-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einbaumikrolinse in
oberflächenemittierender
Laserdiode (VCSEL), wobei eine Mikrolinse auf einer einen Laserstrahl
emittierenden Oberfläche
der VCSEL ausgebildet ist, insbesondere auf eine Einbaumikrolinse
in eine VCSEL, die in der Lage ist, einen parallelen Lichtstrahl
zu emittieren.
-
Im
Allgemeinen emittieren VCSELs einen Lichtstrahl in einer Richtung
der Schichtenfolge eines Halbleiterwerkstoffs, und somit ist es
leicht, sie mit einem anderen optischen Element zu kombinieren und
in ein Gerät
einzubauen. Darüber
hinaus kann die VCSEL auch so hergestellt werden, dass sie eine
zweidimensionale Matrixstruktur aufweist. Somit kann die VCSEL weit
verbreitet als Lichtquelle in optischen Übertragungssystemen für Anwendungen
wie z. B. optische Kommunikationen oder Verbindungen unter Verwendung
optischer Signale sowie in Lichtwellen-Aufzeichnungs-/Wiedergabeköpfen verwendet
werden.
-
Mit
Bezug auf 1 umfasst eine herkömmliche
VCSEL ein Substrat 10, einen unteren Reflektor 11, eine
aktive Schicht 12, einen Hochwiderstandsbereich 13 und
einen oberen Reflektor 14, die in der Reihenfolge auf dem
Substrat 10 aufgeschichtet sind, sowie eine obere Elektrode 16,
die auf einem Abschnitt des oberen Reflektors 14 ausgebildet
ist, ausgenommen einem Fenster 18, durch welches ein Laserstrahl
emittiert wird, und eine untere Elektrode 17, die unterhalb
des Substrats 10 ausgebildet ist.
-
Sowohl
der untere Reflektor 11 als auch der obere Reflektor 14 sind
jeweils ein verteilter Bragg-Reflektor (DBR), der durch abwechselnd
geschichtete Halbleiterwerkstoffschichten mit unterschiedlichen
Brechnungszahlen und einem entgegen gesetzten Dotierungstyp ausgebildet
wird. Das heißt,
das Substrat 10 und der untere Reflektor 11 sind
mit den gleichen n-Typ-Störstellen
dotiert, und der obere Reflektor 14 ist mit p-Typ-Störstellen
dotiert.
-
Der
Hochwiderstandsbereich 13 leitet den Stromfluss, der die
oberen und unteren Elektroden 16 und 17 passiert
hat, in die Mitte der aktiven Schicht 12. Die aktive Schicht 12 ist
ein Bereich, wo das Licht durch eine Kombination von Defektelektronen
und Elektronen von den oberen und unteren Reflektoren 14 und 11 generiert
wird, die durch einen Strom erzeugt wird, der über die oberen und unteren
Elektroden 16 und 17 angelegt wird.
-
Das
in der aktiven Schicht 12 generierte Licht wird wiederholt
zwischen den oberen und unteren Reflektoren 14 und 11 reflektiert,
und nur ein Licht mit einer Wellenlänge entsprechend der Resonanzbedingungen
bleibt übrig
und wird durch das Fenster 18 emittiert.
-
In
der herkömmlichen
VCSEL mit der oben genannten Struktur weist der durch das Fenster 18 emittierte
Laserstrahl einen vorgegebenen Strahlungswinkel auf. Wenn also eine
solche herkömmliche
VCSEL als eine Lichtquelle zum Beispiel für ein Lichtwellenübertragungssystem
unter Verwendung eines Lichtwellenleiterkabels genutzt wird, ist
eine Kondensorlinse zum Verdichten eines von der VCSEL emittierten
divergenten Laserstrahls zwischen der VCSEL und der Eingangsklemme
des Lichtwellenleiterkabels erforderlich, so dass der von der VCSEL
emittierte Laserstrahl wirksam mit dem Lichtwellenleiterkabel gekoppelt
wird.
-
Als
ein weiteres Beispiel, wenn die oben genannte herkömmliche
VCSEL als Lichtquelle für
einen optischen Kopf in einem Lichtwellen-Aufzeichnungs-/Wiedergabegerät verwendet
wird, das kontaktlos Informationen auf einem Aufzeichnungsmedium
aufzeichnet oder Informationen von diesem wiedergibt, wie zum Beispiel
von einer optischen Platte, dann benötigt der optische Kopf eine
Kollimatorlinse, um einen divergenten Laserstrahl, der durch die
herkömmliche
VCSEL emittiert wird, in einen parallelen Laserstrahl zu verdichten.
-
Kurz
gesagt, da die herkömmliche
VCSEL den divergenten Laserstrahl durch ein Fenster emittiert, ist eine
separate Kondensor- oder Kollimatorlinse an der Licht emittierenden
Seite der VCSEL erforderlich, um ein optisches System mit der VCSEL
aufzubauen. Beim Aufbauen eines optischen Systems erhöht sich
somit die Anzahl der benötigten
Teile und es entsteht die Notwendigkeit, die Linse mit der zentralen
optischen Achse des Laserstrahls, der von der VCSEL emittiert wird,
auszurichten, wodurch eine optische Ausrichtungsstruktur komplizierter
wird.
-
Der
Artikel "Monolithic
integration of vertical-cavity laser diodes with refractive GaAs
micro-lenses – Monolithische
Integration oberflächenemittierender
Laserdioden mit refraktiven GaAs-Mikrolinsen", veröffentlicht auf S. 724–725 der
IEE Electronic Letters, Band 31, Nr. 9 vom 27. April 1995, beschreibt
die Kollimierung und Fokussierung bei oberflächenemittierenden Laserdioden,
die durch die monolithische Integration von Laser mit refraktiven
Mikrolinsen erreicht wird, die auf die Rückseite eines GaAs-Substrats
aufgeätzt
wurden.
-
EP-A2-1035423 beschreibt
eine Mikrolinse, die durch Aufätzen
eines Halbleiterelements in einer chemischen Ätzlösung ausgebildet wird. Es wird
außerdem
eine Kombination von Mikrolinse und oberflächenemittierendem Laser beschrieben,
die eine Mikrolinse in einem Fensterbereich einer einen Laser emittierenden Oberfläche durch
diffusionsbegrenztes Atzen aufweist.
-
Der
Artikel „Optical
micro encoder using a vertical-cavity surface-emitting laser – Optischer
Mikrokodierer unter Verwendung eines oberflächenemittierenden Lasers", veröffentlicht
auf S. 127–135
der Zeitschrift „Sensors
and Actuators" (Sensoren
und Antriebselemente), Band 57, Nr. A, 2 vom 1. November 1996, beschreibt
einen optischen Mikrokodierer, der einen oberflächenemittierenden Laser verwendet.
-
Nach
diesem Dokument ist es wünschenswert,
eine Mikrolinse auf einer VCSEL zu integrieren, um eine hohe Auflösung in
einer einfachen Konfiguration zu erhalten. Am Brennpunkt wird ein
Frauenhofersches Beugungsmuster ausgebildet. Es wird die Abhängigkeit
der Punktgröße von der
Wellenlänge,
der Brennweite und der Blendenöffnung
der Linse diskutiert.
-
Es
ist ein Ziel der Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, eine Einbaumikrolinse in oberflächenemittierender
Laserdiode (VCSEL) zur Verfügung
zu stellen, die in der Lage ist, einen parallelen Laserstrahl zu
emittieren, der keine separaten Kondensor- oder Kollimatorlinsen
für den
Aufbau eines optischen Systems erforderlich macht.
-
Nach
der vorliegenden Erfindung wird eine Einbaumikrolinse in oberflächenemittierender
Laserdiode zur Verfügung
gestellt, wie in den Ansprüchen
1 und 2 ausgeführt
wird. Weitere Ausführungsformen
der Erfindung werden in den Unteransprüchen definiert.
-
Für ein besseres
Verständnis
der Erfindung und um zu zeigen, wie die Ausführungsformen derselben umgesetzt
werden können,
wird nunmehr mittels Beispielen Bezug auf die beigefügten schematischen
Zeichnungen genommen, wobei gilt:
-
1 zeigt
ein Beispiel einer herkömmlichen
oberflächenemittierenden
Laserdiode (VCSEL);
-
2 zeigt
eine Einbaumikrolinse in eine VCSEL;
-
3 und 4 zeigen
die geometrische Optik der Einbaumikrolinse in VCSEL aus 2,
wobei das Prinzip der Emission eines nahezu parallelen Laserstrahls
von der VCSEL veranschaulicht wird, das der Formel (1) gerecht wird;
-
5 zeigt
eine zweite Einbaumikrolinse in eine VCSEL;
-
6 zeigt
eine Ausführungsform
einer Einbaumikrolinse in eine VCSEL nach der vorliegenden Erfindung
und
-
7 und 8 veranschaulichen
das Prinzip der Emission eines nahezu paralleln Laserstrahls von der
Einbaumikrolinse in der VCSEL nach der in 6 dargestellten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
-
Eine
Einbaumikrolinse in oberflächenemittierender
Laserdiode (VCSEL) wird in 2 dargestellt.
Unter Bezugnahme auf 2 umfasst die Einbaumikrolinse
in einer VCSEL ein Substrat 100, eine untere Elektrode 170,
die unter dem Substrat 100 ausgebildet ist, einen unteren
Reflektor 110, eine aktive Schicht 120 sowie einen
oberen Reflektor 140, welche nacheinander auf dem Substrat 100 aufgeschichtet
sind, eine Linsenschicht 150, die auf dem oberen Reflektor 140 ausgebildet
ist, und eine obere Elektrode 160, die auf einem Bereich
der Linsenschicht 150 mit Ausnahme eines Fensterbereichs 180,
durch welchen ein Laserstrahl emittiert wird, ausgebildet ist.
-
Das
Substrat 100 kann aus einem Halbleiterwerkstoff gebildet
werden, wie zum Beispiel n-dotiertes Galliumarsenid (GaAs), Aluminiumgalliumarsenid
(AlGaAs), Indiumarsenid (InAs), Indiumphosphid (InP), Galliumphosphid
(GaP), Indiumgalliumphosphid (InGaP), Indiumgalliumarsenid (InGaAs)
oder Galliumphosphid (GaP).
-
Der
untere Reflektor 110 sowie der obere Reflektor 140 sind
jeweils aus wechselnden Halbleiterverbindungen mit unterschiedlichen
Brechungszahlen ausgebildet. So sind zum Beispiel die oberen und
unteren Reflektoren 140 und 110 durch abwechselnd
geschichtete AlGaAs-Schichten ausgebildet, die unterschiedliche Brechungszahlen
aufweisen.
-
Für den in 2 dargestellten
Aufbau, bei welchem der Großteil
des generierten Laserstrahls durch den oberen Reflektor 140 emittiert
wird, wird der obere Reflektor 140 so ausgebildet, dass
er einen relativ niedrigen Reflexionsgrad aufweist, und der untere
Re flektor 110 wird so ausgebildet, dass er einen höheren Reflexionsgrad
als der obere Reflektor 140 aufweist. Der Reflexionsgrad
der Reflektoren schwankt in Abhängigkeit von
der Anzahl der Schichten der Halbleiterverbindungen, die aufgebracht
wurden, um dieselben auszubilden. Dementsprechend kann durch Ausbilden
des oberen Reflektors 140 mit weniger Materialschichten
als die für das
Ausbilden des unteren Reflektors 110 verwendeten der Reflexionsgrad
des oberen Reflektors 140 niedriger werden als der des
unteren Reflektors 110. Wenn hier das Substrat 100 mit
Störstellen
des n-Typs dotiert wird, kann der untere Reflektor 110 mit
den gleichen Störstellen
des n-Typs dotiert werden, der obere Reflektor hingegen wird mit
Störstellen
des p-Typs dotiert.
-
Der
Strom, der über
die oberen und unteren Elektroden 160 und 170 angelegt
wird, induziert einen Fluss von Elektronen und Defektelektronen,
und die oberen und unteren Reflektoren 140 und 110 reflektieren wiederholt
das in der aktiven Schicht 120 generierte Licht, so dass
nur Licht entsprechend der Resonanzbedingung durch den oberen Reflektor 140 emittiert
wird.
-
Die
aktive Schicht 120, ein Bereich, in welchem Licht durch
den Energieübergang
aufgrund der Rekombination von Elektronen und Defektelektronen,
die von den oberen und unteren Reflektoren 140 und 110 zur
Verfügung
gestellt werden, generiert wird, weist eine einfache oder mehrfache
Quantenquellenstruktur oder Übergitterstruktur
auf. Die aktive Schicht 120 kann zum Beispiel aus GaAs,
AlGaAs, InGaAs, InGaP und/oder AlGaAsP entsprechend der Wellenlänge des
erforderlichen Ausgangslaserstrahls gebildet werden.
-
Inzwischen
wird ein Hochwiderstandsbereich 130 zur Lenkung des Stromflusses
des Weiteren in einem Bereich des oberen Reflektors 140 ausgebildet.
Der Hochwiderstandsbereich 130 weist in dessen Mitte eine
Blendenöffnung 130a auf,
durch welche der durch die obere Elektrode 160 angelegte
Strom fließt.
Der Hochwiderstandsbereich 130 kann in einem Bereich des
unteren Reflektors 140 ausgebildet werden.
-
Der
Hochwiderstandsbereich 130 kann durch Implantierung von
Ionen ausgebildet werden, wie z. B. Protonen, oder durch selektive
Oxidation. Beim Verfahren der selektiven Oxidation wird eine Voroxidationsschicht
(nicht dargestellt) in der Mitte des oberen Reflektors 140 aufgebracht
und einer Oxidationsatmosphäre ausgesetzt,
um eine isolierende Oxidationsschicht als Hochwiderstandsbereich
auszubilden, die aus dem ausgesetzten Anteil der Voroxidationsschicht
oxidiert wird. Es ist vorzuziehen, dass der Hochwi derstandsbereich 130 durch
Oxidation ausgebildet wird, wodurch eine leichte Steuerung der Größe der Blendenöffnung 130a möglich wird,
so dass der Hochwiderstandsbereich 130 bessere Merkmale
zur Lenkung des Lichtstrahls aufweist.
-
Vorzugsweise
wird die Blendenöffnung 130a so
klein wie möglich
ausgebildet, so dass der durch die obere Elektrode 160 angelegte
Strom einen Bereich der aktiven Schicht 120 passiert, der
so klein wie möglich ist,
und das Licht in dem kleinen Bereich der aktiven Schicht generiert
wird (idealerweise in einem Bereich von der Größe eines Punktes).
-
Wenn
wie oben beschrieben die VCSEL so ausgelegt wird, dass das Licht
in einem Bereich der aktiven Schicht 120 generiert wird,
der so klein wie möglich
ist, dann kann der Licht generierende Bereich idealerweise ein Bereich
von der Größe eines
Punktes sein. In diesem Fall ist das Licht, das zur Linsenschicht 150 ausgehend
vom Licht generierenden Bereich gelangt, ein annähernd divergentes Licht, das
aus einem Licht generierenden Bereich von der Größe eines Punktes stammt.
-
Die
Linsenschicht 150 mit einer vorgegebenen Dicke, zum Beispiel
mit einer Dicke von mehreren Mikrometern, kann auf den oberen Reflektor 140 aufgebracht
werden. Es ist vorzuziehen, dass die Linsenschicht 150 aus
einem Material gebildet wird, das eine relativ breite Bandlücke zur
Wellenlänge
des von der VCSEL generierten Laserstrahls aufweist, um den Laserstrahl
nicht zu absorbieren, sondern einfach zu übertragen und durch den oberen
Reflektor 140 zu emittieren. Wenn die Linsenschicht 150 direkt
auf dem oberen Reflektor 140 ausgebildet wird, ist es darüber hinaus
vorzuziehen, dass die Linsenschicht 150 aus einem Material gebildet
wird, das in der Lage ist, das Gitter mit dem des Materials des
oberen Reflektors 140 anzupassen.
-
Wenn
zum Beispiel die VCSEL so ausgelegt ist, dass sie einen Laserstrahl
mit einer Wellenlänge
zwischen 500 nm und 900 nm emittiert, dann kann die Linsenschicht 150 aus
InGaP ausgebildet werden. Hierbei kann das Verhältnis der Zusammensetzung von
In und Ga entsprechend der Wellenlange des gewünschten Ausgangslaserstrahls
variiert werden, der zum Beispiel eine Wellenlange von 850 nm, 780
nm oder 660 nm aufweist.
-
Wenn
alternativ dazu die VCSEL so ausgelegt ist, dass sie einen Laserstrahl
mit einer Wellenlange von ca. 980 nm emittiert, dann wird die Linsenschicht 150 aus
GaAs gebildet.
-
Entsprechend
der Wellenlänge
des Ausgangslaserstrahls von der VCSEL kann darüber hinaus die Linsenschicht 150 aus
mindestens einem Werkstoff ausgebildet werden, der aus Silizium
und einer Halbleiterverbindung der Gruppe III-V ausgewählt wird,
einschließlich
InP, GaAs, InAs, GaP, InGaP und InGaAs.
-
Im
Fensterbereich 180 der Linsenschicht 150 wird
eine Mikrolinse 155 ausgebildet, durch welche der Laserstrahl
emittiert wird. Während
er die Linsenschicht 150 passiert, wird der Laserstrahl
durch die Mikrolinse 155 verdichtet und emittiert.
-
Die
Mikrolinse 155 wird durch ein diffusionsbegrenztes Ätzen ausgebildet.
Insbesondere wird eine Ätzmaske
(nicht dargestellt), die eine Öffnung
aufweist, auf der Linsenschicht 150 ausgebildet und in
eine chemische Ätzlösung getaucht,
die eine geeignete Konzentration eines Ätzmittels enthält, wie
z. B. Brom (Br2), das in der Lage ist, ein
diffusionsbegrenztes Ätzen
in Bezug auf einen Werkstoff der Linsenschicht 150 für einen vorgegebenen
Zeitraum auszulösen.
Als Ergebnis wird ein Anteil der Linsenschicht 150, der
durch die Öffnung in
der Ätzmaske
ausgesetzt ist, geätzt,
und zwar durch einen Unterschied der räumlichen Ätzrate der Linsenschicht 150,
der durch die Diffusion des Ätzmittels,
z. B. Br2, das in der chemischen Ätzlösung enthalten
ist, hervorgerufen wird und damit die Mikrolinse 155 zum
Ergebnis hat, die eine konvexe Oberfläche aufweist.
-
Ein
Verfahren der Herstellung der Mikrolinse
155 durch diffusionsbegrenztes Ätzen wird
in der
Europäischen Patentanmeldung
Nr. 00301231.7 (17. Februar 2000) offen gelegt, die vom
gegenwärtigen
Anmelder eingereicht wurde, und zwar unter dem Titel "Mikrolinse, Kombination
von Mikrolinse und VCSEL, sowie Verfahren zur Herstellung derselben". Somit wird hier
keine detaillierte Beschreibung des Herstellungsverfahrens angegeben.
-
Die
obere Elektrode 160 wird auf der Linsenschicht 150 oder
zwischen dem oberen Reflektor 140 und der Linsenschicht 150 ausgebildet. 2 veranschaulicht
ein Beispiel, wobei die obere Elektrode 160 auf der Linsenschicht 150 ausgebildet
wurde. Die untere Elektrode 170 wird unterhalb des Substrats 100 ausgebildet.
-
Mittlerweile
weist die VCSEL das Fenster 180 auf, dessen maximale Breite
größer ist
als die Blendenöffnung 130a des
Hochwiderstandsbereichs 130. Wie in 2 dargestellt
wird, wird das Fenster 180 durch die obere Elektrode 160 und
die Mikrolinse 155 definiert.
-
In
der dargestellten VCSEL ist es vorzuziehen, dass der Abstand auf
der optischen Achse vom Licht generierenden Bereich zum Scheitelpunkt
der Mikrolinse 155 annähernd
gleich der Brennweite der Mikrolinse 155 ist. Das heißt, wenn
f der Abstand entlang der optischen Achse vom Licht generierenden
Bereich zum Scheitelpunkt der Mikrolinse 155 ist, R ist
der Radius der Krümmung
der Mikrolinse 155, n1 ist die effektive Brechungszahl
des Mediums auf dem Lichtweg zwischen dem den Strahl generierenden
Bereich und der Linsenschicht 150, d. h. dem oberen Reflektor 140 und
der Linsenschicht 150, und n2 ist die Brechungszahl eines Bereichs,
zu dem hin der Laserstrahl durch die Mikrolinse 155 emittiert
wird, d. h. Luft, dann wird die VCSEL so hergestellt, dass sie die
folgende Formel (1) erfüllt: f = R × n1/(n2 – n1) (1)
-
Dementsprechend
wird die Mikrolinse 155 als eine annähernd plan-konvexe Linse ausgebildet,
die einen Brennpunkt in dem Licht generierenden Bereich aufweist,
und somit wir ein annähernd
paralleler Laserstrahl von der VCSEL emittiert.
-
In
der VCSEL, die die oben genannte Konfiguration aufweist, wird, wenn
ein vorwärts
vorgespannter Strom durch die oberen und unteren Elektroden 160 und 170 an
die VCSEL angelegt wird, der angelegte Strom durch den Hochwiderstandsbereich 130 in
den engen Mittelbereich der aktiven Schicht 120 geleitet,
und die Elektronen und Defektelektronen von den oberen und unteren
Reflektoren 140 und 110 verbinden sich im engen
Mittelbereich neu, um Licht zu generieren. Das generierte Licht
wird wiederholt zwischen den oberen und unteren Reflektoren 140 und 110 reflektiert,
und somit bleibt nur Licht mit einer bestimmten Wellenlänge (ein Laserstrahl,
der nachfolgend emittiert werden soll) entsprechend der Resonanzbedingungen übrig, wird
verstärkt
und durch den oberen Reflektor 140 übertragen. Der übertragene
Laserstrahl wird als divergenter Strahl durch die Mikrolinse 155 verdichtet,
während
er die Linsenschicht 150 passiert, so dass ein paralleler
Laserstrahl emittiert wird.
-
Angesichts
der Merkmale der VCSEL weist der von der VCSEL emittierte parallele
Laserstrahl eine Größe von einigen
bis zu Hundert Mikrometer auf, zum Beispiel eine Größe von 15
Mikrometer.
-
Wenn
die VCSEL in einem optischen Kommunikationssystem angewendet wird,
das einen Lichtwellenleiter verwendet, dann kann eine optische Kopplung
zwischen der VCSEL und dem Lichtwellenleiter ausreichend realisiert
werden. Somit besteht keine Notwendigkeit einer separaten Kugellinse
(nicht dargestellt) für die
optische Kopplung zwischen der Lichtquelle und dem Lichtwellenleiter.
Das heißt,
ein Einfach-Lichtwellenleiter
weist einen Mindestkerndurchmesser von 10 Mikrometer auf, und ein
Mehrfach-Lichtwellenleiter hat einen Mindestkerndurchmesser von
bis zu 100 Mikrometer, zum Beispiel 62,5 Mikrometer. Da die dargestellte VCSEL
einen parallelen Laserstrahl von rund 15 Mikrometer emittiert, kann
der parallele Laserstrahl, der von der VCSEL emittiert wird, mit
einer hohen Wirksamkeit mit dem Lichtwellenleiter gekoppelt werden,
ohne dass eine separate optische Kopplungslinse erforderlich ist.
-
Wenn
die dargestellte VCSEL auf ein optisches System angewendet wird,
wie zum Beispiel ein optischer Kopf, der einen parallelen Laserstrahl
nutzt, dann besteht der Vorteil darin, dass keine Kollimatorlinse erforderlich
ist.
-
Darüber hinaus,
wenn die dargestellte VCSEL in Verbindungen integriert wird, die
ein optisches Signal zur Übertragung
nutzen und ein optisches Signal durch den freien Raum empfangen,
dann wird keine separate Kondensorlinse benötigt und der Grad der Freiheit
des Abstandes zwischen den Licht sendenden und empfangenden Abschnitten
erhöht
sich. Somit ist der optische Aufbau einfach und die optische Ausrichtung
leicht. Des Weiteren können
die VCSEL und/oder ein Licht erkennendes Element in Reihen kompakt
angeordnet werden.
-
Das
Prinzip der Emission eines parallelen Laserstrahls von der VCSEL,
das die oben genannte Formel (1) erfüllt, wird nun unter Bezugnahme
auf 3 und 4 beschrieben.
-
3 und 4 zeigen
die geometrische Optik des Aufbaus der VCSEL aus 2.
Unter Bezugnahme auf 3 nehmen wir Folgendes an: S1
ist der Abstand vom Licht generierenden Bereich der aktiven Schicht 120,
d. h. einem ersten Brennpunkt O, zum Scheitelpunkt der Mikrolinse 155 auf
der optischen Achse, S2 ist der Abstand vom Scheitelpunkt der Mikrolinse 155 zu
einem zweiten Brennpunkt der Mikrolinse 155, n1 ist die
effektive Brechungszahl des Mediums, das vom Licht generierenden
Bereich bis zur Linsenschicht 150 reicht, d. h. zwischen
oberen Reflektor 140 und der Linsenschicht 150,
und n2 ist die Brechungszahl eines Bereichs, zu dem hin der Strahl,
der durch die Mikrolinse 155 emittiert wird, verläuft, d.
h. der Luft, dann erfüllt
der Aufbau der VCSEL der vorliegenden Erfindung in 3 die
Formel (2): n1/S1 + n2/S2 = (n2 – n1)/R (2)
-
Hierbei
ist n2, die Brechungszahl von Luft, rund 1,0. Um den divergenten
Lichtstrahl, der in der aktiven Schicht 120 generiert wurde,
durch die Mikrolinse 155 in einen parallelen Lichtstrahl
zu verdichten, wie es in 4 dargestellt wird, sollte der
Abstand 82 unendlich sein. Wenn S2 auf unendlich gesetzt
wird und S1 wird durch f in Formel (2) ersetzt, wird somit die erste
Brennweite f für
ein unendliches S2 gleich der, die in der Formel (1) oben ausgedrückt wurde.
-
Die
VCSEL, die die obige Formel (1) erfüllt, kann einen annähernd parallelen
Laserstrahl emittieren.
-
5 zeigt
eine zweite Einbaumikrolinse in VCSEL. Die VCSEL in 5 ist
so ausgelegt, dass sie einen parallelen Laserstrahl auf der Grundlage
des gleichen Prinzips emittiert, das auf die oben beschriebene VCSEL
angewendet wird. Die VCSEL in 5 unterscheidet
sich von der VCSEL in 2 dadurch, dass es ein von unten
emittierender Typ ist. In 5 stellen
die gleichen Bezugszeichen wie die in 2 verwendeten Elemente
dar, die fast die gleichen Funktionen haben, wie die entsprechenden
Elemente in 2, somit wird hier keine Beschreibung
derselben gegeben.
-
Unter
Bezugnahme auf 5 schließt die dargestellte Einbaumikrolinse
in VCSEL ein Substrat 200 ein, einen unteren Reflektor 210,
eine aktive Schicht 120 sowie einen oberen Reflektor 240,
die nacheinander auf dem Substrat 240 aufgeschichtet sind,
eine obere Elektrode 250, die auf dem oberen Reflektor 240 ausgebildet
ist, und eine untere Elektrode 270, die auf einem Abschnitt
des Bodens des Substrats 200 mit Ausnahme eines Fensterbereichs 280 ausgebildet
ist, durch welchen ein Laserstrahl emittiert wird. Um einen Laserstrahl
durch das Substrat 200 zu emittieren, wird der untere Reflektor 210 so
ausgebildet, das er einen geringeren Reflexionsgrad aufweist als
der obere Reflektor 240.
-
Wenn
die Anzahl der aufgeschichteten Schichten des unteren Reflektors 210 geringer
ist als die des oberen Reflektors 240, dann wird der Reflexionsgrad
des unteren Reflektors 210 niedriger als der des oberen Reflektors 240.
Dementsprechend wird der größte Teil
des Laserstrahls durch den unteren Reflektor 210 emittiert.
Mit Ausnahme der Anzahl der aufgeschichteten Schichten sowohl des
oberen als auch des unteren Reflektors 240 und 210 sind
die für
die oberen und unteren Reflektoren 240 und 210 verwendeten Werkstoffe
und deren geschichtete Strukturen im Wesentlichen die gleichen wie
die der VCSEL in 2, somit werden hier keine detaillierten
Beschreibungen angegeben.
-
Wie
die Linsenschicht 150 (siehe 2), die
oben beschrieben wurde, wird das Substrat 200 vorzugsweise
aus einem Werkstoff ausgebildet, der eine relativ breite Bandlücke zur
Wellenlänge
des von der VCSEL generierten Laserstrahls aufweist, so dass der
Laserstrahl, der vom unteren Reflektor 210 ausgelöst wird,
nicht absorbiert, sondern nur übertragen
wird. Wenn zum Beispiel die VCSEL so ausgelegt ist, dass sie einen
Laserstrahl mit einer Wellenlänge
von 980 nm emittiert, dann kann das Substrat 200 aus GaAs
gebildet werden.
-
Eine
Mikrolinse 205 wird in dem Fensterbereich 280 des
Substrats 200 ausgebildet, durch welche der Laserstrahl
emittiert wird. Die Mikrolinse 205 wird durch diffusionsbegrenztes Ätzen ausgebildet,
wie in der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
-
Angenommen,
R' ist der Radius
der Krümmung
der Mikrolinse 205, n1' ist
die effektive Brechungszahl des Mediums auf dem Lichtweg zwischen
dem Licht generierenden Bereich der aktiven Schicht 120 und
der Mikrolinse 205, d. h. dem unteren Reflektor 210 und
dem Substrat 200, und n2' ist die Brechungszahl eines Bereichs,
zu dem hin der Laserstrahl durch die Mikrolinse 205 emittiert
wird, f' ist der
Abstand vom Licht generierenden Bereich bis zum Scheitelpunkt der
Mikrolinse 205 auf einer optischen Achse, wie die VCSEL
in 2, dann wird die VCSEL in 5 so hergestellt,
dass sie die Formel erfüllt: P = R' × n1'/(n2' – n1').
-
In
der Einbaumikrolinse in VCSEL in 5 und wie
für die
obige Konfiguration beschrieben wurde, wird, wenn ein vorwärts vorgespannter
Strom auf die Einbaumikrolinse in der VCSEL durch die oberen und unteren
Elektroden 260 und 270 angelegt wird, ein Laserstrahl
mit einer bestimmten Wellenlänge
durch Laseroszillation durch den unteren Reflektor 210 und
das Substrat 200 übertragen.
Der übertragene
Laserstrahl wird durch die Mikrolinse 205 verdichtet und
als ein nahezu paralleler Laserstrahl emittiert.
-
Die
Einbaumikrolinse in VCSELs, die oben beschrieben wurden, ist so
ausgelegt, dass der erste Brennpunkt der Mikrolinse 155 (205)
im Licht generierenden Bereich der akti ven Schicht 120 liegt,
so dass der Lichtstrahl, der in dem engen Licht generierenden Bereich
generiert wird, der idealerweise die Größe eines Punktes hat, auf die
Mikrolinse 155 (205) auftrifft und verdichtet
wird, sowie als paralleler Lichtstrahl emittiert wird.
-
6 stellt
eine Ausführungsform
der Einbaumikrolinse in VCSEL nach der vorliegenden Erfindung dar.
In 6 stellen die gleichen Bezugszeichen wie die in 2 verwendeten
Elemente dar, die die gleichen Funktionen oder ähnliche Funktionen haben, wie
die entsprechenden Elemente in 2. Somit
werden hier keine Beschreibungen dieser Elemente gegeben.
-
Die
Einbaumikrolinse in VCSEL nach einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung schließt
ein Fenster 380 ein, dessen Durchmesser (D) die Bedingung
der Fraunhoferschen Strahlenbeugung erfüllt. Hier wird die Fraunhofersche
Strahlenbeugung im Fenster 380 durch die Fokussierwirkung
der Mikrolinse 355 so versetzt, dass ein paralleler Strahl
durch die Mikrolinse 355 emittiert wird.
-
In
diesem Fall erfüllt
das Verhältnis
zwischen dem Durchmesser D des Fensters
380 und der Brennweite
f der Mikrolinse
355 die Formel (3):
wobei λ die Wellenlänge des von der VCSEL emittierten
Laserstrahls nach der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist.
-
Es
ist vorzuziehen, dass der Durchmesser D des Fensters 380 kleiner
als oder annähernd
gleich dem Durchmesser der Blendenöffnung 330a des Hochwiderstandsbereichs 330 ist.
In der vorliegenden Ausführungsform
ist es vorzuziehen, dass die Blendenöffnung 330a des Hochwiderstandsbereichs 330 eine
Durchmesser aufweist, der größer ist
als die Blendenöffnung 130a der
VCSELs in 2 und 5.
-
In
diesem Fall wird Licht in einem breiteren Bereich der aktiven Schicht 120 generiert,
als bei dem Licht generierenden Bereich der VCSELs in 2 und 5,
und das generierte Licht, das zum Fenster 380 hin verläuft ist
ein fast paralleles Licht, im Vergleich zu den Laserstrahlen von
den VCSELs in 2 und 5: Somit
kann die Bedingung der Fraunhoferschen Strahlenbeugung zufrieden
stellend in der vorliegenden Ausführungsform angewendet werden.
-
Die
obige Formel (3) wird unter der Annahme erreicht, dass das Fenster 380 und
die Mikrolinse 355 auf der gleichen Ebene positioniert
sind. Alternativ dazu, wenn das Fenster 380 und die Mikrolinse 355 nicht auf
der gleichen Ebene positioniert sind, ist es ausreichend, den Wert
f durch den Abstand zwischen dem Fenster 380 und der Mikrolinse 355 zu
korrigieren.
-
Im
Folgenden wird das Prinzip der Emission eines parallelen Laserstrahls
in der Ausführungsform
der Einbaumikrolinse in VCSEL nach der vorliegenden Erfindung beschrieben.
-
Unter
Bezugnahme auf 7, je kleiner der Durchmesser
D des Fensters 380 ist, um so größer ist die Beugung des Laserstrahls,
der das Fenster 380 passiert. Wenn die Größe des Fensters 380 klein
genug ist und der Abstand d vom kreisförmigen Fenster 380 bis
zur Beobachtungsebene groß genug
ist, dann erfüllt
die Fresnel-Zahl Nf die Formel (4), so dass
die Bedingung der Fraunhoferschen Strahlenbeugung erfüllt wird: Nf = D2/λd << 1 (4)
-
Hier
ist nach der vorliegenden Erfindung die Beobachtungsebene S ein
Brennpunkt der Mikrolinse 355.
-
Die
Ausführungsform
der VCSEL nach der vorliegenden Erfindung weist das Fenster 380 auf,
dessen Durchmesser D die Bedingung der Fraunhoferschen Strahlenbeugung
erfüllt,
dass Nf << 1 ist. Das durch
den Laserstrahl, der das Fenster 380 passiert, ausgebildete
Fraunhofersche Strahlenbeugungsmuster wird zu einem Airy-Muster.
Für diese
Beugungsmuster konzentrischer Kreise weist der gebeugte Strahl der
0. Ordnung, der in der Mitte des Musters, von der Beobachtungsebene
S aus gesehen, positioniert ist, die größte Intensität auf, und
der Radius R's des gebeugten Strahl der 0. Ordnung wird
wie folgt ausgedrückt: R's = 1,22 λd/D (5)
-
Wie
in 8 dargestellt wird, kann in der VCSEL nach der
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung die Mikrolinse 355 vor oder
hinter dem Fenster 380 positioniert werden. Alternativ
dazu können
die Mikrolinse 355 und das Fenster 380 auf der
gleichen Ebene positioniert werden. Zum leichteren Verständnis des Prinzips
und für
eine bessere Veranschaulichung wird die Mikrolinse 355 in 8 so
dargestellt, dass sie sich vor dem Fenster 380 befindet.
-
Wenn
die Mikrolinse 355 und das Fenster 380 in der
gleichen Ebene positioniert sind und nur der gebeugte Strahl 0.
Ordnung, der die größte Intensität aufweist,
berücksichtigt
wird, dann wird der Radius des Strahls auf der Beobachtungsebene
S, die an einem Brennpunkt im Abstand der Brennweite f der Mikrolinse 355 vom
Fenster 380 positioniert ist, wie folgt ausgedrückt: Rs = 1,22 λf/D (6)
-
Um
einen Laserstrahl zu emittieren, der auf der Beobachtungsebene S
parallel erscheint, sollten der Durchmesser (2Rs) des gebeugten
Strahls 0. Ordnung auf der Beobachtungsebene S sowie der Durchmesser D
des Fensters 380 gleich sein, d. h. Rs = D/2. Wenn man
das Verhältnis
Rs = D/2 in die Formel (6) einsetzt, wird das Verhältnis zwischen
dem Durchmesser D des Fensters 380 und der Brennweite f
der Mikrolinse 355 so aufgestellt, wie es in der obigen
Formel (3) ausgedrückt
wird.
-
Wie
in der vorliegenden Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beschrieben wurde, ist, wenn das Fenster 380 so
ausgebildet ist, dass es eine Größe aufweist,
die die Bedingung der Fraunhoferschen Strahlenbeugung erfüllt, die
Fraunhofersche Strahlenbeugung, die am Fenster 380 auftritt,
durch die Fokussierwirkung der Mikrolinse 355 versetzt,
so dass ein paralleler Laserstrahl von der VCSEL emittiert werden kann.
Insbesondere, wenn das Fenster 380 und die Mikrolinse 355 so
ausgebildet sind, dass sie die obige Formel (3) erfüllen, kann
der Effekt, den parallelen Strahl von der VCSEL zu emittieren, nach
der Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung maximiert werden.
-
Selbst
wenn die VCSEL nach der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung das Fenster 380 und die Mikrolinse 355 aufweist,
die nicht auf der gleichen Ebene positioniert sind, dann kann die
obige Formel (3) angewendet werden, indem der Durchmesser D des
Fensters 380 und die Brennweite f der Mikrolinse 355 gestaltet
werden. In diesem Fall, obwohl sich das Verhältnis der parallelen Strahlenkomponente
hinsichtlich des von der VCSEL nach der Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung emittierten Laserstrahls leicht verringert im Vergleich
zu den oben beschriebenen VCSELs der 2 und 5,
kann die VCSEL, wenn der Grad der Reduzierung zulässig ist,
auf ein optisches System angewendet werden, das einen parallelen
Strahl benötigt. Wie
oben beschrieben, wird alternativ dazu, wenn das Fenster 380 und
die Mikrolinse 355 nicht auf der gleichen Ebene positioniert
sind, die Variable f der obigen Formel (3) korrigiert, indem der
Abstand zwischen dem Fenster 380 und der Mikrolinse 355 hinzuaddiert
wird oder derselbe von der ursprünglichen
Brennweite der Mikrolinse 355 ersetzt wird.
-
Wenn
die oben beschriebene VCSEL nach der Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zum Beispiel einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge von
850 nm emittiert und eine Mikrolinse mit einer Brennweite von 1
mm aufweist, dann kann ein paralleler Laserstrahl von der VCSEL
emittiert werden, indem ein Fenster ausgebildet wird, das einen
Durchmesser von 45,54 Mikrometer aufweist.
-
Obwohl
das Fenster 355 als kreisförmig mit einem Durchmesser
D beschrieben und dargestellt wird, kann die Form des Fensters 355 verändert werden.
Wenn das Fenster 355 in einer nicht-kreisförmigen Form ausgebildet
wird, dann entspricht der oben beschriebene Durchmesser D der maximalen
Breite des nicht-kreisförmigen
Fensters.
-
Obwohl
die VCSEL in 6 als eine VCSEL des von oben
emittierenden Typs dargestellt wird, entsprechend der VCSEL in 2,
wird man erkennen, dass das Prinzip der dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung auf eine von unten emittierende VCSEL
angewendet werden kann, wie in 5 dargestellt wird.
Eine Beschreibung und Darstellung der VCSEL des von unten emittierenden
Typs, die auf dem Prinzip der Ausführungsform basiert, wird hier
nicht gegeben.
-
Die
oben beschriebene Einbaumikrolinse in VCSEL nach der vorliegenden
Erfindung emittiert einen nahezu parallelen Laserstrahl. Wenn die
VCSEL nach der vorliegenden Erfindung auf ein optisches Übertragungssystem
im Bereich Lichtwellenkommunikation mittels Lichtwellenleiter oder
im Bereich Verbindungen mittels eines optischen Signals oder auf
ein optisches System, wie z. B. ein optischer Kopf für ein Aufzeichnungs-/Wiedergabegerät angewendet
wird, dann gibt es demzufolge keine Notwendigkeit einer Kondensor- oder
Kollimatorlinse. Somit ist der Aufbau der optischen Ausrichtung
einfach, so dass die Produktionskosten des optischen Systems beträchtlich
reduziert werden.
-
Während diese
Erfindung insbesondere unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen derselben
dargestellt und beschrieben wurde, wird von den Kennern der Technik
verstanden, dass verschiedene Änderungen
in Form und Details hierbei vorge nommen werden können, ohne dass vom Umfang
der Erfindung, so wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert wurde, abgewichen
wird.
