JP2006060204A - 自己監視式発光装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】
発光デバイスをパワー・モニタと一体化するシステムおよび方法を提供すること。
【解決手段】
自己監視式光源（１１０）を提供する。自己監視式光源（１１０）は、光を生成する光源（１２０）と、生成された光の一部を受け取る光モニタ（１３０）とを含む。光源（１２０）と光モニタ（１３０）は、同じ半導体ダイ（３１０）上に作成される。
【選択図】図１

Description

本発明は発光装置に関し、詳しくは、安定した一定の出力パワーを確保するためのフィードバック回路を備えた自己監視式発光装置に関する。
半導体レーザは、多くの光システムで構成部品として使用されている。面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）は半導体レーザの一種である。ＶＣＳＥＬは、他の半導体レーザに比べて低コストで製造および試験することが出来るため、多数の用途において好ましい光源となっている。しかしながら、ＶＣＳＥＬの出力パワーは、他の半導体レーザと同様に、温度やＶＣＳＥＬのエージング時間に応じて変化、すなわち変動する。
ＶＣＳＥＬの出力パワーを定常、すなわち一定に維持する１つの方法は、ＶＣＳＥＬの光出力を監視することである。ＶＣＳＥＬの光出力の一部は通常、フィードバック・ループによって進路変更され、フォトダイオードのような監視素子に送られる。ＶＣＳＥＬの出力パワーが変動すると、フィードバック回路はＶＣＳＥＬに供給される駆動電流を調節し、ＶＣＳＥＬで生成される出力パワーを補正する。一般的には、ウィンドウ・ミラーと呼ばれる部分透過ミラーを使用してＶＣＳＥＬ光出力の一部を進路変更し、フォトダイオードに送っている。
面発光型レーザ（ＶＣＳＥＬ）から放出されるパワーを監視する１つの従来技術として、外部光学面を使用して放出レーザ・パワーの一部を分割して転向させ、それを独立した光検出装置に送る方法がある。特許文献１は、そのような方法の一例について記載している。この方法は、当時の既存の方法に比べて大幅に改善されているものの、パワーの監視を実現するために、独立した光学部品や検出コンポーネントが必要となる。
大半の従来技術のシステムは、少なくとも次のような独立したコンポーネントを備えている。すなわち、ＶＣＳＥＬコンポーネント、光検出コンポーネント、および光学素子である。当然ながら、有効に機能するシステムを製造するためには、光学コンポーネント、レーザ・コンポーネント、および検出コンポーネントを慎重に組み合わせ、一体化しなければならない。また、当該技術分野では、光コンポーネントを他のコンポーネントと一体化するために、複雑なシステム統合が必要であると考えられている。このシステム統合には、アライメント、複雑な組み立て工程、およびパッケージング方法などが含まれる。望ましくないことに、独立した部品またはコンポーネントの数が増加すると、パッケージ全体のサイズも増大する。さらに、製品のプラットフォームが異なれば、独立した光コンポーネント、レーザ・コンポーネント、および検出コンポーネントを統合するために、各プラットフォームごとに特別な設計が必要になる。
米国特許第６，６３６，５４０号明細書
本発明の課題の１つは、発光デバイスをパワー・モニタと一体化したシステムおよび方法を提供することである。
本発明は、制限のためではなく、例示の目的で図面に描かれている。図面中、同じ参照符号は類似の要素を意味している。
本発明の一実施形態による、単一の半導体ダイとして作成される自己監視式発光装置（例えば、光源）について説明する。自己監視式光源は、光を生成する光源と、生成された光の一部を受け取る光モニタとを含む。光源（例えば、面発光型光源）と光モニタは、同じ半導体ダイに形成される。この実施形態の場合、光学素子は半導体ダイに組み込んでもよいし、半導体ダイとは別の素子として形成してもよい。
本発明の一実施形態による、光源ダイおよびモニタ・ダイからなる単一のサブアセンブリとして作成される自己監視式発光装置（例えば、光源）について説明する。自己監視式光源は、光源ダイに形成された光源（例えば、面発光型光源）と、モニタ・ダイに形成されたモニタまたは検出器とを含む。光源ダイとモニタ・ダイは、単一のサブアセンブリとして結合またはパッケージングされる。この実施形態の場合、光学素子は光源ダイに形成してもよいし、モニタ・ダイに形成してもよい。
自己監視式発光装置について説明する。下記の説明では、本発明を完全に理解してもらうために、説明の目的で多数の具体的な詳細について説明する。しかしながら、それらの具体的な詳細がなくても本発明を実施できることは、当業者にとって明らかであろう。その他、周知の構造および装置については、本発明を不必要に曖昧にすることがないようにブロック図で示している。
光学系１００
図１は、本発明の一実施形態による自己監視式光源１１０を含む光学系１００を示している。光学系１００は、例えば、データ信号を受信し、該データ信号に基づいて光源を調節し、調節された光を光ファイバ・ケーブルのような光媒体に送り込む光送信器である場合がある。
光学系１００は、自己監視式光源１１０と、光学素子１４０と、光源１１０（例えば、レーザ）に駆動信号１５２（例えば、駆動電流）を供給する光源駆動装置１５０とを含む。自己監視式光源１１０は光モニタ１３０を含み、光モニタ１３０はレーザで生成された光の一部を受け取り、受け取った光に基づいてフィードバック信号を生成し、該フィードバック信号をレーザ駆動装置に供給する。光モニタ１３０は、光源で生成された光の量、またはそれによって生成されるパワーの大きさを測定する。光モニタ１３０には、例えば光検出器が使用される。本明細書では、光モニタ１３０のことを、「パワー・モニタ」、「パワー検出器」、「モニタ」、または「検出器」と呼ぶ場合がある。
自己監視式光源１１０
光学系１００は、本発明の一実施形態による自己監視式光源１１０（以下、自己監視式発光装置またはデバイス１１０とも呼ばれる）を含む。自己監視式光源１１０は、光源１２０と、光源１２０と共に一体に形成された光モニタ１３０（例えば、光検出器またはフォトトランジスタ）とを含む。一実施形態において、光源１２０は半導体レーザ（例えば、ＶＣＳＥＬ）である。
光源１２０は、光学素子１４０に送られる光１２２を生成する。光１２２の第１の部分１２４はある用途のために送られ、光１２２の第２の部分１３２は光学素子１４０で反射され、光モニタ１３０に戻される。この実施形態の場合、自己監視式光源１１０は外部光学素子１４０を利用している。例えば、自己監視式光源１１０は、外部光学素子と一緒に組み立て、またはパッケージングしてもよい。外部光学素子１４０は、レーザ１２０で生成された光の一部を透過し、一部をモニタ１３０へ反射させるために使用される。光学素子１４０は、ＶＣＳＥＬ光出力１２２の一部１３２を光モニタ１３０へ進路変更させるために、ウィンドウ・ミラーと呼ばれる部分透過ミラーを含む場合がある。
光モニタ１３０は光の第２の部分１３２を測定し、フィードバック信号１３４を光源駆動装置１５０（例えば、レーザ駆動回路）に供給する。フィードバック信号１３４は、光源１２０の出力パワーの測定値を表している。光源駆動回路１５０は、フィードバック信号１３４および他の信号（例えば、データ信号）を受信し、それらに基づいて１以上の駆動信号１５２（例えば、駆動電流信号）を光源１２０に供給する。
前述のように、光源１２０の出力パワー（例えば、ＶＣＳＥＬの出力）は、温度や時間（例えば、ＶＣＳＥＬのエージング）に応じて変化、すなわち変動する。光モニタ１３０は、光源１２０の光出力（例えば、ＶＣＳＥＬの光出力）を監視する。ＶＣＳＥＬの光出力の一部１３２は通常、フィードバック・ループにより光モニタ１３０へと進路変更される。ＶＣＳＥＬの光出力パワー１２２が変動すると、光源駆動回路１５０はＶＣＳＥＬ１２０に供給される駆動電流１５２を調節し、ＶＣＳＥＬ１２０で生成される出力パワー１２２を補正する。このように、光源１２０の出力パワーは、光モニタ１３０、光源駆動装置１５０、および光源１２０からなるフィードバック・ループを利用して制御される。一実施形態では、このフィードバックを利用して、光源１２０の出力パワーが定常、すなわち一定に維持される。
一実施形態では、光源（例えば、面発光型光源またはＶＣＳＥＬ）と光モニタ（例えば、レーザで生成されるパワーを測定または監視する光検出器）が、単一の半導体ダイに一体に形成される（例えば、モノリシック集積化）場合がある。他の実施形態では、光源、光モニタ、および光学素子（例えば、グレーティング）が、単一のダイに一体に形成される場合がある。例えば、グレーティングは半導体ダイの表面上に形成される場合がある。
さらに他の実施形態では、光源（例えば、ＶＣＳＥＬのような面発光型光源）が光源ダイに形成され、光モニタ（例えば、レーザで生成されるパワーを測定または監視する光検出器）がモニタ・ダイまたは薄膜に形成され、光源ダイとモニタ・ダイが、単一のサブアセンブリとして結合される場合がある。例えば、光源ダイとモニタ・ダイは、単一のサブアセンブリとして一体に組み立て、またはパッケージングされる場合がある。そして、自己監視式光源１１０のサブアセンブリの外部に、独立した光学素子を使用する場合がある。
さらに他の実施形態では、光源、光モニタ、および光学素子が、単一のサブアセンブリとして結合される場合がある。この実施形態の場合、光学素子（例えば、グレーティング）は光源ダイに形成してもよいし、モニタ・ダイに形成してもよい。
さらに他の実施形態では、光源が、光学素子と共に単一のダイに一体に形成される場合がある。この実施形態の場合、光学素子（例えば、グレーティング）は光源ダイの表面上に形成することができる。次いで、光学素子が組み込まれた光源ダイは、光モニタ・ダイまたは光モニタ薄膜に形成された光モニタに結合させることができる。
さらに他の実施形態では、光モニタが、光学素子と共に単一のダイに一体に形成される場合がある。この実施形態の場合、光学素子（例えば、グレーティング）は光モニタ・ダイの表面上に形成することができる。
光学系２００
図２は、本発明の一実施形態による光学素子が組み込まれた自己監視式光源２１０を含む光学系２００を示している。光学系２００は、例えば、データ信号を受信し、該データ信号に基づいて光源を調節し、調節された光を光ファイバ・ケーブルのような光媒体に送り込む光送信器である場合がある。
光学素子が組み込まれた自己監視式光源２１０
光学系２００は、本発明の一実施形態による光学素子が組み込まれた自己監視式光源２１０（以下、光学素子が組み込まれた自己監視式発光デバイス２１０と呼ぶ場合もある）を含む。自己監視式光源２１０は、光源２２０と、光源２２０と共に一体に形成された光モニタ２３０と、光源２２０および光モニタ２３０と共に一体に形成された光学素子２４０とを含む。一実施形態において、光源２２０は半導体レーザ（例えば、ＶＣＳＥＬ）である。この実施形態の場合、自己監視式光源２１０は内部に光学素子２４０（例えば、回折格子）を備え、自己監視式光源２１０により光の送出、反射、転向等が実施されるので、外部光学素子は不要である。
自己監視式底面発光型ＶＣＳＥＬ
図３は、本発明の一実施形態による自己監視式光源３００（以下、自己監視式発光装置とも呼ばれる）の側面図である。この実施形態の場合、自己監視式発光装置３００は光源３５０、光モニタ３６０、および光学素子３７０を含み、それらがすべて単一の半導体ダイ（本明細書では、単一のチップまたは単一のダイとも呼ばれる）に一体に形成されている。
この実施形態の場合、自己監視式光源３００は、面発光型光源３５０（例えば、面発光型半導体レーザまたは底面発光型ＶＣＳＥＬ）を含む。光源３５０は、光モニタ３６０および光学素子３７０と共に一体に形成される。すなわち、光源３５０、光モニタ３６０、および光学素子３７０は、単一の半導体ダイ３１０（本明細書では、光源ダイまたはレーザ・ダイとも呼ばれる）に形成または作成される。光源ダイ３１０は、能動素子を処理する場所である能動層３２０を含む。能動層３２０は、レーザ・アパーチャ３５０、および光モニタ３６０（例えば、光検出器）を含む。
光源ダイ３１０は、光電子機器を製造しようとする当業者にとって既知の、砒化インジウム・ガリウム（ＩｎＧａＡｓ）または他の半導体材料（例えば、ＩＩ−ＶＩ族およびＩＩＩ−Ｖ族の半導体）のような半導体材料から作成することができる。モニタ３６０（例えば、光検出器）をレーザ・ダイ３１０（例えば、ＶＣＳＥＬダイ）に組み込む１つの方法は、選択的エッチングおよびエピタキシャル再成長を利用することである。まず、モニタ領域全体からレーザ共振器を完全に除去する。次に、効率を高めるために、除去部分を比較的厚い吸収層として再成長させる。
半導体ダイ３１０は底面３３０および上面３４０を有する。光学素子３７０（例えば、グレーティング）は、上面３４０に形成することができる。一実施形態において、このグレーティング３７０（例えば、回折格子）は、半導体ダイ３１０の上面にエッチングされる。グレーティング３７０は、例えば光源ダイ３１０または基板材料に表面レリーフ・パターンをエッチングすることにより、形成または作成することができる。なお、光学素子３７０は、図示のようにダイ３１０の表面全体に形成してもよいし、ダイ３１０の表面の一部（例えば、光源３５０の直上）だけに形成してもよい。また、本発明の一実施形態によれば、このグレーティングは、後で詳しく説明するようにモニタ・ダイにエッチングされる場合もある。グレーティング３７０の上には、反射防止（ＡＲ）層３８０またはコーティングを形成することができる。ＡＲ層３８０には、例えば窒化珪素層や二酸化チタン層が使用される。
一実施形態において、能動層３２０は、半導体レーザ（例えば、ＶＣＳＥＬ）３５０と、モニタ３６０とを含む。レーザ３５０には、例えば底面発光型ＶＣＳＥＬが使用される。光は底面３３０のレーザ・アパーチャで生成され、基板３１０を通過して、上面の光学素子３７０（例えば、回折格子）に照射される。レーザ３５０で生成された光は、図示の光線のように、円錐状に進行することができる。
光の大部分は何らかの用途（例えば、送信器の用途）のために光源３００から送出され、光の一部は反射されてモニタ３６０に戻され、光の一部（図示せず）は反射されて能動層３２０（例えば、レーザ３５０）以外の領域に戻される。前述のように、反射によりモニタ３６０に戻される光の一部は測定され、駆動回路に供給され、駆動回路はレーザに供給される駆動信号を調節し、例えば温度やレーザのエージングに起因するレーザ出力の変動を補正する。
一実施形態において光源３５０はＶＣＳＥＬであるものとして記載されているが、本発明による教示はいかなる面発光型光源にも適用することができ、限定はしないが、面発光型発光ダイオード（ＬＥＤ）、面発光型半導体レーザ、またはその他の面発光型光源にも適用することができる。
自己監視式上面発光型ＶＣＳＥＬ
図４は、本発明の他の実施形態による自己監視式光源４００を示す側面図である。この実施形態の場合、自己監視式光源４００は自己監視式上面発光型ＶＣＳＥＬである。この実施形態の場合、レーザ４５０は上面発光型ＶＣＳＥＬである。ダイ４１０（以下、光源ダイとも呼ばれる）の上には、透明材料の層４２０が形成される。ダイ４１０の上面４３０には、例えばエポキシのような透明材料４２０を堆積させることができる。
透明な層４２０の表面４４０上には、または透明な層４２０の一部として、光学素子が形成される。一実施形態では、次に、透明な層４２０にグレーティング４７０をパターニングする。グレーティング４７０のパターニングについては、図９〜図１４を参照して後で詳しく説明する。任意選択で、ＡＲコーティング４８０をグレーティング４７０に施してもよい。
モニタ構成の例：形状および幾何学構成の例
図５は、モニタ５１０が本発明の一実施形態による環状幾何学構成を有する場合の、自己監視式光源の平面図である。この実施形態の場合、モニタ５１０は、環状幾何学構成（例えば、リング形状）を特徴とするレイアウトを有する。一実施形態では、少なくとも１つの平面または高さにおいて、レーザ・アパーチャの一部が光モニタまたは光検出器によって部分的に包囲されるようにする。他の実施形態では、少なくとも１つの平面または高さにおいて、レーザ・アパーチャが光モニタまたは光検出器によって完全に包囲されるようにする場合がある。さらに他の実施形態では、光モニタを第１の平面に配置し、光源を第２の平面に配置し、レーザ・アパーチャの光モニタの平面上への投影が、光モニタまたは光検出器によって部分的または完全に包囲されるようにする場合がある。
この環状幾何学構成は、リング形状の対称性により、グレーティング用マスクと能動層のコンポーネントとの間の位置合わせ要件が緩和される点で有利である。例えば、グレーティングとレーザとの間の位置合わせが完全でなくても、モニタ幾何学構成が対称性であるため、反射光をモニタで捕捉することができる。
図６は、モニタ６１０が本発明の他の実施形態による切欠き付き環状幾何学構成を有する場合の、自己監視式光源の平面図である。図５および図６については、後で詳しく説明する。
図７は、自己監視式光源７００の平面図である。自己監視式光源７００は、光源７１０と、光源７１０と共に一体に形成されたモニタ７２０とを含む。この実施形態の場合、光源７１０は半導体レーザ（例えば、ＶＣＳＥＬ）であり、モニタ７２０は本発明の一実施形態による単一の受光部７２４を使用する。
受光部７２４は、任意の適当な幾何学形状（例えば、円、正方形、多角形、または他の形状）で実施することができる。また、モニタ７２０は複数の受光部を有してもよい。受光部は、独立した島状部（例えば、２以上の独立した不連続領域または形状）として実施してもよいし、単一の連続的形状として実施してもよい。
光モニタ（例えば、光検出器）のレイアウトとしては、限定はしないが、１以上の分離された（すなわち不連続な）島状部、１以上の連続的幾何学形状、環状幾何学形状、少なくとも１つの切欠き付きの環状幾何学形状などを有するレイアウト、少なくとも第１の軸を中心にして対称なレイアウト、第１の軸および第２の軸を中心にして対称なレイアウト、放射状に対称なレイアウトなどが可能である。さらに、この光モニタ（例えば、光検出器）のレイアウトは、例えば、単一の受光部、少なくとも２つの独立した受光部、または４つの受光部などを有するレイアウトが可能である。これらの幾何学形状および構成の例については、後で詳しく説明する。
図８は、自己監視式光源（例えば、８０２、８０４、８０６）のアレイ８００を示す平面図である。各自己監視式光源には、光源とモニタが組み込まれている。この実施形態の場合、光源（例えば、８１０、８２０、８３０）は半導体レーザ（例えば、ＶＣＳＥＬ）である。
この実施形態の場合、組み込まれた各モニタ（例えば、モニタ８１２）は、２つの受光部を使用する。例えば、モニタ８１２は、第１の受光部８１４および第２の受光部８１８を含む。受光部８１４、８１８は、任意の適当な幾何学形状（例えば、円、正方形、または、他の形状）で実施することができる。また、受光部８１４、８１８は、独立した島状部（例えば、２以上の独立した不連続領域または形状）として実施してもよいし、単一の連続的形状として実施してもよい。受光部４１４、８１８を単一の連続的形状（例えば、環状幾何学構成）として配置する例については、図５および図６に関連して上述したようなものがある。
この実施形態は、第１の方向（Ｘ方向または水平方向）に沿って配置された複数のレーザ（例えば、Ｎのレーザ）を含むアレイのような、レーザ・アレイ（例えば、ＶＣＳＥＬアレイ）を必要とする用途に特に有用である。これらのレーザは、本発明の一実施形態による自己監視式光源を用いて実現することができる。
モニタのレイアウトとしては、少なくとも第１の軸（例えば、ｘ軸）を中心にして対称なレイアウト、第１の軸（例えば、ｘ軸）および第２の軸（例えば、ｙ軸）を中心にして対称なレイアウト、および特定のポイントを中心にして半径方向（放射状）に対称なレイアウトなどが可能である。このモニタのレイアウトは、レーザ・アパーチャを部分的に包囲するものであってもよいし、完全に包囲するものであってもよい。
光学素子の構成例
本発明の一実施形態による光学素子は、次のうちの１以上を実施する。すなわち、受け取った各光ビームを平行化し、平行光ビームを作成すること。平行光ビームを反射光ビームとしてある角度に反射させること。入射光ビームの一部を透過光ビームとして部分的に透過させること。反射光ビームをある角度に転向させ、監視光ビームとして光監視装置に向けて直接送ること。監視光ビームを光監視装置に集束させること。そして、透過光ビームを光ファイバ・ケーブルに集束させることである。一実施形態において、光学素子は、グレーティング（例えば、回折格子）として実施される。
図９は、本発明の一実施形態によるグレーティング９１０の平面図である。グレーティング９１０のパターンは、交互ストリップ・パターンと呼ばれる。グレーティング９１０は、第１の軸（例えば、Ｘ軸またはＹ軸）に沿って延びる複数の隆起部分９２０および谷間部分９３０を有する。グレーティング９１０を左から右へ進むのにつれて、隆起部分９２０と谷間部分９３０が交互に存在している。図９のグレーティングは９０度回転させることもでき、その場合、第１の軸に対して垂直な第２の軸（例えば、水平軸またはＸ軸）に沿って延びる隆起部分および谷間部分を有するグレーティングが実現される。
図１０は、図９のグレーティング９１０をライン１０’−１０’に沿って矢印の方向に見たときの側面図である。グレーティング９１０は、光源（例えば、レーザ）で生成された光の一部を２つの受光部に向けて反射させるため、図８に示したレイアウトを自己監視式光源に採用するのに適しているであろう。
図１１は、本発明の他の実施形態によるグレーティング１１１０の平面図である。図１２は、グレーティング１１１０をライン１２’−１２’に沿って矢印の方向に見たときの側面図である。図１３は、グレーティング１１１０をライン１３’−１３’に沿って矢印の方向に見たときの側面図である。グレーティング１１１０のパターンは、碁盤目状パターンと呼ばれる。グレーティング１１１０は、碁盤目状に配置された峰部分１１２０および底部分１１３０を有する。グレーティング１１１０は、例えば、第１の軸（例えば、水平方向）および第２の軸（例えば、垂直方向）に沿って同じ周期で同じ形状を有する２次元交差グレーティングであってもよい。グレーティング１１１０は、レーザで生成された光の一部を４つの受光部に向けて反射させるため、図５または図６に示したレイアウトを自己監監視式光源に採用するのに適しているであろう。
一実施形態において、碁盤目状パターンを有するグレーティング１１１０は、第１の軸および第２の軸に沿って同じ周期で同じ形状を有する。一実施形態では、この同じ形状間の周期を例えば０．５ミクロンにする場合があり、他の実施形態では、この同じ形状間の周期を例えば０．３５ミクロンにする場合がある。
２つの高さを持つグレーティング（図９および図１１）の処理は、当業者が利用可能な処理技術としては比較的簡単なものである点に注意して欲しい。
図１４は、本発明のさらに他の実施形態による、監視対象となる単一領域の光を生成するのに適した傾斜グレーティング１４００を示している。この実施形態は、図７に示したレイアウトを自己監視式光源に採用するのに適しているであろう。
第１の実施形態に関する性能グラフおよび照射パターン
図１５は、本発明の一実施形態による第１のモニタ幾何学構成を有する一体型レーザ／モニタに関する性能グラフである。レーザ・モニタを信頼性の高いものにするためには、モニタにより測定される光に対してモニタの応答が一定でなければならない。モニタは、特定の光特性（例えば、波長、入射角、偏光など）の影響を受けないものでなければならない。言い換えれば、モニタ応答は、受け取った全パワーの変化に応じて変化するものでなければならず、波長、偏光、および、入射角といった光の特性に応じて変動するものであってはならない。
図１５は、次の（１）〜（３）を偏光および入射角の関数として示している。
（１）第１の偏光状態のレーザ・パワーのうちの（何らかの用途のために）透過される部分を示す第１のグラフ線１５１０、および第２の偏光状態のレーザ・パワーのうちの（何らかの用途のために）透過される部分を示す第２のグラフ線１５１２。
（２）第１の偏光状態のレーザ・パワーのうちのモニタ（例えば、光検出器）に向けて反射される部分を示す第３のグラフ線１５２０、および第２の偏光状態のレーザ・パワーのうちのモニタ（例えば、光検出器）に向けて反射される部分を示す第４のグラフ線１５２２。
（３）第１の偏光状態のレーザ・パワーのうちのレーザに向けて反射される部分を示す第５のグラフ線１５３０、および第２の偏光状態のレーザ・パワーのうちのレーザに向けて反射される部分を示す第６のグラフ線１５３２。
第１の偏光はＴＥ偏光とし、第２の偏光はＴＭ偏光とすることができる。グラフ線１５１０、１５２０および１５３０がそれぞれ、グラフ線１５１２、１５２２および１５３２にほぼ重なっている点に注意して欲しい。
レーザ・パワーのうちの約７６％は変化を受けることなく表面を通過して直進し、レーザ・パワーのうちの約１８％はモニタによって捕捉または測定され、レーザ・パワーのうちの約３％はレーザに向けて反射される。残りの３％のレーザ・パワー（上記に含まれないもの）は他のスポットへ反射され、モニタには照射されない。この応用例の場合、各グラフ線が、波長変化の影響をほとんど受けていない点に注意して欲しい。例えば波長が±２０ｎｍ変動しても、グラフ線にはほんのわずかな変化しか現れない。
一実施形態では、Ｘ方向およびＹ方向に沿ったグレーティング周期を約０．５０ｕｍとし、Ｘ方向およびＹ方向に沿った充填比を約０．５とし、波長（λ）を約０．９８ｕｍとし、グレーティング深さを約８７ｎｍとし、屈折率約１．４５の材料から造られたＡＲコーティングを使用する場合がある。
図１５に示すように、レーザ・ビームの特性変動によるモニタ応答の大きな変化は発生しない。レーザ照射の偏光および角度が変動すると、４つのスポットのそれぞれにおけるパワーは変化するかもしれないが、各スポットにおける変化が互いにオフセットされているので、４つのスポットの合計パワーはほぼ一定に維持される。モニタ応答が偏光や入射角の影響をあまり受けない理由は、２次元グレーティング設計であることと、４つの光スポットがモニタに投射されることによるものである。
図６は、発光デバイス６２０、および切欠き付き環状幾何学構成のレイアウトを有するモニタ６１０（例えば、切欠き付きリング形状の光検出器）を示している。図６は、グレーティングからデバイスに反射される光スポットのオーバレイも示している。この自己監視式レーザ設計のサイズは、デバイス間のピッチが約５００μｍになっている。反射スポットを１本の軸上のみに形成する１次元グレーティング（例えば、レーザ・アレイに対して垂直な）を使用すれば、約２５０μｍのピッチを持つさらに短い間隔を実現することもでき、レーザ・アレイに適したものになるであろう。
この実施形態の場合、ダイ６０４のサイズは、モニタ６１０を実現することが可能な約５００ｕｍ２になっている。９個の光スポット（６３０、６３４、６３８、６４０、６４４、６５０、６５４、６５８、６６０）が存在する。中央のスポット６４４（合計パワーの約３％）は、レーザ・アパーチャ位置に戻る望ましくない反射のサイズおよび位置を表わしている。中央スポット・サイズは増大したが、レーザ・アパーチャに重なるのは、反射スポットのうちのほんのわずかな部分だけである。
モニタ６１０によって測定され、モニタ信号を生成する４つのスポット（６３０、６３４、６３８、６４０）（全パワーの約１８％）が存在する。対角線上のもっと広い角度の位置には、４つの細長い楕円スポット（６５０、６５４、６５８、６６０）（全パワーの約３％）も存在しているが、それらのパワーがモニタ６１０によって収集されることはない。それらの楕円スポット（６５０、６５４、６５８、６６０）が監視対象のパワーとして測定されないようにするために、環状幾何学構成のうちの幾つかの区域または領域（例えば、切欠き部）は除去されている。
第２の実施形態に関する性能グラフおよび照射パターン
図１６は、本発明の一実施形態による第２のモニタ幾何学構成を有する一体型レーザ／モニタに関する性能グラフである。第２の自己監視式レーザ設計は、次の点で第１の設計と異なる。第１に、グレーティング周期がもっと短い周期に変更または調節されている。この設計の場合、グレーティング周期は約０．３５ｕｍである。第２に、第１の設計における反射防止コーティングが除去されている。また、グレーティングのエッチング深さも増加している。
図１６は、次の（１）〜（３）を偏光および入射角の関数として示している。
（１）第１の偏光状態のレーザ・パワーのうちの（何らかの用途のために）透過される部分を示す第１のグラフ線１６１０、および第２の偏光状態のレーザ・パワーのうちの（何らかの用途のために）透過される部分を示す第２のグラフ線１６１２。
（２）第１の偏光状態のレーザ・パワーのうちのモニタ（例えば、光検出器）に向けて反射される部分を示す第３のグラフ線１６２０、および第２の偏光状態のレーザ・パワーのうちのモニタ（例えば、光検出器）に向けて反射される部分を示す第４のグラフ線１６２２。
（３）第１の偏光状態のレーザ・パワーのうちのレーザに向けて反射される部分を示す第５のグラフ線１６３０、および第２の偏光状態のレーザ・パワーのうちのレーザに向けて反射される部分を示す第６のグラフ線１６３２。
第１の偏光はＴＥ偏光とし、第２の偏光はＴＭ偏光とすることができる。グラフ線１６１０、１６２０および１６３０がそれぞれ、グラフ線１６１２、１６２２および１６３２にほぼ重なっている点に注意して欲しい。
この実施形態の場合、透過されるパワーの部分は約８２％にまで増加され、監視対象のパワーの部分は約１６％になっている。全パワーのうちの約２％が、望ましくないフィードバック反射である。また、このモニタ設計は、ビームの偏光や入射角の影響をあまり受けないという優れた特性も有する。上記のパワーは、合計すると１００％になる（すなわち、全パワーに相当する）。
グレーティング周期を短くすると、５つの反射スポットしか発生しなくなるので（図５参照）、システムからパワーを拡散させる余分なスポットはなくなる。本発明の一実施形態では、生成される４つの監視スポットをもっと大きな角度の位置まで拡大し、それにより、光検出器リングの幾何学構成およびダイ全体のサイズを拡大する場合がある。この例の場合、ダイ・サイズは、各エッジごとに約１０００ｕｍである。
グレーティングで反射された光は回折され、５つの主要なスポット（５３０、５４０、５５０、５６０、および、５７０）を形成し、それらがＶＣＳＥＬダイの背面まで投射される。４つのスポット（５３０、５４０、５５０、および、５６０）は、レーザ・アパーチャから半径方向外側に投射され、円のまわりに約９０度の間隔で配置される。これら４つのスポット（５３０、５４０、５５０、および、５６０）はそれぞれ、リング形状モニタ５１０（例えば、環状幾何学構成のレイアウトを有する光検出器）の一部に照射される。これら４つのスポットで受け取った光のパワーをすべて加算すると、その合計は、モニタ５１０に入射した全パワーに相当する。第５のスポット５７０はグレーティングの表面からまっすぐ下に反射され、一部のパワーをレーザに送り返す。このパワーはフィードバックを不安定にする原因となりうるので、フィードバック問題を回避するためには、第５のスポット５７０を出来る限り小さくしなければならない。
一実施形態では、Ｘ方向およびＹ方向に沿ったグレーティング周期を約０．３５ｕｍとし、Ｘ方向およびＹ方向に沿った充填比を約０．５とし、波長（λ）を約０．９８ｕｍとし、グレーティング深さを約１３２ｎｍとし、ＡＲコーティングは施さない場合がある。この応用例の場合、各グラフ線が、波長の実際の変動の影響をほとんど受けていない点に注意して欲しい。例えば、波長が±２０ｎｍ変動しても、グラフ線にはほんのわずかな変化しか現れない。
本発明による自己監視式レーザの使用は、製品のプラットフォーム設計とはほとんど依存しない。モニタ（例えば、光検出器）を動作させるためには、ダイに電力を供給してレーザ駆動信号を生成するための通常の電気接点の他にも、電気接点（例えば、１組の電極）が必要になる場合がある。これらの余分な接点を利用して、モニタ信号（例えば、モニタによって測定された全パワー）を伝達することもできる。
図１７は、モニタ１７６０がモニタ・ダイ１７１０に形成され、光源１７５０が光源ダイ１７２０に形成され、モニタ・ダイ１７１０と光源ダイ１７２０が単一のサブアセンブリとして結合された、本発明の一実施形態による自己監視式光源１７００を示している。この実施形態の場合、光源１７５０（例えば、ＶＣＳＥＬ）は、ＶＣＳＥＬダイ１７２０に形成または作成される。モニタ１７６０は、ＶＣＳＥＬダイ１７２０とは別のモニタ・ダイ１７１０に形成または作成される。本発明の一実施形態によれば、モニタ・ダイ１７１０は、独立した構成要素としてレーザ・ダイ１７２０の下に形成される。モニタ・ダイ１７１０とレーザ・ダイ１７２０は、下記のプロセスにより、単一のサブアセンブリとして結合させることができる。まず、少なくとも１つの電気接点（例えば、導電性材料から形成されたバンプ、電極、または導電性パッドなど）をモニタ・ダイに形成する。次に、電気接点の上にＶＣＳＥＬダイを配置する。ＶＣＳＥＬダイは、モニタ・ダイの電気接点に電気接続するための少なくとも１つの電気接点を有する。次いで、ＶＣＳＥＬダイとモニタ・ダイとのギャップに、高屈折率のエポキシのような接着材料によるアンダーフィルを施してもよい。モニタ・ダイまたは光源ダイに１つ以上の電気トレースを設けて、電気信号の経路を定めることも可能である点に注意して欲しい。光源ダイ１７２０（例えば、ＶＣＳＥＬダイ）の上には、光学素子１７７０（例えば、グレーティング）が形成される。光学素子１７７０の上には、任意選択で、反射防止（ＡＲ）コーティングを付着させてもよい。
図１８は、光モニタ１８６０が表面処理（例えば、モニタ・フィルム１８１０）として実施される、本発明の一実施形態による自己監視式光源１８００を示している。この実施形態の場合、光源１８５０（例えば、ＶＣＳＥＬ）は光源ダイ１８２０に形成または作成され、モニタ１８６０はモニタ・フィルム１８１０に形成または作成される。光学素子（例えば、グレーティング）１８７０は、光源ダイ１８２０（例えば、ＶＣＳＥＬダイの表面上に）に形成することができる。光学素子（例えば、グレーティング）１８７０の上には、任意選択で、反射防止（ＡＲ）コーティング１８８０を付着させてもよい。
図１９は、光学素子１９２８をモニタ・ダイ１９２０と一体化し、モニタ・ダイ１９２０と光源ダイ１９１０を結合することによって単一のサブアセンブリとして形成された、本発明の一実施形態による自己監視式光源１９９０を示している。自己監視式光源１９００は、面発光型光源を形成または作成することが可能な光源ダイ１９１０を含む。自己監視式光源１９００は、光モニタ１９２４（例えば、光検出器）を形成または作成することが可能なモニタ・ダイ１９２０をさらに含む。光源ダイ１９１０は、例えば、底面発光型ＶＣＳＥＬ、上面発光型ＶＣＳＥＬ、または面発光型発光ダイオード（ＬＥＤ）などを含むことができる。モニタ・ダイ１９２０は、環状幾何学構成または他の幾何学構成を有し、前述のようにレイアウトされたモニタ１９２４を含むことができる。
この実施形態の場合、光学素子１９２８（例えば、グレーティング）はモニタ・ダイと一体化される（例えば、モニタ・ダイ１９２０の表面上に形成される）。モニタ・ダイ１９２０と光源ダイ１９１０を結合（例えば、組み合わせ、またはパッケージング）し、単一のサブアセンブリ１９５０が形成される。モニタ・ダイ１９２０と光源ダイ１９１０の間の電気接続は、光源ダイ１９１０に形成された１以上の電気接点１９３０と、モニタ・ダイ１９２０に形成された１以上の電気接点１９４０とを使用して行うことができる。モニタ・ダイ１９２０と光源ダイ１９１０のいずれか、または両方に電気トレースを設けることにより、各ダイの内部、またはダイ間において電気信号を伝達したり、サブアセンブリ１９５０に対して電気信号を出し入れしたりすることも可能である。
本発明の他の実施形態によれば、自己監視式発光装置は光源、モニタ、および光学素子を含み、これら３つのコンポーネントのうちの任意の２つの組み合わせが第１のダイに一体に形成され、残りの１つのコンポーネントが第２のダイに形成され、第１のダイと第２のダイが単一のサブアセンブリとして結合（例えば、組み合わせ、またはパッケージング）される場合がある。このように、本発明の種々の実施形態における自己監視式発光装置の３つのコンポーネント（例えば、光源、モニタ、および光学素子）は、様々な組み合わせおよび様々な集積度で一体化、または組み合わせることができる。例えば、面発光型光源（例えば、ＶＣＳＥＬ）、光モニタ（例えば、光検出器）、および光学素子（例えば、回折格子）のうちの２つを単一のサブアセンブリとして一体化し、それら２つを第１のダイに形成し、第３のコンポーネントを第２のダイに形成し、第１のダイと第２のダイを単一のサブアセンブリとして組み合わせ、またはパッケージングすることにより、それら３つのコンポーネントを単一のサブアセンブリとして結合または組み合わせる場合がある。
ここまで、光源（例えば、半導体レーザ）の出力パワーを監視する自己監視式発光装置の種々の実施形態について説明してきた。光モニタと光源を単一の半導体ダイまたは単一のサブアセンブリとして一体に形成し、光源（例えば、ＶＣＳＥＬ）の出力パワーを監視することができる。他の実施形態では、光をモニタに向けて反射させるために必要とされる光学素子もさらに、単一の半導体ダイ（例えば、ＶＣＳＥＬダイ）または単一のサブアセンブリに一体化される。光学素子は、光源ダイと一体化させてもよいし、モニタ・ダイと一体化させてもよい。本発明の種々の実施形態に従って光学素子をモニタ・ダイ、光源ダイ、または単一の半導体ダイに一体化させれば、プラットフォーム設計が単純になり、従来技術の解決法に比べて必要とされる部品点数を減らすことができ、必要な位置合わせも減り、従来技術で必要とされていた組み立ておよびパッケージングの問題が回避され、従来技術のアプローチに比べて簡潔な解決法が得られる。
上記の説明において、本発明は、具体的な実施形態を参照して説明されている。しかしながら、本発明の比較的広い範囲を外れることなく種々の変更や改変を施すことも可能であることは明らかである。従って、明細書および図面は、制限を意味するものではなく、例としてみなすべきものである。
本発明の一実施形態による自己監視式光源を含む光学系を示す図である。 本発明の他の実施形態による光学素子が一体化された自己監視式光源を含む光学系を示す図である。 本発明の一実施形態による自己監視式光源の側面図である。 本発明の他の実施形態による自己監視式光源の側面図である。 本発明の一実施形態による環状幾何学構成でモニタがレイアウトされた、本発明の一実施形態による自己監視式光源の平面図である。 本発明の他の実施形態による切欠きを特徴とする環状幾何学構成でモニタがレイアウトされた、本発明の他の実施形態による自己監視式光源の平面図である。 本発明の一実施形態による単一の受光部を備えたレイアウトをモニタに使用した、自己監視式光源の平面図である。 本発明の一実施形態による２個の受光部を備えたレイアウトを各自己監視式光源に使用した、自己監視式光源アレイの平面図である。 本発明の一実施形態によるグレーティングを示す図である。 図９のライン１０’−１０’に沿って矢印の方向に見たときの断面図である。 本発明の他の実施形態によるグレーティングを示す図である。 図１１のライン１２’−１２’に沿って矢印の方向に見たときの図である。 図１１のライン１３’−１３’に沿って矢印の方向に見たときの図である。 本発明の他の実施形態による、監視対象となる単一領域の光を生成するのに適した傾斜グレーティングを示す図である。 本発明の一実施形態による第１のモニタ幾何学構成を備えた自己監視式光源に関する性能グラフである。 本発明の一実施形態による第２のモニタ幾何学構成を備えた自己監視式光源に関する性能グラフである。 モニタをモニタ・ダイに形成し、光源を光源ダイに形成し、モニタ・ダイと光源ダイを単一のサブアセンブリとして結合させた、本発明の一実施形態による自己監視式光源を示す図である。 モニタが表面処理として実施される、本発明の一実施形態による自己監視式光源を示す図である。 光学素子をモニタ・ダイと一体に形成し、モニタ・ダイと光源ダイを結合させて、単一サブアセンブリとして形成された、自己監視式光源を示す図である。
符号の説明
１１０ 自己監視式光源
１２０ 光源
１２２ 光
１３０ 光モニタ
１３２ 光の一部
１３４ フィードバック信号
３１０ 半導体ダイ
３５０ ＶＣＳＥＬ
３７０ 光学素子
４２０ 透明な層
４６０ 光モニタ
４７０ 光学素子
５１０ 環状レイアウト

Claims (8)

  1. 光を生成する光源（１２０）と、
    生成された前記光の一部（１３２）を受け取り、受け取った光に基づいてフィードバック信号（１３４）を生成する光モニタ（１３０）と
    からなり、前記光源（１２０）と前記光モニタ（１３０）が同じ半導体ダイ（３１０）上に作成される、自己監視式光源（１１０）。
  2. 前記光源（１２０）は、アパーチャを有するＶＣＳＥＬ（３５０）であり、
    前記光モニタは、前記アパーチャを完全に、または部分的に包囲する環状レイアウト（５１０）を有する、請求項１に記載の自己監視式光源。
  3. 前記光モニタ（１３０）は、単一の受光部を有するレイアウト、２つの受光部を有するレイアウト、４つの受光部を有するレイアウト、Ｎ個の受光部を有するレイアウト、および２以上の受光部を有するレイアウトのうちの１つを有し、
    前記光モニタ（１３０）は、連続的幾何学構成、環状幾何学構成、少なくとも１つの切り欠きを有する環状幾何学構成、少なくとも第１の軸を中心として対称なレイアウト、第１の軸および第２の軸を中心として対称なレイアウト、および放射状に対称なレイアウトのうちの１つを有する、請求項１に記載の自己監視式光源。
  4. 前記半導体ダイに形成され、生成された前記光の一部を前記光モニタに導く光学素子（３７０）をさらに含む、請求項１に記載の自己監視式光源。
  5. 前記光学素子（３７０）は、交互ストリップパターンのグレーティング、碁盤目状パターンのグレーティング、光を前記光モニタ上の単一の受光部に導くグレーティング、光を前記光モニタ上の２以上の受光部に導くグレーティング、および光を前記光モニタ上の４つの受光部に導くグレーティングのうちの１つを含む、請求項４に記載の自己監視式光源。
  6. 前記光源（１２０）は、面発光型発光ダイオード、面発光型半導体レーザ、底面発光型ＶＣＳＥＬ、上面発光型ＶＣＳＥＬ、および他の面発光型光源のうちの１つである、請求項１に記載の自己監視式光源。
  7. 前記半導体ダイに形成された透明な層（４２０）と、
    前記透明な層（４２０）に形成され、生成された前記光の一部を前記光モニタ（４６０）に導く光学素子（４７０）と
    をさらに含む、請求項１に記載の自己監視式光源。
  8. 前記半導体ダイ（３１０）に形成され、生成された前記光の一部を前記光モニタに導く光学素子（３７０）をさらに含み、
    前記光源（３５０）が底面発光型ＶＣＳＥＬである、請求項１に記載の自己監視式光源。
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