DE69526232T2 - Vorrichtung aus oberflachenemittierender Lichtquelle mit vertikalem Resonator und einem optischen Detektor - Google Patents

Vorrichtung aus oberflachenemittierender Lichtquelle mit vertikalem Resonator und einem optischen Detektor

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Description

    Hintergrund der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Baugruppe aus einer Lichtquelle und einem Lichtdetektor, bei denen jeweils ein Vertikalhohlraum-Flächenemissions-Laser (vertical cavity surface emitting laser - VCSEL) einer Schichtstruktur eingesetzt wird, die auf einem einzelnen Substrat ausgebildet ist.
  • Ein VCSEL emittiert Licht vertikal von einer Schichtanordnung aus Halbleitermaterialien, die auf ein Substrat aufgetragen sind, und unterscheidet sich dadurch von einem Randemissionslaser (edge emitting laser). Zu Eigenschaften des VCSEL gehören kreisrunder Lichtausgang und ein Einzel-Längsmodenbetrieb. Eine Lichtquelle und ein Lichtdetektor zum Erfassen eines Fehlersignals aus einem optischen Signal von durch die Lichtquelle emittiertem Licht können in diesem VCSEL integriert werden. Diese Vorteile machen den VCSEL attraktiv für optische Einsatzzwecke, so beispielsweise als Lichtquelle für eine optische Abtasteinrichtung.
  • Da jedoch die Unterseite des VCSEL mit einem Halbleitersubstrat kombiniert ist, wobei Licht vertikal von der Oberseite desselben emittiert wird, ist es schwierig, einen Lichtdetektor zur Überwachung zu installieren.
  • Um dieses Problem zu lösen, wird im US-Patent Nr. 5,284,466 ein Rückkopplungsmechanismus für den VCSEL offenbart.
  • Bei diesem Mechanismus wird vertikale Lichtemission eines ersten VCSEL, bei dem es sich um eine Lichtquelle handelt, unter Verwendung von nicht gerichtetem seitlichem Spontanlicht desselben gesteuert. Das seitliche Spontanlicht wird in einem zweiten VCSEL empfangen, der um den ersten VCSEL herum vorhanden ist. Ein aus dem empfangenen Licht erfasstes Signal wird elektrisch zu dem Lichtquellenabschnitt zurückgeführt, um die Lichtemission der Lichtquelle zu steuern. Das heißt, der zweite VCSEL wird als ein Lichtdetektor eingesetzt, der das seitliche Spontanlicht empfängt, indem keine Energie oder in Sperrrichtung vorgespannte Spannung an dem zweiten VCSEL angelegt wird.
  • Der Aufbau und die Funktion einer herkömmlichen Baugruppe aus einer VCSEL-Lichtquelle und einem optischen VCSEL-Detektor sind in Fig. 1 dargestellt. Die herkömmliche Baugruppe aus einer VCSEL-Lichtquelle und einem optischen VCSEL-Lichtdetektor besteht aus einem Halbleitersubstrat 10, einer geschichteten VCSEL-Lichtquelle 12, die auf dem Halbleitersubstrat 10 integriert ist, um beim Anlegen einer in Durchlassrichtung vorgespannten Spannung Licht zu emittieren, und einem ringförmigen Lichtdetektor 14, der die Lichtquelle 12 umschließt, um seitliches Spontanlicht zu absorbieren, das von dieser emittiert wird. Der Lichtdetektor 14 absorbiert das von Lichtquelle 12 emittierte Spontanlicht, wandelt das Licht in ein elektrisches Signal um, führt es zu einer Elektrode von Lichtquelle 12 zurück, um die Lichtemission zu steuern. Dabei wird eine in Sperrrichtung vorgespannte Spannung an den Lichtdetektor 14 angelegt, oder es wird keinerlei Energie angelegt.
  • Da jedoch der ringförmige Lichtdetektor 14 einen sehr kurzen Lichtweg bildet, dringt ein Großteil des in die Innenfläche desselben absorbierten Lichtes durch die Außenfläche hindurch, so dass seine Lichtabsorptionspegel verringert wird. Dadurch ist es sehr schwierig, eine Lichtintensität zu erreichen, die ausreicht, um ein Signal zu erfassen und die Lichtemission von Lichtquelle 12 zu steuern.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Um die oben aufgeführten Probleme zu umgehen, besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Baugruppe aus einer VCSEL-Lichtquelle und einem VCSEL-Lichtdetektor zu schaffen, durch die der Lichtweg verlängert wird und damit der Lichtabsorptionspegel ansteigt, indem die Form des Lichtdetektors modifiziert wird.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Baugruppe aus einer VCSEL-Schichtstruktur, die eine Lichtquelle bildet und einer VCSEL-Schichtstruktur, die einen Lichtdetektor bildet, geschaffen, die ein Halbleitersubstrat, eine Lichtquelle, die wenigstens eine P-Schicht und wenigstens eine N-Schicht umfasst, die auf dem Halbleitersubstrat übereinander angeordnet sind, um Licht in vertikaler und seitlicher Richtung zu emittieren, sowie einen Lichtdetektor zum Überwachen umfasst, der in einem Ring um die Lichtquelle herum vorhanden ist, um das seitlich von der Lichtquelle emittierte Licht zu empfangen, wobei die Struktur des Lichtdetektors auf das Substrat mit wenigstens einer P-Schicht und wenigstens einer N-Schicht geschichtet ist. Gekennzeichnet ist sie dadurch, dass die Innenfläche desselben an die Lichtquelle angrenzend zylindrisch ist, und dass die Außenfläche desselben vieleckig ist und eine Vielzahl von Spitzen und Tälern aufweist.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die oben aufgeführte Aufgabe und die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der ausführlichen Beschreibung einer bevorzugten Ausführung derselben unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen besser ersichtlich, wobei:
  • Fig. 1 eine Perspektivansicht einer herkömmlichen Baugruppe einer Lichtquelle und eines Lichtdetektors ist, bei denen jeweils ein VCSEL zum Einsatz kommt;
  • Fig. 2 eine Perspektivansicht einer Baugruppe aus einer Lichtquelle und einem Lichtdetektor, bei denen jeweils ein VCSEL zum Einsatz kommt, gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
  • Fig. 3 eine Draufsicht auf die Baugruppe aus einer Lichtquelle und einem Lichtdetektor, bei denen jeweils eine VCSEL zum Einsatz kommt, gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
    • Ausführliche Beschreibung der Erfindung
  • Eine Baugruppe aus einer VCSEL-Lichtquelle und einem optischem VCSEL-Detektor zum Überwachen gemäß der vorliegenden Erfindung wird ausführlich unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
  • Eine VCSEL als eine Lichtquelle 22 wird, wie in Fig. 2 dargestellt, zu wenigstens einer ersten Schichtanordnung mit wenigstens einer P-Schicht und wenigstens einer N-Schicht beispielsweise auf einem Ende-Typ-GaAs-Halbleitersubstrat 20 ausgebildet.
  • Die erste Schichtanordnung emittiert Licht über einen aktiven Quantentopfbereich, der zwischen einer Schicht eines verteilten Bragg-Reflektors (DBR) vom N-Typ und einer DBR-Schicht vom P-Typausgebildet ist, so dass er als Lichtquelle 22 wirkt. Dieser VCSEL als Lichtquelle 22 wird durch eine Vorspannungsschaltung, die eine Energiequelle enthält, in Durchlassrichtung vorgespannt und emittiert gleichzeitig, wie dargestellt, vertikal Licht und seitlich nicht gerichtetes Spontanlicht. Die Intensität des Spontanlichtes ist erheblich geringer als die des vertikalen Lichtes. Um die Intensität des vertikalen Lichtes durch Absorbieren des Spontanlichtes zu steuern, ist um die Lichtquelle 22 eine zweite Schichtanordnung aus einer N-Typ-DBR-Schicht, einer P-Typ-DBR- Schicht und einem aktiven Quantentopfbereich zwischen ihnen vorhanden, die identisch mit denen des VCSEL für die Lichtquelle 22 sind. Die zweite Schichtanordnung wirkt als Lichtdetektor 24 zur Überwachung. Dabei wird dem Lichtdetektor 24 zum Überwachen in Sperrrichtung vorgespannte Spannung zugeführt, oder es wird keinerlei Energie zugeführt. Der Lichtdetektor zum Überwachen absorbiert, wie oben beschrieben, das Spontanlicht, das seitlich von der ersten Schichtanordnung emittiert wird.
  • Der Lichtdetektor, der die Lichtquelle 22 umschließt, ist ringförmig. Die Innenfläche desselben, die der Lichtquelle zugewandt ist, ist zylindrisch, um das nichtgerichtete Spontanlicht zu absorbieren. Dieses absorbierte Spontanlicht wird in ein elektrisches Signal umgewandelt, zur Lichtquelle 22 zurückgeführt und dazu genutzt, die Intensität des vertikal emittierten Lichtes zu steuern. Zur Absorption kommt es, wenn das Spontanlicht durch den aktiven Bereich hindurchtritt. Daher nimmt, da der Lichtweg in dem aktiven Bereich länger wird, die Intensität des absorbierten und in ein elektrisches Signal umgewandelten Lichtes zu. Um diesen Zweck zu erfüllen, kann die Breite des Lichtdetektors 24 vergrößert werden. Dies führt jedoch zu einer Zunahme der Größe der integrierten Schaltung. Um dieses Problem zu lösen, wird die Außenfläche des Lichtdetektors 24 der vorliegenden Erfindung dahingehend modifiziert, dass sie vieleckig ist und eine Vielzahl von Spitzen und Tälern aufweist.
  • Fig. 3 ist eine Draufsicht auf eine Baugruppe aus einer VCSEL-Lichtquelle und einem optischen VCSEL-Detektor gemäß der vorliegenden Erfindung, die einen beispielhaften Aufbau des Lichtdetektors 24 zeigt. Bezugszeichen 26 kennzeichnet eine Elektrode, an die Energie von außen angelegt wird, um Licht von der Lichtquelle 22 zu emittieren, wobei dies dargestellt ist, um die Funktionsweise der Vorrichtung zu zeigen, und es keinen Teil der beanspruchten Erfindung darstellt.
  • Bei der in Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführung ist die Außenfläche des Lichtdetektors 24 achteckig. Bei dem so aufgebauten Lichtdetektor wird der Großteil in die Innenfläche desselben absorbierten Spontanlichtes innen reflektiert und dringt nicht durch die Außenfläche desselben hindurch. Durch diese Reflektion wird der Weg des spontanen Lichtes verlängert. So nimmt auch die durch den aktiven Bereich absorbierte Lichtintensität zu, so dass wirkungsvolle Steuerung der Intensität des von der Lichtquelle 22 emittierten vertikalen Lichtes möglich ist. Es erübrigt sich zu sagen, dass die Form des Lichtdetektors 24 auf vielfache Weise abgewandelt werden kann, und auch seine Breite vergrößert werden kann, wenn dies erforderlich ist. So kann beispielsweise, wenn die Länge des Lichtweges durch die Reflektion von Licht im Inneren des Lichtdetektors 24 um das Dreifache zunimmt, ungefähr 80% des Spontanlichtes absorbiert werden, so dass die Lichtintensität ausreicht, um die Lichtquelle 22 zu steuern.
  • Bei der Baugruppe aus einer VCSEL-Lichtquelle und einem VCSEL-Lichtdetektor der vorliegenden Erfindung wird, wie oben beschrieben, der Pegel der Lichtabsorption erhöht, indem der Lichtweg über Reflektionen von den Vieleckflächen verlängert wird. Dadurch wird trotz eines teilweisen Verlustes des Spontanlichtes zwischen der Lichtquelle und dem Lichtdetektor ein ausreichendes elektrisches Signal erzeugt, um die Intensität des vertikalen Lichtes zu steuern, das von der Lichtquelle emittiert wird.
  • Der Leser wird auf sämtliche Veröffentlichungen und Dokumente hingewiesen, die gleichzeitig mit oder vor der vorliegenden Patentbeschreibung im Zusammenhang mit dieser Anmeldung eingereicht wurden, und die der Öffentlichkeit zur Prüfung mit dieser Patentbeschreibung zugänglich sind.
  • Alle in dieser Patentbeschreibung (einschließlich etwaiger beigefügter Ansprüche, des Abstracts und der Zeichnungen) offenbarten Merkmale und/oder alle Schritte etwaiger Verfahren oder Prozesse, die offenbart werden, können auf beliebige Weise kombiniert werden, jedoch nicht in Kombinationen, bei denen wenigstens einige dieser Merkmale und/oder Schritte einander ausschließen.
  • Jedes Merkmal, das in der vorliegenden Patentbeschreibung (einschließlich der Zeichnungen) offenbart wird, kann durch alternative Merkmale ersetzt werden, die den gleichen, einen äquivalenten oder einen ähnlichen Zweck erfüllen, wenn dies nicht ausdrücklich anders angemerkt ist. Daher ist, sofern nicht ausdrücklich anders angemerkt, jedes offenbarte Merkmal nur ein Beispiel einer übergeordneten Reihe äquivalenter oder ähnlicher Merkmale.
  • Die Erfindung ist nicht auf die Einzelheiten der vorangehenden Ausführungen beschränkt.

Claims (2)

1. Baugruppe aus einer VCSEL-Schichtstruktur, die eine Lichtquelle bildet, und einer VCSEL-Schichtstruktur, die einen Lichtdetektor bildet, die ein Halbleitersubstrat (20), eine Lichtquelle (22), die wenigstens eine P-Schicht und wenigstens eine N-Schicht umfasst, die auf dem Halbleitersubstrat übereinander angeordnet sind, um Licht in vertikaler und seitlicher Richtung zu emittieren, sowie einen Lichtdetektor (24) zum Überwachen umfasst, der in einem Ring um die Lichtquelle herum vorhanden ist, um das seitlich von der Lichtquelle emittierte Licht zu empfangen, wobei die Struktur des Lichtdetektors auf das Substrat mit wenigstens einer P-Schicht und wenigstens einer N-Schicht geschichtet ist, und wobei die Innenfläche des Lichtdetektors an die Lichtquelle angrenzend zylindrisch ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenfläche des Lichtdetektors vieleckig ist und eine Vielzahl von Spitzen und Tälern aufweist.
2. Baugruppe aus einer VCSEL-Lichtquelle und einem VCSEL-Lichtdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenfläche des Lichtdetektors ein regelmäßiges Vieleck ist.
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