DE102022110322A1 - ELECTROACOUSTIC TRANSDUCER, METHOD FOR DETECTING SOUND WAVES AND METHOD FOR CONVERTING SOUND WAVES INTO ELECTRICAL SIGNALS - Google Patents
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Abstract
Ein elektroakustischer Wandler (10) umfasst einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser (150, 1501,...1504) mit einem vertikalen Resonator (125), einer aktiven Zone (133) zur Emission elektromagnetischer Strahlung, einem ersten und einem zweiten Resonatorspiegel (120, 130). Der elektroakustische Wandler (10) umfasst weiterhin eine durch ein Schallwellenfeld (105) auslenkbaren Membran (135, 1351,... 1354), an der der erste Resonatorspiegel (120) angeordnet ist, und eine Detektorvorrichtung (152), die geeignet ist, die von dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser (150, 1501,...1504) emittierte elektromagnetische Strahlung nachzuweisen. An electroacoustic transducer (10) comprises a surface-emitting semiconductor laser (150, 150 1 ,...150 4 ) with a vertical resonator (125), an active zone (133) for emitting electromagnetic radiation, a first and a second resonator mirror (120, 130). The electroacoustic transducer (10) further comprises a membrane (135, 135 1 ,... 135 4 ), which can be deflected by a sound wave field (105), on which the first resonator mirror (120) is arranged, and a detector device (152) which is suitable is to detect the electromagnetic radiation emitted by the surface-emitting semiconductor laser (150, 150 1 ,...150 4 ).
Description
Ausführungsformen der Erfindung betreffen die Umwandlung von akustischen Signalen, wie beispielsweise Geräuschen, Sprache und Musik in elektrische Signale.Embodiments of the invention relate to the conversion of acoustic signals, such as noise, speech and music, into electrical signals.
Elektroakustische Wandler oder Mikrofone sind geeignet, Schallwellen in elektrische Signale umzuwandeln. Generell kann dies beispielsweise durch Messen der Verschiebung eines beweglichen Elements, beispielsweise einer Membran, die durch die Schallwellen auslenkbar ist, erfolgen. Die Auslenkung dabei kann durch unterschiedliche Verfahren ermittelt werden, beispielsweise kapazitive oder optische Verfahren, die auf Interferenz beruhen. Andere Messverfahren basieren auf piezoelektrischen Effekten.Electroacoustic transducers or microphones are suitable for converting sound waves into electrical signals. In general, this can be done, for example, by measuring the displacement of a movable element, for example a membrane, which can be deflected by the sound waves. The deflection can be determined using different methods, for example capacitive or optical methods that are based on interference. Other measurement methods are based on piezoelectric effects.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten elektroakustischen Wandler und ein verbessertes Verfahren zur Erfassung von Schallwellen oder zur Umwandlung von Schallwellen in elektrische Signale bereitzustellen.The present invention is based on the object of providing an improved electroacoustic transducer and an improved method for detecting sound waves or for converting sound waves into electrical signals.
Gemäß Ausführungsformen wird die Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.According to embodiments, the task is solved by the subject matter of the independent claims. Advantageous further developments are defined in the dependent claims.
Ein elektroakustischer Wandler weist einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser mit einem vertikalen Resonator, einer aktiven Zone zur Emission elektromagnetischer Strahlung, einem ersten und einem zweiten Resonatorspiegel sowie eine durch ein Schallwellenfeld auslenkbare Membran auf, an der der erste Resonatorspiegel angeordnet ist. Der elektroakustische Wandler umfasst weiterhin eine Detektorvorrichtung, die geeignet ist, die von dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser emittierte elektromagnetische Strahlung nachzuweisen.An electroacoustic transducer has a surface-emitting semiconductor laser with a vertical resonator, an active zone for emitting electromagnetic radiation, a first and a second resonator mirror and a membrane that can be deflected by a sound wave field and on which the first resonator mirror is arranged. The electroacoustic transducer further comprises a detector device which is suitable for detecting the electromagnetic radiation emitted by the surface-emitting semiconductor laser.
Beispielsweise kann der erste Resonatorspiegel auf einer von der aktiven Zone abgewandten Seite der Membran angeordnet sein.For example, the first resonator mirror can be arranged on a side of the membrane facing away from the active zone.
Gemäß Ausführungsformen ist der zweite Resonatorspiegel geeignet, die emittierte elektromagnetische Strahlung mindestens teilweise auszukoppeln.According to embodiments, the second resonator mirror is suitable for at least partially coupling out the emitted electromagnetic radiation.
Der elektroakustische Wandler kann ferner einen Wellenleiter aufweisen, der geeignet ist, die emittierte elektromagnetische Strahlung zur Detektorvorrichtung zu leiten.The electroacoustic transducer can further have a waveguide which is suitable for guiding the emitted electromagnetic radiation to the detector device.
Beispielsweise ist der oberflächenemittierende Halbleiterlaser mit vertikalem Resonator über einem Lasersubstrat angeordnet, und der Wellenleiter ist über einem Wellenleitersubstrat angeordnet. Das Lasersubstrat und das Wellenleitersubstrat sind übereinander angeordnet.For example, the vertical cavity surface emitting semiconductor laser is disposed over a laser substrate, and the waveguide is disposed over a waveguide substrate. The laser substrate and the waveguide substrate are arranged one above the other.
Gemäß Ausführungsformen weist die Detektorvorrichtung eine Vielzahl von wellenlängenselektiven Strahlteilern und jeweils zugehörigen Detektorelementen auf.According to embodiments, the detector device has a plurality of wavelength-selective beam splitters and associated detector elements.
Mindestens eines der Detektorelemente kann eine aktive Zone aufweisen, die Komponenten der aktiven Zone des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers enthalten.At least one of the detector elements may have an active zone that contains components of the active zone of the surface-emitting semiconductor laser.
Gemäß Ausführungsformen weist der elektroakustischer Wandler eine Vielzahl von oberflächenemittierenden Halbleiterlasern und eine Vielzahl von Membranen auf, wobei die Detektorvorrichtung geeignet ist, von der Vielzahl von oberflächenemittierenden Halbleiterlasern emittierte elektromagnetische Strahlung nachzuweisen.According to embodiments, the electroacoustic transducer has a plurality of surface-emitting semiconductor lasers and a plurality of membranes, wherein the detector device is suitable for detecting electromagnetic radiation emitted by the plurality of surface-emitting semiconductor lasers.
Beispielsweise haben mindestens zwei der Membranen eine verschiedene Größe.For example, at least two of the membranes have a different size.
Eine elektronische Vorrichtung umfasst den elektroakustischen Wandler wie vorstehend beschrieben. Die elektronische Vorrichtung kann beispielsweise aus einem Telefon, einem Smartphone, einer Unterhaltungselektronikvorrichtung, einem Kopfhörer mit eingebautem Mikrophon, einem Computer und einer tragbaren elektronischen Vorrichtung ausgewählt sein.An electronic device includes the electroacoustic transducer as described above. The electronic device may be selected from, for example, a telephone, a smartphone, a consumer electronic device, a headphone with a built-in microphone, a computer, and a portable electronic device.
Ein Verfahren zur Erfassung von Schallwellen umfasst das Zuführen der Schallwellen zu einer Laservorrichtung, deren Resonatorlänge durch Einwirkung von Schallwellen veränderbar ist, und das Ermitteln einer Intensität von von der Laservorrichtung emittierter elektromagnetischer Strahlung in Abhängigkeit von Wellenlänge und Zeit.A method for detecting sound waves includes supplying the sound waves to a laser device whose resonator length can be changed by the action of sound waves, and determining an intensity of electromagnetic radiation emitted by the laser device as a function of wavelength and time.
Ein Verfahren zur Umwandlung von Schallwellen in elektrische Signale umfasst das Zuführen der Schallwellen zu einer Laservorrichtung, deren Resonatorlänge durch Einwirkung von Schallwellen veränderbar ist, und das Erzeugen von elektrischen Signalen aus von der Laservorrichtung emittierter elektromagnetischer Strahlung.A method for converting sound waves into electrical signals includes supplying the sound waves to a laser device whose resonator length can be changed by the action of sound waves, and generating electrical signals from electromagnetic radiation emitted by the laser device.
Das Verfahren kann weiterhin das Aufteilen der emittierten elektromagnetischen Strahlung in Teilstrahlen mit jeweils unterschiedlichen Wellenlängen und das Nachweisen einer Intensität der jeweiligen Teilstrahlen umfassen.The method can further comprise dividing the emitted electromagnetic radiation into partial beams, each with different wavelengths, and detecting an intensity of the respective partial beams.
Beispielsweise umfasst die Laservorrichtung einen Halbleiterlaser mit zwei Resonatorspiegeln, wobei einer der Resonatorspiegel an einer durch ein Schallfeld auslenkbaren Membran angebracht ist.For example, the laser device comprises a semiconductor laser with two resonator mirrors, one of the resonator mirrors being attached to a membrane that can be deflected by a sound field.
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.
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1A zeigt eine schematische Ansicht eines elektroakustischen Wandlers gemäß Ausführungsformen. -
1B zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers mit einer Membran. -
1C veranschaulicht Komponenten einer Detektorvorrichtung. -
2 zeigt eine Ansicht eines elektroakustischen Wandlers gemäß weiteren Ausführungsformen. -
3 zeigt eine schematische Ansicht einer elektronischen Vorrichtung gemäß Ausführungsformen. -
4A fasst ein Verfahren gemäß Ausführungsformen zusammen. -
4B fasst ein weiteres Verfahren gemäß Ausführungsformen zusammen.
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1A shows a schematic view of an electroacoustic transducer according to embodiments. -
1B shows a schematic cross-sectional view of a surface-emitting semiconductor laser with a membrane. -
1C illustrates components of a detector device. -
2 shows a view of an electroacoustic transducer according to further embodiments. -
3 shows a schematic view of an electronic device according to embodiments. -
4A summarizes a method according to embodiments. -
4B summarizes another method according to embodiments.
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.In the following detailed description, reference is made to the accompanying drawings, which form a part of the disclosure and in which specific embodiments are shown for illustrative purposes. In this context, directional terminology such as "top", "bottom", "front", "back", "over", "on", "in front", "behind", "front", "behind", etc. is applied to the Orientation of the figures just described is related. Because the components of the embodiments may be positioned in different orientations, the directional terminology is for illustrative purposes only and is not limiting in any way.
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.The description of the exemplary embodiments is not limiting, since other exemplary embodiments also exist and structural or logical changes can be made without departing from the scope defined by the claims. In particular, elements of exemplary embodiments described below can be combined with elements of other of the exemplary embodiments described, unless the context states otherwise.
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.The terms “wafer” or “semiconductor substrate” used in the following description may include any semiconductor-based structure that has a semiconductor surface. Wafer and structure are understood to include doped and undoped semiconductors, epitaxial semiconductor layers, optionally supported by a base support, and other semiconductor structures. For example, a layer made of a first semiconductor material can be grown on a growth substrate made of a second semiconductor material, for example a GaAs substrate, a GaN substrate or a Si substrate, or of an insulating material, for example on a sapphire substrate.
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, AlGaInN, AlGaInBN, Phosphid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise grünes oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaAsP, Al-GaInP, GaP, AlGaP, sowie weitere Halbleitermaterialien wie GaAs, Al-GaAs, 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.Depending on the intended use, the semiconductor can be based on a direct or an indirect semiconductor material. Examples of semiconductor materials that are particularly suitable for generating electromagnetic radiation include, in particular, nitride semiconductor compounds, through which, for example, ultraviolet, blue or longer-wave light can be generated, such as GaN, InGaN, AlN, AlGaN, AlGaInN, AlGaInBN, phosphide semiconductor compounds, through which, for example, green or longer wavelength light can be generated, such as GaAsP, Al-GaInP, GaP, AlGaP, as well as other semiconductor materials such as GaAs, Al-GaAs, InGaAs, AlInGaAs, SiC, ZnSe, ZnO, Ga2O3, diamond, hexagonal BN and combinations of the materials mentioned . The stoichiometric ratio of the compound semiconductor materials can vary. Other examples of semiconductor materials may include silicon, silicon-germanium and germanium. In the context of this description, the term “semiconductor” also includes organic semiconductor materials.
Der Begriff „Substrat“ umfasst generell isolierende, leitende oder Halbleitersubstrate.The term “substrate” generally includes insulating, conductive or semiconductor substrates.
Die Begriffe „lateral“ und „horizontal“, wie in dieser Beschreibung verwendet, sollen eine Orientierung oder Ausrichtung beschreiben, die im Wesentlichen parallel zu einer Hauptoberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Dies kann beispielsweise die Oberfläche eines Wafers oder eines Chips (Die) sein.The terms “lateral” and “horizontal” as used in this specification are intended to describe an orientation or alignment that is substantially parallel to a major surface of a substrate or semiconductor body. This can be, for example, the surface of a wafer or a chip (die).
Die horizontale Richtung kann beispielsweise in einer Ebene senkrecht zu einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten liegen.The horizontal direction can, for example, lie in a plane perpendicular to a growth direction when growing layers.
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.The term "vertical" as used in this specification is intended to describe an orientation that is substantially perpendicular to the first surface of a substrate or semiconductor body. The vertical direction can, for example, correspond to a growth direction when growing layers.
Einzelheiten des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers 150 werden später unter Bezugnahme auf
Generell umfasst der Begriff „dielektrischer Spiegel“ jegliche Anordnung, die einfallende elektromagnetische Strahlung zu einem hohen Grad (beispielsweise >90%) reflektiert und nicht leitend ist. Beispielsweise kann eine dielektrische Spiegelschicht durch eine Abfolge von sehr dünnen dielektrischen Schichten mit jeweils unterschiedlichen Brechungsindizes ausgebildet werden. Beispielsweise können die Schichten abwechselnd einen hohen Brechungsindex (beispielsweise n>1,7) und einen niedrigen Brechungsindex (beispielsweise n<1,7) haben und als Bragg-Reflektor ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Schichtdicke λ/4 betragen, wobei λ die Wellenlänge des zu reflektierenden Lichts in dem jeweiligen Medium angibt. Die vom einfallenden Licht her gesehene Schicht kann eine größere Schichtdicke, beispielsweise 3λ/4 haben. Aufgrund der geringen Schichtdicke und des Unterschieds der jeweiligen Brechungsindizes stellt die dielektrische Spiegelschicht ein hohes Reflexionsvermögen bereit und ist gleichzeitig nicht leitend. Die dielektrische Spiegelschicht ist somit geeignet, Komponenten des Halbleiterbauelements voneinander zu isolieren. Eine dielektrische Spiegelschicht kann beispielsweise 2 bis 50 dielektrische Schichten aufweisen. Eine typische Schichtdicke der einzelnen Schichten kann etwa 30 bis 90 nm, beispielsweise etwa 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.In general, the term “dielectric mirror” includes any arrangement that reflects incident electromagnetic radiation to a high degree (e.g. >90%) and is non-conductive. For example, a dielectric mirror layer can be formed by a sequence of very thin dielectric layers, each with different refractive indices. For example, the layers can alternately have a high refractive index (for example n>1.7) and a low refractive index (for example n<1.7) and can be designed as a Bragg reflector. For example, the layer thickness can be λ/4, where λ indicates the wavelength of the light to be reflected in the respective medium. The layer seen from the incident light can have a larger layer thickness, for example 3λ/4. Due to the small layer thickness and the difference in the respective refractive indices, the dielectric mirror layer provides high reflectivity and is at the same time non-conductive. The dielectric mirror layer is therefore suitable for isolating components of the semiconductor component from one another. A dielectric mirror layer can have, for example, 2 to 50 dielectric layers. A typical layer thickness of the individual layers can be approximately 30 to 90 nm, for example approximately 50 nm. The layer stack can further contain one or two or more layers that are thicker than about 180 nm, for example thicker than 200 nm.
Gemäß weiteren Ausführungsformen können der erste und/oder der zweite Resonatorspiegel Halbleiterschichten aufweisen.According to further embodiments, the first and/or the second resonator mirror may have semiconductor layers.
Der erste Resonatorspiegel 120 ist an einer Membran 135 angebracht. Beispielsweise kann der erste Resonatorspiegel 120 auf einer von der aktiven Zone 133 abgewandten Seite der Membran 135 angeordnet sein. Auf diese Weise ist die Anordnung aus oberflächenemittierendem Halbleiterlaser und Membran 135 besonders einfach herstellbar. Gemäß Ausführungsformen kann die Anordnung von erstem Resonatorspiegel 120 und Membran 135 durch ein Gehäuse 127 von der aktiven Zone 133 beabstandet sein. Der optische Resonator 125 kann als Ergebnis einen Luftspalt 124 aufweisen.The
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann der erste Resonatorspiegel 120 auch auf einer der aktiven Zone 133 zugewandten Seite der Membran 135 angeordnet sein.According to further embodiments, the
Die aktive Zone 133 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.The
Der oberflächenemittierende Halbleiterlaser kann auf beliebigen Materialsystemen beruhen, beispielsweise auf dem GaAs/AlGaAs-Materialsystem, dem Phosphid- oder dem Nitrid-Materialsystem. Beispielsweise kann ein geeignetes schallwellentransparentes mechanisches Schutzelement über dem ersten Resonatorspiegel 120 angeordnet sein.The surface-emitting semiconductor laser can be based on any material system, for example on the GaAs/AlGaAs material system, the phosphide or the nitride material system. For example, a suitable sound wave-transparent mechanical protective element can be arranged above the
Der oberflächenemittierende Halbleiterlaser 150 umfasst weiterhin eine erste Halbleiterschicht 110 von einem ersten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise p-leitend und eine zweite Halbleiterschicht 115 von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise n-leitend. Die erste Halbleiterschicht 110 und die zweite Halbleiterschicht sind in elektrischem Kontakt mit der aktiven Zone 133 angeordnet, wobei die aktive Zone 133 zwischen der ersten und der zweiten Halbleiterschicht angeordnet ist. Ein erstes Kontaktelement 139 ist beispielsweise mit der ersten Halbleiterschicht 110 elektrisch verbunden. Ein zweites Kontaktelement 141 ist beispielsweise mit der zweiten Halbleiterschicht 115 elektrisch verbunden. Die zweite Halbleiterschicht 115 und das zweite Kontaktelement 141 können beispielsweise auf einer der aktiven Zone 133 zugewandten Seite des zweiten Resonatorspiegels 130 angeordnet sein. Das zweite Kontaktelement 141 kann über eine Kontaktöffnung in der Halbleiterschichtanordnung mit einer Verdrahtungsebene 143, die an der von der aktiven Zone 133 abgewandten Seite des zweiten Resonatorspiegel 130 angeordnet ist, verbunden sein.The surface-emitting
Wenn eine geeignete elektrische Spannung an das erste Kontaktelement 139, beispielsweise über den ersten Anschluss 140, sowie an das zweite Kontaktelement 141, beispielsweise über den zweiten Anschluss 142, angelegt wird, wird elektromagnetische Strahlung in der Zone 133 erzeugt. Der in die aktive Zone eingeprägte Strom kann durch die Apertur 137 beschränkt werden.If a suitable electrical voltage is applied to the
Eine Membran 135, die durch ein einfallendes Schallwellenfeld 105 auslenkbar ist, ist beispielsweise über dem Gehäuse 127 derartig aufgebracht, dass sie bei Einwirken eines Schallwellenfeldes schwingt und somit die Resonatorlänge des Resonators 125 verändert. Die Resonatorlänge bestimmt die Wellenlänge, die von dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser emittiert wird. Entsprechend wird durch das Schallwellenfeld zeitlich modulierte elektromagnetische Strahlung erzeugt.A
Das zweite Kontaktelement 141 weist beispielsweise eine Öffnung auf, durch die die elektromagnetische Strahlung in den darunterliegenden Wellenleiter 149 gekoppelt werden kann. Beispielsweise kann der Wellenleiter 149 über einem Wellenleitersubstrat 147 ausgebildet sein und über eine Verbindungsschicht 145 mit dem Lasersubstrat 100 verbunden sein. Beispielsweise kann der Wellenleiter 149 in einem SOI („Silicon-on-Insulator“)-Substrat ausgebildet sein. Entsprechend ist die Schicht, in der der Wellenleiter 149 ausgebildet ist, über eine Isolatorschicht 151 mit dem darunterliegenden Wellenleitersubstrat 147 mechanisch verbunden. Beispielsweise kann die Verbindungsschicht 145 an Seitenwände des Wellenleiters angrenzen und somit eine Mantelschicht darstellen. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann der Bereich, der an die Seitenwände des Wellenleiters 149 angrenzt, auch ein Hohlraum sein, so dass sich eine optische Führung ergibt. Das Material des Wellenleiters kann jedes geeignete Wellenleitermaterial sein und beispielsweise weitere Halbleitermaterialien, beispielsweise III-V-Halbleiter umfassen. Entsprechend kann auch das Wellenleitersubstrat 147 in beliebig anderer Weise ausgeführt sein.The
Die Membran 135 kann in einer Weise aufgebaut sein, dass sie durch ein Schallwellenfeld auslenkbar ist.The
Beispielsweise kann ein Material der Membran 135 AlN, SiN oder eine Kombination aus diesen Materialien umfassen. Beispielsweise kann eine Schichtdicke der Membran kleiner als eine Emissionswellenlänge der emittierten elektromagnetischen Strahlung sein. Ein Luftspalt 124 kann zwischen der Membran 135 und dem darunterliegenden Halbleitermaterial, beispielsweise der aktiven Zone 133 angeordnet sein. For example, a material of the
Die Länge des Luftspalts 124 kann entsprechend den zu erzielenden optischen Eigenschaften eingestellt werden.The length of the
Beispielsweise kann die Membran 135 unter Verwendung einer geeigneten Opferschicht, die nach Herstellung der Schichten für die Membran geätzt wird, hergestellt werden. Ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung einer geeigneten Membran ist beispielsweise in
Bei einfallender elektromagnetischer Strahlung kann in dem jeweiligen Detektorelement 1551,...155n ein elektrisches Signal erzeugt werden, das über die zugehörige Messeinrichtung 166 nachgewiesen werden kann. Das zugehörige Signal kann anschließend einer Verarbeitungseinrichtung 170 zugeleitet werden, wo aus den Ausgangssignalen der einzelnen Detektorelemente 1551,...155n ein Signal ermittelt wird, das die Schallfeldinformation wiedergibt. Beispielsweise können die Detektorelemente 1551, ... 155n jeweils identisch ausgeführt sein.When electromagnetic radiation is incident, an electrical signal can be generated in the respective detector element 155 1 ,... 155 n , which can be detected via the associated measuring device 166. The associated signal can then be fed to a
Die wellenlängenselektiven Strahlteiler 1531, ... 153n können in beliebiger Weise ausgeführt sein und beispielsweise passive wellenlängenselektive Strahlteiler wie Mach-Zehnder-Interferometer, dielektrische Interferenz-Dünnschichtfilter, Wellenleiter-Gitterrouter, passive Ringfilter oder Mikroringresonatoren und andere, wie sie allgemein bekannt sein, umfassen.The wavelength-
Die Anzahl der zu verwendenden wellenlängenselektiven Strahlteiler 1531, ... 153n und Detektorelemente 1551,...155n wird anhand der zu erzielenden Auflösung bestimmt. Die Spannbreite der nachzuweisenden Wellenlängen ist durch den Abstimmbereich des verwendeten VCSELs bestimmt. Jeder bestimmten Laserwellenlänge entspricht dabei ein eindeutiges Intensitätsprofil an den einzelnen Detektorelementen 1551, ... 155n.The number of wavelength-
Der beschriebene elektroakustische Wandler beruht damit auf einem Wandlerkonzept, bei dem durch ein einfallendes Schallfeld die Länge des optischen Resonators eines Lasers und damit die Emissionswellenlänge des Lasers moduliert wird. Da es erprobte Konzepte zur Messung der Intensität in Abhängigkeit der Wellenlänge gibt, weist der elektroakustische Wandler verbesserte Eigenschaften im Vergleich zu herkömmlichen Konzepten auf. Der elektroakustische Wandler lässt ein hohes Signal-to-Noise-Verhältnis (SNR) erwarten und zeichnet sich durch eine größere mechanische Robustheit aus. Insbesondere liegt kein offener Resonator vor, sondern der Wandler kann mechanisch, beispielsweise durch ein Gitter, geschützt werden. Es gibt eine gro-ße Auswahl an möglichen Materialsystemen, insbesondere können III-V-Halbleitermaterialien verwendet werden. Der elektroakustische Wandler wird gar nicht oder nur in geringem Maße durch elektromagnetische Störstrahlung beeinflusst. Der beschriebene elektroakustische Wandler kann leicht skaliert und modularisiert werden.The electroacoustic transducer described is therefore based on a transducer concept in which the length of the optical resonator of a laser and thus the emission wavelength of the laser is modulated by an incident sound field. Since there are proven concepts for measuring intensity as a function of wavelength, the electroacoustic transducer has improved properties compared to conventional concepts. The electroacoustic transducer can be expected to have a high signal-to-noise ratio (SNR) and is characterized by greater mechanical robustness. In particular, there is no open resonator, but the transducer can be protected mechanically, for example by a grid. There is a large selection of possible material systems, in particular III-V semiconductor materials can be used. The electroacoustic transducer is not influenced at all or only to a small extent by electromagnetic interference. The electroacoustic transducer described can be easily scaled and modularized.
Durch eine Kombination unterschiedlich designter und unterschiedlich empfindlicher Elemente ist es möglich, einen noch größeren Dynamik- oder Sensitivitätsbereich zu erhalten. Dies wird nachstehend näher ausgeführt.By combining differently designed and differently sensitive elements, it is possible to obtain an even larger dynamic or sensitivity range. This is explained in more detail below.
Die Komponenten der jeweiligen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser 1501, ... 1504 können identisch sein. Die Wellenleiter, die von den jeweiligen oberflächenemittierenden Halbleiterlasern 150 emittierte elektromagnetische Strahlung zu der Detektorvorrichtung 152 leiten, können wie in
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.Although specific embodiments have been illustrated and described herein, those skilled in the art will recognize that the specific embodiments shown and described may be replaced by a variety of alternative and/or equivalent embodiments without departing from the scope of the invention. The application is intended to cover any adaptations or variations of the specific embodiments discussed herein. Therefore, the invention is limited only by the claims and their equivalents.
BEZUGSZEICHENLISTEREFERENCE SYMBOL LIST
- 1010
- elektroakustischer Wandlerelectroacoustic transducer
- 2020
- elektronische Vorrichtungelectronic device
- 100100
- LasersubstratLaser substrate
- 105105
- SchallwellenfeldSound wave field
- 110110
- erste Halbleiterschichtfirst semiconductor layer
- 115115
- zweite Halbleiterschichtsecond semiconductor layer
- 120120
- erster Resonatorspiegelfirst resonator mirror
- 124124
- Luftspaltair gap
- 125125
- optischer Resonatoroptical resonator
- 127127
- GehäuseHousing
- 130130
- zweiter Resonatorspiegelsecond resonator mirror
- 133133
- aktive Zoneactive zone
- 135, 1351, 1352, 1353, 1354135, 1351, 1352, 1353, 1354
- Membranmembrane
- 137137
- Aperturaperture
- 139139
- erstes Kontaktelementfirst contact element
- 140140
- erster Anschlussfirst connection
- 141141
- zweites Kontaktelementsecond contact element
- 142142
- zweiter Anschlusssecond connection
- 143143
- VerdrahtungsebeneWiring level
- 145145
- VerbindungsschichtConnection layer
- 147147
- WellenleitersubstratWaveguide substrate
- 149149
- Wellenleiterwaveguide
- 150, 1501, 1502, 1503, 1504150, 1501, 1502, 1503, 1504
- oberflächenemittierender Halbleiterlasersurface emitting semiconductor laser
- 151151
- Isolatorschichtinsulator layer
- 152152
- DetektorvorrichtungDetector device
- 1531, ...153n1531, ...153n
- wellenlängenselektiver Strahlteilerwavelength-selective beam splitter
- 1551, ...155n1551, ...155n
- DetektorelementDetector element
- 1561, ...156n1561, ...156n
- TeilstrahlPartial beam
- 161161
- erste Halbleiterschichtfirst semiconductor layer
- 162162
- zweite Halbleiterschichtsecond semiconductor layer
- 163163
- aktive Zoneactive zone
- 166, ...166n166, ...166n
- MesseinrichtungMeasuring device
- 170170
- VerarbeitungseinrichtungProcessing facility
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited
- G. D. Cole „Short-Wavelength MEMS-Tunable VCSELs“, Optics Express 16103, 29 [0044]G. D. Cole “Short-Wavelength MEMS-Tunable VCSELs”, Optics Express 16103, 29 [0044]
- D. D. John et al., „White Band Electrically-Pumped 1050 nm MEMS-Tunable VCSELs for Ophthalmie Imaging“ J. Lightwave Technol. 2015, August 15, 33(16): 3461-3468 [0044]D. D. John et al., “White Band Electrically-Pumped 1050 nm MEMS-Tunable VCSELs for Ophthalmia Imaging,” J. Lightwave Technol. 2015, August 15, 33(16): 3461-3468 [0044]
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- 2023-04-20 WO PCT/EP2023/060327 patent/WO2023208734A1/en unknown
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G. D. Cole „Short-Wavelength MEMS-Tunable VCSELs", Optics Express 16103, 29 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2023208734A1 (en) | 2023-11-02 |
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