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Es wird eine optoelektronische Vorrichtung angegeben.
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Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine optoelektronische Vorrichtung anzugeben, die besonders kompakt ausgeführt werden kann.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die optoelektronische Vorrichtung einen Sender. Der Sender ist dazu eingerichtet, elektromagnetische Strahlung zu emittieren. Ferner ist der Sender dazu eingerichtet, mit einer Eingangsspannung betrieben zu werden. Bei dem Sender kann es sich beispielsweise um ein Bauteil handeln, das 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.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung umfasst die optoelektronische Vorrichtung einen Empfänger, der dazu eingerichtet ist, die elektromagnetische Strahlung zu empfangen und eine Ausgangsspannung zu liefern. Der Empfänger ist insbesondere dazu eingerichtet, die vom Sender im Betrieb emittierte elektromagnetische Strahlung zu empfangen und zumindest zum Teil in elektrische Energie umzuwandeln. Der Empfänger kann dabei insbesondere derart auf den Sender abgestimmt sein, dass der Empfänger für die vom Sender erzeugte elektromagnetische Strahlung eine besonders hohe Absorption aufweist.
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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.
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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.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung umfasst die optoelektronische Vorrichtung einen Empfänger, der zumindest eine Photodiode umfasst. Die Photodiode kann einen 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 Photodiode kann zum Beispiel im gleichen Materialsystem wie der zumindest eine Oberflächenemitter gebildet sein. Der Empfänger kann insbesondere eine Vielzahl von Photodioden 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 Photodioden abfällt.
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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 und einen Empfänger, der dazu eingerichtet ist, die elektromagnetische Strahlung zu empfangen und eine Ausgangsspannung zu liefern, wobei der Sender zumindest einen Oberflächenemitter umfasst und der Empfänger zumindest eine Photodiode umfasst.
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Der hier beschriebenen optoelektronischen Vorrichtung liegen dabei unter anderem die folgenden Überlegungen zugrunde.
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Viele Anwendungen, wie zum Beispiel in der Akustik, bei Strahlsteuerungstechnologien wie etwa MEMS, Aktoren, Detektoren wie Avalanche-Photodioden, Ein-Photonen-Avalanche-Dioden oder Photomultiplier, 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.
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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.
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Die hier beschriebene optoelektronische Vorrichtung kann dabei mit Vorteil als optischer Spannungswandler zum Einsatz kommen. 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.
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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.
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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.
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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.
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Eine weitere Idee der hier beschriebenen Vorrichtung ist es, Halbleiter-Lichtemitter und Photodioden, also Photovoltaik-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.
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Auf der Hochspannungsseite, die galvanisch von der Niederspannungsseite getrennt ist, sammelt ein Array von in Reihe geschalteten Photodioden, die im photovoltaischen Modus arbeiten, das emittierte Licht. Je nach verwendetem Material, zum Beispiel Si, InGaAs, GaAs, InGaN oder Perowskit, erzeugt jede einzelne Photodiode 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 Photodioden, die alle auf einer sehr kleinen Wafer-Skala in Reihe geschaltet sein können, summieren sich diese Einzelspannungen zu einer hohen Gesamtspannung, die 10, 50, 100, 500, 1000, 10000 V überschreiten kann.
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Durch die hohe Ausgangsleistung des Senders ist es möglich, nur einen einzigen oder eine geringe Anzahl von Oberflächenemittern zur Beleuchtung der Photodioden zu verwenden, was Größe und Kosten der Vorrichtung auf der Senderseite reduziert.
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Mit einem fokussierten Lichtkegel der Oberflächenemitter kann auch der Abstand und die Fläche des Empfängers auf einen kleinen Maßstab komprimiert werden.
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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.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung ist die Eingangsspannung kleiner als die Ausgangsspannung und der Empfänger umfasst eine Vielzahl von Photodioden, 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 Empfängers. Die Vorrichtung ist daher dazu eingerichtet, eine niedrige Eingangsspannung in eine hohe Ausgangsspannung umzuwandeln. Der Empfänger kann dazu eine Vielzahl von Photodioden, beispielsweise mindestens 10 Photodioden, insbesondere mindestens 50 oder mindestens 100 einzelne Photodioden umfassen. Über die Anzahl der Photodioden, die zueinander in Reihe geschaltet werden, kann die Ausgangsspannung auf einfache Weise eingestellt werden.
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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 Photodioden umfasst. Ferner ist es möglich, dass die Vorrichtung beim Empfänger eine Vielzahl von Photodioden umfasst, die zumindest teilweise parallel miteinander verschaltet sind. Mit dieser Vorrichtung ist es möglich, eine hohe Eingangsspannung in eine niedrigere Ausgangsspannung umzuwandeln.
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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.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung umfasst die optoelektronische Vorrichtung eine Optik, die die elektromagnetische Strahlung vom Sender zum Empfänger lenkt oder leitet. Mit anderen Worten wird in dieser Ausführungsform der Empfänger nicht direkt mit elektromagnetischer Strahlung vom Sender bestrahlt, sondern die elektromagnetische Strahlung wird durch eine Optik abgelenkt, so dass sie auf den Empfänger trifft oder vom Sender zum Empfänger geleitet wird. Durch die Optik ist es möglich, die elektromagnetische Strahlung zu fokussieren, aufzuspalten und/oder in ihrer Richtung zu ändern. Dadurch ist eine besonders kompakte Anordnung von Sender und Empfänger relativ zueinander ermöglicht.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung ist die Optik in ein Gehäuse für den Sender und den Empfänger integriert oder die Optik ist Teil des Gehäuses. Das heißt, in dieser Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ein Gehäuse, welches den Sender und den Empfänger zumindest stellenweise umgibt und beispielsweise vor mechanischer oder chemischer Belastung schützt. In das Gehäuse integriert oder als Teil des Gehäuses ausgebildet ist die Optik, welche die elektromagnetische Strahlung vom Sender zum Empfänger lenkt oder leitet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung ist die Optik in einen Vergusskörper für den Sender und den Empfänger integriert oder die Optik ist Teil des Vergusskörpers. In diesem Fall sind der Sender und der Empfänger mit einem gemeinsamen Vergusskörper vergossen, der beispielsweise für die im Sender erzeugte elektromagnetische Strahlung durchlässig, zum Beispiel transparent, ist. Der Vergusskörper kann an Sender und/oder Empfänger stellenweise angeformt sein und sich mit diesen in direktem Kontakt befinden. In den Vergusskörper ist die Optik integriert oder der Vergusskörper bildet die Optik, welche die elektromagnetische Strahlung vom Sender zum Empfänger lenkt oder leitet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung umfasst die Optik zwei oder mehr optische Elemente. Beispielsweise kann die Optik mehrere reflektierende Flächen umfassen und/oder mehrere strukturierte Flächen, die als Spiegel und/oder Linsen wirken, die die elektromagnetische Strahlung zum Empfänger lenken oder leiten.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung ist jeder Photodiode des Empfängers ein optisches Element eineindeutig zugeordnet. Das heißt, in dieser Ausführungsform gibt es für jede Photodiode des Empfängers genau ein optisches Element, welches elektromagnetische Strahlung zu der zugeordneten Photodiode lenkt oder leitet.
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Beispielsweise kann es sich bei dem optischen Element um einen Spiegel oder eine Linse handeln. Mit einem solchen optischen Element ist es beispielsweise möglich, die elektromagnetische Strahlung besonders gleichmäßig über eine Strahlungseintrittsfläche der zugeordneten Photodiode zu verteilen, so dass die elektromagnetische Strahlung besonders gleichmäßig auf eine detektierende Schicht der Photodiode trifft.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung umfasst die optoelektronische Vorrichtung einen Träger, der eine Deckfläche aufweist, wobei der Sender und der Empfänger an der Deckfläche angeordnet sind und eine Strahlungsaustrittsseite des Senders und eine Strahlungseintrittsseite des Empfängers von der Deckfläche weggerichtet sind.
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Mit einer solchen Ausgestaltung der Vorrichtung ist es möglich, Sender und Empfänger besonders kompakt nebeneinander an der Deckfläche eines gemeinsamen Trägers anzuordnen. Auf diese Weise kann die Vorrichtung mit einem besonders kleinen Footprint ausgebildet werden, beispielsweise ist es dabei auch möglich, dass die Vorrichtung oberflächenmontierbar ausgebildet ist.
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Bei dem Träger kann es sich insbesondere um einen Anschlussträger handeln, auf dem der Sender und der Empfänger mechanisch befestigt und über den der Sender und der Empfänger elektrisch kontaktierbar sind. Dabei ist es möglich, dass auch eine Verschaltung der Oberflächenemitter untereinander sowie der Photodioden untereinander über den Träger erfolgt. Der Träger kann Durchkontaktierungen durch den Träger hindurch aufweisen, die es ermöglichen, dass die Vorrichtung oberflächenmontierbar ausgeführt ist. Die Vorrichtung umfasst dann beispielsweise ein Gehäuse oder einen Vergusskörper für den Sender und den Empfänger, die ein optisches Element umfassen oder bilden, welches elektromagnetische Strahlung vom Sender zum Empfänger lenkt oder leitet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die optoelektronische Vorrichtung einen ersten Träger, auf dem der Sender angeordnet ist, und einen zweiten Träger, auf dem der Empfänger angeordnet ist, wobei der erste Träger und der zweite Träger einander gegenüberliegend angeordnet sind. In diesem Fall sind Sender und Empfänger nicht auf einem gemeinsamen Träger ausgebildet, sondern beispielsweise durch ein Gehäuse oder einen Vergusskörper miteinander verbunden, der zwischen dem ersten Träger und dem zweiten Träger angeordnet ist. Dies ermöglicht einen modularen Aufbau der Vorrichtung, so dass auf besonders einfache Weise bei der Herstellung unterschiedliche Sender mit gleichen Empfängern oder umgekehrt kombiniert werden können.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Vorrichtung umfasst der Empfänger eine Vielzahl von Photodioden, die mittels Tunnelübergänge miteinander verbunden sind. Das heißt, die Photodioden sind beispielsweise als detektierende Schichten ausgebildet, zwischen denen Tunnelübergänge angeordnet sind, welche die detektierenden Schichten miteinander in Reihe verschalten. Die Photodioden können dabei in einem gemeinsamen Halbleiterkörper angeordnet und gemeinsam epitaktisch hergestellt sein. Die Photodioden sind in diesem Fall monolithisch miteinander integriert. Dabei ist es insbesondere möglich, dass die unterschiedlichen Photodioden dazu eingerichtet sind, bei unterschiedlichen Wellenlängen oder unterschiedlichen Wellenlängenbereichen eine besonders hohe Absorption aufzuweisen. Insgesamt ist es auf diese Weise möglich, den Empfänger mit einer Vielzahl von Photodioden besonders kompakt auszubilden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung umfasst der Sender zwei oder mehr Oberflächenemitter, die dazu eingerichtet sind, elektromagnetische Strahlung aus unterschiedlichen Wellenlängenbereichen zu emittieren, und der Empfänger umfasst zwei oder mehr Photodioden, die auf die unterschiedlichen Wellenlängenbereiche abgestimmt sind. Dabei kann der Empfänger beispielsweise Photodioden umfassen, die mittels Tunnelübergänge miteinander verbunden sind. Auf diese Weise können Oberflächenemitter, die elektromagnetische Strahlung in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen emittieren, ihre Strahlung auf die Strahlungseintrittsfläche des Empfängers richten und die Strahlung wird dort hauptsächlich von der Photodiode absorbiert, welche auf den Wellenlängenbereich abgestimmt ist.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Vorrichtung umfasst der Oberflächenemitter einen Resonator mit einer Resonatorachse, die parallel zu einer Haupterstreckungsebene eines aktiven Bereichs des Oberflächenemitters verläuft. Im aktiven Bereich des Oberflächenemitters wird im Betrieb elektromagnetische Strahlung erzeugt. Der Oberflächenemitter ist dabei dazu eingerichtet, dass die elektromagnetische Strahlung den Oberflächenemitter quer oder senkrecht zur Resonatorachse verlässt. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem Oberflächenemitter beispielsweise um eine Laserdiode, die einen aktiven Bereich aufweist, der nach Art eines Kantenemitters ausgebildet ist. In der Laserdiode findet jedoch eine Umlenkung der elektromagnetischen Strahlung derart statt, dass die Strahlung den Oberflächenemitter quer oder senkrecht zur Haupterstreckungsebene des aktiven Bereichs verlässt. Ein derartiger Oberflächenemitter ist in einem anderen Zusammenhang beispielsweise in der Druckschrift
WO 2019/170636 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt hiermit ausdrücklich durch Rückbezug aufgenommen ist. Das heißt, der Oberflächenemitter kann insbesondere wie der dort beschriebene Halbleiterlaser ausgebildet sein.
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Ein solcher Oberflächenemitter kann zum Beispiel ausschließlich mit On-Wafer-Prozessen hergestellt werden, was die Produktionskosten deutlich reduziert. Darüber hinaus ermöglicht die vertikale Emission, dass Sender und Empfänger auf parallelen Ebenen montiert werden können, was ein kompakteres Packaging ermöglicht.
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Im Folgenden wird die hier beschriebene optoelektronische Vorrichtung anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.
- Die 1 bis 18 zeigen schematische Darstellungen, anhand derer Ausführungsbeispiele von hier beschriebenen Vorrichtungen näher erläutert sind.
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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.
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1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer hier beschriebenen Vorrichtung. Die Vorrichtung umfasst einen Sender 1, der zumindest einen, insbesondere mehrere Oberflächenemitter 10 umfasst. Ferner umfasst die Vorrichtung einen Empfänger 3, der zumindest eine, insbesondere mehrere Photodioden 30 umfasst. Sender 1 und Empfänger 3 sind an der Deckfläche 71 eines Trägers 7 angeordnet.
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Die Oberflächenemitter 10 umfassen jeweils eine Strahlungsaustrittsfläche 11, die von der Deckfläche 71 des Trägers 7 weggerichtet ist. Die Photodioden 30 umfassen jeweils eine Strahlungseintrittsseite 31, die von der Deckfläche 71 weggerichtet ist.
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Sender 1 und Empfänger 3 sind von einem gemeinsamen Vergusskörper 6 umgeben. Der Vergusskörper 6 ist mit einem transparenten Material ausgebildet, das für die Wellenlänge der im Sender 1 erzeugten elektromagnetischen Strahlung 2 transparent ist. Zum Beispiel liegt die elektromagnetische Strahlung 2 in einem Wellenlängenbereich von wenigstens 800 bis höchstens 950 nm. Der Vergusskörper 6 kann beispielsweise mit einem epoxid- oder einem silikonbasierten Material gebildet sein. Der Vergusskörper 6 ist an die Oberflächenemitter 10 und die Photodioden 30 angeformt und bedeckt Oberflächen dieser Komponenten, die nicht vom Träger 7 bedeckt sind.
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Der Vergusskörper 6 bildet eine Optik 4 zum Lenken, Leiten und/oder Bündeln der elektromagnetischen Strahlung 2.
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Im Ausführungsbeispiel der 1 umfasst die Optik 4 optische Elemente 41, die als reflektierende Flächen ausgebildet sind. Die vom Sender 1 emittierte elektromagnetische Strahlung 2 wird zunächst von einem optischen Element 41 reflektiert, so dass sie parallel zur Haupterstreckungsebene oder Deckfläche 71 des Trägers 7 verläuft. Nach einer weiteren Reflexion an einem weiteren optischen Element 41 verläuft die elektromagnetische Strahlung 2 senkrecht zur Haupterstreckungsebene oder Deckfläche 71 des Trägers 7 und trifft an der Strahlungseintrittsseite 31 auf den Empfänger 3.
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Am Sender 1 liegt eine Eingangsspannung UI an. Am Empfänger 3 liegt eine Ausgangsspannung UO an. Die Eingangsspannung und die Ausgangsspannung können gleich oder unterschiedlich sein. Die optoelektronische Vorrichtung kann damit zur Übertragung von Energie und/oder zur Spannungswandlung eingerichtet sein.
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Die Umlenkung der elektromagnetischen Strahlung 2 an den optischen Elementen 41 kann beispielsweise durch Totalreflexion erfolgen oder die Außenfläche des Vergusskörpers 6 kann mit einem reflektierenden Material beschichtet sein, das zur Reflexion der elektromagnetischen Strahlung 2, zum Beispiel aus dem Infrarotbereich, eingerichtet ist. Zum Beispiel kann das optische Element 41 eine Beschichtung aus Gold oder Silber umfassen.
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In Verbindung mit der 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer hier beschriebenen Vorrichtung näher erläutert. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 1 umfasst das optische Element 42 der Optik 4 über dem Empfänger 3 eine Strukturierung, die beispielsweise als Freiformlinse oder Mikrostruktur ausgebildet sein kann. Ferner ist es möglich, dass die Strukturierung reflektierende Partikel, zum Beispiel aus Titandioxid, umfasst. Über ein solches optisches Element 42 kann die elektromagnetische Strahlung an der Strahlungseintrittsseite 31 über eine größere Fläche, zum Beispiel über viele Photodioden 30, verteilt werden. Dies eignet sich besonders gut, wenn die elektromagnetische Strahlung von einem Sender 1 mit beispielsweise weniger Oberflächenemitter 10 auf einen Empfänger 3 mit mehr Photodioden 30 als Oberflächenemitter 10 verteilt werden soll.
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In Verbindung mit der schematischen Schnittdarstellung der 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer hier beschriebenen optoelektronischen Vorrichtung näher erläutert. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 1 umfasst die Vorrichtung hier keinen Vergusskörper 6, sondern der Sender 1 und der Sender 3 sind von einem gemeinsamen Gehäuse 5 umgeben. Bei dem Gehäuse 5 handelt es sich beispielsweise um eine Abdeckung, welche eine Optik 4 bildet. Die Optik 4 umfasst im Ausführungsbeispiel der 3 optische Elemente 41, die als reflektierende Flächen ausgebildet sind. Das Gehäuse 5 kann beispielsweise mit einem Metall oder einem Kunststoffmaterial wie einem epoxid- oder silikonbasierten Material gebildet sein. Die optischen Elemente 41 können beispielsweise durch eine reflektierende Beschichtung mit Gold oder Silber oder reflektierende Teilchen, die beispielsweise Titandioxid umfassen, gebildet sein.
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Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 3 zeigt die schematische Schnittdarstellung der 4 ein Ausführungsbeispiel einer hier beschriebenen Vorrichtung, bei der über dem Empfänger 3 ein optisches Element 42 ausgebildet ist, das eine Strukturierung umfasst, die zum Beispiel eine Freiformlinse ist oder Strahlung streuend ausgebildet ist, um die elektromagnetische Strahlung 2 wiederum über eine größere Fläche zu verteilen.
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In Verbindung mit den schematischen Darstellungen der 5A und 5B ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer hier beschriebenen Vorrichtung näher erläutert. Die 5A zeigt dabei eine schematische Schnittdarstellung, die 5B zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer hier beschriebenen Vorrichtung.
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Im Ausführungsbeispiel der 5A und 5B umfasst die Vorrichtung eine Vielzahl von Photodioden 30, die auf der Deckfläche 71 des Trägers zum Beispiel punktsymmetrisch um den Sender 1, der zum Beispiel einen einzigen Oberflächenemitter 10 umfasst, angeordnet sind. Sender 1 und Empfänger 3 sind von einem Vergusskörper 6 umgeben, der eine Optik 4 bildet mit optischen Elementen 41, die strahlungsreflektierend ausgebildet sind. Die optischen Elemente 41 lenken die im Sender erzeugte elektromagnetische Strahlung 2 auf die Strahlungseintrittsseiten 31 der Photodioden 30 um. Dabei ist das optische Element 41 beispielsweise als kegelförmige Ausnehmung im Vergusskörper 6 ausgebildet, wobei die Mantelfläche des Kegels reflektierend ausgebildet ist. Anstelle des Vergusskörpers 6 kann auch ein entsprechend ausgebildetes Gehäuse 5, wie es in Verbindung mit den 3 und 4 beschrieben ist, Verwendung finden.
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In Verbindung mit den 6A, 6B und 6C sind anhand von schematischen Darstellungen weitere Ausführungsbeispiele von hier beschriebenen optoelektronischen Vorrichtungen näher erläutert. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 5A und 5B weist der Vergusskörper 6 hier mehrere optische Elemente 41 auf, die beispielsweise als reflektierende Flächen ausgebildet sind, welche die elektromagnetische Strahlung entweder in, wie in der 6B dargestellt, konzentrischen Ringe auf die Photodioden 30 lenken. Dabei ist der äußere Ring tiefer im Vergusskörper 6 ausgebildet als der innere Ring, um eine Abschattung durch den inneren Ring zu vermeiden.
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Alternativ ist es wie in der 6C gezeigt möglich, dass jeder Photodiode 30 ein optisches Element 41 eineindeutig zugeordnet ist.
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Alternativ zum Vergusskörper 6 können auch in den Ausführungsbeispielen der 6A bis 6C entsprechend ausgebildete Gehäuse 5 zum Einsatz kommen.
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Mit Vorteil ist für die optoelektronischen Vorrichtungen der Ausführungsbeispiele, die in Verbindung mit den 1 bis 6 beschrieben sind, ein dreidimensionales Packaging nicht erforderlich, da Sender und Empfänger auf der Deckfläche 71 eines gemeinsamen Trägers 7 angeordnet sind. Die optoelektronischen Vorrichtungen dieser Ausführungsbeispiele können daher beispielsweise auch auf Waferlevel hergestellt werden.
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In Verbindung mit der 7 ist anhand einer schematischen Schnittdarstellung ein Oberflächenemitter 10 für Ausführungsbeispiele von hier beschriebenen optoelektronischen Vorrichtungen näher erläutert. Der Oberflächenemitter 10 umfasst eine aktive Schicht 15, in der die elektromagnetische Strahlung 2 erzeugt wird. Die elektromagnetische Strahlung 2 wird von schräg verlaufenden Spiegeln 19 reflektiert, die beispielsweise in einem Winkel von wenigstens 30 bis höchstens 60°, insbesondere 45° zur Haupterstreckungsebene des aktiven Bereichs 15 und zur Resonatorachse 13 verlaufen.
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Die elektromagnetische Strahlung 2 wird weiter vom hochreflektierenden Spiegel 16 und vom teildurchlässigen Spiegel 20 reflektiert und kann am teildurchlässigen Spiegel 20 austreten.
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Eine Kontaktierung kann über den ersten Kontakt 17 und den zweiten Kontakt 18 erfolgen.
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Anders als in der 7 dargestellt, kann der Oberflächenemitter 10 auch mehrere aktive Bereiche 15 umfassen, die durch Tunneldioden miteinander verbunden und übereinander angeordnet sind. Dadurch sind höhere Ausgangsleistungen möglich. Falls zugleich der Empfänger 3 mehrere detektierende Schichten aufweist, können die Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung 2, die im Sender 1 erzeugt werden, und die detektierenden Schichten aufeinander abgestimmt sein.
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Der in der 7 dargestellte Oberflächenemitter kann eine Superlumineszenzdiode oder einen Laser ausbilden. Dies kann durch die Reflektivität des teildurchlässigen Spiegels 20 eingestellt werden. Ferner kann anstelle des hochreflektierenden Spiegels 16 ebenfalls ein teilreflektierender Spiegel zum Einsatz kommen. In diesem Fall kann der Oberflächenemitter 10 durch beide teilreflektierende Spiegel elektromagnetische Strahlung 2 emittieren.
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Anhand der schematischen Darstellung der 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer hier beschriebenen optoelektronischen Vorrichtung näher erläutert. In diesem Ausführungsbeispiel kann als Oberflächenemitter 10 beispielsweise der in Verbindung mit der 7 dargestellte Oberflächenemitter 10 zum Einsatz kommen. Dies trifft auf sämtliche Ausführungsbeispiele von hier beschriebenen optoelektronischen Vorrichtungen zu. Darüber hinaus ist es möglich, dass andere oberflächenemittierende Superlumineszenzdioden oder VCSEL als Oberflächenemitter 10 in den hier erläuterten Ausführungsbespielen zum Einsatz kommen.
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Im Ausführungsbeispiel der 8 ist der Sender 1 auf einem ersten Träger 8 angeordnet. Gegenüberliegend von Sender 1 ist der Empfänger 3 auf einem zweiten Träger 9 angeordnet. Der Raum zwischen dem Sender 1 und dem Empfänger 3 kann frei bleiben oder mit einem elektrisch isolierenden Material, zum Beispiel mit einem Vergusskörper, befüllt werden. Der Sender 1 wird mit der Eingangsspannung UI betrieben. Am Empfänger 3 fällt die Ausgangsspannung UO ab.
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Der Empfänger 3 umfasst eine Vielzahl von Photodioden 30, die nebeneinander am Träger 9 angeordnet sind.
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Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 8 ist in Verbindung mit der schematischen Schnittdarstellung der 9 ein Ausführungsbeispiel einer hier beschriebenen Vorrichtung näher erläutert, bei der der Oberflächenemitter 10 wie oben beschrieben zwei teilreflektierende Spiegel umfasst und daher an zwei Stellen elektromagnetische Strahlung 2 in Richtung des Empfängers 3 emittiert. Auf diese Weise kann bei einem gleichbleibenden Abstand zwischen Sender 1 und Empfänger 3 eine größere Fläche von Photodioden 30 beleuchtet werden.
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Im Ausführungsbeispiel der 10 ist anhand einer schematischen Schnittdarstellung eine optoelektronische Vorrichtung näher erläutert, die im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 9 ein Gehäuse 5 umfasst, welches eine Optik 4 bildet oder umfasst. Das Gehäuse 5 ist dabei an der dem Sender 1 und dem Empfänger 3 zugewandten Innenseite mit einem optischen Element 41 versehen, das als reflektierende Fläche ausgeführt ist. Das optische Element 41 kann beispielsweise durch eine reflektierende Beschichtung, wie sie weiter oben beschrieben ist, ausgebildet sein. Mit einer solchen Optik 40 ist es insbesondere möglich, einen größeren Anteil der Strahlung 2 auf die außenliegenden Photodioden 30 zu lenken, wodurch insgesamt die Photodioden 30 des Empfängers 3 gleichmäßiger ausgeleuchtet werden können als dies beim Ausführungsbeispiel der 9 der Fall ist.
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Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen der 8 bis 10 ist anhand der schematischen Schnittdarstellung der 11 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer hier beschriebenen optoelektronischen Vorrichtung erläutert, bei der an der Strahlungsaustrittsseite 11 des Oberflächenemitters 10 defraktive optische Elemente angeordnet sind, die dazu eingerichtet sind, die elektromagnetische Strahlung 10 gezielt auf die Strahlungseintrittsseiten 31 einzelner Photodioden 30 umzulenken. Dadurch werden inaktive Flächen zwischen den Photodioden 30 nicht bestrahlt, wodurch die Vorrichtung insgesamt effizienter wird. Nachteilig erfordert das Aufbringen der defraktiven optischen Elemente 4 einen erhöhten Justageaufwand.
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Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 11 ist in Verbindung mit der 12 ein Ausführungsbeispiel näher erläutert, bei dem die Optik 4 durch Strukturierungen 42 direkt im Halbleitermaterial des Oberflächenemitters 10 ausgebildet ist. Der teildurchlässige Spiegel 20 kann durch einen Bragg-Spiegel im Schichtenstapel des Oberflächenemitters 10 ausgeführt sein. Auf den teildurchlässigen Spiegel 20 kann verzichtet werden, sofern der Oberflächenemitter 10 als Superlumineszenzdiode betrieben wird. Das Einbringen der Optik 4 in den Oberflächenemitter 10 kann dabei im Unterschied zum Aufbringen von Optiken 4 auf den Oberflächenemitter 10 kosteneffizienter sein.
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Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen der 11 und 12 ist in Verbindung mit der schematischen Schnittdarstellung des Ausführungsbeispiels der 13 eine optoelektronische Vorrichtung beschrieben, bei der Optiken 4, die beispielsweise durch ein Mikrolinsenarray gebildet sind, an der Strahlungseintrittsseite 31 der Photodioden 30 angebracht sind. Dabei ist jeder Photodiode 30 eine Optik 4 eineindeutig zugeordnet.
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Das Aufbringen des Mikrolinsenarrays kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Beispielsweise ist es möglich, jede Mikrolinse einzeln auf die zugeordnete Photodiode aufzubringen. Ferner kann ein gleichzeitiges Aufbringen einer Vielzahl von Optiken 4 auf Waferebene beispielsweise durch Aufbringen von Spin-On Glas und nachfolgendes Strukturieren erfolgen. Darüber hinaus kann Spin-On Glas auf einen Photodiodenwafer aufgebracht werden, um die Photodioden 30 zu glätten, zu isolieren und vor mechanischen und chemischen äußeren Einflüssen zu schützen. Anschließend können diskrete Mikrolinsen, die zum Beispiel aus Siliziumdioxid bestehen, auf das Spin-On Glas aufgebracht werden. Dadurch sind Reflexionen zwischen dem Spin-On Glas und den aus dem gleichen Material bestehenden Mikrolinsen reduziert. Vorteilhaft weist die Vorrichtung hierbei eine besonders große Effizienz auf, da die gesamte elektromagnetische Strahlung auf die Photodioden 30 fokussiert wird. Im Vergleich zu defraktiven optischen Elementen, wie sie beispielsweise in Verbindung mit der 11 beschrieben sind, weist diese Lösung auch einen geringeren Justageaufwand auf. Nachteilig kann sich ergeben, dass das Aufbringen der Mikrolinsen auf Waferebene prozesstechnisch schwierig ist.
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In Verbindung mit der 14 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer hier beschriebenen Vorrichtung näher erläutert. Die schematische Schnittdarstellung der 14 zeigt mehrere Photodioden 30, die nebeneinander auf einem gemeinsamen zweiten Träger 9 angeordnet sind. Zwischen den Photodioden 30 sind Optiken 4 aufgebracht, welche optische Elemente 41 umfassen, die als reflektierende Flächen ausgebildet sind. Mit den Optiken 4 ist es möglich, Strahlung 2, die in dem Bereich zwischen den Photodioden 30 auftrifft, auf die Photodioden zu lenken.
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Diese Optiken 4 können auf Waferebene aufgebracht werden. Zum Beispiel können dazu elektrisch isolierende Strukturen zwischen die Photodioden eingebracht und geformt oder aufgeschleudert werden, auf die nachfolgenden optischen Elemente 41 als Metallbeschichtung aufgebracht werden.
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Ferner ist es möglich, einen vorstrukturierten Rahmen auf das Feld von Photodioden 30 aufzubringen und zu befestigen. Der Rahmen kann beispielsweise metallbedrucktes Polydimetallsiloxan umfassen.
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Ferner ist es alternativ möglich, Silikon und Metall durch eine Schablone in die Zwischenräume zwischen die Photodioden 3 einzubringen.
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Das dielektrische Material der Optik 4 zwischen den Photodioden kann diese elektrisch voneinander isolieren. Ferner stellt es einen mechanischen und chemischen Schutz der Photodioden, beispielsweise vor Feuchtigkeit, dar. Auch Leiterbahnen und Kontaktstellen auf dem Träger 9 können durch die Optiken 4 mechanisch und chemisch geschützt werden.
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In Verbindung mit der schematischen Schnittdarstellung der 15A ist eine Ausgestaltung des Empfängers 3 anhand einer schematischen Schnittdarstellung näher dargestellt, die in Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen optoelektronischen Vorrichtungen zum Einsatz kommen kann. Der Empfänger 3 umfasst dabei eine Vielzahl von Photodioden 30, die monolithisch integriert übereinander aufgewachsen sind. Die Photodioden 30 umfassen jeweils detektierende Schichten 33, die durch Tunnelübergänge 32 voneinander getrennt sind. Auf diese Weise sind die Photodioden 30 im Schichtenstapel in Serie miteinander verschaltet.
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Die schematische Schnittdarstellung der 16 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer hier beschriebenen Vorrichtung mit einem solchen Empfänger. Vorteilhafterweise kann die Fläche an der Strahlungseintrittsseite 31 dabei besonders groß ausgebildet sein.
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In Verbindung mit der 15B ist eine Ausgestaltung des Empfängers 3 gezeigt, bei der zwei Schichtenstapel von Photodioden 30, wie sie in der 15A dargestellt sind, miteinander in Serie verschaltet sind.
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Die schematische Schnittdarstellung der 17 zeigt eine entsprechende optoelektronische Vorrichtung, bei der zwei Strahlkegel aus elektromagnetischer Strahlung 2 auf die entsprechenden Abschnitte des Empfängers 3 gerichtet werden können.
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In Verbindung mit den schematischen Draufsichten der 18A bis 18C sind weitere Ausführungsbeispiele von hier beschriebenen optoelektronischen Vorrichtungen näher erläutert.
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Die schematische Schnittdarstellung der 18A zeigt eine Draufsicht auf mehrere Oberflächenemitter 10, die in Reihe oder parallel miteinander verschaltet werden können. Gegenüber den Oberflächenemittern 10 kann eine entsprechende Anzahl von Photodioden 30 angeordnet werden, die ebenfalls in Reihe und/oder parallel zueinander verschaltet werden können.
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Die schematische Draufsicht der 18C zeigt schematisch die Justage der Photodioden 30 zu den einzelnen Oberflächenemittern 10. Je nachdem, wie die Verschaltung der Oberflächenemitter 10 und der Photodioden 30 erfolgt, kann mit der Vorrichtung eine Spannungswandlung von niedrigeren Eingangsspannungen UI zu größeren Ausgangsspannungen UO oder von größeren Eingangsspannungen UI zu kleineren Ausgangsspannungen UO erfolgen.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sender
- 2
- elektromagnetische Strahlung
- 3
- Empfänger
- 4
- Optik
- 5
- Gehäuse
- 6
- Vergusskörper
- 7
- Träger
- 8
- erster Träger
- 9
- zweiter Träger
- 10
- Oberflächenemitter
- 11
- Strahlungsaustrittsseite
- 12
- Resonator
- 13
- Resonatorachse
- 14
- Haupterstreckungsebene
- 15
- aktiver Bereich
- 16
- hochreflektierender Spiegel
- 17
- erster Kontakt
- 18
- zweiter Kontakt
- 19
- Spiegel
- 20
- teildurchlässiger Spiegel
- 30
- Photodiode
- 31
- Strahlungseintrittsseite
- 32
- Tunnelübergang
- 33
- detektierende Schicht
- 41
- optisches Element (reflektierende Fläche)
- 42
- optisches Element (Strukturierung)
- 71
- Deckfläche
- UI
- Eingangsspannung
- UO
- Ausgangsspannung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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