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Hintergrund
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Viele Messungen von Interesse beinhalten die Messung der Reaktion einer Probe auf einen Lichtstrahl einer bekannten Wellenlänge als Funktion der Wellenlänge. Die Lichtquelle für viele dieser Messungen ist ein abstimmbarer Laser. Spektrographische Systeme im mittleren Infrarotbereich (MIR) des Spektrums, die Quantenkaskadenlaser verwenden, sind besonders nützlich bei der Identifizierung der chemischen Zusammensetzung einer Probe, da diese Laser über einen breiten Wellenlängenbereich im Bereich des interessierenden Spektrums eingestellt werden können. Für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung wird MIR als Licht zwischen den Wellenlängen von 2,5 Mikrometern und 50 Mikrometern definiert.
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Der abstimmbare Laser umfasst typischerweise einen Verstärkerchip oder ein anderes Verstärkungsmedium, das Licht über einen Bereich von Wellenlängen verstärkt, und einen Hohlraum, der einen Wellenlängenfilter enthält, der die Resonanzwellenlänge des Filters bestimmt. Bei einer Art von Laser mit externem Resonator wird der Resonator zum Beispiel durch eine Facette des Verstärkerchips und ein Beugungsgitter gebildet, das Licht der gewünschten Wellenlänge zurück zum Verstärkerchip reflektiert. In dieser Anordnung kann die Wellenlänge des Laserlichts variiert werden, indem der Winkel verändert wird, unter dem das Licht, das den Verstärkerchip verlässt, auf das Gitter trifft.
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Der Laserabstimmbereich wird durch Details des externen Hohlraums und die Verstärkung als Funktion der Wellenlänge des Verstärkerchips bestimmt. Es wäre vorteilhaft, das Verstärkungsprofil als Funktion der Wellenlänge für den Verstärkerchip zu messen, ohne den Verstärkerchip in einen Laser mit externem Resonator integrieren zu müssen.
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Zusammenfassung
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Die vorliegende Erfindung umfasst ein System, das zur Charakterisierung von Verstärkerchips geeignet ist, und ein Verfahren zur Charakterisierung von Verstärkerchips. Das System umfasst eine Untersuchungslichtquelle, die ein Ausgangslichtsignal erzeugt, das durch eine Wellenlänge gekennzeichnet ist, die als Reaktion auf ein Wellenlängensteuersignal variiert werden kann, und einen Montagetisch, der zur Aufnahme eines Verstärkerchips geeignet ist, der durch einen Wellenleiter mit einer reflektierenden Fläche auf einer ersten Oberfläche des Verstärkerchips und einer transparenten Fläche auf einer zweiten Oberfläche des Verstärkerchips gekennzeichnet ist. Das System umfasst auch ein optisches System, das das Ausgangslichtsignal durch die transparente Fläche in den Wellenleiter fokussiert; und einen Controller, der die Untersuchungslichtquelle veranlasst, das Ausgangslichtsignal zu erzeugen und eine Lichtintensität sowohl mit als auch ohne Betreiben des Verstärkerchips für jede einer Vielzahl verschiedener Wellenlängen zu messen, um ein Verstärkungsprofil für den Verstärkerchip zu bilden.
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In einem Aspekt umfasst die Untersuchungslichtquelle einen abstimmbaren Quantenkaskadenlaser (quantum cascade laser, QCL). In einem anderen Aspekt umfassen die Untersuchungslichtquellen einen QCL, der Licht im MIR emittiert.
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In einem anderen Aspekt fokussiert das optische System das Ausgangslichtsignal auf einen Punkt auf der transparenten Fläche, der durch einen Ort gekennzeichnet ist, wobei sich der Punkt an einem von dem Controller bestimmten Punkt befindet.
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In einem anderen Aspekt bewirkt der Controller, dass sich der Punkt über die transparente Fläche bewegt, während er eine Intensität des Lichts, das den Verstärkerchip verlässt, als Funktion der Position des Punkts auf der transparenten Fläche misst, während der Verstärkerchip betrieben wird.
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In einem anderen Aspekt enthält das Ausgangslichtsignal einen kollimierten Lichtstrahl und das optische System enthält ein optisches Element, das den kollimierten Lichtstrahl auf einen Punkt auf der transparenten Fläche fokussiert.
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In einem anderen Aspekt bewegt sich das optische Element entlang einer Bahn, die parallel zu der transparenten Fläche verläuft, mit einem Abstand von der transparenten Fläche, der konstant bleibt, während sich das optische Element entlang der Bahn bewegt.
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In einem anderen Aspekt bewegt der Montagetisch den Verstärkerchip so, dass der Verstärkerchip parallel zur transparenten Fläche ist.
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In einem anderen Aspekt wiederholt der Controller die Messungen für eine Vielzahl unterschiedlicher Leistungspegel im Verstärkerchip.
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In einem anderen Aspekt enthält das System einen Reflexionsstandard mit einem bekannten Reflexionsvermögen als Funktion der Wellenlänge des Lichts im Ausgangslichtsignal, wobei der Reflexionsstandard so positioniert ist, dass der Controller das optische System dazu veranlassen kann, das Ausgangslichtsignal auf den Reflexionsstandard zu fokussieren und eine Intensität des vom Reflexionsstandard reflektierten Lichts zu messen.
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In einem anderen Aspekt ist der Controller so konfiguriert, dass er eine Intensität des von der transparenten Fläche reflektierten Lichts an Stellen misst, die den Wellenleiter nicht einschließen.
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In einem anderen Aspekt enthält der Verstärkerchip ein polarisiertes Medium, das durch eine Chipebene der Polarisation gekennzeichnet ist, und das Ausgangslichtsignal wird mit einer Polarisationsebene polarisiert, die eine Komponente hat, die mit der Chipebene der Polarisation ausgerichtet ist.
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In einem anderen Aspekt enthält die Untersuchungslichtquelle eine Polarisationsanordnung, die die Polarisationsebene des Ausgangslichtsignals als Reaktion auf Signale von dem Controller einstellt.
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In einem anderen Aspekt enthält der Tisch einen Aktuator, der den Verstärkerchip als Reaktion auf Signale vom Controller um eine Achse senkrecht zur transparenten Fläche dreht.
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Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Charakterisierung eines Verstärkerchips mit einem Wellenleiter, der eine reflektierende Fläche auf einer ersten Oberfläche des Verstärkerchips und eine transparente Fläche auf einer zweiten Oberfläche des Verstärkerchips aufweist, wobei das Verfahren das Erzeugen eines Untersuchungslichtsignals umfasst, das durch eine Untersuchungswellenlänge gekennzeichnet ist; das Fokussieren des Lichtsignals in den Wellenleiter umfasst: und das Messen einer Intensität des Lichts für eine Vielzahl von verschiedenen Untersuchungswellenlängen umfasst, das die transparente Fläche verlässt, sowohl mit als auch ohne Betreiben des Verstärkerchip.
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In einem anderen Aspekt liegen die Untersuchungswellenlängen im MIR-Bereich.
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In einem anderen Aspekt umfasst das Verfahren das Fokussieren des Untersuchungslichtsignals an einer Vielzahl verschiedener Punkte auf der transparenten Fläche, während der Verstärkerchip betrieben wird, und das Messen einer Intensität des Lichts, das die transparente Fläche an jedem der Vielzahl verschiedener Punkte verlässt, um eine Position für den Wellenleiter zu bestimmen.
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In einem anderen Aspekt wird der Verstärkerchip von einer Verstärkerchip-Stromversorgung elektrisch betrieben, und die gemessenen Intensitäten werden für eine Vielzahl verschiedener Leistungspegel von der Verstärkerchip-Stromversorgung wiederholt.
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In einem anderen Aspekt umfasst das Verfahren das Messen einer Intensität des Untersuchungslichtsignals, das von der transparenten Fläche an Stellen reflektiert wird, die den Wellenleiter nicht einschließen.
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In einem anderen Aspekt umfasst das Verfahren das Messen einer Intensität des Untersuchungslichts, das von einem Reflexionsstandard reflektiert wird, um ein Reflexionsvermögen für die transparente Fläche zu bestimmen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine Ausführungsform eines Verstärkerchip-Charakterisierungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Chip-Charakterisierungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
- 3 zeigt eine Ausführungsform einer Abtastanordnung, die sowohl das absolute als auch das relative Reflexionsvermögen der Vorderseite des Verstärkerchips messen kann.
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Detaillierte Beschreibung
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Die Art und Weise, in der die vorliegende Erfindung ihre Vorteile bereitstellt, kann mit Bezug auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Charakterisierung eines QCL-Verstärkerchips leichter verstanden werden. Es wird jedoch offensichtlich sein, dass das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zur Charakterisierung anderer Verstärkerchips verwendet werden können.
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Im Allgemeinen ist der Verstärkerchip durch einen Wellenleiter gekennzeichnet, der eine aktive Schicht enthält, die das durch den Wellenleiter laufende Licht verstärkt, wenn der Verstärkerchip betrieben wird. Der Wellenleiter verbindet zwei Facetten des Verstärkerchips. Typischerweise ist die erste Facette eine reflektierende Oberfläche, und die zweite Facette ist mit einer Antireflexionsschicht versehen. Licht, das durch die zweite Facette in den Wellenleiter eingekoppelt wird, wird von der ersten Facette reflektiert. Licht, das durch den Hohlleiter läuft, ist der Absorption unterworfen. Das Ausmaß der Absorption ist eine Funktion der Wellenlänge des Lichts. Wenn der Verstärkerchip betrieben wird, wird Licht, das in den Hohlleiter eingekoppelt wird, um einen Betrag verstärkt, der von der Wellenlänge abhängt, und ein Teil des Lichts im Hohlleiter geht durch Absorption verloren.
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Nun wird auf 1 Bezug genommen, die eine Ausführungsform eines Verstärkerchip-Charakterisierungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Das System 10 injiziert ein Lichtsignal von der Untersuchungslichtquelle 16 in den Wellenleiter des Verstärkerchips 11 durch die transparente Fläche 12 des Verstärkerchips 11. Der Verstärkerchip 11 hat zwei gegenüberliegende Flächen, die im Folgenden als reflektierende Fläche und transparente Fläche bezeichnet werden. Licht tritt in den Verstärkerchip 11 durch die transparente Fläche ein und wird von der reflektierenden Fläche zurück zur transparenten Fläche reflektiert. Wenn der Verstärkerchip 11 betrieben wird (mit Strom versorgt wird) und die Lichtintensität verstärkt wird, hängt das Ausmaß der Verstärkung von der Wellenlänge des Lichts ab. Für die Zwecke dieser Anmeldung wird die Fläche, durch die das Licht in den Verstärkerchip eintritt, als die transparente Fläche definiert. Die transparente Fläche 12 enthält typischerweise eine Antireflexionsbeschichtung. Im Allgemeinen wird die transparente Fläche nicht perfekt durchlässig sein, und es wird andere Verluste innerhalb des Verstärkerchips geben. Die nicht perfekte Übertragung kann auch das Ergebnis von Absorption innerhalb des Verstärkerchips oder Teilreflexion an der reflektierenden Fläche sein.
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Das System 10 verwendet den Detektor 18, um die Intensität des Lichts zu messen, das den Verstärkerchip 11 verlässt, wenn der Verstärkerchip 11 betrieben wird (mit Strom versorgt wird) und wenn der Verstärkerchip 11 nicht betrieben wird (nicht mit Strom versorgt wird). Das Verhältnis dieser beiden Leistungsmessungen kann verwendet werden, um die Nettoverstärkung zu messen, die vom Verstärkerchip 11 bei der Wellenlänge des von der Untersuchungslichtquelle 16 gelieferten Lichts bereitgestellt wird.
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Die Untersuchungslichtquelle 16 erzeugt vorzugsweise einen monochromatischen kollimierten Lichtstrahl 17, der durch eine Wellenlänge gekennzeichnet ist, die durch den Controller 20 gesteuert wird. Der kollimierte Lichtstrahl 17 passiert den Strahlteiler 14 und wird auf die transparente Fläche des Verstärkerchips 11 an einer Stelle fokussiert, die sicherstellt, dass das Licht in den Wellenleiter des Verstärkerchips 11 injiziert wird. Der Teil des kollimierten Lichtstrahls 17, der nicht durch den Strahlteiler 14 läuft, bildet einen Strahl 21, der in der vorliegenden Ausführungsform zu einer Strahlensenke geleitet wird. In anderen Ausführungsformen kann es sinnvoll sein, einen Detektor vorzusehen, der die Strahlintensität im Strahl 21 misst, um die Leistung der Untersuchungslichtquelle 16 zu überwachen. Das Licht, das den Verstärkerchip 11 verlässt, wird durch die Linse 13 kollimiert und ein Teil dieses Lichts wird durch den Strahlteiler 14 zu einem Detektor 18 geleitet.
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Die oben beschriebenen Messungen setzen voraus, dass der Verstärkerchip 11 relativ zur Linse 13 so positioniert ist, dass der kollimierte Lichtstrahl 17 in den Wellenleiter des Verstärkerchips 11 injiziert wird. Im System 10 wird dies durch die Montage des Verstärkerchips 11 auf einem XY-Tisch 19 erreicht, der den Verstärkerchip 11 relativ zur Linse 13 bewegt. Der Tisch wird so betrieben, dass der Strahl über die transparente Fläche 12 gescannt wird, während die Untersuchungslichtquelle 16 eingeschaltet ist und der Verstärkerchip 11 betrieben wird. Die Ausgabe des Detektors 18 als Funktion von X und Y ist ein Bild der transparenten Fläche 12, in dem die Position des Wellenleiters einem hellen Bereich im Bild entspricht. Controller 20 positioniert dann den Verstärkerchip 11 so, dass der Wellenleiter auf das einfallende Licht zentriert ist.
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Sobald der Controller 20 den Verstärkerchip 11 relativ zur Linse 13 korrekt positioniert hat, berechnet der Controller 20 das Verhältnis zwischen der Ausgabe des Detektors 18, wenn der Verstärkerchip 11 ausgeschaltet ist, und dem Ausgang des Detektors 18, wenn der Verstärkerchip 11 eingeschaltet ist. Dieses Verhältnis wird für eine Vielzahl von Wellenlängen der Untersuchungslichtquelle 16 aufgezeichnet, um ein Verstärkungsprofil als Funktion der Wellenlänge für den Verstärkerchip 11 zu bilden. Dieses Profil kann verwendet werden, um den Verstärkerchip 11 zu simulieren, wenn der Verstärkerchip 11 Teil eines Lasers mit externem Resonator ist, und somit das Verhalten des Lasers in Abhängigkeit von der Wellenlänge vorherzusagen.
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Im Allgemeinen hängt das Verstärkungsprofil, das durch das oben beschriebene Verfahren erhalten wird, von der Höhe des Vorspannungsstroms ab, der dem Verstärkerchip durch die Chipstromversorgung 15 zugeführt wird, die von Controller 20 gesteuert wird. Dementsprechend wiederholt der Controller 20 in einem Aspekt das Verstärkungsprofil für eine Anzahl von verschiedenen Chip-Leistungspegeln.
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Der Bereich der Wellenlängen, über den das Verstärkungsprofil des Verstärkerchips 11 gemessen werden kann, hängt von dem Bereich der Wellenlängen ab, über den die Untersuchungslichtquelle 16 abgestimmt werden kann. Daher ist es vorteilhaft, eine Untersuchungslichtquelle zu verwenden, die über einen breiteren Wellenlängenbereich als den für die Charakterisierung des Verstärkerchips 11 erforderlichen Wellenlängenbereich abgestimmt werden kann. In einem Aspekt ist die Untersuchungslichtquelle 16 aus einem QCL mit externem Resonator aufgebaut. In einer anderen beispielhaften Ausführungsform ist die Untersuchungslichtquelle 16 aus einem QCL aufgebaut, bei dem der Verstärkungsabschnitt mehrere Verstärkerchips und/oder einen einzelnen Verstärkerchip mit mehreren aktiven Schichten enthält. In einer weiteren Ausführungsform ist die Untersuchungslichtquelle 16 aus mehreren Lasern mit unterschiedlichen Abstimmbereichen aufgebaut, die so gewählt sind, dass der kombinierte Abstimmbereich ausreicht, um die Bandbreite bereitzustellen, die für die Erstellung des Verstärkungsprofils für den Verstärkerchip 11 erforderlich ist.
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In den oben beschriebenen Ausführungsformen wird der Verstärkerchip relativ zur Linse 13 mittels der transparenten Fläche 12 mit Hilfe des xy-Tisches 19 positioniert, um den Verstärkerchip 11 in zwei Dimensionen zu bewegen und ein Bild der transparenten Fläche 12 zu erzeugen. Die für die Erstellung eines solchen Bildes erforderliche Zeit kann signifikant sein, daher ist die Geschwindigkeit, mit der der xy-Tisch 19 bewegt werden kann, durch die Masse des Tisches begrenzt, die ganz erheblich sein kann. In Anwendungen, in denen diese Abtastzeit begrenzt ist, wird eine Abtastanordnung bevorzugt, die eine schnellere Bewegung entlang einer Achse ermöglicht.
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Nun wird auf 2 Bezug genommen, die eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Chip-Charakterisierungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Das System 30 verwendet eine Abtastanordnung 31, die einen Spiegel 34 und eine Linse 33 umfasst, um den kollimierten Lichtstrahl 17 auf die transparente Fläche 12 an einer Stelle zu fokussieren, die durch die Position der Abtastanordnung 31 entlang des Strahls 32 bestimmt wird, auf dem sich die Abtastanordnung 31 unter der Kontrolle des Controllers 20 bewegt. Da die Masse der Abtastanordnung 31 wesentlich geringer ist als die eines XY-Tisches, wie z.B. des XY-Tisches 19, kann die Position des Brennpunkts auf der transparenten Fläche 12 mit viel größerer Geschwindigkeit bewegt werden als bei der in 1 gezeigten Ausführungsform. Die Abtastanordnung 31 bewegt sich in einer Richtung, die parallel zur transparenten Fläche 12 verläuft, während sich die Abtastanordnung entlang des Trägers 32 bewegt. Außerdem bewegt sich der Tisch 39 so, dass der Brennpunkt in der Ebene der transparenten Fläche 12 bleibt, aber in einer Richtung orthogonal zu X. Daher bleibt die Ausrichtung der optischen Achse 35 des Lichtkegels, der auf die transparente Fläche 12 fokussiert wird, konstant, während der Brennpunkt über die transparente Fläche 12 gescannt wird. Dementsprechend ändert sich die Effizienz, mit der Licht in den Wellenleiter des Verstärkerchips 11 ein- und ausgekoppelt wird, nicht, wenn sich der Brennpunkt über die transparente Fläche 12 im Wellenleiter bewegt.
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Wenn der Verstärkerchip in einem gepulsten Modus betrieben werden soll, ist es vorteilhaft, eine gepulste Untersuchungslichtquelle bereitzustellen und den Verstärkerchip in einem gepulsten Modus zu betreiben.
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Die oben beschriebene Vorrichtung kann auch verwendet werden, um das Reflexionsvermögen der transparenten Fläche des Verstärkerchips zu messen. Während im Idealfall die transparente Fläche 12 des Verstärkerchips 11 mit einer Antireflexionsschicht beschichtet ist, kann die Fläche dennoch ein begrenztes Reflexionsvermögen aufweisen. In einem Aspekt der Vorrichtung und des Verfahrens der vorliegenden Offenbarung wird die Vorrichtung verwendet, um dieses Reflexionsvermögen zu messen. Nun wird auf 3 Bezug genommen, die eine Ausführungsform einer Abtastanordnung zeigt, die sowohl das absolute als auch das relative Reflexionsvermögen der Vorderseite des Verstärkerchips messen kann. Um die folgende Diskussion zu vereinfachen, wurden diejenigen Elemente der Abtastanordnung 40, die Funktionen analog zu den in 1 gezeigten Elementen erfüllen, mit denselben numerischen Bezeichnungen versehen und werden hier nicht weiter erläutert, sofern der Kontext nichts Anderes erfordert.
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Um das Reflexionsvermögen der transparenten Fläche 12 zu messen, wird der Verstärkerchip 11 so positioniert, dass das Licht der Untersuchungslichtquelle 16 auf einen Punkt 42 auf oder in der Nähe der Oberfläche der transparenten Fläche 12 an einer Stelle fokussiert wird, die vom Wellenleiter 43 entfernt ist. Das oben beschriebene Abtastverfahren kann verwendet werden, um die transparente Fläche 12 als Funktion von X und Y abzubilden. Für die Messungen des Reflexionsvermögens wird ein Punkt gewählt, der von dem hellen Bereich entfernt ist, der dem Wellenleiter 43 entspricht. Das Licht, das vom Punkt 42 zum Detektor 18 zurückkommt, wenn das Untersuchungslicht auf den Punkt 42 fokussiert wird, hängt von dem Reflexionsvermögen der Fläche 42 ab. Der Absolutwert des Reflexionsvermögens der transparenten Fläche 12 am Punkt 42 kann durch Messung des von einem Kalibrierstandard 44 mit bekanntem Reflexionsvermögen zurückgeworfenen Lichts bestimmt werden.
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Bei vielen Verstärkerchips ist das Licht, das vom Verstärkerchip erzeugt wird, polarisiert. Bei der Charakterisierung solcher Verstärkerchips muss das Untersuchungslicht ein signifikantes Komplement haben, das in der gleichen Richtung polarisiert ist. QCLs, die einen polarisierten Ausgangsstrahl erzeugen, können für die Untersuchungsquelle verwendet werden. Da die Polarisationsrichtung des Ausgangslichtstrahls bekannt ist, wird der Verstärkerchip vorzugsweise so auf dem Tisch montiert, dass die Polarisationen des Verstärkerchips im Untersuchungslichtstrahl richtig ausgerichtet sind. Alternativ können Ausführungsformen verwendet werden, bei denen die Untersuchungslichtquelle eine Polarisationsdrehvorrichtung enthält. In solchen Ausführungsformen wird der Drehwinkel der Untersuchungslichtquelle variiert, um die Lichtausgabe des Verstärkerchips zu maximieren, wenn der Verstärkerchip so positioniert ist, dass der Untersuchungslichtstrahl in den Wellenleiter eintritt. In anderen Ausführungsformen enthält der Tisch, auf dem der Verstärkerchip montiert ist, einen Aktuator zum Drehen des Verstärkerchips um die in 3 gezeigte z-Achse, zusätzlich zur Bewegung des Chips in X- und Y-Richtung. Der Drehwinkel wird so lange variiert, bis die Leistung des Verstärkerchips maximiert ist, wenn der Verstärkerchip so positioniert ist, dass der Untersuchungslichtstrahl in den Hohlleiter eintritt. Dabei steht die z-Achse senkrecht auf der transparenten Fläche des Verstärkerchips.
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Die oben beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden bereitgestellt, um verschiedene Aspekte der Erfindung zu veranschaulichen. Es ist jedoch zu verstehen, dass verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung, die in verschiedenen spezifischen Ausführungsformen gezeigt werden, kombiniert werden können, um andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bereitzustellen. Darüber hinaus werden verschiedene Modifikationen der vorliegenden Erfindung aus der vorangehenden Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen ersichtlich. Dementsprechend ist die vorliegende Erfindung nur durch den Umfang der folgenden Ansprüche begrenzt.
