DE102020123558A1

DE102020123558A1 - Optoelektronisches halbleiterbauelement, optoelektronische halbleitervorrichtung und lidar-system

Info

Publication number: DE102020123558A1
Application number: DE102020123558.5A
Authority: DE
Inventors: Hubert Halbritter
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2020-09-09
Filing date: 2020-09-09
Publication date: 2022-03-10
Also published as: WO2022053349A3; WO2022053349A2

Abstract

Ein optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) umfasst einen Halbleiterschichtstapel (109), in dem eine oberflächenemittierende Laserdiode (103) angeordnet ist, und eine Modulationseinrichtung (140), die eine Stromquelle (149) aufweist. Die Modulationseinrichtung (140) ist geeignet, eine in die oberflächenemittierende Laserdiode (103) eingeprägte Stromstärke zu verändern, wodurch eine Emissionswellenlänge veränderbar ist.

Description

LIDAR-(„Light Detection and Ranging“-)Systeme, insbesondere FMCW-LIDAR-Systeme („frequency modulated continous wave“modulierte Dauerstrich-LIDAR-Systeme) werden in zunehmendem Maße in Fahrzeugen, beispielsweise zum autonomen Fahren, eingesetzt. Beispielsweise werden sie eingesetzt, um Abstände zu messen oder Gegenstände zu erkennen. Um Objekte in größerer Entfernung zuverlässig erkennen zu können, sind LaserLichtquellen mit entsprechend hoher Leistung erforderlich.
Generell wird versucht, bestehende LIDAR-Systeme zu verbessern.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes optoelektronisches Halbleiterbauelement, eine verbessertes optoelektronische Halbleitervorrichtung sowie ein verbessertes LIDAR-System zur Verfügung zu stellen.
Gemäß Ausführungsformen wird die Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
Ein optoelektronisches Halbleiterbauelement umfasst einen Halbleiterschichtstapel, in dem eine oberflächenemittierende Laserdiode angeordnet ist, und eine Modulationseinrichtung, die eine Stromquelle aufweist. Die Modulationseinrichtung ist geeignet, eine in die oberflächenemittierende Laserdiode eingeprägte Stromstärke zu verändern, wodurch eine Emissionswellenlänge veränderbar ist.
Beispielsweise kann die oberflächenemittierende Laserdiode eine Vielzahl von vertikal übereinander gestapelten Laserelementen aufweisen.
Das optoelektronische Halbleiterbauelement kann ferner einen Wellenleiter, der geeignet ist, von der oberflächenemittierenden Laserdiode emittierte elektromagnetische Strahlung aufzunehmen, umfassen. Der Wellenleiter kann ein single-mode-Wellenleiter sein.
Beispielsweise kann der Wellenleiter in einen Träger integriert sein. Gemäß Ausführungsformen kann der Wellenleiter Teil einer integrierten optischen Schaltung sein.
Das optoelektronisches Halbleiterbauelement kann ferner einen optischen Isolator zwischen oberflächenemittierender Laserdiode und Wellenleiter enthalten.
Eine optoelektronische Halbleitervorrichtung weist eine Vielzahl von optoelektronischen Halbleiterbauelementen wie vorstehend beschrieben, auf. Komponenten der optoelektronischen Halbleiterbauelemente sind auf einem gemeinsamen Träger angeordnet. Die optoelektronischen Halbleiterbauelemente sind beispielsweise in einer Richtung senkrecht zu einer Emissionsrichtung der optoelektronischen Halbleiterbauelemente übereinander gestapelt.
Ein LIDAR-System weist das optoelektronische Halbleiterbauelement wie vorstehend beschrieben, eine Strahlteilereinrichtung und einen Detektor auf.
Gemäß weiteren Ausführungsformen weist ein LIDAR-System die optoelektronische Halbleitervorrichtung wie vorstehend beschrieben, eine Strahlteilereinrichtung und einen Detektor auf.
Beispielsweise kann der Fotodetektor ein Ge-Detektor sein. Eine Emissionswellenlänge des optoelektronischen Halbleiterbauelements kann größer als 1100 nm sein.
Gemäß Ausführungsformen kann das LIDAR-System mindestens teilweise als integrierte optische Schaltung realisiert sein. Die Strahlteilereinrichtung kann beispielsweise ein Strahlteiler oder aber eine faseroptische Komponente, die eine Aufteilung des Strahls bewirkt, beispielsweise ein Verzweiger, sein.
Die begleitenden Zeichnungen dienen dem Verständnis von Ausführungsbeispielen der Erfindung. Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsbeispiele und dienen zusammen mit der Beschreibung deren Erläuterung. Weitere Ausführungsbeispiele und zahlreiche der beabsichtigten Vorteile ergeben sich unmittelbar aus der nachfolgenden Detailbeschreibung. Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente und Strukturen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander dargestellt. Gleiche Bezugszeichen verweisen auf gleiche oder einander entsprechende Elemente und Strukturen.

1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß Ausführungsformen.
2 zeigt eine Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß weiteren Ausführungsformen.
3A zeigt eine schematische Ansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß weiteren Ausführungsformen.
3B zeigt eine schematische Ansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß weiteren Ausführungsformen.
4 zeigt ein LIDAR-System gemäß Ausführungsformen.
5A zeigt eine schematische Ansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß Ausführungsformen.
5B zeigt einen schematischen Aufbau eines LIDAR-Systems gemäß weiteren Ausführungsformen.

In der folgenden Detailbeschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen zu Veranschaulichungszwecken spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind. In diesem Zusammenhang wird eine Richtungsterminologie wie „Oberseite“, „Boden“, „Vorderseite“, „Rückseite“, „über“, „auf“, „vor“, „hinter“, „vorne“, „hinten“ usw. auf die Ausrichtung der gerade beschriebenen Figuren bezogen. Da die Komponenten der Ausführungsbeispiele in unterschiedlichen Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie nur der Erläuterung und ist in keiner Weise einschränkend.
Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist nicht einschränkend, da auch andere Ausführungsbeispiele existieren und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne dass dabei vom durch die Patentansprüche definierten Bereich abgewichen wird. Insbesondere können Elemente von im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen mit Elementen von anderen der beschriebenen Ausführungsbeispiele kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt.
Die Begriffe „Wafer“ oder „Halbleitersubstrat“, die in der folgenden Beschreibung verwendet sind, können jegliche auf Halbleiter beruhende Struktur umfassen, die eine Halbleiteroberfläche hat. Wafer und Struktur sind so zu verstehen, dass sie dotierte und undotierte Halbleiter, epitaktische Halbleiterschichten, gegebenenfalls getragen durch eine Basisunterlage, und weitere Halbleiterstrukturen einschließen. Beispielsweise kann eine Schicht aus einem ersten Halbleitermaterial auf einem Wachstumssubstrat aus einem zweiten Halbleitermaterial, beispielsweise einem GaAs-Substrat, einem GaN-Substrat oder einem Si-Substrat oder aus einem isolierenden Material, beispielsweise auf einem Saphirsubstrat, gewachsen sein.
Je nach Verwendungszweck kann der Halbleiter auf einem direkten oder einem indirekten Halbleitermaterial basieren. Beispiele für zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung besonders geeignete Halbleitermaterialien umfassen insbesondere Nitrid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise ultraviolettes, blaues oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaN, InGaN, AlN, AlGaN, AlGalnN, Al-GaInBN, Phosphid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise grünes oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaAsP, AlGaInP, GaP, AlGaP, sowie weitere Halbleitermaterialien wie GaAs, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, SiC, ZnSe, ZnO, Ga₂O₃, Diamant, hexagonales BN und Kombinationen der genannten Materialien. Das stöchiometrische Verhältnis der Verbindungshalbleitermaterialien kann variieren. Weitere Beispiele für Halbleitermaterialien können Silizium, Silizium-Germanium und Germanium umfassen. Im Kontext der vorliegenden Beschreibung schließt der Begriff „Halbleiter“ auch organische Halbleitermaterialien ein.
Der Begriff „Substrat“ umfasst generell isolierende, leitende oder Halbleitersubstrate.
Der Begriff „vertikal“, wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, soll eine Orientierung beschreiben, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Die vertikale Richtung kann beispielsweise einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten entsprechen.
Die Begriffe „lateral“ und „horizontal“, wie in dieser Beschreibung verwendet, sollen eine Orientierung oder Ausrichtung beschreiben, die im Wesentlichen parallel zu einer ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Dies kann beispielsweise die Oberfläche eines Wafers oder eines Chips (Die) sein.
Die horizontale Richtung kann beispielsweise in einer Ebene senkrecht zu einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten liegen.
Im Kontext dieser Beschreibung bedeutet der Begriff „elektrisch verbunden“ eine niederohmige elektrische Verbindung zwischen den verbundenen Elementen. Die elektrisch verbundenen Elemente müssen nicht notwendigerweise direkt miteinander verbunden sein. Weitere Elemente können zwischen elektrisch verbundenen Elementen angeordnet sein.
Der Begriff „elektrisch verbunden“ umfasst auch Tunnelkontakte zwischen den verbundenen Elementen.
1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß Ausführungsformen. Das optoelektronische Halbleiterbauelement 10 umfasst einen Halbleiterschichtstapel 109, in dem eine oberflächenemittierende Laserdiode 103 angeordnet ist.
Die oberflächenemittierende Laserdiode 103 stellt beispielsweise einen VCSEL („Vertical Cavity Surface Emitting Laser“) dar. Dieser umfasst einen ersten Resonatorspiegel 110, einen zweiten Resonatorspiegel 120 und eine aktive Zone 125 zur Strahlerzeugung. Die oberflächenemittierende Laserdiode 103 weist einen optischen Resonator auf, der zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel 110, 120 ausgebildet ist. Der optische Resonator erstreckt sich in einer vertikalen Richtung.
Der erste und der zweite Resonatorspiegel 110, 120 können jeweils als DBR-Schichtstapel („distributed bragg reflector“) ausgebildet sein und eine Vielzahl alternierende dünne Schichten unterschiedlicher Brechungsindizes aufweisen. Die dünnen Schichten können jeweils aus einem Halbleitermaterial oder auch aus einem dielektrischen Material aufgebaut sein. Beispielsweise können die Schichten abwechselnd einen hohen Brechungsindex (n > 3,1 bei Verwendung von Halbleitermaterialien, n > 1,7 bei Verwendung von dielektrischen Materialien) und einen niedrigen Brechungsindex (n < 3,1 bei Verwendung von Halbleitermaterialien, n < 1,7 bei Verwendung von dielektrischen Materialien) haben. Beispielweise kann die Schichtdicke λ/4 oder ein Mehrfaches von λ/4 betragen, wobei λ die Wellenlänge des zu reflektierenden Lichts in dem entsprechenden Medium angibt. Der erste oder der zweite Resonatorspiegel kann beispielweise 2 bis 50 Einzelschichten aufweisen. Eine typische Schichtdicke der einzelnen Schichten kann etwa 30 bis 150 nm, beispielweise 50 nm betragen. Der Schichtstapel kann weiterhin eine oder zwei oder mehrere Schichten enthalten, die dicker als etwa 180 nm, beispielsweise dicker als 200 nm sind.
Der erste Resonatorspiegel 110 kann Halbleiterschichten vom ersten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise p-Typ enthalten. Der zweite Resonatorspiegel 120 kann Halbleiterschichten vom zweiten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise n-Typ enthalten. Gemäß weiteren Ausführungsformen können der erste und/oder der zweite Resonatorspiegel 110, 120 aus dielektrischen Schichten aufgebaut sein. In diesem Fall können zwischen dem ersten Resonatorspiegel 110 und der aktiven Zone 125 Halbleiterschichten vom ersten Leitfähigkeitstyp angeordnet sein. Weiterhin können Halbleiterschichten vom zweiten Leitfähigkeitstyp zwischen dem zweiten Resonatorspiegel 120 und der aktiven Zone 125 angeordnet sein.
Die aktive Zone 125 kann beispielsweise einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfach-Quantentopf-Struktur (SQW, single quantum well) oder eine Mehrfach-Quantentopf-Struktur (MQW, multi quantum well) zur Strahlungserzeugung aufweisen. Die Bezeichnung „Quantentopf-Struktur“ entfaltet hierbei keine Bedeutung hinsichtlich der Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte sowie jede Kombination dieser Schichten. Beispielsweise können die Materialien der aktiven Zone 125 GaAs enthalten. Gemäß weiteren Ausführungsformen können Materialien der aktiven Zone GaN oder InP enthalten.
Die oberflächenemittierende Laserdiode 103 kann weiterhin eine Aperturblende 115, die in dem Halbleiterschichtstapel 109 angeordnet ist, aufweisen. Die Aperturblende 115 kann beispielsweise angrenzend an die aktive Zone 125 angeordnet sein. Die Aperturblende 115 ist beispielsweise isolierend und begrenzt den Stromfluss und damit die Injektion von Ladungsträgern auf dem Bereich zwischen den Umrandungsteilen der Aperturblende 115. Beispielsweise kann die Aperturblende rund oder elliptisch sein. Durch eine runde Aperturblende findet eine symmetrische und richtungsunabhängige Strahlformung statt. Bei Verwendung einer elliptischen Aperturblende kann ein emittierter Lichtstrahl eine Vorzugsrichtung aufweisen, die beispielsweise der Längsrichtung der Ellipse entspricht.
Der erste Resonatorspiegel 110 ist beispielsweise über einem Substrat 100 ausgebildet. Der erste Resonatorspiegel 110 kann beispielsweise über ein erstes Kontaktelement 130 und gegebenenfalls über das Substrat 100 kontaktiert werden. Beispielsweise kann das erste Kontaktelement 130 auf der von dem ersten Resonatorspiegel 110 abgewandten Seite des Substrats 100 angeordnet sein. Durch Einprägen eines Stroms über das erste Kontaktelement 130 und ein zweites Kontaktelement 135, kann eine Laseremission bewirkt werden. Das zweite Kontaktelement kann in elektrischem Kontakt mit dem zweiten Resonatorspiegel 120 ausgebildet sein.
Das optoelektronische Halbleiterbauelement 10 weist darüber hinaus eine Modulationseinrichtung 140 auf. Die Modulationseinrichtung 140 weist eine Stromquelle 149 auf, die in die oberflächenemittierende Laserdiode 103 einen Strom einprägt, wie vorstehend beschrieben worden ist. Die Modulationseinrichtung 140 kann geeignet sein, den eingeprägten Strom zu modulieren, beispielsweise im Bereich von einigen µA. Aufgrund der Modulation der eingeprägten Stromstärke ergibt sich eine Modulation der Ladungsträgerdichte, was zu einer Veränderung des Brechungsindex im optischen Resonator führt. Als Folge wird die Wellenlänge verschoben. Weiterhin wird durch eine erhöhte Ladungsträgerdichte eine Temperaturerhöhung verursacht, welche ebenfalls zu einer Veränderung der Emissionswellenlänge führt. Entsprechend kann die Emissionswellenlänge im MHz- bis GHz-Bereich moduliert werden.
Beispielsweise kann der in 1 dargestellte oberflächenemittierende Laserdiode eine Linienbreite von 5 MHz haben und eine Leistung von 10 mW abstrahlen.
2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements, bei dem die oberflächenemittierende Laserdiode 103 eine Vielzahl von Laserelementen 122 umfasst.
Zwischen einem ersten Resonatorspiegel 110 und einem zweiten Resonatorspiegel 120 ist eine Vielzahl von einzelnen Laserelementen 122 angeordnet. Die einzelnen Laserelemente 122 sind über Tunnelübergänge miteinander verbunden.
Der Halbleiterschichtstapel 109 weist somit eine Vielzahl aktiver Zonen 125 auf, die beispielsweise über Tunnelübergänge 127 miteinander verbunden sind. Auf diese Weise kann der Halbleiterschichtstapel 109 mehr als drei, beispielsweise etwa sechs oder mehr als sechs Laserelemente 122 aufweisen. Die Laserelemente 122 können weiterhin geeignete Halbleiterschichten vom ersten und zweiten Leitfähigkeitstyp aufweisen, die jeweils an die aktive Zone 125 angrenzen und mit dieser verbunden sind.
Die Tunnelübergänge 127 können jeweils Abfolgen von p⁺⁺dotierten Schichten sowie n⁺⁺-dotierten Schichten aufweisen, über die jeweils die einzelnen Laserelemente 122 miteinander verbunden werden können. Die p⁺⁺- und n⁺⁺-dotierten Schichten sind in Sperrrichtung mit den zugehörigen Laserelementen 122 verbunden. Gemäß Ausführungsformen sind die Schichtdicken der einzelnen Halbleiterschichten der Laserelemente 122 derart bemessen, dass die Tunnelübergänge 127 beispielsweise an Knoten der sich ausbildenden stehenden Welle angeordnet sind. Auf diese Weise kann die Emissionswellenlänge der oberflächenemittierenden Laserdiode 103 stabilisiert werden. Durch Stapelung mehrerer Laserelemente 122 übereinander können höhere Leistungsdichten und weiterhin geringere Linienbreiten des emittierten Laserstrahls erreicht werden. Die Abfolge von sehr hoch dotierten Schichten des ersten und zweiten Leitfähigkeitstyps sowie optional von Zwischenschichten stellt eine Tunneldiode oder einen Tunnelübergang dar. Unter Verwendung dieser Tunneldioden können die jeweiligen Laserelemente 122 in Reihe geschaltet werden.
Die in 2 dargestellte oberflächenemittierende Laserdiode mit einer Übereinanderstapelung von mehreren beispielsweise mehr als fünf, beispielsweise acht Laserelemente 122 kann beispielsweise elektromagnetische Strahlung mit einer Linienbreite von 500 kHz emittieren. Die abgestrahlte Leistung kann bis zu 80 mW betragen. Durch Auswahl einer geeigneten Anzahl von Laserelementen 122 kann die ausgestrahlte Leistung skaliert werden.
Beispielsweise können die in den 1 und 2 dargestellten oberflächenemittierenden Laserdioden im GaAs-Materialsystem realisiert sein. Dabei können beispielsweise Wellenlängen größer als 900 oder als 1100 nm realisiert werden. Gemäß weiteren Ausführungsformen können die oberflächenemittierenden Laserdioden auch auf dem InP-Materialsystem basieren. Beispielsweise können in diesem Fall Wellenlängen größer als 1550 nm emittiert werden.
3A zeigt eine optoelektronische Halbleitervorrichtung 10 gemäß weiteren Ausführungsformen. In 3A ist die oberflächenemittierende Laserdiode 103, die beispielsweise in 1 oder 2 dargestellt ist, mit einem Wellenleiter 102 kombiniert. Die oberflächenemittierende Laserdiode 103 ist, wie vorstehend beschrieben, in einem Halbleiterschichtstapel 109 ausgebildet. Zusätzlich ist, wie in den 1 und 2 dargestellt, eine Modulationseinrichtung 140 (nicht dargestellt in 3A) vorgesehen. Der emittierte Lichtstrahl 16 wird in den Wellenleiter 102 eingekoppelt. Beispielsweise ist der Wellenleiter 102 als Single-Mode oder Einmoden-Wellenleiter ausgeführt. Auf diese Weise können die Wellenfronten der von der oberflächenemittierenden Laserdiode 103 emittierten elektromagnetischen Strahlung besonders wirkungsvoll ausgerichtet werden.
Beispielsweise kann ein optischer Isolator 104 zwischen dem Wellenleiter 102 und der oberflächenemittierenden Laserdiode 103 angeordnet sein. Beispielsweise kann der optische Isolator 104 verhindern, dass elektromagnetische Strahlung von dem Wellenleiter 102 in die oberflächenemittierende Laserdiode 103 reflektiert wird.
3B zeigt ein optoelektronisches Halbleiterbauelement 10, bei dem der von der oberflächenemittierenden Laserdiode 103 emittierte Strahl 16 über eine Umlenkeinrichtung 105 in den Wellenleiter 102 eingekoppelt wird. Beispielsweise kann die Umlenkeinrichtung ein Prisma oder ein Gitter sein. Beispielsweise kann der Halbleiterschichtstapel 109, in dem die oberflächenemittierende Laserdiode 103 angeordnet ist, weiterhin ein Substrat 100, beispielsweise ein Wachstumssubstrat für die Schichten des Halbleiterschichtstapels 109 umfassen.
Gemäß Ausführungsformen können die Komponenten des Halbleiterbauelements in einen gemeinsamen Träger 107 integriert sein. Beispielsweise können der Wellenleiter 102, gegebenenfalls der optische Isolator 104 und gegebenenfalls die Umlenkeinrichtung 105 auf einem gemeinsamen Träger 107 ausgebildet sein. Gemäß Ausführungsformen können weitere optische Komponenten in den Träger 107 integriert sein.
Beispielsweise kann der Wellenleiter 102 Teil einer integriert optischen Schaltung sein, durch die verschiedene Funktionalitäten bereitgestellt werden können.
Wird beispielsweise durch die oberflächenemittierende Laserdiode 103 elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge größer als 1100 nm emittiert, beispielsweise, in Fällen, in denen die oberflächenemittierende Laserdiode 103 in dem GaAs- oder InP-Materialsystem realisiert ist, so können beispielsweise Si-Wellenleiter benutzt werden. Generell können, wenn die Energie der emittierten Wellenlänge kleiner als die Bandlückenenergie von Silizium ist, Si-Wellenleiter benutzt werden. Alternativ können die Wellenleiter auch aus SiN oder SiO hergestellt sein. Beispielsweise können die Wellenleiter durch Glasfaserkabel realisiert sein.
Wird beispielsweise in einem optischen Messsystem ein Fotodetektor auf Ge-Basis verwendet, so können Wellenlängen bis zu 1800 nm nachgewiesen werden. In diesem Fall kann beispielsweise das hier beschriebene optoelektronische Halbleiterbauelement 10 als Strahlungsquelle verwendet wird, welches elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge größer als 1000 nm emittiert. In diesem Fall kann verhindert werden, dass beispielsweise durch die emittierte elektromagnetische Laserstrahlung Augen geschädigt werden.
4 zeigt eine schematische Ansicht eines LIDAR-Systems 150. Das in 4 gezeigte LIDAR-System 150 ist ein FMCW-LIDAR-System. Die von dem optoelektronischen Halbleiterbauelement 10 emittierte Laserstrahlung weist aufgrund der Modulation durch die Modulationseinrichtung 140 eine sich verändernde Wellenlänge auf. Die emittierte Strahlung wird durch einen Strahlteiler 157 in einen Referenzstrahl 18 und einen Objektstrahl 19 aufgeteilt. Der Objektstrahl 19 wird auf ein Objekt 156 eingestrahlt. Dabei entsteht der reflektierte Strahl 17. Der reflektierte Strahl 17 wird durch eine Empfangsoptik 152 und einen Kollimator 153 in geeigneter Weise geformt und über Spiegel 158 und eine weitere Optik 155 einem Detektor 160, beispielsweise einem Fotodetektor zugeführt. Der Referenzstrahl 18 wird über Spiegel 158 sowie die Optik 155 direkt dem Detektor 160 zugeführt. Bei einer Überlagerung des reflektierten Strahls 17 mit dem Referenzstrahl 18, die zueinander kohärent sind, entsteht an dem Detektor 160 ein Mischsignal, aus dem sich beispielsweise Abstand und weitere Informationen über das nachgewiesene Objekt auswerten lassen.
An dem Detektor 160 wird ein Mischsignal der Formel $i_{s i g} = i_{a} + i_{L O} + 2 \sqrt{i_{a} i_{L O}} cos [2 π (ƒ_{a} - ƒ_{L O}) t + (φ_{a} - φ_{L O})]$
nachgewiesen. Dabei entspricht f_LO der Frequenz des Objektstrahls 19 bzw. des Referenzstrahls 18 und f_a entspricht der Frequenz des reflektierten Strahls 17. Die Frequenz des reflektierten Strahls 17 ist aufgrund des Laufzeitunterschieds, der sich bei Reflexion an dem Objekt 156 ergibt, verzögert. Die Differenz zwischen f_a und f_LO ist ein Maß für die Bewegung und die Entfernung des Objekts 156. Durch den Detektor 160 wird die Differenzfrequenz des Referenzstrahls 18 und des reflektierten Strahls 16 ermittelt. Beispielsweise kann der Detektor Wellenlängen größer als 1000 nm detektieren und als Ge-Detektor ausgeführt sein.
Der Objektstrahl 19 wird durch die Scan- oder Ablenkeinheit 154 bewegt, um ein größerflächiges Objekt 156 abzutasten. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Ablenk- oder Scaneinheit 154 als Spiegel realisiert sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Ablenk- oder Scaneinheit auch als optische Phasenanordnung („Optical Phase Array“) sein, bei der der Wellenleiter in jeweils unterschiedliche Wellenleiter unterschiedlicher Weglänge aufgeteilt wird und sich somit jeweils Laserstrahlen unterschiedlicher Phase ergeben. Auf diese Weise kann die Abtastfläche des Objektstrahls 19 vergrößert werden, ohne dass ein beweglicher Abtastspiegel erforderlich ist.
Beispielsweise können Komponenten des LIDAR-Systems durch geeignete faseroptische Komponenten realisiert sein. Beispielsweise kann das LIDAR-System oder ein Teil des LIDAR-Systems als integrierte optische Schaltung realisiert sein.
Gemäß Ausführungsformen kann das optoelektronische Halbleiterbauelement als sogenannte Ein-Kanal-Vorrichtung vorgesehen sein, welches ein optoelektronisches Halbleiterbauelement wie vorstehend beschrieben mit einem zugehörigen Wellenleiter umfasst. Gemäß weiteren Ausführungsformen können diese einzelnen optoelektronischen Halbleiterbauelemente 10 zu einer optoelektronischen Halbleitervorrichtung 20 kombiniert sein.
5A zeigt eine Ansicht einer optoelektronischen Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsformen. Die optoelektronische Halbleitervorrichtung 20 weist mehrere optoelektronische Halbleiterbauelemente 10 wie vorstehend beschrieben auf. Die optoelektronischen Halbleiterbauelemente 10 können in einer z-Richtung senkrecht zur Emissionsrichtung der elektromagnetischen Strahlung übereinander gestapelt sein. Beispielsweise umfasst jedes der optoelektronischen Halbleiterbauelemente 10 zusätzlich einen Wellenleiter 102 sowie optische Komponenten 106, die beispielsweise auf einem gemeinsamen Träger 107 angeordnet sind. Unter Verwendung dieser optoelektronischen Halbleitervorrichtung 20 kann ein Objekt 156 mit einer bestimmten Größe erfasst werden. Beispielsweise kann auf die in 4 dargestellte Abtast- und Scaneinheit 154 verzichtet werden. Da die einzelnen oberflächenemittierenden Laserdioden 103 sehr günstig sind, kann eine derartige optoelektronische Halbleitervorrichtung 20 mit niedrigen Kosten realisiert werden.
Beispielsweise kann das LIDAR-System oder ein Teil des LIDAR-Systems als integrierte optische Schaltung mit der in 5A gezeigten Halbleitervorrichtung 20 realisiert werden.
Wie beschrieben worden ist, kann durch Einprägen einer veränderlichen Stromstärke die Emissionswellenlänge des optoelektronischen Halbleiterbauelements kontinuierlich verschoben werden. Gemäß Ausführungsformen kann weiterhin eine Regelungsvorrichtung 121 vorgesehen sein, die den Strom auf einen Wert regelt, so dass ein gewünschter Wellenlängenbereich emittiert wird. Dadurch kann beispielsweise bei steigenden Temperaturen die Emissionswellenlänge stabilisiert werden.
5B zeigt eine schematische Ansicht eines LIDAR-Systems gemäß weiteren Ausführungsformen. Wie dargestellt ist, weist das dargestellte LIDAR-System 150 ein optoelektronisches Halbleiterbauelement 10 mit einer Modulationseinrichtung 140 auf. Gegebenenfalls kann ein optischer Isolator 104 vorgesehen sein. Durch den optischen Isolator 104 kann eine Reflexion von elektromagnetischer Strahlung in die oberflächenemittierende Laserdiode verhindert oder unterdrückt werden.
Wie in 5B weiterhin gezeigt ist, kann ein Teil der emittierten Laserstrahlung 16 unter Verwendung eines ersten Strahlteilers 108 als Messstrahl 15 abgezweigt werden. Der Messstrahl 15 wird einer Regelungsvorrichtung 121 zugeführt, die geeignet ist, aus der Frequenz des Messstrahls ein Regelungssignal 14 zu ermitteln. Das Regelungssignal 14 wird der Modulationseinrichtung 140 zugeführt und dient dazu, die in die oberflächenemittierende Laserdiode 103 eingeprägte Stromstärke zu regeln.
Durch einen zweiten Strahlteiler 111 wird ein Teil des emittierten Strahls 16, wie zuvor in 4 gezeigt, abgeteilt und als erster Objektstrahl 191 auf ein Objekt 156 eingestrahlt. Der daraufhin von dem Objekt 156 reflektierte erste Teilstrahl 171 wird mit dem Referenzstrahl 18 oder dem ersten Referenz-Teilstrahl 181, ähnlich wie in 4 zuvor beschrieben, kohärent überlagert und gemischt. Dies kann über eine Kopplungseinrichtung 114 erfolgen. Das Mischsignal kann jeweils unterschiedlichen Fotodetektoren 116, 117 zugeführt werden. Beispielsweise kann sich auf diese Weise eine sogenannte „Balanced Receiver Structure“ ergeben. Beispielsweise können in diesem Fall die Phasenfronten zwischen den Fotodetektoren 116, 117 um 180° verschoben sein. Auf diese Weise können beispielsweise Gleichstromanteile aus der vorstehend beschriebenen Gleichung (1) eliminiert werden. Insbesondere kann der (i_a + i_LO)- Term aus Gleichung (1) eliminiert werden.
Gemäß Ausführungsformen kann zusätzlich ein Teil des Referenzstrahls 18 durch einen dritten Strahlteiler 112 abgeteilt werden. Eine Polarisationsrichtung dieses abgeteilten zweiten Referenz-Teilstrahls 182 kann gemäß Ausführungsformen durch ein polarisationsveränderndes Element 113 um 90° verschoben werden. Der zweite Referenz-Teilstrahl 182 wird mit einem zweiten reflektierten Teilstrahl 172 in der Kopplungsvorrichtung 114 kohärent überlagert und gemischt. Dieses Mischsignal wird durch den dritten und gegebenenfalls bei Verwendung der „balanced receiver“-Struktur den vierten Fotodetektor 118 und 119 nachgewiesen.
Durch Verwendung jeweils zweier Fotodetektoren kann bei Verschiebung der Phasenfronten der Gleichstromanteil aus der vorstehenden Gleichung (1) kompensiert werden. Weiterhin können bei Verwendung des zweiten Referenz-Teilstrahls 182 mit beispielsweise um 90° gedrehter Polarisationsrichtung polarisationsverändernde Effekte bei der Reflexion an dem Objekt 156 berücksichtigt werden. Gemäß Ausführungsformen kann das polarisationsverändernde Element 113 auch weggelassen werden. Entsprechend sind die dritten und vierten Fotodetektoren 118, 119 optional.
Gemäß Ausführungsformen kann die Regelungsvorrichtung 121 einen Demodulator umfassen, der aus einer sich verändernden Emissionsfrequenz ein sich veränderndes Stromsignal ermittelt. An einem ausgewählten Punkt bewirkt eine kleine Frequenzänderung eine kleine Stromänderung. Unter Verwendung dieser kleinen Stromänderung kann die in die oberflächenemittierende Laserdiode 103 eingeprägte Stromstärke moduliert werden.
In entsprechender Weise wie vorstehend beschrieben worden ist, kann auch das in 5B beschriebene System oder Teile des Systems als integrierte optische Schaltung realisiert werden. Insbesondere können Komponenten des Systems als faseroptische Elemente realisiert sein.
Obwohl hierin spezifische Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben worden sind, werden Fachleute erkennen, dass die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen durch eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Ausgestaltungen ersetzt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Die Anmeldung soll jegliche Anpassungen oder Variationen der hierin diskutierten spezifischen Ausführungsformen abdecken. Daher wird die Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt.
Bezugszeichenliste

10: Optoelektronisches Halbleiterbauelement
14: Regelungssignal
15: Messstrahl
16: emittierter Strahl
17: reflektierter Strahl
18: Referenzstrahl
19: Objektstrahl
20: Optoelektronische Halbleitervorrichtung
100: Substrat
102: Wellenleiter
103: oberflächenemittierende Laserdiode
104: optischer Isolator
105: Umlenkeinrichtung
106: optische Komponente
107: gemeinsamer Träger
108: erster Strahlteiler
109: Halbleiterschichtstapel
110: erster Resonatorspiegel
111: zweiter Strahlteiler
112: zweiter Strahlteiler
113: Polarisationsveränderndes Element
114: Kopplungsvorrichtung
115: Aperturblende
116: erster Fotodetektor
117: zweiter Fotodetektor
118: dritter Fotodetektor
119: vierter Fotodetektor
120: zweiter Resonatorspiegel
121: Regelungsvorrichtung
122: Laserelement
125: aktive Zone
127: Tunnelübergang
130: erstes Kontaktelement
135: zweites Kontaktelement
140: Modulationseinrichtung
149: Stromquelle
150: LIDAR-System
151: Strahlteiler
152: Empfangsoptik
153: Objektstrahl
154: Ablenk-/Scaneinheit
155: Optik
156: Objekt
157: Strahlteiler
158: Spiegel
160: Detektor
171: erster reflektierter Teilstrahl
172: zweiter reflektierter Teilstrahl
181: erster Referenz-Teilstrahl
182: zweiter Referenz-Teilstrahl
191: erster Objektstrahl
192: zweiter Objektstrahl

Claims

Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) mit: einem Halbleiterschichtstapel (109), in dem eine oberflächenemittierende Laserdiode (103) angeordnet ist, und eine Modulationseinrichtung (140), die eine Stromquelle (149) aufweist und geeignet ist, eine in die oberflächenemittierende Laserdiode (103) eingeprägte Stromstärke zu verändern, wodurch eine Emissionswellenlänge veränderbar ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach Anspruch 1, bei dem die oberflächenemittierende Laserdiode (103) eine Vielzahl von vertikal übereinander gestapelten Laserelementen (122) aufweist.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach Anspruch 1 oder 2, ferner mit einem Wellenleiter (102), der geeignet ist, von der oberflächenemittierenden Laserdiode (103) emittierte elektromagnetische Strahlung (16) aufzunehmen.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach Anspruch 3, bei dem der Wellenleiter (102) ein single-mode-Wellenleiter ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach Anspruch 3 oder 4, bei der der Wellenleiter (102) in einen Träger (107) integriert ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem der Wellenleiter (102) Teil einer integrierten optischen Schaltung ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, ferner mit einem optischen Isolator (104) zwischen oberflächenemittierender Laserdiode (103) und Wellenleiter (102).
Optoelektronische Halbleitervorrichtung (20) mit einer Vielzahl von optoelektronischen Halbleiterbauelementen (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, bei der Komponenten der optoelektronischen Halbleiterbauelemente (10) auf einem gemeinsamen Träger (107) angeordnet sind.
LIDAR-System (150), welches das optoelektronische Halbleiterbauelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, eine-Strahlteilereinrichtung (108, 111, 112, 151) und einen Detektor (116, 117, 118, 119, 160) aufweist.
LIDAR-System (150), welches die optoelektronische Halbleitervorrichtung (20) nach Anspruch 8, eine Strahlteilereinrichtung (108, 111, 112, 151) und einen Detektor (116, 117, 118, 119, 160) aufweist.
LIDAR-System (150) nach Anspruch 9 oder 10, bei dem der Detektor ein Ge-Detektor (116, 117, 118, 119, 160) ist.
LIDAR-System (150) nach Anspruch 11, bei dem eine Emissionswellenlänge des optoelektronischen Halbleiterbauelements (10) größer als 1100 nm ist.
LIDAR-System (150) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, welches mindestens teilweise als integrierte optische Schaltung realisiert ist.