilm gebildet, und der Lichtquellenchip und der Überwachungseinrichtungschip werden in einer einzigen Unteranordnung kombiniert. Beispielsweise können der Lichtquellenchip und der Überwachungseinrichtungschip in einer einzigen Unteranordnung zusammengebaut oder gehäust sein. Eine getrennte Optik außerhalb der Unteranordnung der selbstüberwachenden Lichtquelle 110 kann verwendet werden.
Bei noch einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Lichtquelle, die Lichtüberwachungseinrichtung und das optische Element in eine einzige Unteranordnung kombiniert. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird angemerkt, dass die Optik (z. B. ein Gitter) in dem Lichtquellenchip gebildet sein kann oder in dem Überwachungseinrichtungschip gebildet sein kann.
Bei noch einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine Lichtquelle mit einem optischen Element in einem einzigen Chip integriert. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird angemerkt, dass die Optik (z. B. ein Gitter) auf einer Oberfläche des Lichtquellenchips gebildet sein kann. Der Lichtquellenchip mit integrierter Optik kann dann mit einer Lichtüberwachungseinrichtung kombiniert werden, die entweder in einem Lichtüberwachungseinrichtungschip oder einem Lichtüberwachungseinrichtungsdünnfilm gebildet ist.
Bei noch einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine Lichtüberwachungseinrichtung mit einem optischen Element in einem einzigen Chip integriert. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird angemerkt, dass die Optik (z. B. ein Gitter) auf einer Oberfläche des Lichtüberwachungseinrichtungschips gebildet sein kann.
Optisches System 200
2 stellt ein optisches System 200 dar, das eine selbstüberwachende Lichtquelle mit integrierter Optik 210 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst. Das optische System 200 kann beispielsweise ein optischer Sender sein, der ein Datensignal empfängt, eine Lichtquelle auf der Basis des Datensignals moduliert und das modulierte Licht in ein optisches Medium, wie zum Beispiel ein Faseroptikkabel, einkoppelt.
Selbstüberwachende Lichtquelle 210 mit integrierter Optik
Das optische System 200 umfasst eine selbstüberwachende Lichtquelle 210 mit integrierter Optik (hierin nachfolgend auch als selbstüberwachende Licht emittierende Vorrichtung mit integrierter Optik 210 bezeichnet) gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die selbstüberwachende Lichtquelle 210 umfasst eine Lichtquelle 220, die bei einem Aus führungsbeispiel ein Halbleiterlaser (z. B. ein VCSEL), eine Lichtüberwachungseinrichtung 230, die mit der Lichtquelle 220 integriert ist und ein optisches Element 240 ist, das mit der Lichtquelle 220 und der Lichtüberwachungseinrichtung 230 integriert ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist kein äußeres optisches Element erforderlich, da ein internes optisches Element 240 (z. B. ein Beugungsgitter) durch die selbstüberwachende Lichtquelle 210 geliefert wird, um Lichtleitung, Reflexion, Umleitung, usw. durchzuführen.
Selbstüberwachender, an der unteren Oberfläche emittierender VCSEL
3 stellt eine Seitenansicht einer selbstüberwachenden Lichtquelle 300 (hierin nachfolgend auch als selbstüberwachende Licht emittierende Vorrichtung bezeichnet) gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst die selbstüberwachende Licht emittierende Vorrichtung 300 eine Lichtquelle 350, eine Lichtüberwachungseinrichtung 360 und ein optisches Element 370, die alle in einen einzigen Halbleiterchip integriert sind (hierin auch als einzelner Chip oder einzelnes Halbleiterstück bezeichnet).
Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst die selbstüberwachende Lichtquelle 300 eine Vertikalemissionslichtquelle 350 (z. B. einen Vertikalemissionshalbleiterlaser oder einen an der unteren Oberfläche emittierenden VCSEL). Die Lichtquelle 350 ist mit einer Lichtüberwachungseinrichtung 360 und einem optischen Element 370 integriert. Genauer gesagt, die Lichtquelle 350, die Lichtüberwachungseinrichtung 360 und das optische Element 370 sind in einem einzigen Halbleiterchip 310 gebildet oder hergestellt (hierin nachfolgend auch als Lichtquellenchip oder Laserchip bezeichnet). Der Lichtquellenchip 310 umfasst eine aktive Schicht 320, wo aktive Elemente verarbeitet werden. Die aktive Schicht 320 umfasst eine Laserapertur 350 und die Lichtüberwachungseinrichtung 360 (z. B. einen Fotodetektor).
Es wird angemerkt, dass der Chip 310 aus einem Halbleitermaterial gebildet sein kann, wie zum Beispiel Indiumgalliumarsenid (InGaAs) und einem anderen Halbleitermaterial (z. B. II-VI und III-V Halbleiter), die für Durchschnittsfachleute auf diesem Gebiet der Herstellung optischer Elektronik bekannt sind. Ein Verfahren zum Integrieren der Überwachungseinrichtung 360 (z. B. Fotodetektor) in dem Laserchip 310 (z. B. ein VCSEL-Chip) ist das Verwenden eines selektiven Ätzens und epitaxialen Wiederaufwachsens. Zunächst wird der Laserhohlraum in der gesamten Überwachungseinrichtungsregion eliminiert. Dann wird der entfernte Abschnitt als eine dickere Absorptionsschicht für erhöhte Effizienz wieder aufgewachsen.
Der Halbleiterchip 310 umfasst eine untere Oberfläche 330 und eine obere Oberfläche 340. Ein optisches Element (z. B. ein Gitter) 370 kann auf der oberen Oberfläche 340 gebildet sein. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Gitter 370 (z. B. Beugungsgitter) in die obere Oberfläche des Halbleiterchips 310 geätzt. Beispielsweise kann das Gitter 370 durch Ätzen einer Oberflächenreliefstruktur in dem Lichtquellenchip 310 oder dem Substratmaterial gebildet oder hergestellt werden. Es wird angemerkt, dass das optische Element 370 entlang der gesamten Oberfläche des Chips 310 gebildet werden kann, wie es gezeigt ist, oder entlang nur einem Teil der Oberfläche des Chips 310 gebildet sein kann (z. B. direkt oberhalb der Lichtquelle 350). Wie es nachfolgend näher beschrieben wird, kann das Gitter gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung auch in einem Überwachungseinrichtungschip geätzt werden. Eine Antireflexions-(AR-)Schicht 380 oder -Beschichtung kann auf dem Gitter 370 gebildet werden. Die AR-Schicht 380 kann beispielsweise eine Siliziumnitridschicht oder eine Titandioxidschicht sein.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die Schicht 320 einen Halbleiterlaser (z. B. einen VCSEL) 350 und eine Überwachungseinrichtung 360. Der Laser 350 kann beispielsweise ein an der unteren Oberfläche emittierender VCSEL sein. Licht wird an der Laserapertur auf der unteren Oberfläche 330 gebildet, verläuft durch das Substrat 310 und beleuchtet das optische Element 370 (z. B. Beugungsgitter) auf der oberen Oberfläche. Licht, das durch den Laser 350 erzeugt wird kann als ein Kegel verlaufen, wie es durch die beispielhaften Lichtstrahlen dargestellt ist.
Es wird angemerkt, dass ein großer Teil des Lichts für eine bestimmte Anwendung (z. B. Transmitteranwendung) aus der Quelle 300 transmittiert wird, ein Teil des Lichts zurück zu der Überwachungseinrichtung 360 reflektiert wird und ein Teil des Lichts (nicht gezeigt) zurück zu anderen Regionen der aktiven Schicht 320 (z. B. dem Laser 350) reflektiert werden kann. Wie es vorher angemerkt wurde, wird der Teil des Lichts, der zurück zu der Überwachungseinrichtung 360 reflektiert wird, gemessen und an eine Treiberschaltung geliefert, die das Antriebssignal einstellt, das an den Laser geliefert wird, um Schwankungen bei dem Ausgang des Lasers, beispielsweise aufgrund von Temperatur und Alter des Lasers, auszugleichen.
Obwohl die Lichtquelle 350 bei einem Ausführungsbeispiel als ein VCSEL beschrieben ist, wird angemerkt, dass die Lehren gemäß der Erfindung auf jede Vertikalemissionslichtquelle angelegt werden können, die Folgendes umfassen können, aber nicht darauf beschränkt sind: vertikal emittierende Licht emittierende Dioden (LEDs), vertikal emittierende Halbleiterlaser oder andere Vertikalemissionslichtquellen.
Selbstüberwachender, an der oberen Oberfläche emittierender VCSEL
4 stellt eine Seitenansicht einer selbstüberwachenden Lichtquelle 400 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die selbstüberwachende Lichtquelle 400 ein selbstüberwachender, an der oberen Oberfläche emittierender VCSEL. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Laser 450 ein an der oberen Oberfläche emittierender VCSEL. Auf dem Chip 410 (hierin nachfolgend auch als ein Lichtquellenchip bezeichnet) ist eine Schicht 420 aus transparentem Material gebildet. Beispielsweise kann das transparente Material 420, wie zum Beispiel Epoxid, auf der oberen Oberfläche 430 des Chips 410 aufgebracht sein.
Ein optisches Element ist auf einer Oberfläche 440 der transparenten Schicht 420 gebildet oder als ein Teil der Schicht 420. Bei einem Ausführungsbeispiel wird die Schicht 420 nachfolgend mit einem Gitter 470 strukturiert, das hierin nachfolgend mit Bezugnahme auf 9–14 beschrieben ist. Optional kann eine AR-Beschichtung 480 auf das Gitter 470 aufgebracht sein.
Beispielhafte Überwachungseinrichtungskonfigurationen: beispielhafte Formen und Geometrien
5 stellt eine Draufsicht einer selbstüberwachenden Lichtquelle dar, wo die Überwachungseinrichtung eine Ringgeometrie umfasst, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel hat die Überwachungseinrichtung 510 ein Layout, das eine Ringgeometrie aufweist (z. B. eine ringartige Form). Bei einem Ausführungsbeispiel umgibt die Lichtüberwachungseinrichtung oder der Fotodetektor die Laserapertur teilweise auf zumindest einer Ebene oder einem Pegel. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel umgibt die Lichtüberwachungseinrichtung und der Fotodetektor die Laserapertur vollständig auf zumindest einer Ebene oder einem Pegel. Bei noch einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Lichtüberwachungseinrichtung auf einer ersten Ebene angeordnet; die Lichtquelle ist auf einer zweiten Ebene angeordnet und die Lichtüberwachungseinrichtung oder der Fotodetektor umgibt einen Vorsprung der Laserapertur auf der Ebene der Lichtübertragungseinrichtung entweder teilweise oder vollständig.
Die Ringgeometrie ist vorteilhaft, da die Ausrichtungsanforderungen der Maske für das Gitter und die Komponenten in der aktiven Schicht aufgrund der Symmetrie der Ringform gelockert sind. Selbst wenn die Ausrichtung zwischen dem Gitter und dem Laser nicht perfekt ist, wird das Licht das zurückreflektiert wird, beispielsweise durch die Überwachungseinrichtung erfasst, aufgrund der Symmetrie der Überwachungseinrichtungsgeometrie.
6 stellt eine Draufsicht einer selbstüberwachenden Lichtquelle dar, bei der die Überwachungseinrichtung eine Ringgeometrie mit Ausschnitten umfasst, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. 5 und 6 werden hierin nachfolgend näher erörtert.
7 stellt eine Draufsicht einer selbstüberwachenden Lichtquelle 700 dar. Die selbstüberwachende Lichtquelle umfasst eine Lichtquelle 710 und eine Überwachungseinrichtung 720, die damit integriert ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Lichtquelle 710 ein Halbleiterlaser (z. B. ein VCSEL) und die Überwachungseinrichtung 720 verwendet eine einzelne Licht empfangende Stelle 724, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Es wird angemerkt, dass die Licht empfangende Stelle 724 mit jeder geeigneten geometrischen Form (z. B. einem Kreis, einem Quadrat, einem Polygon oder einer anderen Form) implementiert werden kann. Es wird ferner angemerkt, dass die Überwachungseinrichtung 720 mehrere Licht empfangende Stel len umfassen kann, die als getrennte Inseln implementiert werden können (z. B. als zwei oder mehr getrennte unterbrochene Regionen oder Formen) oder als eine einzige durchgehende Form.
Das Layout der Lichtüberwachungseinrichtung (z. B. Fotodetektor) kann beispielsweise ein Layout umfassen, ist aber nicht beschränkt darauf, das eine oder mehrere getrennte oder unterbrochene Inseln, eine oder mehrere fortlaufende geometrische Formen, eine ringartige geometrische Form, eine ringartige geometrische Form, die zumindest einen Ausschnitt umfasst, ein Layout, das um zumindest eine erste Achse symmetrisch ist, ein Layout, das um eine erste Achse und eine zweite Achse symmetrisch ist, und ein Layout, das radial symmetrisch ist, umfasst. Darüber hinaus kann das Layout der Lichtüberwachungseinrichtung (z. B. Fotodetektor) beispielsweise eine einzelne Licht empfangende Stelle umfassen, zumindest zwei getrennte Licht empfangende Stellen oder vier Licht empfangende Stellen. Beispiele dieser Geometrien und Konfigurationen sind nachfolgend näher beschrieben.
8 stellt eine Draufsicht eines Arrays 800 von selbstüberwachenden Lichtquellen dar (z. B. 802, 804, 806). Jede selbstüberwachende Lichtquelle umfasst eine Lichtquelle und eine Überwachungseinrichtung, die damit integriert ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Lichtquellen (z. B. Lichtquellen 810, 820, 830) Halbleiterlaser (z. B. VCSELs).
Bei diesem Ausführungsbeispiel verwendet jede integrierte Überwachungseinrichtung (z. B. Überwachungseinrichtung 812) zwei Licht empfangende Stellen. Beispielsweise umfasst die Überwachungseinrichtung 812 eine erste Licht empfangende Stelle 814 und eine zweite Licht empfangende Stelle 818. Es wird angemerkt, dass die Stellen 814, 818 mit jeder geeigneten geometrischen Form (z. B. einem Kreis, einem Quadrat oder einer anderen Form) implementiert werden können. Es wird ferner angemerkt, dass die Stellen 814, 818 als ge trennte Inseln (z. B. als zwei oder mehr getrennte unterbrochene Regionen oder Formen) oder als eine einzige durchgehende Form implementiert werden können. Ein Beispiel der Stellen 814, 818, die als eine einzige fortlaufende Form angeordnet sind (z. B. eine Ringformgeometrie) wurde oben mit Bezugnahme auf 5 und 6 beschrieben.
Dieses Ausführungsbeispiel ist besonders sinnvoll für die Anwendungen, die ein Array von Lasern erfordern (z. B. ein Array von VCSELs), wie zum Beispiel ein Array, das eine Mehrzahl von Lasern (z. B. N Laser) umfasst, die entlang einer ersten Abmessung angeordnet sind (z. B. einer x-Abmessung oder einer horizontalen Abmessung). Diese Laser können mit den selbstüberwachenden Lichtquellen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung implementiert werden.
Es wird angemerkt, dass das Layout der Überwachungseinrichtung ein Layout sein kann, das zumindest um eine erste Achse (z. B. eine x-Achse) symmetrisch ist, ein Layout, das um eine erste Achse (z. B. eine x-Achse) und eine zweite Achse (z. B. eine y-Achse) symmetrisch ist, und ein Layout, das radial symmetrisch ist um einen bestimmten Punkt. Das Layout der Überwachungseinrichtung kann auch die Laserapertur teilweise oder vollständig umgeben.
Beispielhafte Optikelementkonfigurationen
Das optische Element gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung führt eine oder mehrere der folgenden Funktionen durch: Kollimieren jedes empfangenen Lichtstrahls zum Erzeugen eines kollimierten Lichtstrahls; Reflektieren des kollimierten Lichtstrahls in einem Winkel als ein reflektierter Lichtstrahl; teilweises Transmittieren des einfallenden Lichtstrahls als einen transmittierten Lichtstrahl; teilweises Ablenken des reflektierten Lichtstrahls in einem Winkel als einen überwachten Lichtstrahl direkt zu einer Lichtüberwachungsvorrichtung; Fokussieren des überwachten Lichtstrahls auf die Lichtüberwachungsvorrichtung; und Fokussieren des transmittierten Lichtstrahls auf ein Faseroptikkabel. Bei einem Ausführungsbeispiel kann das optische Element mit einem Gitter (z. B. einem Beugungsgitter) implementiert werden.
9 stellt eine Draufsicht eines Gitters 910 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Das Gitter 910 hat eine Struktur, die als abwechselnde Streifenstruktur bezeichnet wird. Das Gitter 910 umfasst eine Mehrzahl von Stegabschnitten 920 und Talabschnitten 930, die sich entlang einer ersten Achse (z. B. einer vertikalen Achse oder y-Achse) erstrecken. Die Stegabschnitte 920 und Talabschnitte 930 treten von links nach rechts abwechselnd auf. Es wird angemerkt, dass das Gitter von 9 um 90 Grad gedreht werden kann, um ein Gitter zu realisieren, das Stege und Täler aufweist, die sich entlang einer zweiten Achse (z. B. einer horizontalen Achse oder einer x-Achse) orthogonal zu der ersten Achse erstrecken.
10 stellt eine Seitenansicht eines Gitters 910 von 9 durch die Linie 10'-10' dar. Das Gitter 910 reflektiert einen Teil des Lichts, das durch die Lichtquelle (z. B. den Laser) erzeugt wird, zu zwei Licht empfangenden Stellen zurück und wäre folglich geeignet für die Aufnahme in der selbstüberwachenden Lichtquelle mit dem Layout, das in 8 dargestellt ist.
11 stellt eine Draufsicht eines Gitters 1110 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. 12 stellt eine Ansicht des Gitters 1110 durch die Linie 12'-12' dar und 13 stellt eine Ansicht des Gitters 1110 durch die Linie 13'-13' dar. Das Gitter 1110 hat eine Struktur, die als Schachbrettstruktur bezeichnet wird. Das Gitter 1110 umfasst Spitzenabschnitte 1120 und Bodenabschnitte 1130, die auf eine Schachbrettweise angeordnet sind. Das Gitter 1110 kann beispielsweise ein zweidimensional gekreuztes Gitter sein, mit identischen Abschnitten und Merkmalen entlang einer ersten Achse (z. B. horizontale Richtung) und einer zweiten Achse (z. B. eine vertikale Richtung). Das Gitter 1110 reflektiert einen Teil des Lichts, das durch den Laser erzeugt wird, an vier Licht empfangende Stellen zurück, und wäre folglich geeignet für die Aufnahme in der selbstüberwachenden Lichtquelle mit dem in 5 oder 6 dargestellten Layout.
Bei einem Ausführungsbeispiel hat das Gitter 1110 mit der Schachbrettstruktur identische Abschnitte und Merkmale entlang einer ersten Achse und entlang einer zweiten Achse. Der Abschnitt zwischen identischen Merkmalen kann bei einem Ausführungsbeispielsfall etwa 0,5 Mikrometer sein und der Abschnitt zwischen identischen Merkmalen kann bei einem anderen Ausführungsbeispiel etwa 0,35 Mikrometer sein.
Es wird angemerkt, dass das Verarbeiten eines Gitters, das zwei Höhen aufweist (9 und 11) für die Verarbeitungstechniken relativ einfach ist, die für einen Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet verfügbar sind.
14 stellt ein schräges Gitter 1400 dar, das zum Erzeugen einer einzigen Lichtregion geeignet ist, die gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung überwacht werden soll. Dieses Ausführungsbeispiel wäre geeignet für die Aufnahme in die selbstüberwachende Lichtquelle mit dem in 7 dargestellten Layout.
Leistungsdiagramme und Beleuchtungsmuster für ein erstes Ausführungsbeispiel
15 stellt ein Leistungsdiagramm für eine integrierte Laser/Überwachungseinrichtung mit einer ersten Überwachungseinrichtungsgeometrie gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Damit eine Überwachungseinrichtung zuverlässig ist, sollte die Überwachungseinrichtung eine konstante Antwort auf das Licht haben, das durch die Überwa chungseinrichtung gemessen wird. Die Überwachungseinrichtung sollte unempfindlich sein gegenüber spezifischen Eigenschaften des Lichts (z. B. Wellenlänge, Einfallswinkel und Polarisation). Anders ausgedrückt, das Überwachungseinrichtungsansprechverhalten sollte variieren aufgrund von Änderungen bei der empfangenen Gesamtleistung und nicht bei Eigenschaften des Lichts, wie zum Beispiel Wellenlänge, Polarisation und Einfallswinkel.
15 stellt als eine Funktion der Polarisation und des Einfallswinkels folgendes dar: 1) eine erste Diagrammlinie 1510, die den Bruchteil der Laserleistung mit einer ersten Polarisation darstellt, die transmittiert wird (für eine Anwendung); eine zweite Diagrammlinie 1512, die den Bruchteil der Laserleistung mit einer zweiten Polarisation darstellt, die transmittiert wird (für eine Anwendung) 2) eine dritte Diagrammlinie 1520, die den Bruchteil der Laserleistung mit einer ersten Polarisation darstellt, die zu der Überwachungseinrichtung (z. B. Fotodetektor) reflektiert wird, und eine vierte Diagrammlinie 1522, die den Bruchteil der Laserleistung mit einer zweiten Polarisation darstellt, die zu der Überwachungseinrichtung (z. B. Fotodetektor) reflektiert wird, und 3) eine fünfte Diagrammlinie 1530, die den Bruchteil der Laserleistung mit einer ersten Polarisation darstellt, die zurück zu dem Laser reflektiert wird, und eine sechste Diagrammlinie 1532, die den Bruchteil der Laserleistung mit einer zweiten Polarisation darstellt, die zurück zu der Laserapertur reflektiert wird. Die erste Polarisation kann eine TE-Polarisation sein und die zweite Polarisation kann eine TM-Polarisation sein. Es wird angemerkt, dass die Diagrammlinien 1510, 1520 und 1530 allgemein die Diagrammlinien 1512, 1522 beziehungsweise 1532 überlappen.
Es wird angemerkt, dass etwa 76% der Laserleistung gerade ohne Änderung durch die Oberfläche transmittiert wird, etwa 18% der Laserleistung durch die Überwachungseinrichtung erfasst oder gemessen wird und nur etwa 3% der Laserleistung zurück zu dem Laser reflektiert wird. Weitere 3% der Laserleistung (oben nicht berücksichtigt) werden an anderen Punkten reflektiert, die die Überwachungseinrichtung nicht beleuchten. Es wird angemerkt, dass jede Diagrammlinie allgemein unempfindlich ist gegenüber Schwankungen bei der Wellenlänge für diese Anwendung. Wenn die Wellenlänge beispielsweise um plus oder minus 20 nm variiert, zeigt die Diagrammlinie nur unwesentliche Schwankungen.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Gitterkonstante etwa 0,50 µm entlang der x-Richtung und der y-Richtung; der Füllfaktor entlang der x-Richtung und der y-Richtung ist etwa 0,5; die Wellenlänge (λ) ist etwa 0,98 µm; die Gittertiefe ist etwa 87 nm und eine AR-Beschichtung wird verwendet, die aus einem Material mit einem Brechungsindex von etwa 1,45 hergestellt ist.
Wie es zu erkennen ist, stellt 15 dar, dass es ansprechend auf die Überwachungseinrichtung aufgrund der Änderungen der Eigenschaften des Laserstrahls keine wesentliche Schwankung gibt. Während sich die Polarisation und der Winkel der Laserbeleuchtung ändern, kann die Leistung in jedem der vier Punkte schwanken; die Schwankungen der einzelnen Punkte gleichen sich jedoch gegenseitig aus und die summierte Leistung der vier Punkte bleibt relativ konstant. Die relative Unempfindlichkeit des Ansprechverhaltens der Überwachungseinrichtung auf Polarisation und Einfallswinkel liegt an dem zweidimensionalen Gitterentwurf und an den vier Lichtpunkten die auf die Überwachungseinrichtung projiziert werden.
Mit Bezugnahme auf 6 sind eine Licht emittierende Vorrichtung 620 und eine Überwachungseinrichtung 610, die ein Layout mit einer Ringformgeometrie mit Ausschnitten hat (z. B. ein Fotodetektor mit einer Ringsformgeometrie mit Ausschnitten) dargestellt. 6 liefert auch eine Überlagerung der optischen Punkte, die von dem Gitter auf die Vorrichtung reflektiert werden. Die Größe dieses selbstüberwa chenden Laserentwurfs hat einen Abstand von etwa 500 µm zwischen den Vorrichtungen. Eine kompaktere Beabstandung mit einem Abstand von etwa 250 µm kann realisiert werden durch Verwenden eines eindimensionalen Gitters, das reflektierte Punkte entlang einer Achse erzeugt (z. B. senkrecht zu einem Laserarray) und für ein Array von Lasern geeignet wäre.
Bei diesem Ausführungsbeispiel hat der Chip 604 eine Größe von etwa einem 500 µm im Quadrat, in die die Überwachungseinrichtung 610 implementiert werden kann. Es gibt neun Lichtpunkte (630, 634, 638, 640, 644, 650, 654, 658, 660). Der Mittelpunkt 644 (etwa 3% der Gesamtleistung) zeigt die Größe und Position der unerwünschten Reflexion an, die zu der Stelle der Laserapertur zurückkehrt. Obwohl sich die Mittelpunktgröße erhöht hat, überlappt nur ein kleiner Bruchteil des reflektierten Punkts mit der Laserapertur.
Es gibt vier Punkte (630, 634, 638, 640) die durch die Überwachungseinrichtung 610 gemessen werden und das Überwachungssignal (etwa 18% der Gesamtleistung) liefern. Es gibt auch vier ausgedehnte elliptische Punkte (650, 654, 658, 660) (etwa 3% der Gesamtleistung) auf den Diagonalen, die in höheren Winkeln existieren, aber durch die Überwachungseinrichtung 610 nicht gesammelt werden. Um zu verhindern, dass diese elliptischen Punkte (650, 654, 658, 660) in der überwachten Leistung gemessen werden, werden Bereiche oder Regionen (z. B. Ausschnitte) der Ringgeometrie entfernt.
Leistungsdiagramm und Beleuchtungsmuster für ein zweites Ausführungsbeispiel
16 stellt ein Leistungsdiagramm für eine integrierte Laser/Überwachungseinrichtung mit einer zweiten Überwachungseinrichtungsgeometrie gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Der zweite selbstüberwachende Laserentwurf unterscheidet sich auf die folgende Weise von dem ers ten Entwurf. Zunächst haben sich die Gitterkonstanten geändert oder eingestellt, um kleiner zu sein. Bei diesem Entwurf ist die Gitterkonstante etwa 0,35 µm. Zweitens wurde die Antireflexionsbeschichtung in dem ersten Entwurf entfernt. Außerdem ist die Gitterätztiefe erhöht.
16 stellt als eine Funktion der Polarisation und des Einfallwinkels folgendes dar: 1) eine erste Diagrammlinie 1610, die den Bruchteil der Laserleistung mit einer ersten Polarisation darstellt, die (für eine Anwendung) transmittiert wird; eine zweite Diagrammlinie 1612, die den Bruchteil der Laserleistung mit einer zweiten Polarisation darstellt, die (für eine Anwendung) transmittert wird; 2) eine dritte Diagrammlinie 1620, die den Bruchteil der Laserleistung mit einer ersten Polarisation darstellt, die zu der Überwachungseinrichtung (z. B. Fotodetektor) reflektiert wird; eine vierte Diagrammlinie 1622, die den Bruchteil der Laserleistung mit einer zweiten Polarisation darstellt, die zu der Überwachungseinrichtung (z. B. Fotodetektor) reflektiert wird; und 3) eine fünfte Diagrammlinie 1630, die den Bruchteil der Laserleistung mit einer ersten Polarisation darstellt, die zurück zu dem Laser reflektiert wird; eine sechste Diagrammlinie 1632, die den Bruchteil der Laserleistung mit einer zweiten Polarisation darstellt, die zurück zu dem Laser reflektiert wird. Die erste Polarisation kann eine TE-Polarisation sein und die zweite Polarisation kann eine TM-Polarisation sein. Es wird angemerkt, dass die Diagrammlinien 1610, 1620 und 1630 die Diagrammlinien 1612, 1622 beziehungsweise 1632 allgemein überlappen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde der Bruchteil der transmittierten Leistung auf etwa 82% erhöht und der Bruchteil der überwachten Leistung ist etwa 16%. Etwa 2% der Gesamtleistung ist unerwünschte Rückkopplungsreflexion. Dieser bestimmte Überwachungseinrichtungsentwurf zeigt auch gute Unempfindlichkeit gegenüber Strahlpolarisation und Einfallswinkel. Die Summe der Leistung bei diesem Beispiel addiert sich auf 100% (d. h. alle Leistung wird berücksichtigt).
Die kleinere Gitterkonstante erzeugt nur 5 reflektierte Punkte (siehe 5) und es gibt keine zusätzlichen Punkte zum Verbrauchen von Leistung von dem System. Es wird angemerkt, dass sich bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung die vier Überwachungspunkte, die erzeugt werden, bei höheren Winkeln ausbreiten und daher zu einem Fotodetektorring mit einer größeren Geometrie und einer insgesamt größeren Chipgröße führen. Bei diesem Beispiel ist die Chipgröße etwa 1000 µm an jeder Kante.
Es wird angemerkt, dass das Licht, das von dem Gitter reflektiert wird, in fünf Hauptpunkte (530, 540, 550, 560 und 570) gebeugt wird, die zurück auf die Rückoberfläche des VCSEL-Chips projiziert werden. Vier Punkte (530, 540, 550 und 560) werden radial von der Laserapertur nach außen projiziert und sind in Abständen von etwa 90 Grad um den Kreis angeordnet. Diese vier Punkte (530, 540, 550 und 560) beleuchten jeweils einen Teil der ringförmigen Überwachungseinrichtung 510 (z. B. Fotodetektor mit einem Layout mit einer ringförmigen Geometrie). Wenn das empfangene Licht an diesen vier Punkten summiert wird, stellt die Summe die Gesamtleistung dar, die auf die Überwachungseinrichtung 510 einfällt. Der fünfte Punkt 570 reflektiert gerade nach unten von der Gitteroberfläche und sendet einen Teil der Leistung zurück zu dem Laser. Da diese Leistung eine destabilisierende Rückkopplung bewirken kann sollte der fünfte Punkt 570 minimiert werden, um die Rückkopplungsprobleme zu vermeiden.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Gitterkonstante etwa 0,35 µm entlang der x-Richtung und der y-Richtung; der Füllfaktor entlang der x-Richtung und der y-Richtung ist etwa 0,5; die Wellenlänge λ ist etwa 0,98 µm; die Gittertiefe ist etwa 132 nm und es gibt keine AR-Beschichtung. Es wird angemerkt, dass jede Diagrammlinie für diese Anwendung im Allgemeinen unempfindlich ist gegenüber praktischen Schwankungen bei der Wellenlänge. Wenn die Wellenlänge beispielsweise um plus oder minus 20 nm variiert, zeigt die Diagrammlinie nur unwesentlichen Schwankungen.
Die Verwendung des Selbstüberwachungslasers gemäß der Erfindung ist für den Plattformentwurf eines Produkts im Allgemeinen transparent. Elektrische Kontakte (z. B. ein Satz von Elektroden) kann benötigt werden, um die Überwachungseinrichtung (z. B. Fotodetektor) zu betreiben, zusätzlich zu den normalen elektrischen Kontakten, um Leistung an den Chip zu liefern um Laserantriebssignale zu liefern. Diese zusätzlichen Kontakte können verwendet werden, um Überwachungssignale zu kommunizieren (z. B. Gesamtleistung gemessen durch die Überwachungseinrichtung).
17 stellt eine selbstüberwachende Lichtquelle 1700 dar, bei der eine Überwachungseinrichtung 1760 in einem Überwachungseinrichtungschip 1710 gebildet ist, eine Lichtquelle 1750 in einem Lichtquellenchip 1720 gebildet ist und der Überwachungseinrichtungschip 1710 und der Lichtquellenchip 1720 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in eine einzige Unteranordnung kombiniert sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Lichtquelle 1750 (z. B. VCSEL) in dem VCSEL-Chip 1720 gebildet oder hergestellt. Die Überwachungseinrichtung 1760 ist in einem Überwachungseinrichtungschip 1710 gebildet oder hergestellt, der getrennt von den VCSEL-Chip 1720 ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Überwachungseinrichtungschip 1710 als ein getrenntes Element unter dem Laserchip 1720 gebildet. Der Überwachungseinrichtungschip 1710 und der VCSEL-Chip 1720 können durch Verwenden des folgenden Prozesses in eine einzige Unteranordnung kombiniert werden. Zuerst wird zumindest ein elektrischer Kontakt (z. B. ein Höcker, der aus einem leitfähigen Material gebildet ist, eine Elektrode oder eine leitfähige Anschlussfläche) in dem Überwachungseinrichtungschip gebildet. Zweitens wird der VCSEL-Chip auf den elektrischen Kontakt positioniert. Der VCSEL-Chip um fasst zumindest einen elektrischen Kontakt zum elektrischen Koppeln mit dem elektrischen Kontakt des Überwachungseinrichtungschips. Als Nächstes kann der Zwischenraum zwischen dem VCSEL-Chip und dem Überwachungseinrichtungschip mit einem haftfähigen Material unterfüllt werden, wie zum Beispiel Epoxid mit hohem Brechungsindex. Es wird angemerkt, dass ein oder mehrere elektrische Leiterbahnen in dem Überwachungseinrichtungschip oder dem Lichtquellenchip vorgesehen sein können, um elektrische Signale zu leiten. Ein optisches Element (z. B. Gitter) 1770 kann auf dem Lichtquellenchip (z. B. VCSEL-Chip) 1720 gebildet sein. Eine Antireflexions-(AR-)Beschichtung kann optional über dem optischen Element 1770 aufgebracht sein.
18 stellt eine selbstüberwachende Lichtquelle 1800 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dar, wo die Lichtüberwachungseinrichtung 1860 als eine Oberflächenbehandlung (z. B. ein Überwachungseinrichtungsfilm 1820) implementiert ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Lichtquelle 1850 (z. B. VCSEL) in dem Lichtquellenchip 1820 gebildet oder hergestellt und die Überwachungseinrichtung 1860 ist in dem Überwachungseinrichtungsfilm 1820 gebildet oder hergestellt. Ein optisches Element (z. B. Gitter) 1870 kann in dem Lichtquellenchip 1820 gebildet sein (z. B. auf einer Oberfläche in dem VCSEL-Chip). Eine Antireflexions-(AR-)Beschichtung 1880 kann optional über dem optischen Element (z. B. Gitter) 1870 aufgebracht sein.
19 stellt eine selbstüberwachende Lichtquelle 1900 dar, bei der ein optisches Element 1928 mit einem Überwachungseinrichtungschip 1920 integriert ist und der Überwachungseinrichtungschip 1920 mit einem Lichtquellenchip 1910 kombiniert ist, um eine einzelne Unteranordnung 1950 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zu bilden. Die selbstüberwachende Lichtquelle 1900 umfasst einen Lichtquellenchip 1910, in dem eine Vertikalemissionslichtquelle gebildet oder hergestellt sein kann. Die selbstüberwachende Lichtquelle 1900 umfasst auch einen Überwachungseinrich tungschip 1920, in dem eine Lichtüberwachungseinrichtung 1924 (z. B. ein Fotodetektor) gebildet ist. Der Lichtquellenchip 1910 kann beispielsweise einen an der unteren Oberfläche emittierenden VCSEL, einen an der oberen Oberfläche emittierenden VCSEL oder eine vertikal emittierende Licht emittierende Diode (LED) umfassen. Der Überwachungseinrichtungschip 1920 kann eine Überwachungseinrichtung 1924 mit einer Ringformgeometrie oder anderen Geometrien oder Layouts umfassen, die vorher beschrieben wurden.
Es wird angemerkt, dass bei diesem Ausführungsbeispiel ein optisches Element 1928 (z. B. ein Gitter) mit dem Überwachungseinrichtungschip integriert ist (z. B. auf einer Oberfläche des Überwachungseinrichtungschips 1920 gebildet ist). Der Überwachungseinrichtungschip 1920 ist kombiniert (z. B. zusammengesetzt oder gehäust) mit dem Lichtquellenchip 1910, um eine einzige Unteranordnung 1950 zu bilden. Der Überwachungseinrichtungschip 1920 und der Lichtquellenchip 1910 können durch die Verwendung von einem oder mehreren elektrischen Kontakten 1930 elektrisch gekoppelt sein, die in dem Lichtquellenchip 1910 gebildet sind, und einem oder mehreren elektrischen Kontakten 1940, die in dem Überwachungseinrichtungschip 1920 gebildet sind. Elektrische Leiterbahnen können auch entweder in dem Überwachungseinrichtungschip 1920, dem Lichtquellenchip 1910 oder beiden vorgesehen sein, um elektrische Signale in jedem Chip, zwischen den Chips und in oder aus der Unteranordnung 1950 zu leiten.
Es wird angemerkt, dass gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung die selbstüberwachende Licht emittierende Vorrichtung eine Lichtquelle, eine Überwachungseinrichtung und ein optisches Element umfasst; und jede Kombination von zwei der drei Komponenten in einem ersten Chip integriert ist, eine dritte Komponente in einem zweiten Chip gebildet ist und der erste Chip und der zweite Chip in einer einzigen Unteranordnung kombiniert (z. B. zusammengesetzt oder gehäust) sind. Auf diese Weise können die drei Komponenten (z. B. Lichtquelle, Überwachungseinrichtung und optisches Element) der selbstüberwachenden Licht emittierenden Vorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung mit unterschiedlichen Kombinationen und mit unterschiedlichen Integrationspegeln integriert oder zusammengebaut werden. Bei einem Beispiel können eine Vertikalemissionslichtquelle (z. B. ein VCSEL), eine Lichtüberwachungseinrichtung (z. B. Lichtdetektor) und Optik (z. B. Brechungsgitter) in einer einzigen Unteranordnung kombiniert oder zusammengebaut werden, durch Integrieren von zwei oder oben angemerkten Komponenten und Bilden der beiden Komponenten in einem ersten Chip, Bilden einer dritten Komponente in einem zweiten Chip und Zusammenbauen oder Häusen des ersten Chips und des zweiten Chips in eine einzige Unteranordnung.
Ausführungsbeispiele der selbstüberwachenden Licht emittierenden Vorrichtung, die die Ausgangsleistung einer Lichtquelle (z. B. eines Halbleiterlasers) überwachen, wurden beschrieben. Durch Integrieren einer Lichtüberwachungseinrichtung mit der Lichtquelle entweder in einem einzelnen Halbleiterchip oder einer einzelnen Unteranordnung kann die Ausgangsleistung der Lichtquelle (z. B. eines VCSEL) überwacht werden. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Optik, die erforderlich ist, um Licht zurück zu der Überwachungseinrichtung zu reflektieren, ebenfalls entweder in den einzelnen Halbleiterchip (z. B. VCSEL-Chip) oder die einzelne Unteranordnung integriert. Die Optik kann auch in einen Lichtquellenchip oder in einen Überwachungseinrichtungschip integriert sein. Die Integration der Optik in entweder den Überwachungseinrichtungschip, den Lichtquellenchip oder einen einzelnen Halbleiterchip gemäß den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen der Erfindung vereinfacht den Plattformentwurf, erfordert weniger Stückteile als die herkömmlichen Lösungsansätze, erfordert weniger Ausrichtung, vermeidet Zusammenbau- und Häusungsprobleme der herkömmlichen Lösungsansätze und liefert eine kompaktere Lösung als herkömmliche Lösungsansätze.

Claims

Selbstüberwachende Lichtquelle (110), die folgende Merkmale umfasst: eine Lichtquelle (120), die Licht (122) erzeugt; eine Lichtüberwachungseinrichtung (130), die einen Teil (132) des erzeugten Lichts empfängt und auf der Basis desselben ein Rückkopplungssignal (134) erzeugt, wobei die Lichtquelle (120) und die Lichtüberwachungseinrichtung (130) auf dem gleichen Halbleiterchip (310) hergestellt sind; und ein optisches Element (370), das in dem Halbleiterchip gebildet ist und einen Teil des erzeugten Lichts auf die Lichtüberwachungseinrichtung (130) richtet, – wobei die Lichtquelle (120) ein VCSEL (350) ist, der eine Apertur umfasst; – wobei die Lichtüberwachungseinrichtung (130) ein Ringformlayout (510) umfasst, das die Apertur entweder vollständig oder teilweise umgibt; – wobei das optische Element (370) ein zweidimensionales Gitter ist, das Licht auf vier Licht empfangende Stellen auf der Lichtüberwachungseinrichtung (130) richtet und – wobei das Ringformlayout (510) vier Ausschnitte aufweist, innerhalb derer von der Lichtüberwachungseinrichtung (130) kein Licht empfangen wird.
Selbstüberwachende Lichtquelle gemäß Anspruch 1, bei der die Lichtüberwachungseinrichtung (130) ein Layout, das um zumindest eine erste Achse symmetrisch ist, ein Layout, das um eine erste Achse und eine zweite Achse symmetrisch ist, oder ein Layout, das radial symmetrisch ist, umfasst.
Selbstüberwachende Lichtquelle (110) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der das optische Element ein Gitter mit einer Schachbrettstruktur umfasst.
Selbstüberwachende Lichtquelle (110) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Lichtquelle (120) ein an einer unteren Oberfläche emittierender VCSEL oder ein an einer oberen Oberfläche emittierender VCSEL ist.
Selbstüberwachende Lichtquelle (110) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, die ferner folgende Merkmale umfasst: eine transparente Schicht (420), die in dem Halbleiterchip gebildet ist; wobei das optische Element (470) in der transparenten Schicht 420 gebildet ist und einen Teil des erzeugten Lichts auf die Lichtüberwachungseinrichtung (460) richtet.
Selbstüberwachende Licht emittierende Vorrichtung, die folgende Merkmale umfasst: eine Vertikalemissionslichtquelle, die Licht erzeugt, wobei die Vertikalemissionslichtquelle in einem Lichtquellenchip gebildet ist; eine Überwachungseinrichtung, die einen Teil des erzeugten Lichts empfängt, wobei die Überwachungseinrichtung in einem Überwachungseinrichtungschip gebildet ist und wobei der Lichtquellenchip und der Überwachungseinrichtungschip in eine einzige Unteranordnung kombiniert sind; und ein optisches Element, das in dem Überwachungseinrichtungschip oder dem Lichtquellenchip gebildet ist und einen Teil des erzeugten Lichts auf die Überwachungseinrichtung richtet, – wobei die Vertikalemissionslichtquelle ein VCSEL ist, der eine Apertur umfasst; – wobei die Überwachungseinrichtung ein Ringformlayout umfasst, das die Apertur entweder vollständig oder teilweise umgibt; – wobei das optische Element ein zweidimensionales Gitter ist, das Licht auf vier Licht empfangende Stellen auf der Lichtüberwachungseinrichtung richtet und – wobei das Ringformlayout vier Ausschnitte aufweist, innerhalb derer von der Lichtüberwachungseinrichtung kein Licht empfangen wird.
Selbstüberwachende Licht emittierende Vorrichtung gemäß Anspruch 6, bei der der Überwachungseinrichtungschip eine Oberfläche umfasst; und wobei das optische Element in der Oberfläche des Überwachungseinrichtungschips gebildet ist.
Selbstüberwachende Licht emittierende Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 7, bei der der VCSEL entweder ein an einer unteren Oberfläche emittierender VCSEL oder ein an der oberen Oberfläche emittierender VCSEL ist.
Selbstüberwachende Licht emittierende Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, bei der der Lichtquellenchip eine Oberfläche umfasst; und bei der das optische Element in der Oberfläche des Lichtquellenchips gebildet ist.
Selbstüberwachende Licht emittierende Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, bei der die Überwachungseinrichtung vier getrennte Licht empfangende Stellen umfasst; und wobei die Überwachungseinrichtung ein Layout, das um zumindest eine erste Achse symmetrisch ist, ein Layout, das um eine erste Achse und eine zweite Achse symmetrisch ist, oder ein Layout, das radial symmetrisch ist, umfasst.
Licht emittierende Vorrichtung, die folgende Merkmale umfasst: eine Lichtquelle, die in einem Lichtquellenchip gebildet ist und die Licht erzeugt, wobei der Lichtquellenchip eine Oberfläche umfasst; ein optisches Element, das in der Oberfläche des Lichtquellenchips gebildet ist und das selektiv einen Teil des erzeugten Lichts transmittiert und einen Teil des erzeugten Lichts reflektiert, und eine Lichtüberwachungseinrichtung, die entweder in einem Lichtüberwachungseinrichtungschip oder einem Dünnfilm gebildet ist und die zumindest einen Teil des reflektierten Lichts empfängt, wobei der Lichtüberwachungseinrichtungschip mit dem Lichtquellenchip in einer einzigen Unteranordnung kombiniert ist, – wobei die Lichtquelle ein VCSEL ist, der eine Apertur umfasst; – wobei die Lichtüberwachungseinrichtung ein Ringformlayout umfasst, das die Apertur entweder vollständig oder teilweise umgibt; – wobei das optische Element ein zweidimensionales Gitter ist, das Licht auf vier Licht empfangende Stellen auf der Lichtüberwachungseinrichtung richtet und – wobei das Ringformlayout vier Ausschnitte aufweist, innerhalb derer von der Lichtüberwachungseinrichtung kein Licht empfangen wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 11, bei der die Lichtquelle ein an einer unteren Oberfläche emittierender VCSEL oder ein an einer oberen Oberfläche emittierender VCSEL ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 12, bei der das optische Element ein Gitter mit einer Schachbrettstruktur umfasst.
Licht emittierende Vorrichtung, die folgende Merkmale umfasst: eine Lichtüberwachungseinrichtung, die in einem Lichtüberwachungseinrichtungschip gebildet ist, der eine Oberfläche umfasst; ein optisches Element, das in der Oberfläche des Lichtüberwachungseinrichtungschips gebildet ist und das selektiv einen Teil des Lichts transmittiert, das darauf einfällt, und einen Teil des einfallenden Lichts reflektiert; und eine Lichtquelle, die in einem Lichtquellenchip gebildet ist und die das einfallende Licht erzeugt, wobei der Lichtüberwachungseinrichtungschip mit dem Lichtquellenchip in einer einzigen Unteranordnung kombiniert ist; – wobei die Lichtquelle ein VCSEL ist, der eine Apertur umfasst; – wobei die Lichtüberwachungseinrichtung ein Ringformlayout umfasst, das die Apertur entweder vollständig oder teilweise umgibt; – wobei das optische Element ein zweidimensionales Gitter ist, das Licht auf vier Licht empfangende Stellen auf der Lichtüberwachungseinrichtung richtet und – wobei das Ringformlayout vier Ausschnitte aufweist, innerhalb derer von der Lichtüberwachungseinrichtung kein Licht empfangen wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 14, bei der die Lichtquelle ein an einer unteren Oberfläche emittierender VCSEL oder ein an einer oberen Oberfläche emittierender VCSEL ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 14 bis 15, bei der das optische Element ein Gitter mit einer Schachbrettstruktur umfasst.