DE60317428T2 - Fehlertolerante Diodenlasereinheit - Google Patents

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DE60317428T2
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Edward F. IV Dittmer Stephens
Joseph L. Creve Coeur Levy
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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Laserdioden im Allgemeinen und im Besonderen eine Einheit, die gegenüber plötzlichen Kurzschlüssen und gegenüber plötzlichen Schaltkreisunterbrechungen geschützt ist.
  • 2. Diskussion des in Bezug stehenden Standes der Technik
  • Die WO 00/59086 A offenbart eine Laserdiodeneinheit. Halbleiterlaserdioden haben zahlreiche Vorteile. Sie sind dahingehend klein, dass die Breite ihrer aktiven Bereiche typischerweise im Bereich von Submikron bis einige Mikron ist, und ihre Höhe ist gewöhnlich nicht mehr als ein Bruchteil eines Millimeters. Die Länge ihrer aktiven Bereiche ist typischerweise weniger als etwa 1 mm. Die internen reflektierenden Flächen, welche Emission in einer Richtung erzeugen, werden durch Teilen des Substrats, aus welchem die Laserdioden hergestellt werden, ausgebildet und haben deshalb hohe mechanische Stabilität. Die Laserdiode hat typischerweise einige Emitter, von denen jeder mit einem entsprechenden aktiven Bereich ausgerichtet ist.
  • Mit Halbleiterlaserdioden sind hohe Effizienzen möglich, wobei einige gepulste Halbleiterlaserdioden eine externe Quanteneffizienz nahe 50 % aufweisen. Halbleiterlaser erzeugen Strahlung bei Wellenlängen von etwa 20 bis etwa 0,7 Mikron, abhängig von der verwendeten Halbleiterlegierung. Zum Beispiel emittieren Laserdioden aus Galliumarsenid mit Aluminiumdotierung (AlGaAs) Strahlung bei ungefähr 0,8 Mikron (~800 nm), was nahe dem Absorptionsspektrum von herkömmlichen Festkörperlaserstäben und -scheiben aus mit Neodom dotiertem Yttrium-Aluminium-Granat (Nd:YAG), und andere Kristalle und Gläser. Deshalb können Halbleiterlaserdioden als die optischen Pumpquellen für größere Festkörperlasersysteme verwendet werden.
  • Die universelle Verwendung von Halbleiterlaserdioden ist durch thermisch bedingte Probleme, welche katastrophale Fehler verursachen können, beschränkt worden. Diese Probleme sind verbunden mit der großen Wärmedissipation pro Einheitsfläche der Laserdioden, welche in erhöhten Temperaturen innerhalb der aktiven Bereiche und thermisch induzierte Spannungen resultiert. Die Laserdiodeneffizienz und die Lebensdauer der Laserdiode wird verringert, wenn die Betriebstemperatur in dem aktiven Bereich sich erhöht.
  • Insbesondere Laserdiodenbarren, welche mehr als einen Emitter aufweisen, sind für einen Kurzschlussfehler empfindlich. Dieser Kurzschlussfehler beginnt, wenn eine der Ausgabeflächen eines Emitters anfängt, optische Energie zu absorbieren, oder wenn Wärme von dem Emitter nicht ausreichend dissipiert wird. Wenn sich die Temperatur erhöht, wird der Emitter ineffizienter und absorbiert noch mehr Wärme, was eine weitere Erhöhung der Temperatur verursacht, und schließlich zu einer thermischen Runaway-Situation führt. Die Temperatur kann Niveaus erreichen, welche bewirken, dass das Material in der Fläche des betreffenden aktiven Bereichs schmilzt. Wenn das Schmelzen einmal erfolgt ist, wird die Strom- und Spannungscharakteristik des P-N-Übergangs bei dem aktiven Bereich lokal zerstört, und deshalb beginnt der aktive Bereich als ein einfacher Widerstand zu wirken. Wenn der P-N-Übergang lokal zerstört ist, fließt Strom, der normalerweise gleichmäßig über alle aktiven Bereiche verteilt wäre, durch die beschädigte Fläche, was dem Rest der aktiven Bereiche einen Teil oder den gesamten verfügbaren Strom entzieht. Wenn der beschädigte Bereich oder Bereiche groß sind, dann ist es möglich, dass der gesamte verfügbare Strom durch den beschädigten Bereich fließt, und der Rest der unbeschädigten aktiven Bereiche und deren entsprechende Emitter auf dem Laserdiodenbarren unwirksam werden. Deshalb kann eine Anordnung, welche den beschädigten Laserdiodenbarren enthält, weiter Strom ziehen, wird jedoch einen unangemessen niedrigen Betrag von Emission oder überhaupt keine Emission aufweisen.
  • Zusätzlich sind Laserdiodenbarren empfindlich gegenüber Schaltkreisunterbrechungen. Dieser Fehlermodus kann als ein Kurzschlussfehler beginnen. Der Emitter, welcher eine unzureichende Wärmeabfuhr hat, verursacht, dass der gesamte Laserdiodenbarren erhitzt wird. Die Wärme verursacht, dass die gelöteten elektrischen Verbindungen zwischen dem Laserdiodenbarren und der benachbarten Wärmesenke schmelzen und der Barren sich von der benachbarten Wärmesenke löst. Wenn die Trennung geschehen ist, existiert keine elektrische Verbindung mehr, wodurch ein offener Schaltkreis gebildet wird. Dieser Fehlermodus ist häufiger bei einer Laserdiodeneinheit anzutreffen, bei welcher der Diodenbarren in engem Kontakt mit einer festen Folie oder einer bandartigen Folie als Wärmesenke ist.
  • Die Zerstörung der Lötverbindung zwischen der Folie und dem Laserdiodenbarren zwingt die Einheit in einen Zustand der Schaltkreisunterbrechung.
  • Es besteht ein Bedarf nach einer Laserdiodeneinheit, die nicht für Kurzschlussfehler und Schaltkreisunterbrechungen empfindlich ist.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft eine Laserdiodeneinheit, wie in Anspruch 1 definiert. Die Erfindung betrifft auch eine Laserdiodenanordnung, welche eine Mehrzahl von Laserdiodeneinheiten umfasst, wie in Anspruch 10 definiert. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Hemmung des Effekts einer Schaltkreisunterbrechung in einer Laserdiodeneinheit, wie in Anspruch 11 definiert. Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in den restlichen Ansprüchen definiert.
  • Die vorliegende Erfindung behebt die Fehler durch Kurzschluss und Schaltkreisunterbrechung, indem sie eine Laserdiodeneinheit mit einem Laserdiodenbarren, einer in Durchlassrichtung angeordneten Diode, einer Wärmesenke und einer Abdeckung mit einer Mehrzahl von Schmelzverbindungen zur Verfügung stellt. Die Wärmesenke ist elektrisch mit dem Laserdiodenbarren und der in Durchlassrichtung angeordneten Diode verbunden, wobei die Emitter des Laserdiodenbarrens so ausgerichtet sind, dass sie Strahlung von der in Durchlassrichtung angeordneten Diode weg aussenden. Gegenüber der Wärmesenke, sind die Schmelzverbindungen der Abdeckung in elektrischem Kontakt mit dem Laserdiodenbarren, und der Hauptkörper der Abdeckung ist in elektrischem Kontakt mit der in Durchlassrichtung angeordneten Diode. Dementsprechend sind der Laserdiodenbarren und die in Durchlassrichtung angeordnete Diode elektrisch parallel zwischen der Wärmesenke und der Abdeckung.
  • Die individuellen Laserdiodeneinheiten können zu einer Laserdiodenanordnung kombiniert werden. Dementsprechend wird die Wärmesenke einer ersten Einheit in elektrischem Kontakt mit der Abdeckung einer zweiten benachbarten Einheit platziert. Mehrere individuelle Einheiten könne auf eine solche Weise angeordnet werden, was in einer Mehrfach-Laserdiodenbarren-Anordnung resultiert.
  • Die Abdeckung mit den Schmelzverbindungen verhindert Kurzschlussfehler, weil jede der Verbindungen, welche mit einem entsprechenden aktiven Bereich verknüpft ist und Strom für diesen aktiven Bereich durchlässt, wie eine normale elektrische Sicherung zerstört wird, wenn das Stromniveau zu hoch wird. Deshalb wird der elektrische Weg zu dem beschädigten aktiven Bereich zerstört, was bewirkt, dass der Strom durch die unbeschädigten aktiven Bereiche fließt.
  • Die in Durchlassrichtung angeordnete Diode verhindert Fehler durch Schaltkreisunterbrechung wenn die Einheiten in einer Laserdiodenanordnung angeordnet sind. Wenn ein Laserdiodenbarren elektrisch von dem Rest der Laserdiodeneinheit aufgrund eines Schmelzen des Lots abgetrennt ist, wird die in Durchlassrichtung angeordnete Diode aktiviert, was einen alternativen Weg für den elektrischen Strom zur Verfügung stellt. Dies ermöglicht es, dass eine Laserdiodenanordnung funktionierend bleibt, selbst wenn einer ihrer Laserdiodenbarren von der benachbarten Wärmesenke elektrisch abgetrennt wurde.
  • Während die Laserdiodeneinheit beide dieser Mechanismen zur Verringerung der Wahrscheinlichkeit einer Schaltkreisunterbrechung oder eines Kurzschlussfehlers aufweisen kann, kann die Laserdiodeneinheit auch davon profitieren, wenn lediglich einer dieser Fehler-Verhinderungsmechanismen vorgesehen ist. Deshalb kann eine Laserdiodeneinheit gemäß der vorliegenden Erfindung lediglich die in Durchlassrichtung angeordnete Diode aufweisen.
  • Die obige Zusammenfassung der vorliegenden Erfindung beabsichtigt nicht, jede Ausführungsform oder jeden Aspekt der vorliegenden Erfindung darzustellen. Dies ist Aufgabe der Figuren und der nachfolgenden detaillierten Beschreibung.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Das zuvor genannten und andere Vorteile der Erfindung werden durch Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezug auf die Zeichnungen deutlich.
  • 1 ist eine Seitenansicht einer Laserdiodeneinheit, die durch eine in Durchlassrichtung angeordnete Diode gesichert ist.
  • 2 ist eine diagrammförmige Darstellung eines Äquivalentschaltkreises, welcher den Laserdiodenbarren parallel mit der in Durchlassrichtung angeordneten Diode zeigt.
  • 3A ist eine schematische Darstellung einer in Durchlassrichtung angeordneten Diode, welche aus epitaxialen Schichten besteht, welche auf einem Galliumarsenidsubstrat gewachsen sind.
  • 3B ist eine Diagrammdarstellung eines Äquivalentschaltkreises, welcher aus der epitaxialen Struktur nach 3A resultiert.
  • 4 ist eine Seitenansicht von drei Laserdiodenbarreneinheiten, welche in einer Laserdiodenanordnung angeordnet sind, welche einen offenen Schaltkreis bei einer Laserdiode aufweist, jedoch eine aktivierte in Durchlassrichtung angeordnete Diode.
  • 5 ist eine Seitenansicht einer Laserdiodeneinheit mit einer Abdeckung, welche Schmelzverbindungen aufweist.
  • 6 ist eine Draufsicht der Laserdiodeneinheit nach 5 von der Abdeckungsseite der Einheit her, welche jede der Schmelzverbindungen auf der Abdeckung zeigt.
  • 7A ist eine Endansicht der Laserdiodeneinheit nach 5 von der Emissionsseite der Laserdiode her, welche den Strom gleichmäßig verteilt entlang den bestehenden aktiven Bereichen zeigt.
  • 7B ist eine Endansicht der Laserdiodeneinheit nach 5, welche einen durch zwei beschädigte aktive Bereiche fließenden exzessiven Strom zeigt, wodurch ein Kurzschlussfehler verursacht wird.
  • 7C ist eine Endansicht der Laserdiodeneinheit nach 5, welche die Vernichtung der zwei Schmelzverbindungen zeigt, welche den zwei beschädigten aktiven Bereichen nach 7B entsprechen, wodurch verursacht wird, dass der Strom wieder gleichmäßig entlang den bestehenden aktiven Bereichen verteilt ist.
  • Während die Erfindung verschiedenen Modifikationen und alternativen Ausbildungen unterworfen werden kann, sind bestimmte Ausführungsformen in den Zeichnungen beispielhaft gezeigt und werden hier im Detail beschrieben. Es ist jedoch zu bemerken, dass es nicht beabsichtigt ist, die Erfindung auf die bestimmten offenbarten Ausführungen zu beschränken. Sondern die Erfindung soll alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen abdecken, welche in den durch die anhängigen Ansprüche definierten Rahmen der Erfindung fallen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • In 1 ist eine Seitenansicht einer Laserdiodeneinheit 10 gezeigt, welche einen Laserdiodenbarren 12, eine in Durchlassrichtung angeordnete Diode 14, eine Abdeckung 16 und eine Wärmesenke 18 umfasst. Der Laserdiodenbarren 12 ist über eine erste Lotschicht 22a an der Wärmesenke 18 angebracht. Die in Durchlassrichtung angeordnete Diode 14 ist über eine zweite Lotschicht 22b an der Wärmesenke 18 angebracht. Die Abdeckung 16 ist mit einer dritten und vierten Lotschicht 24a und 24b sowohl an dem Laserdiodenbarren 12 als auch an der in Durchlassrichtung angeordneten Diode 14 angebracht.
  • Die Wärmesenke 18 der Laserdiodeneinheit 10 ist üblicherweise aus einem Material hergestellt, welches sowohl elektrisch als auch thermisch leitend ist, wie etwa Kupfer. Die elektrische Leitfähigkeit ist erforderlich, um den elektrischen Strom durch den Laserdiodenbarren 12 zu leiten und optische Energie zu erzeugen. Die thermische Leitfähigkeit wird benötigt, um die intensive Wärme von den Laserdiodenbarren 12 wegzuleiten, und den Laserdiodenbarren 12 auf einer geeigneten Betriebstemperatur zu halten. Die Wärme wird von einem unteren Ende 30 der Wärmesenke 18 geleitet, welches direkt oder indirekt an das thermische Endreservoir gekoppelt ist (z.B. einen Wärmetauscher mit einem Arbeitsfluid).
  • Die Abdeckung 16 kann eine einfache Folie sein, welche an einer Rückseite der Einheit 10 vorgesehen ist. Alternativ dazu kann die Abdeckung 16 als ein Wärmeweg nützlich sein und Wärme zu dem thermischen Endreservoir leiten. In diesem Fall wirkt die Abdeckung 16 wie die Wärmesenke 18 und kann entsprechend ausgestaltet sein.
  • Die Wärmesenke 18 und die Abdeckung 16 der Laserdiodeneinheit 10 können in einer solchen Weise hergestellt sein, dass sie das Material für die Lotschichten auf ihren äußeren Flächen haben (d.h. "vorverzinnt" bzw. vorgefertigt). Solche Strukturen werden in der US-Patentanmeldung Nr. 09/280,783 mit dem Titel "Laser Diode Packaging" beschrieben, welche am 29. März 1999 eingereicht wurde. Folglich können die erste und die zweite Lotschicht 22a und 22b und die dritte und die vierte Lotschicht 24a und 24b jeweils durch eine einzelne Lotschicht auf der Abdeckung 16 bzw. der Wärmesenke 18 erzeugt werden. Dies vermeidet die Notwendigkeit, einzelne Lotschichten genau anzuordnen, um an den Laserdiodenbarren 12 und die in Durchlassrichtung angeordnete Diode 14 anzukoppeln, obwohl eine solche Vorgehensweise auch die erwünschte Funktion ausüben wird. Durch das Vorfertigen der gesamten Abdeckung 16 und der Wärmesenke 18 können die Abdeckung 16 und die Wärmesenke 18 weiterhin zuvor aufgebrachte Lotschichten 26 bzw. 27 aufweisen, welche ermöglichen, dass die Einheit 10 an eine benachbarte Einheit gelötet wird.
  • Der Laserdiodenbarren 12 hat eine Emissionsfläche 28 und eine Reflexionsfläche 32, welche der Emissionsfläche 28 gegenüber liegt. Aktive Bereiche 29 des Laserdiodenbarrens 12, welches die Bereiche in dem Laserdiodenbarren 12 sind, an denen die Photonen aus der eingebrachten elektrischen Energie erzeugt werden, sind typischerweise näher an der Wärmesenke 18. Die Photonen laufen durch die aktiven Bereiche 29, reflektieren an der Reflexionsfläche 32 und werden von der Emissionsfläche 28 abgestrahlt. Es ist bevorzugt, dass die Emissionsfläche 28 im Wesentlichen bündig (d.h. im Wesentlichen koplanar) mit der Endfläche 31 der Wärmesenke 18 angeordnet ist. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Emissionsfläche 28 innerhalb von etwa 25,4 μm (1 mil, d.h. ± 0,001 inch) von dem oberen Ende 31 der Wärmesenke 18 angeordnet.
  • 2 zeigt eine Diagrammdarstellung eines Äquivalentschaltkreises der Einheit 10 nach 1, worin der Laserdiodenbarren 12 elektrisch parallel mit der in Durchlassrichtung angeordneten Diode 14 zwischen der Wärmesenke 18 und der Abdeckung 16 verbunden ist. Durch das Vorsehen der in Durchlassrichtung angeordneten Diode 14 parallel mit den Laserdiodenbarren 12, kann eine Schaltkreisunterbrechung vermieden werden. Insbesondere hat die in Durchlassrichtung angeordnete Diode 14 eine Schwellspannung (Ansprechspannung), welche höher ist als die Schwellspannung des Laserdiodenbarrens 12, üblicherweise um einen kleinen Bruchteil eines Volts. In einer Ausführungsform hat die in Durchlassrichtung angeordnete Diode 14 eine Schwellspannung von etwa 2,8 Volt, während der Laserdiodenbarren eine Schwellspannung von etwa 1,6 Volt hat. Im normalen Betrieb lässt der Äquivalentschaltkreis den gesamten elektrischen Strom durch den Laserdiodenbarren 12 durch. Während einer Schaltkreisunterbrechung resultiert eine elektrische Lücke, nachdem die dritte Lotschicht 24a zwischen der Abdeckung 16 und dem Laserdiodenbarren 12 oder die erste Lotschicht 22a zwischen der Wärmesenke 18 und dem Laserdiodenbarren 12 entfernt worden ist. Die Spannung über die elektrische Lücke, benachbart zu dem Laserdiodenbarren 12, beginnt sich aufzubauen. Weil die in Durchlassrichtung angeordnete Diode 14 parallel mit dem Laserdiodenbarren 12 verbunden ist, beginnt die Spannung über die in Durchlassrichtung angeordnete Diode 14 ebenfalls anzusteigen. Wenn die Spannung über die in Durchlassrichtung angeordnete Diode 14 die Schwellspannung der in Durchlassrichtung angeordneten Diode 14 erreicht, wird sie aktiviert. Wenn die in Durchlassrichtung an geordnete Diode 14 aktiviert ist, kann der elektrische Strom wieder von der Wärmesenke 18 zu der Abdeckung 16 fließen, obwohl der Laserdiodenbarren 12 keine Strahlung aussendet.
  • 3A und 3B zeigen eine schematische Querschnittsansicht bzw. einen resultierenden Schaltkreis einer möglichen Anordnung für die in Durchlassrichtung angeordneten Diode 14. Bei dieser Konfiguration ist die in Durchlassrichtung angeordnete Diode 14 aus Galliumarsenidsubstrat 32 hergestellt, mit auf ihrer äußeren Fläche gewachsenen epitaxialen Schichten 34. Das Substrat 32 ist vorzugsweise ein Substrat vom n+-Typ. Die epitaxialen Schichten 34 versehen das Substrat 32 mit einem geschichteten Diodendotierungsprofil, welches eine geschichtete Diode mit zwei Grenzzonen erzeugt, und zwar mit einer Schwellspannung, welche größer ist als die Schwellspannung des Laserdiodenbarrens 12. Ein Äquivalentschaltkreis 40 der epitaxialen Schichten 34 ist in 3B als zwei Dioden in Reihe dargestellt. Die in Durchlassrichtung angeordnete Diode 14, die in dieser Weise aufgebaut ist, stellt eine Absicherung für eine Schaltkreisunterbrechung für Laserdiodenbarren zur Verfügung, welche Strahlung mit einer Wellenlänge von 700 nm oder höher aussenden.
  • Obwohl in 3A und 3B nicht gezeigt, umfasst die in Durchlassrichtung angeordnete Diode 14 auf ihre Oberfläche eine Metallbeschichtung, welche ermöglicht, dass sie mit den Lotschichten 22B und 24B der Wärmesenke 18 und der Abdeckung 16 elektrisch verbunden werden. Zusätzlich zu der elektrischen Funktion der in Durchlassrichtung angeordneten Diode 14 dient sie ebenfalls als präziser Abstandshalter zwischen der Wärmesenke 18 und der Abdeckung 16. Wenn die epitaxialen Schichten 34 auf dem Substrat 32 gewachsen sind und die Metallbeschichtung aufgebracht ist, wird der Wafer präzise angerissen und in die geeignete Größe geteilt.
  • 4 zeigt eine Seitenansicht einer Laserdiodenanordnung 42, welche aus drei gestapelten Laserdiodeneinheiten 44, 46 und 48 mit einer Absicherung durch in Durchlassrichtung angeordnete Dioden besteht. Eine Wärmesenke 52 der oberen Laserdiodeneinheit 44 ist auf eine Abdeckung 54 der mittleren Laserdiodeneinheit 46 gelötet. Ebenso ist die Wärmesenke 56 der mittleren Laserdiodeneinheit 46 auf die Abdeckung 58 der unteren Laserdiodeneinheit 48 gelötet.
  • Unter normalen Bedingungen fließt durch jeden Laserdiodenbarren in den Laserdiodeneinheiten 44, 46 und 48 ein gleicher Strom, weil die Laserdiodeneinheiten 44, 46 und 48 miteinander elektrisch in Reihe verbunden sind. In 4 ist jedoch gezeigt, dass der mittlere Laserdiodenbarren 60 eine Schaltkreisunterbrechung 62 erfahren hat, wobei die Lotschicht weggeschmolzen ist, so dass der Laserdiodenbarren 58 von der Abdeckung 54 abgetrennt ist. Gemäß den Systemen nach dem Stand der Technik würde der Stromfluss durch die Laserdiodenanordnung 42 beendet, wenn die Schaltkreisunterbrechung auftritt, und die gesamte Laserdiodenanordnung 42 würde nicht funktionieren. Nachdem die Schaltkreisunterbrechung in dem beschädigten Laserdiodenbarren 60 auftritt, beginnt bei der vorliegenden Erfindung der Spannungsabfall über die in Durchlassrichtung angeordnete Diode 64 in der Laserdiodeneinheit 46 zu steigen. Wenn die Schwellspannung erreicht ist, erlaubt es die in Durchlassrichtung angeordnete Diode 64, dass Strom hindurchfließt, so dass der Strom auch durch die nicht beschädigten Laserdiodenbarren der oberen Laserdiodeneinheit 44 und der unteren Laserdiodeneinheit 48 fließt. Obwohl der Zustand einer Schaltkreisunterbrechung existiert, emittiert die Laserdiodenanordnung 42 infolgedessen Strahlung von allen Barren mit Ausnahme des beschädigten Laserdiodenbarrens 60.
  • 5 und 6 zeigen Drauf- und Seitenansichten einer Laserdiodeneinheit 80 mit einem Laserdiodenbarren 82, der zwischen einer Wärmesenke 83 und einer Abdeckung 84 gekoppelt ist und Schmelzverbindungen 86 aufweist. Die Abdeckung 84 besteht aus einer Metallfolie, wobei die Schmelzverbindungen 86 durch Ätzen oder mechanisches Stanzen ausgebildet sind. Der Laserdiodenbarren 82 hat aktive Bereiche 90, welche entlang der Länge des Laserdiodenbarrens 82 Energie aussenden. Jeder aktive Bereich 90 hat einen entsprechenden Emitter 92, welcher auf der Emissionsfläche des Laserdiodenbarrens 82 angeordnet ist. Elektrische Leistung wird zu den aktiven Bereichen 90 geführt, indem mehr elektrisch leitendes Material innerhalb der aktiven Bereiche 90 vorgesehen ist als in Bereichen zwischen den aktiven Bereichen 90.
  • Ein Abstandshalter 88 kann zwischen den unteren Bereichen der Wärmesenke 83 und der Abdeckung 84 platziert werden. Der Abstandshalter 88 kann einfach zur Erhaltung des geeigneten Raums zwischen der Wärmesenke 83 und der Abdeckung 84 vorgesehen sein, oder er kann die in Durchlassrichtung angeordnete Diode sein, welche für die oben beschriebenen Zwecke im Zusammenhang mit 1 bis 4 verwendet werden.
  • Die Nützlichkeit der Schmelzverbindungen 86 wird mit Bezug auf 7A bis 7C beschrieben, welche alle eine Endansicht mit Blick auf das Ende der Einheit 80 sind, von der das Licht von den Laserdiodenbarren 82 ausgesendet würde. Wie zuvor erwähnt, wird ein Kurzschlussfehler verursacht, wenn ein oder mehrere der aktiven Bereiche 90 nicht funktionieren und ein lokales Schmelzen des Materials erfolgt, welches der Laserdiodenbarren 82 umfasst. Der resultierende niedrige Widerstand verursacht, dass der beschädigte aktive Bereich mehr Strom durchlässt, als in den anderen aktiven Bereichen 90 des Laserdiodenbarrens 82.
  • 7A zeigt den normalen Betriebszustand, wobei der Stromfluss durch jeden der elf aktiven Bereiche 90 im Wesentlichen gleich verteilt ist. Obwohl nur elf aktive Bereiche 90 gezeigt sind, ist die Erfindung auf Laserdiodenbarren 82 mit mehr oder weniger aktiven Bereichen 90 anwendbar. Weil die Schmelzverbindungen 86 an den Laserdiodenbarren 82 gelötet sind, fließt ein im Wesentlichen gleicher Anteil des Stroms durch jede der Schmelzverbindungen 86. Wie gezeigt, hat jeder aktive Bereich 90 eine entsprechende Schmelzverbindung 86. In einer alternativen Ausführungsform kann jedoch jede Schmelzverbindung 86 einen Stromweg für eine Gruppe von aktiven Bereichen 90 erzeugen.
  • 7B zeigt einen Übergangszustand, wobei der Strom beginnt, mit einer unnormal hohen Rate zwischen zwei aktiven Bereichen 90a und 90b zu fließen, welche zerstört wurden. Wenn die zerstörten aktiven Bereiche 90a und 90b groß genug sind, wird der gesamte verfügbare Strom durch diese beschädigten aktiven Bereiche 90a und 90b fließen, und der Rest der Emitter 92 auf dem Laserdiodenbarren 82 wird nicht funktionieren. Deshalb beginnen die Schmelzverbindungen 86a und 86b, die mit den zwei aktiven Bereichen 90a und 90b assoziiert sind, Stromniveaus zu erzielen, welche sie nicht aufnehmen können. Die Schmelzverbindungen 86 sind derart ausgestaltet, dass die Schmelzverbindungen 86 sich selbst zerstören, wenn ein bestimmter übermäßiger Betrag von Strom durch sie geleitet wird. Deshalb sind die Schmelzverbindungen 86 zerbrechliche Strukturen, welche bei einem vorbestimmten Stromniveau zerstört werden.
  • 7C zeigt den Zustand nach 7B, in welchem die Schmelzverbindungen 86a und 86b zerstört sind, wobei das Durchlassen von Strom durch die beschädigten aktiven Bereiche 90a und 90b unterdrückt wird. Daher fließt der Strom weiterhin durch die anderen Schmelzverbindungen 86, und deshalb bleibt der Rest der aktiven Bereiche 90 des Laserdiodenbarrens 82 funktionierend und deren entsprechende Emitter 92 senden die angemessene Energie aus.
  • Die Schmelzverbindungen 86 verhindern einen Kurzschlussfehler, der aufgrund der intensiven Wärmeansammlung zu einer Schaltkreisunterbrechung führen kann, welche das Auf schmelzen der Lotschichten verursachen kann. Deshalb ist das Verhindern eines Kurzschlussfehlers auch eine präventive Maßnahme gegen eine Schaltkreisunterbrechung. Deshalb sichern die Schmelzverbindungen 86 in gewisser Weise auch gegen Schaltkreisunterbrechungen.
  • Die Abdeckung 84 und deshalb die Verbindungen 86 sind vorzugsweise aus einer schmelzbaren Legierung, wie etwa IndalloyTM #117, IndalloyTM #158 oder IndalloyTM #281. Für eine bekannte Querschnittsfläche haben die schmelzbaren Legierungen einen bestimmten Widerstand pro Einheitslänge, so dass ein bekannter Strom einen bekannten Betrag von Wärme erzeugen wird. Wenn der Strom einen vorbestimmten Wert übersteigt, verursacht die entstehende Wärme, dass die Temperatur der Verbindung 86 über die Schmelztemperatur der Verbindung 86 ansteigt, so dass ein Teil der Verbindung 86 schmilzt und die Verbindung 86 nicht länger elektrisch mit der Laserdiode 82 verbunden ist. Wenn z.B. der Strom durch eine Verbindung 86 das Dreifache des normalen Betriebsstroms übersteigt, verursacht dieser Betrag von Strom genügend Wärme, um das Schmelzen der Verbindung 86 zu verursachen.
  • Während die vorliegende Erfindung mit Bezug auf ein oder mehr bestimmte Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass viele Änderungen daran durchgeführt werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims (11)

  1. Laserdiodeneinheit (10; 44, 46, 48; 80), umfassend: eine Wärmesenke (18; 52, 56; 83); eine Abdeckung (16; 54, 58; 84); einen Laserdiodenbarren (12; 60; 82), der zwischen der Wärmesenke (18; 52, 56; 83) und der Abdeckung (16; 54, 58; 84) positioniert ist; gekennzeichnet durch eine in Durchlassrichtung angeordnete Diode (14; 64), die zwischen der Wärmesenke (18; 52, 56; 83) und der Abdeckung (16; 54, 58; 84) positioniert ist, wobei die in Durchlassrichtung angeordnete Diode (14; 64) in Reaktion auf eine Schaltkreisunterbrechung über den Laserdiodenbarren (12; 60; 82) einen Stromfluss in der selben Richtung ermöglicht, in der Strom normalerweise durch den Laserdiodenbarren (12; 60; 82) fließt, wobei die in Durchlassrichtung angeordnete Diode (14; 64) aus Galliumarsenidsubstrat (32) mit epitaxialen Schichten (34) hergestellt ist.
  2. Laserdiodeneinheit nach Anspruch 1, wobei die in Durchlassrichtung angeordnete Diode (14; 64) ausgebildet ist, um als präziser Abstandshalter zwischen der Wärmesenke (18; 52, 56; 83) und der Abdeckung (16; 54, 58; 84) zu wirken.
  3. Laserdiodeneinheit (10; 44, 46, 48; 80) nach Anspruch 1, wobei eine Schwellspannung der in Durchlassrichtung angeordneten Diode (14; 64) weniger als 1 Volt höher ist als eine Schwellspannung des Laserdiodenbarrens (12; 60; 82).
  4. Laserdiodeneinheit (10; 44, 46, 48; 80) nach Anspruch 1, weiterhin eine kontinuierliche Lotschicht (22a, 22b) auf der Wärmesenke (18; 52, 56; 83) umfassend, so dass die Lotschicht (22a, 22b) die Wärmesenke (18; 52, 56; 83) mit der in Durchlassrichtung angeordneten Diode (14; 64) und dem Laserdiodenbarren (12; 60; 82) verbindet.
  5. Laserdiodeneinheit (10; 44, 46, 48; 80) nach Anspruch 1, wobei das Substrat (32) und die epitaxialen Schichten (34) in einer Äquivalentschaltung (40) von zwei in Reihe geschalteten elektrischen Dioden resultieren.
  6. Laserdiodeneinheit (10; 44, 46, 48; 80) nach Anspruch 1, weiterhin ein thermisches Endreservoir umfassend, um Wärme von der Einheit zu empfangen, wobei die Abdeckung (16; 54, 58; 84) und die Wärmesenke (18; 52, 56; 83) ungefähr die selbe Höhe aufweisen und beide an das thermische Endreservoir gekoppelt sind.
  7. Laserdiodeneinheit (10; 44, 46, 48; 80) nach Anspruch 1, wobei die Abdeckung (16; 54, 58; 84) eine Mehrzahl von Schmelzverbindungen (86) aufweist, der Laserdiodenbarren (12; 60; 82) eine Mehrzahl von aktiven Bereichen (29; 90) aufweist, jeder der aktiven Bereiche (29) mit einer der Schmelzverbindungen assoziiert ist, die Schmelzverbindungen elektrisch mit dem Laserdiodenbarren (12; 60; 82) verbunden sind und aus einem schmelzbaren Material hergestellt sind, welches in Reaktion auf einen vorbestimmten dadurch fließenden Strom zerstört wird.
  8. Laserdiodeneinheit (10; 44, 46, 48; 80) nach Anspruch 4, wobei die kontinuierliche Lotschicht (22a, 22b) eine vorgefertigte Schicht aus Lot ist, die auf einer Mehrzahl von Flächen der Wärmesenke (18; 52, 56; 83) angeordnet ist.
  9. Laserdiodeneinheit (10; 44, 46, 48; 80) nach Anspruch 1, wobei der Laserdiodenbarren (12; 60; 82) eine Emissionsfläche (28; 92) aufweist, die im Wesentlichen koplanar mit einer oberen Endfläche (31) der Wärmesenke (18; 52, 56; 83) ist.
  10. Laserdiodenanordnung (42), umfassend eine Mehrzahl von Laserdiodeneinheiten (44, 46, 48) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, und wobei wenigstens eine Wärmesenke (52, 56) von einer Einheit (44, 46, 48) in elektrischem Kontakt mit einer Abdeckung (54, 58) von einer anderen Einheit (44, 46, 48) ist.
  11. Verfahren zur Hemmung des Effektes einer Schaltkreisunterbrechung in einer Laserdiodeneinheit (10; 44, 46, 48; 80), die einen Laserdiodenbarren (12; 60; 82), eine Wärmesenke (18; 52, 56; 83) und eine Abdeckung (16; 54, 58; 84) umfasst; wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Vorfertigen einer Lotschicht (22) auf der Wärmesenke (18; 52, 56; 83); Vorfertigen einer Lotschicht (24) auf der Abdeckung (16; 54, 58; 84); Positionieren des Laserdiodenbarrens (12; 60; 82) zwischen der Wärmesenke (18; 52, 56; 83) und der Abdeckung (16; 54, 58; 84); gekennzeichnet durch Positionieren einer in Durchlassrichtung angeordneten Diode (14; 64) zwischen der Wärmesenke (18; 52, 56; 83) und der Abdeckung (16; 54, 58; 84), wobei die in Durchlassrichtung angeordnete Diode (14; 64) in Reaktion auf eine Schaltkreisunterbrechung über den Laserdiodenbarren (12; 60; 82) einen Stromfluss in der selben Richtung ermöglicht, in der Strom normalerweise durch den Laserdiodenbarren (12; 60; 82) fließt; und Löten des Laserdiodenbarrens (12; 60; 82) und der in Durchlassrichtung angeordneten Diode (14; 64) zwischen die Wärmesenke (18; 52, 56; 83) und die Abdeckung (16; 54, 58; 84) unter Verwendung der vorgefertigten Lotschichten (22, 24).
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