DE102021210619A1 - Optoelektronische vorrichtung - Google Patents

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Norwin von Malm
Tim Boescke
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Abstract

Es wird eine optoelektronische Vorrichtung angegeben mit- einem Sender (1), der dazu eingerichtet ist, elektromagnetische Strahlung (2) zu emittieren und mit einer Eingangsspannung (UI) betrieben zu werden,- einem Träger (7) für den Sender (1), der eine Deckfläche (71) und eine Bodenfläche (72) aufweist,- einem ersten Empfänger (3), der dazu eingerichtet ist, zumindest einen Teil der elektromagnetischen Strahlung (2) zu empfangen und zumindest einen Teil einer Ausgangsspannung (UO) zu liefern, wobei- der Sender (1) zumindest einen Oberflächenemitter (10) umfasst,- der zumindest eine Oberflächenemitter (10) des Senders (1) an der Deckfläche (71) des Trägers (7) befestigt ist und zumindest einen Teil der elektromagnetischen Strahlung (2) durch den Träger (71) abstrahlt,- der erste Empfänger (3) zumindest eine Fotodiode (30) umfasst, und- der erste Empfänger (3) an der Bodenfläche (72) des Trägers (7) angeordnet ist.

Description

  • Es wird eine optoelektronische Vorrichtung angegeben.
  • Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine optoelektronische Vorrichtung anzugeben, die besonders kompakt ist.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung umfasst die optoelektronische Vorrichtung einen Sender, der dazu eingerichtet ist, elektromagnetische Strahlung zu emittieren und mit einer Eingangsspannung betrieben zu werden. Bei dem Sender handelt es sich beispielsweise um ein Bauteil, welches elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen Infrarotstrahlung und UV-Strahlung erzeugt. Insbesondere kann der Sender dazu eingerichtet sein, im Betrieb elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich von wenigstens 350 nm bis höchstens 1100 nm, insbesondere im Wellenlängenbereich von wenigstens 800 nm bis höchstens 950 nm zu erzeugen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Vorrichtung umfasst die Vorrichtung einen ersten Empfänger, der dazu eingerichtet ist, zumindest einen Teil der elektromagnetischen Strahlung zu empfangen und zumindest einen Teil einer Ausgangsspannung zu liefern. Der erste Empfänger ist insbesondere dazu eingerichtet, zumindest einen Teil der vom Sender im Betrieb emittierten elektromagnetischen Strahlung zu empfangen und zumindest einen Teil der empfangenen elektromagnetischen Strahlung in elektrische Energie umzuwandeln. Der erste Empfänger kann dabei insbesondere derart auf den Sender abgestimmt sein, dass der erste Empfänger für die vom Sender erzeugte elektromagnetische Strahlung eine besonders hohe Absorption aufweist. Die optoelektronische Vorrichtung kann genau einen Empfänger umfassen. Ferner ist es möglich, dass die optoelektronische Vorrichtung zweite, dritte, vierte oder mehr Empfänger umfasst.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung umfasst der Sender zumindest einen Oberflächenemitter. Unter einem Oberflächenemitter wird vorliegend ein strahlungsemittierendes Bauelement verstanden, welches die im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung quer, insbesondere senkrecht, zu einer Montagefläche, auf der das strahlungsemittierende Bauelement montiert ist, abstrahlt. Insbesondere kann es sich bei dem Oberflächenemitter um ein Halbleiterbauelement handeln, welches einen epitaktisch gewachsenen Halbleiterkörper aufweist. Die Richtung, in der die elektromagnetische Strahlung dann im Betrieb abgestrahlt wird, kann insbesondere parallel zu einer Wachstumsrichtung des Halbleiterkörpers sein. Der Halbleiterkörper kann zum Beispiel auf Halbleitermaterialien, wie In(Ga)N, In(Ga)AlP, (Al)GaAs, (In)GaAs, basieren.
  • Bei dem Oberflächenemitter kann es sich beispielsweise um eine Leuchtdiode oder um eine Laserdiode, insbesondere um eine Superlumineszenzdiode oder einen VCSEL handeln. Der Sender kann dabei eine Vielzahl von Oberflächenemittern enthalten, die zueinander in Reihe und/oder parallel verschaltet sein können. Die Eingangsspannung des Senders berechnet sich dann entsprechend aus den Spannungen, mit denen die Oberflächenemitter betrieben werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung umfasst der erste Empfänger zumindest eine Fotodiode. Die Fotodiode kann ein Halbleiterkörper mit zumindest einer detektierenden Schicht umfassen, die dazu eingerichtet ist, die von dem zumindest einen Oberflächenemitter im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung zu absorbieren und in elektrische Energie umzuwandeln. Die zumindest eine Fotodiode kann zum Beispiel im gleichen Materialsystem wie der zumindest eine Oberflächenemitter oder in einem anderen Materialsystem gebildet sein. Der Empfänger kann insbesondere eine Vielzahl von Fotodioden umfassen, die miteinander in Reihe oder parallel verschaltet sein können. Die Ausgangsspannung des Empfängers berechnet sich dann entsprechend aus der Spannung, die an den einzelnen Fotodioden abfällt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung umfasst die optoelektronische Vorrichtung einen Träger für den Sender, der eine Deckfläche und eine Bodenfläche aufweist. Bei der Deckfläche handelt es sich um eine Hauptfläche des Trägers, die beispielsweise plan oder eben ausgebildet sein kann. Bei der Bodenfläche handelt es sich dann um eine der Deckfläche abgewandte weitere Hauptfläche des Senders. Bei dem Träger kann es sich um ein Aufwachssubstrat für den zumindest einen Oberflächenemitter des Senders handeln. Ferner ist es möglich, dass der Träger kein Aufwachssubstrat für den zumindest einen Oberflächenemitter ist. Das Aufwachssubstrat kann dann auch entfernt und durch den Träger ersetzt sein.
  • Bei dem Träger handelt es sich um die mechanisch tragende Komponente des Senders, an welcher der zumindest eine Oberflächenemitter des Senders mechanisch befestigt ist und von der der zumindest eine Oberflächenemitter mechanisch getragen wird.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung ist der zumindest eine Oberflächenemitter des Senders an der Deckfläche des Trägers befestigt und strahlt zumindest einen Teil der im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung durch den Träger ab. Das bedeutet, der Träger ist für die erzeugte elektromagnetische Strahlung durchlässig, insbesondere transparent.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung ist der erste Empfänger an der Bodenfläche des Trägers angeordnet. Dabei kann der erste Empfänger beabstandet zur Bodenfläche sein oder der erste Empfänger und der Träger stehen in direktem Kontakt miteinander. Für den Fall, dass der erste Empfänger und der Träger beabstandet zueinander angeordnet sind, kann eine mechanische Verbindung zwischen dem ersten Empfänger und dem Träger beispielsweise über ein Gehäuse vermittelt sein.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die optoelektronische Vorrichtung einen Sender, der dazu eingerichtet ist, elektromagnetische Strahlung zu emittieren und mit einer Eingangsspannung betrieben zu werden, einen Träger für den Sender, der eine Deckfläche und eine Bodenfläche aufweist, einen ersten Empfänger, der dazu eingerichtet ist, zumindest einen Teil der elektromagnetischen Strahlung zu empfangen und zumindest einen Teil einer Ausgangsspannung zu liefern. Dabei umfasst der Sender zumindest einen Oberflächenemitter. Der zumindest eine Oberflächenemitter ist an der Deckfläche des Trägers befestigt und zumindest ein Teil der elektromagnetischen Strahlung wird durch den Träger abgestrahlt. Der erste Empfänger umfasst zumindest eine Fotodiode und ist an der Bodenfläche des Trägers angeordnet.
  • Der hier beschriebenen optoelektronischen Vorrichtung liegen dabei unter anderem die folgenden Überlegungen zugrunde.
  • Viele Anwendungen, wie zum Beispiel in der Akustik, bei Strahlungssteuerungstechnologien wie etwa MEMS, Aktoren, Detektoren, wie Avalanche-Fotodioden, Ein-Fotonen-Avalanche-Dioden oder Fotomultiplier, erfordern Hochspannungsversorgungen mit relativ geringem Stromverbrauch. Solche Anwendungen können Spannungen von mehr als 50 V, 100 V, 500 V, 1000 V, 2000 V, 10000 V und mehr erfordern, während gleichzeitig ein kleiner Footprint des Geräts in Bezug auf Größe, Gewicht, Kosten und Energieverbrauch beibehalten werden soll. Diese Eigenschaften sind besonders wichtig für mobile Geräte wie etwa AR-VR-Brillen, tragbare In-Ear-Kopfhörer und Automobilanwendungen.
  • Ein weiteres Problem, das bei Hochspannungsgeneratoren mit kleinem Platzbedarf zu lösen ist, ist die Verbindung von Nieder- und Hochspannungspfaden, die galvanisch getrennt sein sollten, um die Funktionssicherheit und Langzeitstabilität eines Geräts unter wechselnden Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Feuchtigkeit, Staub zu gewährleisten.
  • Die hier beschriebene optoelektronische Vorrichtung kann dabei mit Vorteil als optischer Spannungswandler zum Einsatz kommen oder ein solcher sein. Weiter ist es mit der hier beschriebenen optoelektronischen Vorrichtung möglich, eine hohe Spannung an der Eingangsseite in eine niedrige Spannung beim Empfänger umzuwandeln. Ferner kann mit der vorliegenden Vorrichtung eine Wechselspannung in eine Gleichspannung transformiert werden und umgekehrt. Schließlich ist es mit der vorliegenden Vorrichtung auch möglich, galvanisch getrennt Energie von der Senderseite auf die Empfängerseite zu übertragen, ohne dass dabei eine Spannungsänderung erfolgt.
  • Die hier beschriebene optoelektronische Vorrichtung kann also beispielsweise einen Transformator bilden, der ohne induktive Elemente auskommt, insbesondere ohne Spulen. Dadurch wird einerseits der Bauraum im Vergleich zu herkömmlichen Transformatoren besonders klein, andererseits entstehen bei der Transformation keine starken magnetischen Felder. Dadurch ist auch eine Beeinflussung durch äußere magnetische und/oder elektrische Felder ausgeschlossen. Somit kann die optoelektronische Vorrichtung in Bereichen eingesetzt werden, für die eine magnetische Beeinflussung kritisch wäre oder die mit hohen äußeren magnetischen Feldern versehen sind. Zugleich ist durch die optische Leistungsübertragung in der optoelektronischen Vorrichtung für eine galvanische Trennung von der Hochvoltseite und der Niedervoltseite gesorgt.
  • Durch den Wegfall der Notwendigkeit, geschaltete Elemente zu verwenden, wie es zum Beispiel in Boost- oder Buck-Konvertern der Fall ist, oder auch bei einem induktiven Transformator notwendig wäre, kann die erzeugte Ausgangsspannung frei von Störungen sein. Dies kann insbesondere beim Einsatz in Messsystemen und/oder Monitoring-Systemen auf kleinstem Raum der Fall sein, welche empfindlich auf Störungen der Versorgungsspannung reagieren.
  • Für den Fall, dass die Eingangsspannung größer als die Ausgangsspannung ist, kann die Tatsache ausgenutzt werden, dass die maximal zu entnehmende Leistung an der Empfängerseite direkt proportional zur eingespeisten Leistung an der Senderseite ist. Dadurch ist es möglich, Veränderungen in Strom und Spannung auf der Senderseite zu monitoren. Dies kann beispielsweise zur galvanisch getrennten Überwachung von hohen Spannungen eingesetzt werden. Aufgrund der nichtlinearen Kennlinie des Senders können dabei besonders gut definierte Pulse auf der Senderseite erzeugt werden, was bei rein elektronischen Lösungen, zum Beispiel in Schaltnetzteilen, nicht der Fall ist.
  • Eine weitere Idee der hier beschriebenen Vorrichtung ist es, Halbleiter-Lichtemitter und Fotodioden, also Fotovoltaik-Zellen, zu kombinieren, um eine Umwandlung von niedriger in hohe Spannung zu erreichen. Auf dem Niederspannungspfad emittieren dazu zum Beispiel ein oder mehrere parallel zueinander geschaltete oberflächenemittierende Halbleiterlaser, Leuchtdioden oder Superlumineszenzdioden Licht. Die Wellenlänge des emittierten Lichts kann zwischen 350 nm und 1100 nm liegen, abhängig von den verwendeten Halbleitermaterialien, zum Beispiel: In(Ga)N, In(Ga)AlP, (Al)GaAs, (In)GaAs. Typische Eingangsspannungen sind 1 V, 3 V, 5 V, 8 V, 10 V oder dazwischen.
  • Auf der Hochspannungsseite, die galvanisch von der Niederspannungsseite getrennt ist, sammelt ein Array von in Reihe geschalteten Fotodioden, die im fotovoltaischen Modus arbeiten, das emittierte Licht. Je nach verwendetem Material, zum Beispiel Si, InGaAs, GaAs, InGaN oder Perowskit, erzeugt jede einzelne Fotodiode eine Spannung in der Größenordnung von 0,5-3 V und einen Strom in Abhängigkeit von der Intensität des einfallenden Lichts. Durch die Verwendung einer großen Anzahl von Fotodioden, die alle auf einer sehr kleinen Wafer-Skala in Reihe geschaltet sein können, summieren sich diese Einzelspannungen zu einer hohen Gesamtspannung, die 10 V, 50 V, 100 V, 500 V, 1000 V, 10000 V überschreiten kann.
  • Durch die hohe Ausgangsleistung des Senders ist es möglich, nur einen einzigen oder eine geringe Anzahl von Oberflächenemittern zur Beleuchtung der Fotodioden zu verwenden, was Größe und Kosten der Vorrichtung auf der Senderseite reduziert.
  • Mit einem fokussierten Lichtkegel der Oberflächenemitter kann auch der Abstand und die Fläche des Empfängers auf einen kleinen Maßstab komprimiert werden.
  • Insgesamt sind mit der vorliegenden Vorrichtung die Übertragung von Energie und/oder die Wandlung von Spannung in einem besonders kompakten Bauteil möglich. Die optoelektronische Vorrichtung ist dabei unempfindlich gegenüber äußeren Einflüssen wie beispielsweise elektromagnetischen Feldern.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung ist die Eingangsspannung kleiner als die Ausgangsspannung und der erste Empfänger beziehungsweise weitere Empfänger umfassen eine Vielzahl von Fotodioden, die in Reihe miteinander verschaltet sind. In diesem Fall ist es beispielsweise möglich, dass der Sender ebenfalls eine Vielzahl von Oberflächenemittern umfasst, die dann beispielsweise parallel zueinander verschaltet sind. Insbesondere ist die Eingangsspannung des Senders kleiner als die Ausgangsspannung des ersten Empfängers oder der weiteren Empfänger. Die Vorrichtung ist daher dazu eingerichtet, eine niedrige Eingangsspannung in eine hohe Ausgangsspannung umzuwandeln. Der erste Empfänger und gegebenenfalls die weiteren Empfänger können dazu eine Vielzahl von Fotodioden, beispielsweise mindestens 10 Fotodioden, insbesondere mindestens 50 oder mindestens 100 einzelne Fotodioden umfassen. Über die Anzahl der Fotodioden, die zueinander parallel geschaltet werden, kann die Ausgangsspannung auf einfache Weise eingestellt werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung ist die Eingangsspannung größer als die Ausgangsspannung und der Sender umfasst eine Vielzahl von Oberflächenemitter, die in Reihe miteinander verschaltet sind. Dabei ist es insbesondere möglich, dass die optoelektronische Vorrichtung mehr Oberflächenemitter als Fotodioden umfasst. Ferner ist es möglich, dass die Vorrichtung beim ersten Empfänger und gegebenenfalls den weiteren Empfängern eine Vielzahl von Fotodioden umfasst, die zumindest teilweise parallel miteinander verschaltet sind. Mit dieser Vorrichtung ist es möglich, eine hohe Eingangsspannung in eine niedrigere Ausgangsspannung umzuwandeln.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung umfasst der Sender zwei Reihenschaltungen von Oberflächenemittern, die antiparallel miteinander verschaltet sind. Auf diese Weise kann durch die Vorrichtung eine Wechselspannung in eine Gleichspannung transformiert werden. Insbesondere kann eine hohe Wechselspannung in eine niedrigere, gegebenenfalls gepulste Gleichspannung transformiert werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung umfasst die Vorrichtung weitere Empfänger, die dazu eingerichtet sind, einen Teil der elektromagnetischen Strahlung zu empfangen und einen Teil einer Ausgangsspannung zu liefern, wobei jeder weitere Empfänger zumindest eine Fotodiode umfasst. Insbesondere umfasst jeder weitere Empfänger eine Vielzahl von Fotodioden. Die einzelnen Empfänger der optoelektronischen Vorrichtung können dabei zum Beispiel gleich aufgebaut sein und jeweils eine gleiche Anzahl von Fotodioden umfassen. Je nachdem, ob die Eingangsspannung kleiner als die Ausgangsspannung ist oder die Eingangsspannung größer als die Ausgangsspannung ist, können die Fotodioden der einzelnen Empfänger entsprechend miteinander verschaltet sein. Zum Beispiel ist es möglich, dass die Eingangsspannung kleiner als die Ausgangsspannung ist und die Fotodioden aller Empfänger in Reihe miteinander verschaltet sind.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung umfasst die optoelektronische Vorrichtung einen zweiten Empfänger, der an der Deckfläche des Trägers angeordnet ist. Das heißt, in dieser Ausführungsform ist der erste Empfänger an der Bodenfläche des Trägers angeordnet und der zweite Empfänger ist an der Deckfläche des Trägers angeordnet. Die Oberflächenemitter des Senders strahlen dann elektromagnetische Strahlung durch den Träger hindurch zum ersten Empfänger und vom Träger weg zum zweiten Empfänger.
  • Bei den Oberflächenemittern kann es sich dann insbesondere um beidseitig emittierende Oberflächenemitter handeln. Der zweite Empfänger kann in direktem Kontakt mit den Oberflächenemittern stehen. Ferner ist es möglich, dass der zweite Empfänger und der Sender beabstandet zueinander angeordnet sind. Dabei ist es möglich, dass eine mechanische Verbindung zwischen dem Sender und dem zweiten Empfänger besteht, die beispielsweise durch ein Gehäuse vermittelt sein kann.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung sind ein dritter Empfänger und/oder ein vierter Empfänger und/oder ein fünfter und/oder ein sechster Empfänger seitlich des Senders angeordnet. Beispielsweise ist es möglich, dass der Sender zentral angeordnet ist. Unterhalb des Senders, an der Bodenfläche des Trägers, ist der erste Empfänger angeordnet, oberhalb des Trägers ist der zweite Empfänger angeordnet. Lateral neben dem Sender können dann der dritte und/oder der vierte Empfänger angeordnet sein. Der fünfte und der sechste Empfänger können vor und hinter dem Sender angeordnet sein.
  • Dabei ist es insbesondere möglich, dass ein Strahlteiler dem Sender an der Deckfläche und/oder der Bodenfläche des Trägers nachgeordnet ist. Mit diesem Strahlteiler ist es möglich, einen Teil der an der Deckfläche beziehungsweise der Bodenfläche emittierten elektromagnetischen Strahlung des Senders zum dritten und/oder vierten und/oder fünften und/oder sechsten Empfänger umzuleiten und einen Teil der elektromagnetischen Strahlung auf den ersten und/oder den zweiten Empfänger umzuleiten. Auf diese Weise können besonders viele Fotodioden durch einen einzigen Sender bestrahlt werden und ein besonders kompakter Aufbau der optoelektronischen Vorrichtung ist möglich.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung steht der erste Empfänger in direktem Kontakt mit dem Träger. Auf diese Weise kann elektromagnetische Strahlung durch den Träger besonders effizient zum ersten Empfänger gebracht werden und der Träger kann eine mechanisch tragende Komponente für die Fotodioden des ersten Empfängers darstellen. Dabei ist es möglich, dass die zumindest eine Fotodiode des ersten Empfängers an die Bodenfläche des Trägers gebondet ist. Das Bonden kann beispielsweise durch Direct Bonding erfolgen. Darüber hinaus ist es möglich, dass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Träger und den Fotodioden des ersten Empfängers durch ein Verbindungsmaterial, wie beispielsweise einen Klebstoff, gebildet ist. Dieses Verbindungsmaterial kann gleichzeitig als Lichtleiter zur Leitung der elektromagnetischen Strahlung von der Bodenfläche des Trägers zu einer Strahlungseintrittsfläche der Fotodioden wirken.
  • Alternativ ist es möglich, dass die zumindest eine Fotodiode des ersten Empfängers an der Bodenfläche des Trägers epitaktisch aufgewachsen ist. In diesem Fall stellt der Träger ein Aufwachssubstrat für die Fotodioden des ersten Empfängers dar.
  • Dabei ist es insbesondere auch möglich, dass alternativ oder zusätzlich der zumindest eine Oberflächenemitter des Senders an der Deckfläche des Trägers epitaktisch aufgewachsen ist. Mit anderen Worten stellt der Träger dann ein Aufwachssubstrat für die Oberflächenemitter des Senders dar. Der Träger kann dann insbesondere auch ein Aufwachssubstrat für die Oberflächenemitter des Senders und die Fotodioden des ersten Empfängers darstellen. Dadurch ist ein besonders kompakter Aufbau der optoelektronischen Vorrichtung ermöglicht und elektromagnetische Strahlung kann besonders verlustfrei von den Oberflächenemittern zu den Fotodioden geleitet werden.
  • Im Folgenden wird die hier beschriebene optoelektronische Vorrichtung anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.
  • Anhand der schematischen Schnittdarstellungen der 1, 2, 3, 4, 5 sind Ausführungsbeispiele von hier beschriebenen optoelektronischen Vorrichtungen näher erläutert.
  • Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein.
  • In Verbindung mit der schematischen Schnittdarstellung der 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer hier beschriebenen optoelektronischen Vorrichtung näher erläutert.
  • Die optoelektronische Vorrichtung umfasst einen Sender 1, der dazu eingerichtet ist, elektromagnetische Strahlung 2 zu emittieren. Dazu wird der Sender 1 mit einer Eingangsspannung UI betrieben.
  • Der Sender 1 umfasst einen Träger 7, der eine Deckfläche 71 und eine Bodenfläche 72 aufweist. Ferner umfasst die optoelektronische Vorrichtung einen ersten Empfänger 3, der dazu eingerichtet ist, einen Teil der elektromagnetischen Strahlung 2 des Senders 1 zu empfangen und zumindest einen Teil der empfangenen Strahlung in elektrischen Strom umzuwandeln. Der erste Empfänger 3 liefert dabei einen Teil der Ausgangsspannung UO.
  • Beim Ausführungsbeispiel der 1 umfasst der Sender eine Vielzahl von Oberflächenemittern 10, bei denen es sich beispielsweise jeweils um VCSEL-Chips handelt. Die Oberflächenemitter sind an der Deckfläche 71 des Trägers 7 befestigt. Zumindest ein Teil der elektromagnetischen Strahlung 2 wird durch den Träger 7 abgestrahlt.
  • Der erste Empfänger 3 umfasst eine Vielzahl von Fotodioden 30, die auf einen ersten Träger 31 aufgebracht sind und der Bodenfläche 72 des Trägers 7 zugewandt sind. Der erste Empfänger 3 ist dadurch an der Bodenfläche 72 des Trägers 7 angeordnet.
  • An der Deckfläche 71 des Trägers 7 ist ein zweiter Empfänger 4 mit einem zweiten Träger 41 für die Fotodioden 30 angeordnet. Die Fotodioden 30 des zweiten Empfängers 4 sind dabei den Oberflächenemittern 10 zugewandt. Auch die Fotodioden 30 des zweiten Empfängers 4 sind dazu eingerichtet, einen Teil der elektromagnetischen Strahlung 2 zu empfangen und einen Teil der Ausgangsspannung UO zu liefern. Beispielsweise ist es möglich, dass sämtliche Fotodioden 30 des ersten Empfängers 3 und des zweiten Empfängers 4 miteinander in Reihe verschaltet sind.
  • Der erste Empfänger 3 und der zweite Empfänger 4 können beispielsweise gleich aufgebaut sein. Der erste Empfänger 3 und der zweite Empfänger 4 sind dann zum Beispiel baugleich. Der Sender 1, der erste Empfänger 3 und der zweite Empfänger 4 können in einem gemeinsamen Gehäuse 8 angeordnet sein, das mit einem elektrisch isolierenden Material, wie beispielsweise einem Gas oder einem transparenten Kunststoffmaterial, befüllt sein kann.
  • Die Anzahl der Fotodioden 30 des ersten Empfängers 3 entspricht im Ausführungsbeispiel der 1 der Anzahl der Oberflächenemitter und der Anzahl der Fotodioden 30 des zweiten Empfängers 4.
  • Bei dem Sender 1 kann es sich beispielsweise um ein Array aus VCSEL handeln, welches VCSEL als Oberflächenemitter 10 umfasst, die die elektromagnetische Strahlung beidseitig, also von ihrer Oberseite und ihrer Unterseite her, abstrahlen.
  • Beim ersten Empfänger 3 und beim zweiten Empfänger 4 handelt es sich jeweils um ein Fotodiodenarray. Aufgrund des scharfen und symmetrischen Strahlprofils der elektromagnetischen Strahlung 2 der einzelnen Oberflächenemitter 10 beleuchtet jeder Oberflächenemitter 10 jeweils eine Fotodiode beider Empfänger. Die elektromagnetische Strahlung 2, die zum zweiten Empfänger 4 gelangt, breitet sich durch das Material aus, mit dem das Gehäuse 8 befüllt ist. Die elektromagnetische Strahlung 2, die zum ersten Empfänger 3 abgestrahlt wird, wird durch den Träger 7 abgestrahlt, der für die elektromagnetische Strahlung 2 transparent ausgebildet ist.
  • Der Oberflächenemitter 10 kann dabei einen beidseitig emittierenden VCSEL umfassen oder er umfasst eine doppelte Heterostruktur, die aus zwei direkt übereinander gewachsenen VCSEL besteht. Dabei kann jeder VCSEL-Teil einen entsprechenden Resonator mit zwei Spiegelpaaren, zum Beispiel DBR-Spiegeln, umfassen. Die VCSEL eines Oberflächenemitters 10 können dabei so gestaltet werden, dass sie bei unterschiedlichen Wellenlängen emittieren, wobei der obere VCSEL, der die elektromagnetische Strahlung 2 in Richtung des zweiten Empfängers 4 abstrahlt, zum Beispiel im Materialsystem GaAs gebildet sein kann. Vorteilhafterweise sind die Fotodioden 30 des zweiten Empfängers 4 dann ebenfalls im Materialsystem GaAs gebildet, wodurch die Absorption der Fotodioden 30 auf die elektromagnetische Strahlung 2 der Oberflächenemitter 1 abgestimmt ist.
  • Der untere VCSEL, der dem ersten Empfänger 3 zugewandt ist, kann dann beispielsweise im Materialsystem InGaAs gebildet sein. Beim Träger 7 kann es sich dann zum Beispiel um ein Aufwachssubstrat handeln, das aus GaAs besteht oder dieses enthält. Der erste Empfänger 3 umfasst Fotodioden 30, die ebenfalls im Materialsystem InGaAs ausgebildet sind.
  • Diese Ausführungsform ist insbesondere aufgrund der erhöhten Effizienz von GaAs-basierten Fotodioden vorteilhaft. Als weitere Vorteile ergibt sich bei dieser Ausführungsform, dass die Oberflächenemitter 10 kostengünstig sind und eine direkte Projektion der Emission der elektromagnetischen Strahlung 2 auf die Fotodioden 30 in zwei Richtungen erfolgen kann. Dadurch ist eine höhere Ausgangsspannung UO bei einer kleinen Bauteilgröße möglich. Ferner ermöglicht der Aufbau einen Betrieb bei zwei unterschiedlichen Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung 2.
  • Nachteilig ist eine Streuung der elektromagnetischen Strahlung 2 im Träger 7 möglich. Ein Gehäuse 8 ist zur mechanischen Verbindung der Komponenten der optoelektronischen Vorrichtung notwendig und die Fotodioden 30 des ersten Empfängers 1 müssen eine kleinere Bandlücke aufweisen, damit die elektromagnetische Strahlung 2 durch das GaAs-Substrat nicht absorbiert wird. Dafür sind Fotodioden im Materialsystem InGaAs oder Si notwendig, was zu Effizienzverlusten führen kann.
  • In Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel der 2 ist eine optoelektronische Vorrichtung beschrieben, bei der im Unterschied zur Vorrichtung der 1 ein direkter Kontakt zwischen dem ersten Empfänger 3 und dem Sender 1 besteht. Dazu sind die Fotodioden 30 des ersten Empfängers 3 an der Bodenfläche 72 an den Träger 7 zum Beispiel wafergebondet.
  • Der Träger 7 ist dazu elektrisch isolierend ausgebildet, um die hohen elektrischen Felder zu blockieren, die sich aus dem Potentialunterschied zwischen der Ausgangsspannung UO und der Eingangsspannung UI ergeben. Beispielsweise liegt die Ausgangsspannung UO dabei im Bereich von 1000 V und die Eingangsspannung liegt im Bereich von 3 V. Eine solche elektrische Isolierung kann beispielsweise dadurch erreicht sein, dass der Träger 7 an seiner Bodenfläche 72 eine elektrisch isolierende Schicht umfasst, die zum Beispiel mit einer mehreren Mikrometer dicken SiN-Schicht gebildet sein kann. Beispielsweise beträgt die Dicke der Schicht zwischen wenigstens 2 und höchstens 3 um pro 1000 V Potentialdifferenz zwischen der Eingangsspannung UI und der Ausgangsspannung UO.
  • Nachteilig ergibt sich bei dieser Ausführungsform, dass eine elektrische Isolierung des Trägers 7 notwendig ist. Vorteilhaft ergibt sich eine erleichterte Justage zwischen den Oberflächenemittern 10 und den Fotodioden 30 des ersten Empfängers 3 sowie eine verringerte Größe insbesondere auch des Gehäuses 8.
  • In Verbindung mit der schematischen Schnittdarstellung der 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer hier beschriebenen optoelektronischen Vorrichtung näher erläutert. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 3 sind in diesem Ausführungsbeispiel auch die Fotodioden 30 des zweiten Empfängers 4 in direktem Kontakt mit dem Sender 1.
  • Dazu können die Fotodioden 30 an den jeweils gegenüberliegenden Oberflächenemitter 10, bei denen es sich beispielsweise um einen VCSEL-Chip handelt, gebondet sein. Dadurch ist jede Fotodiode 30 auf die Apertur des Oberflächenemitters 10 ausgerichtet. Dies führt zu einer weiteren Verkleinerung der Vorrichtung, erfordert aber eine ausreichende elektrische Isolierung zwischen den Oberflächenemittern 10 und den Fotodioden 30, zum Beispiel eine wie zur 2 beschriebene dielektrische Schicht.
  • Als vorteilhaft erweist sich, dass eine Ausrichtung der beiden Empfänger 3, 4 und des Senders 1 auf Waferebene erfolgen kann. Dadurch ist keine Justage beim Einbringen in ein Gehäuse 8 notwendig, was den Aufwand für die Herstellung weiter reduziert. Als nachteilig kann sich ergeben, dass eine elektrische Isolierung zwischen den Oberflächenemittern 10 und den Fotodioden 30 des zweiten Empfängers 4 notwendig ist und eine Verschaltung der einzelnen Oberflächenemitter 10 sowie der einzelnen Fotodioden 30 des zweiten Empfängers 2 im Vergleich zum Ausführungsbeispiel der 2 verkompliziert ist.
  • In Verbindung mit der schematischen Schnittdarstellung der 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer hier beschriebenen Vorrichtung näher erläutert. Im Unterschied zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen sind die Fotodioden 30 des ersten Empfängers 3 im Ausführungsbeispiel der 4 epitaktisch auf den Träger 7 aufgebracht. Ferner ist es möglich, dass auch die Oberflächenemitter 10 auf den Träger 7 epitaktisch aufgewachsen sind. Im Ausführungsbeispiel der 4 ist dabei nur ein Empfänger 3 vorhanden. Es ist jedoch möglich, weitere Empfänger zu ergänzen, wie dies beispielsweise in Verbindung mit den Ausführungsbeispielen der 1 bis 3 und 5 gezeigt ist.
  • Die Oberflächenemitter 10 werden beispielsweise zunächst auf die Deckfläche 71 des Trägers 7 epitaktisch aufgewachsen. Die Bodenfläche 72 des Trägers 7, auf der später die Fotodioden 30 epitaktisch abgeschieden werden, kann währenddessen durch eine erste Opferschicht, die zum Beispiel mit SiO2 gebildet ist, geschützt sein. Die Opferschicht wird vor dem Aufwachsen der Fotodioden 30 entfernt, die nach dem Aufwachsen durch eine weitere Opfer- und Schutzschicht abgedeckt werden können.
  • Die Oberflächenemitter 10 können während dem Aufwachsen der Fotodioden 30 durch eine Opferschicht, die beispielsweise mit InGaP oder AlGaAs mit hohem Aluminiumgehalt gebildet ist, geschützt sein. Die Bearbeitung der Oberflächenemitter 10 und der Fotodioden 30 nach dem Aufwachsen erfolgt von beiden Seiten des Trägers 7 her. Um die Strompfade für die Oberflächenemitter 10 und die Fotodioden 30 elektrisch voneinander zu isolieren, ist es vorteilhaft, einen epitaktisch hergestellten Isolator zwischen den Träger 7 und die Fotodioden 30 einzubringen, der beispielsweise durch eine hochaluminiumhaltige AlGaAs-Oxidationsschicht oder ein Übergitter mit einer Dicke von wenigstens 2,5 um für eine Potentialdifferenz von 1000 V gebildet sein kann. Mit Vorteil ergibt sich eine besonders kompakte Vorrichtung, bei der kein Waferbonden notwendig ist. Ferner ergeben sich bei der Herstellung besonders geringe Materialkosten, da lediglich ein einziges Aufwachssubstrat - der Träger 7 - Verwendung findet. Bei der Herstellung ist jedoch eine besonders sorgfältige Handhabung des Trägers 7 notwendig, da das epitaktische Wachstum auf beiden Seiten des Trägers stattfindet.
  • In Verbindung mit der 5 ist anhand einer schematischen Schnittdarstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer hier beschriebenen Vorrichtung näher erläutert. Im Unterschied beispielsweise zum Ausführungsbeispiel der 1 umfasst die Vorrichtung einen dritten Empfänger 5 mit einem dritten Träger 51 für die Fotodioden 30 und einen vierten Empfänger 6 mit einem vierten Träger 61 für die Fotodioden 30, die jeweils seitlich zum Sender 1 angeordnet sind.
  • Dazu sind Strahlteiler 9 in das Gehäuse 8 eingebracht, die jeweils zwischen dem Sender 1 und dem ersten Empfänger 3 sowie dem zweiten Empfänger 4 angeordnet sind. Die Strahlteiler lenken die elektromagnetische Strahlung der Oberflächenemitter 10 in verschiedene Richtungen, zum Beispiel um 90°, um. Die Strahlteiler 9 können zum Beispiel pyramidenförmig ausgebildet sein
  • Die Vorrichtung kann weitere nicht dargestellte Empfänger, zum Beispiel einen fünften Empfänger und einen sechsten Empfänger, umfassen, die vor und hinter dem Sender 1 angeordnet sind. Sämtliche Fotodioden 30 aller Empfänger können in Reihe geschaltet werden. Zur mechanischen Stabilisierung der Vorrichtung kann der Freiraum zwischen den Komponenten der Vorrichtung im Gehäuse 8 mit einem transparenten isolierenden Material, wie beispielsweise einem Kunststoff wie Silikon und/oder einem Epoxidharz, gefüllt werden.
  • Vorteilhaft ergibt sich, dass eine Projektion der Emission auf Fotodioden 30 in bis zu sechs Richtungen erfolgen kann, was bei gleicher Zahl von Fotodioden 30 ein besonders kompaktes Bauteil liefert. Dabei sind hohe Spannungen bei kleiner Baugröße möglich und wie zu 1 beschrieben ist auch der Betrieb bei zwei unterschiedlichen Wellenlängen ermöglicht. Nachteilig ergibt sich eine aufwendige Justage im Gehäuse 8.
  • Insgesamt ermöglicht eine hier beschriebene Vorrichtung große Unterschiede zwischen der Eingangsspannung UI und der Ausgangsspannung UO bei besonders geringer Bauteilgröße. Bei den Bauteilen kommen Oberflächenemitter 10 zum Einsatz, die einen Teil ihrer Strahlung durch den Träger 7 abstrahlen. Dazu ist der Träger 7 transparent für die im Oberflächenemitter 10 erzeugte Strahlung ausgebildet, was beispielsweise für einen Oberflächenemitter im Materialsystem InGaAs auf einem GaAs-Substrat oder einem InGaN-basierten Oberflächenemitter auf einem GaN/Saphirsubstrat möglich ist.
  • Kommt als Oberflächenemitter beispielsweise ein Emitter im Materialsystem InGaAlP zum Einsatz, der auf GaAs als Aufwachssubstrat aufgewachsen wird, so ist dieses Aufwachssubstrat nicht transparent für die erzeugte elektromagnetische Strahlung. In diesem Fall kann das Aufwachssubstrat abgelöst und durch einen transparenten Träger 7 ersetzt werden. Aus Effizienzgründen sollte der Raum zwischen benachbarten Fotodioden 30 nicht beleuchtet werden, da diese Strahlung 2 sonst nicht zur Spannungsumwandlung beitragen würde. Die Aufteilung der elektromagnetischen Strahlung 2 der Oberflächenemitter auf mehrere Empfänger erweist sich als besonders vorteilhaft bei der Verwendung von Hochleistungs-VCSEL als Oberflächenemitter 10, da für diese die optische Leistung eines Oberflächenemitters 10 die erforderliche Intensität zur Sättigung einer Fotodiode 30 übersteigen würde.
  • Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Sender
    2
    elektromagnetische Strahlung
    3
    erster Empfänger
    4
    zweiter Empfänger
    5
    dritter Empfänger
    6
    vierter Empfänger
    7
    Träger
    8
    Gehäuse
    9
    Strahlungsteiler
    10
    Oberflächenemitter
    31
    erster Träger
    41
    zweiter Träger
    51
    dritter Träger
    61
    vierter Träger
    71
    Deckfläche
    72
    Bodenfläche
    UO
    Ausgangsspannung
    UI
    Eingangsspannung

Claims (13)

  1. Optoelektronische Vorrichtung mit - einem Sender (1), der dazu eingerichtet ist, elektromagnetische Strahlung (2) zu emittieren und mit einer Eingangsspannung (UI) betrieben zu werden, - einem Träger (7) für den Sender (1), der eine Deckfläche (71) und eine Bodenfläche (72) aufweist, - einem ersten Empfänger (3), der dazu eingerichtet ist, zumindest einen Teil der elektromagnetischen Strahlung (2) zu empfangen und zumindest einen Teil einer Ausgangsspannung (UO) zu liefern, wobei - der Sender (1) zumindest einen Oberflächenemitter (10) umfasst, - der zumindest eine Oberflächenemitter (10) des Senders (1) an der Deckfläche (71) des Trägers (7) befestigt ist und zumindest einen Teil der elektromagnetischen Strahlung (2) durch den Träger (71) abstrahlt, - der erste Empfänger (3) zumindest eine Fotodiode (30) umfasst, und - der erste Empfänger (3) an der Bodenfläche (72) des Trägers (7) angeordnet ist.
  2. Optoelektronische Vorrichtung nach dem vorherigen Anspruch, bei der die Eingangsspannung (UI) kleiner als die Ausgangsspannung (UO) ist und der erste Empfänger (3) eine Vielzahl von Fotodioden (30) umfasst, die in Reihe miteinander verschaltet sind.
  3. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Eingangsspannung (UI) größer als die Ausgangsspannung (UO) ist und der Sender (1) eine Vielzahl von Oberflächenemitter (10) umfasst, die in Reihe miteinander verschaltet sind.
  4. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche mit weiteren Empfängern (4, 5, 6), die dazu eingerichtet sind, einen Teil der elektromagnetischen Strahlung (2) zu empfangen und einen Teil einer Ausgangsspannung (UO) zu liefern, wobei jeder weitere Empfänger (4, 5, 6) zumindest eine Fotodiode (30) umfasst.
  5. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche mit einem zweiten Empfänger (4), der an der Deckfläche (71) des Trägers (7) angeordnet ist.
  6. Optoelektronische Vorrichtung nach dem vorherigen Anspruch, bei der der Sender (1) und der zweite Empfänger (5) in direktem Kontakt miteinander stehen.
  7. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche mit einem dritten Empfänger (5) und/oder einem vierten Empfänger (6) und/oder einem fünften Empfänger und/oder einem sechsten Empfänger, die seitlich des Senders (1) angeordnet sind.
  8. Optoelektronische Vorrichtung nach dem vorherigen Anspruch, bei der ein Strahlungsteiler (9) dem Sender an der Deckfläche (71) und/oder der Bodenfläche (72) des Trägers (7) nachgeordnet ist.
  9. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der erste Empfänger (3) in direkten Kontakt mit dem Träger (7) steht.
  10. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die zumindest eine Fotodiode (30) des ersten Empfängers (3) an die Bodenfläche (72) des Trägers (7) gebondet ist.
  11. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die zumindest eine Fotodiode (30) des ersten Empfängers (3) an der Bodenfläche (72) des Trägers (7) epitaktisch aufgewachsen ist.
  12. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der zumindest eine Oberflächenemitter (10) des Senders (1) an der Deckfläche (71) des Trägers (7) epitaktisch aufgewachsen ist.
  13. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die zumindest eine Fotodiode (30) des ersten Empfängers (3) an der Bodenfläche (72) des Trägers (7) epitaktisch aufgewachsen ist und der zumindest eine Oberflächenemitter (10) des Senders (1) an der Deckfläche (71) des Trägers (7) epitaktisch aufgewachsen ist.
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