DE19839088B4

DE19839088B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Temperaturstabilisierung einer Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung

Info

Publication number: DE19839088B4
Application number: DE1998139088
Authority: DE
Inventors: Rainer Hövel; Hans Peter Gauggel; Karlheinz Gulden
Original assignee: Avalon Photonics AG
Current assignee: AVALON PHOTONICS LTD., ZUERICH, CH
Priority date: 1998-08-27
Filing date: 1998-08-27
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2018-08-28
Also published as: DE19839088A1

Abstract

Temperaturstabilisierte Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung mit einem Paar oder einem Feld von Paaren planar integrierter Halbleiterlaserdioden (10, 40) mit auf der Oberfläche eines Substrates senkrecht angeordneten Resonatoren, gebildet aus 2 Braggspiegeln (16, 18), wobei einer der Braggspiegel (18) säulenartig strukturiert ist, wobei die Resonatoren zur Emission von Licht in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich geeignet sind, wobei jede Halbleiterlaserdiode (10, 40) aufweist:
eine erste und eine zweite Elektrode (22, 28),
Halbleiterschichten (13, 14), die eine aktive Halbleiterschicht (12) zur Lichterzeugung einschließen,
wobei über die beiden Elektroden (22, 28) ein elektrischer Strom in die aktive Halbleiterschicht (12) injizierbar ist,
und wobei die Halbleiterlaserdioden (10, 40) paarweise auf dem Substrat angeordnet sind, die Halbleiterlaserdioden (10, 40) eines jeden Paares identische Größenverhältnisse und gleiche Eigenschaften aufweisen, und jeweils eine (40) der Halbleiterlaserdioden (10, 40) in einem Paar als Temperaturfühler angesteuert ist zur Messung des temperaturabhängigen momentanen elektrischen Widerstands ihrer aktiven Halbleiterschicht (12) unter Erzeugung...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Temperaturstabilisierung einer Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung. Eine solche Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung ist aus IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 9, No. 9, 1997, S. 1196 bis 1198, bekannt.

Bei derartigen VCSEL-Dioden-Vorrichtungen ist aufgrund ihrer definierten und mit den bekannten halbleitertechnischen Fertigungsverfahren kontrolliert steuerbaren Schichtstruktur die Wellenlänge der Lichtemission sehr genau einstellbar. Daher sind VCSEL-Dioden besonders geeignet für wellenlängensensitive Anwendungen. Da die Emissionswellenlänge jedoch temperaturabhängig ist, ist zur Verbesserung der Wellenlängencharakteristik eine Temperaturregelung erforderlich. Nach dem Stand der Technik erfolgte die Temperaturstabilisierung durch einen zusätzlichen Temperatursensor, der im oder am Gehäuse; in dem die VCSEL-Diode untergebracht ist, befestigt ist. Dies ist mit einem zusätzlichen Verpackungsaufwand verbunden und verursacht daher zusätzliche Kosten. Zudem kann je nach thermischer Ankopplung des Sensors an das Gehäuse die Empfindlichkeit des Sensors und das Ansprechverhalten auf Temperaturänderungen schwanken. Daher weisen bekannte temperaturstabilisierte VCSEL-Dioden noch eine relativ große. temperaturbedingte Schwankungsbreite in der Emissionswellenlänge auf.

Weiterer Stand der Technik ist aus folgenden Schriften bekannt:
Die US-4683573 lehrt eine Temperaturstabilisierung von Injektionslasern, wobei der Spannungsabfall über dem Laserübergang eines Injektionslasers zur Bestimmung der Temperatur in dem lichtemittierenden Laserbereich ermittelt und zur Steuerung der Temperatur mindestens eines zweiten Injektionslasers eingesetzt wird.

Die DE 3603548 A1 lehrt ein Verfahren zur Bestimmung und Regelung der Temperatur von Laserdioden, wobei ebenfalls die Spannung der Laserdiode abgetastet wird, die bei konstantem Strom von der Temperatur des Diodenübergangs abhängt.

Aus der WO 97/01203 A1 ist ein Temperaturkorrekturschaltkreis zur Wellenlängenstabilisierung einer Laserdiode bekannt. Dort wird ebenfalls die Temperatur einer Laserdiode mittels Messung des durch sie hindurchfließenden Stroms ermittelt.

Aus der DE 19623883 A1 ist eine optische Sendeeinrichtung mit einer Vielzahl von Laserdioden bekannt, wobei eine einzige lichtemittierende Laserdiode als Monitordiode vorgesehen ist. Durch die Monitordiode wird der elektrische Sollstrom zur Erzielung einer vorbestimmten optischen Ausgangsleistung ermittelt, und die einzelnen Laserdioden werden entsprechend dem Sollstrom zur Erzielung derselben optischen Ausgangsleistung angesteuert.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Temperaturstabilisierung für Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtungen der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die temperaturbedingte Schwankungsbreite in der Wellenlänge des Emissionslichts weiter reduziert ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Diese erfindungsgemäße Lösung ermöglicht eine äußerst genaue Erfassung der Temperatur im aktiven Bereich der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung durch Simulation der Bedingungen im aktiven Bereich der lichtemittierenden Halbleiterlaserdiode mittels einer zweiten lichtemittierenden Halbleiterlaserdiode. Diese zweite lichtemittierende Halbleiterlaserdiode lässt sich aufgrund der herstellungstechnischen Bedingungen mit größter Genauigkeit auf identische Weise zu der ersten lichtemittierenden Halbleiterlaserdiode, deren Temperatur zu stabilisieren ist, realisieren. Diese Lösung weist den Vorteil auf, dass die zweite lichtemittierende Halbleiterlaserdiode im optimalen Messbereich betreibbar ist, während die erste lichtemittierende Halbleiterlaserdiode unabhängig davon zur Erzielung der gewünschten Lichtemission betrieben werden kann.

Es wird jegliche Verfälschung der Temperaturerfassung ausgeschlossen, da der aktive Bereich der zweiten Halbleiterlaserdiode selbst als Temperatursensor verwendet wird und somit die Temperatur unmittelbar an der Stelle erfasst wird, wo die Lichtemission, deren Wellenlänge wiederum von der lokalen Temperatur abhängig ist, auftritt. Daher kann augenblicklich ohne jegliche Zeitverzögerung auf Temperaturschwankung der Halbleiterlaserdiode reagiert werden.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ein Peltier-Element vorgesehen, das auf das elektrische Signal als Ergebnis der Temperaturerfassung anspricht, um Wärme in der Nähe der jeweiligen Halbleiterlaserdiode zuzuführen bzw. abzuführen, um die Temperatur konstant zu halten. Peltier-Elemente sind hierfür insbesondere vorteilhaft, da sie sich unter Verwendung von halbleitertechnologischen Fertigungsmethoden in großer Nähe zu der temperaturmäßig zu stabilisierenden Halbleiterlaserdiode integrieren lassen.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung beispielhaft anhand der begleitenden Figuren näher erläutert und beschrieben. Es zeigen:

1 eine schematische Querschnittsansicht einer VCSEL-Diode nach dem Stand der Technik;

2 eine im Prinzip bekannte elektrische Regelungsschaltung zur Temperaturstabilisierung der VCSEL-Diode;

3 Spannungsdifferenzen für eine VCSEL-Diode bei unterschiedlichen Temperaturen als Funktion des Diodenstroms.

Die in 1 schematisch im Querschnitt gezeigte VCSEL-Diode wird durch einen spezifischen Schichtstapel von in ihrem Brechungsindex bzw. ihrer Bandlückenenergie sich einander unterscheidenden Halbleiterschichten realisiert. Die VCSEL-Diode besitzt eine aktive Schicht 12, die zwischen zwei Potentialbarrierenschichten 13 und 14 mit höherer Bandlückenenergie angeordnet ist. In der aktiven Schicht 12 findet größtenteils die Umwandlung elektrischer Energie in Licht statt. Zur Realisierung eines Laserresonators ist unterhalb der aktiven Schicht 12 eine Serie von Schichten 16 mit wechselndem Brechungsindex zur Erzielung eines Braggspiegels realisiert. In gleicher Weise ist oberhalb der aktiven Schicht 12 eine Serie von Schichten 18 zur Erzielung eines zweiten Braggspiegels angeordnet. Der obere Braggspiegel 18 ist beispielsweise mittels einer Mesa-Ätzung zurückgeätzt zur Erzielung einer säulenartigen Struktur. Über der obersten Schicht und der Mesasäule des Braggspiegels 18 ist eine Isolations- und Schutzschicht 20 vorgesehen, wobei ein Emissionsfenster 24 über dem oberen Braggspiegel 18 freigelassen ist. Über der Isolations- und Schutzschicht 20 ist eine elektrisch leitende Schicht 22 zur Kontaktierung des oberen Braggspiegels 18 angeordnet. Die Metallschicht 22 greift über die Isolations- und Schutzschicht 20 hinaus, lässt aber gleichwohl im wesentlichen das Emissionsfenster 24 frei. Die Schichtstapel sind auf einem Substrat 28 angeordnet, das an seiner Rückseite eine zweite Elektrode 28 aufweist. Die Dickenverhältnisse der einzelnen Schichten entsprechen in der schematischen Skizze nicht den wahren Verhältnissen. Der Stromfluss durch die VCSEL-Diode gemäß der 1 erfolgt im wesentlichen zwischen der oberen Metallschicht 22, die den Braggspiegel 18 im Bereich des Emissionsfensters 24 kontaktiert, und der Rückseitenelektrode 28.
Ein Herstellungsverfahren für eine oben beschriebene herkömmliche VCSEL-Diode ist beispielsweise in der Veröffentlichung von K. Gulden, M. Moser, S. Löscher: "High performance deep red AlAs/AlGaAs VCSELs for applications in sensing", SPIE Proc., Vol. 2682, 125 bis 135 (1996) ausführlich dargelegt.
In 2 ist eine Schaltskizze für eine Regelelektronik gezeigt, mit der ein Peltier-Element zur Temperaturzufuhr bzw. -abfuhr in Erwiderung auf die durch die VCSEL-Diode ermittelte Temperatur ansteuerbar ist.
In der in der 2 gezeigten Schaltskizze ist eine als Temperatursensor dienende VCSEL-Diode 40 an ihrer Eingangsseite mit einer Konstantstromquelle 42 verbunden. Ausgangsseitig steht die VCSEL-Diode 40 mit einer Kühl- bzw. Heizvorrichtung, insbesondere einem Peltier-Element 44, in Verbindung. Das Peltier-Element 44 steht wiederum mit dem Ausgang eines als Kompensator bzw. Fehlerverstärkers verschalteten Operationsverstärkers 46 in Verbindung. Der positive Eingang des Operationsverstärkers 46 ist mit dem Ausgang der Konstantstromquelle 42 verbunden, während der negative Eingang mit einer Referenzspannungsquelle 52, die einen Sollwert der Spannung bereitstellt, in Verbindung steht. Der Operationsverstärker ist weiter mit einer Versorgungsspannung 50 und dem Massepotential 48 verbunden.
In der in der 2 gezeigten Schaltung vergleicht der Operationsverstärker 46 den Istwert der Spannung an der VCSEL-Diode mit einem von der Referenzspannungsquelle 52 bereitgestellten Sollwert. Bei Temperaturanstieg, d.h., bei einer Abnahme der an der VCSEL-Diode abfallenden Spannung bei gleichem Strom (vgl. 3) gibt der Operationsverstärker 46 ein verstärktes invertiertes Signal an das Peltier-Element 44 aus, das aufgrund des negativen Signals nunmehr als Kühlelement wirkt. Umgekehrt wirkt das Peltier-Element 44 bei Temperaturabfall, d.h. bei erhöhter Spannung bei konstantem Strom an der VCSEL-Diode 40, weil die Istspannung die Sollspannung übersteigt, aufgrund des nunmehr positiven Rückkopplungssignals aus dem Operationsverstärker 46 als Heizelement.
Die Erfindung nutzt die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands für eine Halbleiterlaserdiode aus. Anhand der idealen Diodenkennlinie erkennt man, dass in die Temperaturabhängigkeit des Diodenstroms sowohl die Bandlücke des Halbleitermaterials als auch die angelegte Spannung eingeht.
wobei
ist.
J stellt hier den Diodenstrom, J_s den Schwellstrom, E_g die Bandlückenenergie des Halbleitermaterials, K die Boltzmannkonstante, T die absolute Temperatur, q die Elementarladung und V die angelegte Spannung dar.
Die Temperaturabhängigkeit der Spannungsdifferenz ist anhand des in 3 gezeigten Kennlinienfelds für verschiedene Temperaturen für eine VCSEL-Diode mit einer Emissionswellenlänge von ca. 760 nm dargestellt. Wie man deutlich erkennt, liegt insbesondere bei höheren Diodenströmen eine deutliche Temperaturabhängigkeit der Diodenspannung vor.
Die erfindungsgemäße Temperaturmessung durch Widerstandsmessung im aktiven Bereich der Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung schafft eine hohe Genauigkeit, da die Temperaturmessung am Ort der Lichtemission oder in unmittelbarer Nähe dazu durchgeführt wird, so dass die Lichtemissionswellenlänge, die von der Temperatur am Ort der Lichtemission abhängt, auf genaueste Weise kontrolliert werden kann.
Technisch ist es problemlos möglich, zwei VCSEL-Dioden oder Felder von VCSEL-Diodenpaaren mit identischen Größenverhältnissen und Eigenschaften herzustellen. Die Planare Integration mittels üblichen halbleitertechnischen Herstellungsverfahren, wie Standardphotolithografieverfahren, MBE- und MOVPE-Schichtaufbringungsverfahren etc., garantiert eine hohe Parallelität des Herstellungsprozesses für die einzelnen VCSEL-Dioden. Daher ist es möglich, neben der VCSEL-Diode, deren Temperatur zur Konstanthaltung der Lichtemission stabilisiert werden soll, eine weitere individuell ansteuerbare VCSEL-Diode zu integrieren. Diese zweite VCSEL-Diode dient hierbei als Temperatursensor. Durch Messung der Spannungsänderungen der bei konstantem Strom betriebenen VCSEL-Temperatursensor-Diode lassen sich die Temperaturänderungen exakt bestimmen.
Für viele Anwendungen kann es sinnvoll sein, eine Lichtemission der hauptsächlichen Halbleiterlaserdiode, deren Temperatur zu stabilisieren ist, nicht durch eine zusätzliche Lichtemission durch die als Temperatursensor dienende Halbleiterlaserdiode, die in Form von spontaner Emission bei Betrieb der VCSEL-Diode unterhalb der Schwelle und in Form von stimulierter Emission oberhalb der Schwelle auftreten kann, zu stören. Daher wird die als Temperatursensor dienende VCSEL-Diode mit einer lichtundurchlässigen Schicht wenigstens im Bereich der Lichtemission an ihrer Oberseite abgedeckt, beispielsweise durch eine Metallschicht. Alternativ zu einer Abdeckung der Lichtemissionsfläche wäre es möglich, dass die zweite, als Temperatursensor dienende VCSEL-Diode unterhalb der Lichtemissionsschwelle bei konstantem Strom betrieben wird. Damit ist es möglich, einerseits die hauptsächliche VCSEL-Diode unter Abstrahlung einer definierten, Lichtintensität bei konstant gehaltener Wellenlänge aufgrund der Temperaturstabilisierung zu betreiben, während unmittelbar daneben die Temperatur mit Hilfe der benachbarten VCSEL-Diode gemessen wird. Mit Hilfe einer einfachen Regelelektronik, wie sie beispielsweise in 2 gezeigt ist, und einem zusätzlichen integrierten Peltier-Element kann damit die Temperatur der hauptsächlichen lichtemittierenden VCSEL-Diode stabilisiert und von Schwankungen der Umgebungstemperatur unabhängig gemacht werden.

Claims

Temperaturstabilisierte Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung mit einem Paar oder einem Feld von Paaren planar integrierter Halbleiterlaserdioden (10, 40) mit auf der Oberfläche eines Substrates senkrecht angeordneten Resonatoren, gebildet aus 2 Braggspiegeln (16, 18), wobei einer der Braggspiegel (18) säulenartig strukturiert ist, wobei die Resonatoren zur Emission von Licht in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich geeignet sind, wobei jede Halbleiterlaserdiode (10, 40) aufweist: eine erste und eine zweite Elektrode (22, 28), Halbleiterschichten (13, 14), die eine aktive Halbleiterschicht (12) zur Lichterzeugung einschließen, wobei über die beiden Elektroden (22, 28) ein elektrischer Strom in die aktive Halbleiterschicht (12) injizierbar ist, und wobei die Halbleiterlaserdioden (10, 40) paarweise auf dem Substrat angeordnet sind, die Halbleiterlaserdioden (10, 40) eines jeden Paares identische Größenverhältnisse und gleiche Eigenschaften aufweisen, und jeweils eine (40) der Halbleiterlaserdioden (10, 40) in einem Paar als Temperaturfühler angesteuert ist zur Messung des temperaturabhängigen momentanen elektrischen Widerstands ihrer aktiven Halbleiterschicht (12) unter Erzeugung eines elektrischen Temperatursignals, und eine Temperaturregelvorrichtung vorgesehen ist zur Wärmezufuhr und -abfuhr von den paarweise angeordneten Halbleiterlaserdioden (10, 40) in Erwiderung auf das elektrische Temperatursignal.
Temperaturstabilisierte Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der als Temperaturfühler angesteuerten Halbleiterlaserdiode (40) in jedem Paar in seinem Lichtemissionsbereich mit einer lichtundurchlässigen Schicht überzogen ist.
Temperaturstabilisierte Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturregelvorrichtung ein Peltier-Element (44) umfasst.
Verfahren zur Temperaturstabilisierung einer Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung, die ein Paar oder ein Feld von Paaren planar integrierter Halbleiterlaserdioden (10, 40) mit auf der Oberfläche eines Substrats senkrecht angeordneten Resonatoren, gebildet aus 2 Braggspiegeln (16, 18), wobei der obere Braggspiegel (18) säulenartig strukturiert ist, wobei die Resonatoren zur Emission von Licht in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich geeignet sind, umfasst, wobei jede Halbleiterlaserdiode (10, 40) eine erste und eine zweite Elektrode (22, 28) sowie Halbleiterschichten (13, 14), die eine aktive Halbleiterschicht (12) zur Lichterzeugung einschließen, aufweist, wobei über die beiden Elektroden (22, 28) ein elektrischer Strom in die aktive Halbleiterschicht (12) injizierbar ist, umfassend die Schritte: Anordnen der Halbleiterlaserdioden (10, 40) jeweils paarweise auf dem Substrat, Bereitstellen von Halbleiterlaserdioden (10, 40), die paarweise identische Größenverhältnisse und gleiche Eigenschaften aufweisen, Ansteuern jeweils einer Halbleiterlaserdiode (40) der paarweise angeordneten Halbleiterlaserdioden (10, 40) als Temperaturfühler zur Messung des temperaturabhängigen momentanen elektrischen Widerstands ihrer aktiven Halbleiterschicht (12) unter Erzeugung eines elektrischen Temperatursignals, wobei ein Diodenstrom in die als Temperaturfühler angesteuerte Halbleiterlaserdiode (40) eingeprägt wird, der geringer ist als ein Schwellstrom zur Erzeugung der stimulierten Lichtemission, und Bereitstellen einer Temperaturregelvorrichtung zur Wärmezufuhr und -abfuhr von den paarweise angeordneten Halbleiterlaserdioden (10, 40) in Erwiderung auf das elektrische Temperatursignal.