JP4477151B2

JP4477151B2 - Integrated laser-based light source

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Publication number: JP4477151B2
Application number: JP01103697A
Authority: JP
Inventors: アルバート・ティー・ユエン; タオ・ツァン; デイヴィッド・エム・シアーズ; レイフ・エリック・ラーソン
Original assignee: アバゴ・テクノロジーズ・ジェネラル・アイピー（シンガポール）プライベート・リミテッド
Priority date: 1997-01-24
Filing date: 1997-01-24
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2017-01-24
Also published as: JPH10215020A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、レーザ・ベースの光源に関するものであり、とりわけ、強度を制御された光を発生するレーザ・ベースの光源に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
レーザは、レーザ・プリンタ及び光通信リンクを含む多くの民生用製品及び産業用製品において、光源として用いられている。レーザ・プリンタの場合、レーザの光出力を変調して、光導電性ドラムの選択的放電が行われる。光通信リンクの場合、レーザの光出力を変調して、デジタル情報信号の状態が表される。被変調光出力を生じるレーザは、例えば、光ディスクへのデジタル情報信号の書き込みにも用いられる。以上の及びその他の用途において、高速でレーザの光出力を変調する必要があるので、通常、単純にレーザをオン／オフすることによる光出力の変調は除外される。代わりに、レーザの光出力は、高輝度状態と低輝度状態の間で変調されるが、これは、通常、レーザのしきい値レベルをほんの少し超えるだけである。しかし、下記の開示では低輝度状態は、レーザ電流がしきい値電流未満またはゼロにまで減少するゼロ輝度状態を含むものとみなされる。
【０００３】
レーザの光出力が、高輝度状態と低輝度状態の間で変調される場合、２つの輝度状態の少なくとも一方における光強度が、明確に定義されなければならない。例えば、レーザ・プリンタに応用する場合、低輝度状態がゼロ輝度状態を超えると、低輝度状態の光強度は、光導電性ドラムの放電しきい値未満にとどまらなければならない。さらに、光ビームによって放電される光導電性ドラムのスポット・サイズが、光ビームの強度によって決まるので、一貫したライン幅を確保するには、高輝度状態におけるレーザの強度も定義しなければならない。光通信リンクに応用する場合、変調速度、従って、データ伝送速度を最高にするため、高輝度状態と低輝度状態との間の差は、比較的小さくすることが可能である。光通信リンクの受信機によって２つの輝度状態を互いに区別できるようにするには、両輝度状態における光強度を正確に定義しなければならない。
【０００４】
所定のレーザ電流に関して半導体レーザによって発生する光強度は、主として、レーザの温度によって決まる。エージングは、二次的な要素である。レーザの温度は、部分的には、レーザを流れる電流、すなわち、レーザ電流の大きさ及びデューティ・サイクルによって決まる。レーザのデューティ・サイクルは、レーザを変調するデジタル入力信号によって決まる。レーザ・プリンタの場合、レーザは、高輝度状態の光を連続して発生することによって、「充填領域」を生成し、低輝度状態の光を連続して発生することによって、余白及び縁のような白領域を生成する。一般的な半導体レーザの熱時定数は、極めて迅速で、約１０のピクセルを印刷するのに必要な時間とほぼ同じ程度である。従って、レーザの光出力が、例えば、温度の上層につれて増大する場合、レーザの温度、従って、光出力は、充填領域を印刷する間に着実に増大する（この結果、印刷の密度及びライン幅が増すことになる）。一方、白領域に印刷される垂直方向に分離された狭いラインは、レーザ温度が低すぎる結果として、レーザからの光出力が不十分になるため、不鮮明すぎる印刷になりがちである。
【０００５】
レーザによって生じる光の強度変動のために、レーザ・プリンタ、光通信リンク、または、他のレーザ・ベース装置の性能が損なわれるのを阻止するため、制御システムを用いて、レーザ電流を変動させることにより、光の強度が高輝度状態または低輝度状態における所定のレベルに維持されるようにするか、あるいは、光の強度が、温度及びレーザの経年変化に関係なく、高輝度状態において第１の所定のレベルに維持され、低輝度状態において第２の所定のレベルに維持されるようにすることが望ましい。
【０００６】
図１には、強度を制御された光を発生する既知のレーザ光源１０の一部が示されている。レーザ光源１０の場合、エッジ発光レーザ１２が、ヘッダ１６から突き出したポスト１４に取り付けられる。容器１７がヘッダ１６に取り付けられて、通常、ヘッダとハーメチック・シールを形成する。この容器には、レーザ１２が発生した光ビーム１８を放出する窓１９を設けることが可能である。通常、反射された光ビーム１８の一部が窓によってレーザ１２に戻されるのを阻止するため、該窓には、反射防止層21のコーティングが施される。
【０００７】
エッジ発光レーザ１２は、ガリウム砒素のような適正な半導体の構造を生成することによって形成される。エッジ発光レーザ１２は、ヘッダ１６の電気的に分離された通路（不図示）を通る導体３０、及び、導体３０をレーザ１２のメタライゼーション層（不図示）に接続するボンディング・ワイヤ３１を介して外部電源から供給される電流に応答し、光ビーム１８を放射する。エッジ発光レーザ１２は、へき開エッジ２０の約０．１μｍ幅のごく狭いアパーチャから光ビーム１８を放射し、また、へき開エッジ２０の反対側のへき開エッジ２６からも二次光ビーム２４を放射する。
【０００８】
エッジ発光レーザ１２によって発生する光の強度を制御しなければならない用途では、光センサ２８は、二次光ビーム２４によって直接照射されるように位置決めされたヘッダ１６に取り付けられる。光センサ２８は、一般に、シリコン、ガリウム砒素、または、インジウム・ガリウム砒素によるフォトダイオードであり、そのタイプは、レーザ１２が発生する光の波長によって決まる。光センサ２８の電気出力は、ヘッダの電気的に分離された通路（不図示）を通る導体３２、及び、導体３２を光センサ２８のメタライゼーション層（不図示）に接続するボンディング・ワイヤ３３によってパッケージの外側に送り出される。
【０００９】
導体３２は、制御回路３４にも接続されている。制御回路は、入力端子３６を介してデジタル入力信号も受信する。デジタル入力信号の状態によって、制御回路が、レーザ１２を駆動して、高輝度状態と低輝度状態のいずれの光ビームを放射させるのかが決まる。制御回路３４は、高輝度状態と低輝度状態の一方または両方で光センサの電気出力の所定値が得られるように、導体３０及び３１を介してレーザ１２に送られる電流を制御する。光センサ２８の出力のこの所定の値は、それぞれの輝度状態において所定の強度を有する二次光ビーム２４に対応する。二次光ビーム２４の強度は、一次光ビーム１８の強度とほぼ線形の関係をなすため、好都合なことには、二次光ビーム２４の強度をモニタする光センサによって、一次光ビーム１８の強度を許容しうる精度で制御することが可能になる。
【００１０】
最近になって、垂直空洞面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）が導入された。こうしたレーザは、半導体基板に堆積された半導体層構造をなすように形成されており、エッジ発光レーザのように、装置のへき開エッジの約０．１μｍ幅の極めて狭い領域からではなく、構造の面の一部から光を放射する。ＶＣＳＥＬによれば、エッジ発光レーザに比べて性能面で多くの利点が得られる。例えば、ＶＣＳＥＬは、本質的に、エッジ発光レーザよりもはるかに対称性に優れた光ビームを発生する。結果として、ＶＣＳＥＬからの光は、エッジ発光レーザからの光に比べて、レーザ・プリンタまたは光通信リンクの光学系により有効に結合することが可能になる。結合効率が増すことによって、ＶＣＳＥＬを動作させるパワーを低くして、所定の光強度を得ることが可能になる。しかし、ＶＣＳＥＬは、一般に、エッジ発光レーザが放射する２つの光ビームの代わりに、単一の光ビームを放射する。従って、ただ単純に、図１に示す構成においてエッジ発光レーザ１２の代わりにＶＣＳＥＬを用いるだけでは、強度を制御した光を発生するＶＣＳＥＬベースの光源を作り出すことはできない。ＶＣＳＥＬによって生じる光の強度をモニタするための代替構成が必要になる。
【００１１】
この問題に関して可能性のある解決策が、Ｇ．Ｈａｓｎｉａｎｅｔａｌ．，ＭｏｎｏｌｉｔｈｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｏｆＰｈｏｔｏｄｉｏｄｅｗｉｔｈＶｅｒｔｉｃａｌＣａｖｉｔｙＳｕｒｆａｃｅＥｍｉｔｔｅｄＬａｓｅｒ，２７ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳＬＥＴＴＥＲＳ１８，ｐ．１６３０（１９９１）に解説されている。この場合、ｐ−ｉ−ｎフォトダイオードが、上面発光ＶＣＳＥＬのｐタイプ・ミラー領域に成長させられる。この構成によれば、優れたモニタ性能が得られるが、フォトダイオードの層を得るために、追加エピタキシャル層を被着させなければならないので、また、フォトダイオードのパターン形成のために、追加エッチング・プロセスが必要になるので、製造プロセスの複雑さが増すことになる。さらに、エッチング・プロセスによって、層のエッジが該構成の信頼性及び精度を損なう可能性のある汚染物にさらされたままになる。
【００１２】
本出願の譲受人に譲渡された米国特許出願第０８／３３２，２３１号には、ＶＣＳＥＬによって生じる光の強度をモニタするための代替構成のいくつかに関する記載がある。これらのうち第１の構成の場合、ショットキ構造が、ＶＣＳＥＬが形成される層構造の上部面に光検出器として形成される。この構成の場合も、たとえｐ−ｉ−ｎフォトダイオードに必要とされる追加層の数が少なくなるにせよ、ＶＣＳＥＬの層構造に追加層を被着させることが必要になる。
【００１３】
第２の構成の場合、フォトダイオードが、ＶＣＳＥＬが形成される層構造内にＶＣＳＥＬに隣接して形成される。光は、層構造内において、ＶＣＳＥＬの発光層と光検出器の間で横方向に送られる。光検出器に加えられる逆バイアス（ＶＣＳＥＬが受ける順バイアスと逆の）に応答して光検出器を流れる電流の大きさは、ＶＣＳＥＬの発光層における光の強度を表している。この構成によれば、ＶＣＳＥＬの発光層における光の強度をモニタする構造的に単純な方法が得られるが、発光層における光の強度とＶＣＳＥＬによって実際に放射される光ビームの強度との関係が明確に定義されないので、強度のモニタ精度が許容し得ない可能性がある。
【００１４】
【解決すべき課題】
従って本発明の目的は簡単で精度の良い出力光強度制御レーザ・ベース光源を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、強度が制御された出力光ビームを発生する一体化レーザ・ベース光源が得られる。光源には、光センサ、レーザ、凸状ビーム分割表面、及び、ヘッダを含むパッケージが含まれている。光センサは、それに入射する光エネルギの強度を表した電気信号を発生し、ヘッダに取り付けられている。レーザは、放射光ビームとして光ビームが放射される唯一無二の発光面を備えている。レーザは、発光面が光センサの受光面とほぼ平行になるように、パッケージ内において光センサに隣接して取り付けられる。凸状ビーム分割表面は、放射光ビームの一部を反射光ビームとして光センサに向けて反射し、放射光ビームの残りの部分を出力光ビームとして透過する。凸状ビーム分割表面は、パッケージによって放射光ビーム内に支持される。
【００１６】
凸状ビーム分割表面は、放射光ビームの一部を光センサに向けて反射し、その一方で、光センサによる反射及び凸状ビーム分割表面による第２の反射の後、レーザに戻される光の強度を最小限に抑える。反射光ビームは、凸状ビーム分割表面から発散し、このため、反射光ビームを受けるように施さなければならない、レーザに対する光センサの位置決め精度が低下する。
【００１７】
凸状ビーム分割表面には、反射光ビームと出力光ビームの強度比を決定する反射制御要素を含むことが可能である。
【００１８】
レーザ及び光センサは、ヘッダに並べて取り付けることが可能である。代替案として、レーザは、光センサの受光面の一部に取り付けることも可能である。
【００１９】
パッケージには、ヘッダに取り付けられた容器を含むことが可能であり、この容器によって、凸状ビーム分割表面を放射光ビーム内に支持することが可能になる。
【００２０】
光源には、さらに、凸状ビーム分割表面を含むレンズを含むことが可能である。
【００２１】
パッケージには、レンズを取り付ける軸方向ボアと、軸方向ボアと光学的にアライメントがとれた本体部分を含むことが可能である。この実施例の場合、本体部分には、レンズに対する可調整位置にヘッダを収容する寸法が付与されており、軸方向ボアには、光ファイバを収容し、光ファイバをレンズに対する所定の位置に正確に位置決めする寸法が付与された部分が含まれている。
【００２２】
レーザ、光センサ、及び、凸状ビーム分割表面には、光センサの受光面によって反射される光がレーザの発光面から離れる方向に向かい、出力光ビームのノイズを低減することになるような配列を施すことが可能である。
【００２３】
光源には、さらに、光センサが発生する電気信号に応答して、レーザ電流を制御するコントローラを含むことが可能である。コントローラは、さらに、レーザ電流に制御を加え、光センサによって生じる電気信号を、出力光ビームの所定の最大強度に対応する所定の最大値に制限することも可能である。
【００２４】
レーザによって発生する放射光ビームのＳ／Ｎ比は、その強度によって決めることが可能である。放射光ビームのＳ／Ｎ比がしきい値レベルを超える強度は、所定の最大強度を超える可能性がある。この場合、ビーム分割表面によって、放射光ビームのこうした一部を光センサに反射することによって、出力光ビームのＳ／Ｎ比が、しきい値レベルを超えかつ、強度が所定の最大強度未満になるようにすることが可能である。
【００２５】
本発明によれば、光ファイバを強度が制御された出力光ビームで照射する一体化レーザ・ベース光源も得られる。この光源には、レーザ／センサ・アセンブリ、ボール・レンズ、及び、パッケージが含まれている。レーザ／センサ・アセンブリには、ヘッダ、光源、及び、レーザが含まれている。光センサは、それに入射する光エネルギの強度を表した電気信号を発生し、ヘッダに取り付けられる。レーザは、放射光ビームとして光ビームを放射する唯一無二の発光面を備えている。レーザは、発光面が受光面とほぼ平行になるように、光センサに隣接して取り付けられる。パッケージには、軸方向ボア及び本体部分が含まれている。ボール・レンズは、軸方向ボアに取り付けられ、軸方向ボアには、光ファイバを収容し、光ファイバをボール・レンズに対して正確に位置決めする寸法が付与された部分が含まれている。本体部分は、軸方向ボアと光学的にアライメントがとれており、ボール・レンズが放射光ビームの一部を反射光ビームとして光センサに向けて反射し、放射光ビームの残りの部分を出力光ビームとして透過し、出力光ビームの強度が最大になるボール・レンズに対する位置に、レーザ／センサ・アセンブリを可調整に収容する寸法が付与されている。
【００２６】
レーザ及び光センサは、ヘッダに並べて取り付けることが可能である。代替案として、レーザは、光センサの受光面の一部に取り付けることも可能である。
【００２７】
最後に、本発明によれば、強度が制御された出力光ビームで光ファイバを照射するための一体化レーザ・ベース光源を製造する方法が得られる。この方法の場合、レーザ／センサ・アセンブリ、凸状表面を備えたレンズ、及び、パッケージが設けられる。レーザ／センサ・アセンブリには、ヘッダ、光センサ、及び、レーザが含まれている。光センサは、それに入射する光エネルギの強度を表した電気信号を発生し、ヘッダに取り付けられる。レーザは、放射光ビームとして光ビームが放射される唯一無二の発光面を備えており、発光面が受光面とほぼ平行になるように、光センサに隣接して取り付けられる。パッケージには、光ファイバがレンズに対して所定の位置に正確に位置決めされるように、レンズ及び光ファイバを収容する寸法が付与された部分を含む軸方向ボアが含まれている。パッケージには、軸方向ボアと光学的にアライメントがとれ、すきまばめによってレーザ／センサ・アセンブリを収容する寸法が付与された本体部分も含まれている。
【００２８】
レンズは、パッケージの軸方向ボアに取り付けられる。レンズの凸状表面によって、放射光ビームの一部が反射光ビームとして光センサに向けて反射され、レンズによって、放射光ビームの残りの部分が出力光ビームとして透過される位置まで、レーザ／センサ・アセンブリが本体部分に挿入される。レンズに対するレーザ／センサ・アセンブリの位置は、出力光ビームの強度が最大になるように調整される。最後に、レーザ／センサ・アセンブリは、本体部分内において、出力光ビームの強度が最大になる位置に固定される。
本体部分とレーザ／センサ・アセンブリの少なくとも一方に硬化性接着剤を塗布し、接着剤を硬化させて、レーザ／センサ・アセンブリを本体部分内で固定することが可能である。
【００２９】
【実施例】
本発明による一体化レーザ・ベース光源は、共通のパッケージに取り付けられたレーザ及び光センサを備えている。レーザは、レーザ電流に応答して、放射光ビームを発生する。カップラは、パッケージ内の放射光ビームに照射される位置にも取り付けられる。カップラは、放射光ビームの一部を光センサに結合し、また、放射光ビームの残りの部分を出力光ビームとして透過する。光センサは、カップラによって光センサに結合される放射光ビームの一部の強度を表した電気信号を発生する。カップラによって光センサに結合される光は、放射光ビームの一部であるため、光センサによって発生する電気信号は、放射光ビーム及び出力光ビームの強度も表している。光センサによって生じた電気信号が供給されると、適合する制御回路によって、レーザ電流が制御を受け、光センサによって生じる電気信号が、所定の強度を有する出力光ビームに対応する所定の値に保持される。
【００３０】
後述する各種実施例において、１つ以上の面における部分反射、後方散乱、逆回折、及び、透過について明らかにされる。レーザ及び光センサが、共通面、または、同軸をなすように重ねられた２つの直交面に取り付けられる構成、または、互いに他の構成をなすように取り付けられる構成についても解説される。他の例の場合、レーザ及び光センサは、共通層構造に形成される。
本開示における「光」の意味には、レーザによって発生することが可能な他の形態の電磁エネルギが含まれるものと解釈されたい。
【００３１】
次に、図２Ａに関連して、強度を制御された光を発生するレーザ・ベース光源の第１の実施例１００について説明を行うことにする。図１に関連して上述のエッジ発光レーザに用いられたパッケージにわずかに修正を加えたバージョンを利用する、この第１の実施例の場合、垂直空洞面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）がパッケージ１０５のヘッダ１０３に取り付けられている。ＶＣＳＥＬ１０１は、発光面１０９から放射光ビーム１０７を放射する。光センサ１１１が、ＶＣＳＥＬ１０１に隣接してヘッダ１０３に取り付けられたポスト１１３に取り付けられている。カップラ１１４が、パッケージ１０５に取り付けられており、ＶＣＳＥＬによって生じる放射光ビーム１０７の一部を反射光ビーム１１７として光センサ１１１に結合し、放射光ビーム１０７の残りの部分を出力光ビーム１１９として透過する。
【００３２】
パッケージ１０５は、ヘッダ１０３に取り付けられた容器１０６によって仕上がっている。この容器は、通常、ヘッダ１０３に溶接されて、ハーメチック・シールを形成する。該容器には、光源から出た出力光ビーム１１９を通す窓１０８を含むことが可能である。この窓が、出力光ビーム１１９の一部が反射されて、ＶＣＳＥＬ１０１に戻るのを阻止するため、該窓には、反射防止層１１０のコーティングが施される。
【００３３】
この第１の実施例の場合、平面ビーム分割器１１５が、カップラ１１４の働きを行い、放射光ビーム１０７の一部を反射光ビーム１１７として光センサ１１１に結合し、光ビーム１０７の残りの部分を出力光ビーム１１９として透過する。光センサ１１１は、平面ビーム分割器１１５によって放射光ビーム１０７から分割された反射光ビーム１１７の強度を表す電気信号を発生する。平面ビーム分割器は、光センサ１１１に送り込まれることになる、反射光ビーム１１７として光ビーム１０７の一定部分を反射し、放射光ビーム１０７の残りの部分を出力光ビーム１１９として透過するので、光センサ１１１によって生じる電気信号は、光源１００によって放射される出力光ビーム１１９の強度も表しており、従って、ＶＣＳＥＬベースの光源１００によって生じる出力光ビーム１１９の強度を制御するのに適している。
【００３４】
図２Ｆには、ＶＣＳＥＬを通る電流のさまざまな値において、サンプルＶＣＳＥＬが生じる放射光ビーム１０７の強度と、出力光ビーム１１９の強度と、反射光ビーム１１７に応答して、光センサ１１１が発生する出力電流との間の関係が示されている。光センサによって発生する出力電流が、出力光ビーム１１９の強度に追随するのは明らかである。
【００３５】
ＶＣＳＥＬベースの光源１００において、ＶＣＳＥＬ１０１は、基板１２３に数十層をなす半導体材料（まとめて参照番号１２１で表示）をエピタキシャル成長させて得られる層構造に導電性領域をパターン形成し、２つの導電性ミラー層の間に挟まれた発光層が生じるようにして形成される。層構造については、米国特許出願第０８／３３０，０３３号に詳細な記述があり、参考までにその開示が組み込まれているが、後掲の図８Ａ及び８Ｂに関連してある程度詳細に説明される。
【００３６】
基板１２３は、その多くが当該技術において既知の適合するチップ取り付け技法を用いて、パッケージ１０５のヘッダ１０３と電気的及び物理的に接触するように取り付けられる。第２の電気接点が、ヘッダ１０３の電気的に分離された通路（不図示）を通る導体１２５によってＶＣＳＥＬ１０１に対して形成される。導体１２５は、ボンディング・ワイヤ１２６によってＶＣＳＥＬ１０１のメタライゼーション層（不図示）に接続される。
ＶＣＳＥＬ１０１は、制御回路１２７によって供給され、導体１２５及び１２６を介してＶＣＳＥＬに送られる電流に応答し、放射光ビーム１０７を発生する。しきい値と飽和値の間の電流の場合、光ビーム１０７の強度は、電流にほぼ比例する（図２Ｆ）。
【００３７】
光センサ１１１は、シリコン、ガリウム砒素、インジウム・ガリウム砒素、または、他の適合する材料で形成される従来のフォトダイオード構造を備えていることが望ましい。望ましい材料は、光ビーム１１７の波長によって決まる。太陽電池のような他の適合する光検知素子を光センサ１１１に用いることも可能である。光センサは、その多くが当該技術において既知の適合する取り付け技法を用いて、ポスト１１３に取り付けられる。
【００３８】
光センサ１１１は、物理的及び電気的にポストに接触するように取り付けられるが、代替案として、ポストから電気的に分離することも可能である。ヘッダ１０３の電気的に分離された通路（不図示）を通る導体１２９によって、光センサに対するもう１つの電気接点が形成される。導体１２９は、ボンディング・ワイヤ１３０によって光センサ１１１のメタライゼーション層（不図示）に接続される。適合する回路要素（不図示）によって、光センサ１１１に逆バイアスがかけられ、反射光ビーム１１７の強度によって決まる光センサからの出力電流が、導体１２９及び１３０を介して制御回路１２７に送られる。
【００３９】
光センサ１１１からの出力電流及び入力端子１２８を介して受信するデジタル入力信号に応答して、制御回路１２７が、高輝度状態と低輝度状態の一方または両方において出力光ビーム１１９が所定のレベルに維持されるように、ＶＣＳＥＬ１０１に流れる電流を制御する。制御回路１２７の回路構成は、従来のものであり、ここでは説明しない。制御回路は、パッケージ１０５内に取り付けることが可能であり、この場合、ボンディング・ワイヤ１２６及び１３０が、制御回路に接続されており、導体１２５及び１２９を用いて、入力信号及び電力がパッケージ１０５内のヘッダ１０３に取り付けられた制御回路に転送される。制御回路は、光センサ１１１またはＶＣＳＥＬ１０１と一体化することも可能である。
【００４０】
光センサ１１１には、放射光ビーム１０７から取り出された反射光ビーム１１７が光センサに入射する、受光面１３１が含まれている。図２Ａに示す実施例の場合、光センサは、受光面１３１がＶＣＳＥＬ１０１の発光面１０９と非平行になるようにして、ポスト１１３に取り付けられる。
【００４１】
第１の実施例の場合、平面ビーム分割器１１５には、放射光ビーム１０７の経路に取り付けられた基板１１６が含まれている。基板１１６は２つの平行面、すなわち、ビーム分割面１３３と非反射面１３９を備えている。ビーム分割面１３３は、ＶＣＳＥＬ１０１によって発生した放射光ビーム１０７の一部を反射光ビームとして反射し、放射光ビームの残りの部分を出力光ビーム１１９として透過する。ひとつの実施例の場合、約２平方ｍｍで、厚さ約２００μｍのオプチカル・フラットが、基板として用いられた。代替材料として、水晶またはプラスチックを平面ビーム分割器に用いることも可能である。
【００４２】
平面ビーム分割器１１５は、ポスト１１３の平面からポストの高さにほぼ等しい距離離れて溝１３５が形成されたヘッダ１０３に取り付けられる。平面ビーム分割器１１５は、さらに、非反射面１３９とビーム分割面１３３の間のエッジ１３７が溝１３５に係合し、エッジ１３７から遠位の非反射面の一部がポスト１１３に支持されるようにして取り付けられる。ポスト１１３に対する溝１３５の実際の位置は、平面ビーム分割器１１５のビーム分割面１３３からの反射ビーム１１７が、光センサ１１１の中心に入射するように設定される。平面ビーム分割器１１５は、適合する接着剤、あるいは、ヘッダ１０３及び／またはポスト１１３に取り付けられたクリップ（不図示）によって所定位置に保持される。溝１３５は、省略することが可能であり、これによって、修正を施されていないポスト・タイプのヘッダの利用が可能になる。
【００４３】
光源１００の光学的構成については、図２Ｂにより詳細に示されている。図２Ｂには、ヘッダ１０３の一部に取り付けられたＶＣＳＥＬ１０１、図２Ａに示すようにヘッダ１０３に取り付けられた、ポスト１１３の一部に取り付けられた光センサ１１１、及び、ＶＣＳＥＬ１０１が発生した放射光ビーム１０７の一部を反射ビーム１１７として光センサ１１１に結合し、放射ビーム１０７の放射ビーム１０７の残りの部分を出力光ビーム１１９として透過する平面ビーム分割器１１５の一部が示されている。
【００４４】
ビーム分割器１１５による透過及び反射の制御のため、基板１１６の非反射面１３９に適合する反射防止層１４１の被着が施される。非反射面は、ＶＣＳＥＬ１０１及び光センサ１１１に隣接した基板面である。反射防止層に適した材料、及び、ＶＣＳＥＬ１０１によって発生する放射光ビーム１０７の波長に基づいて反射防止層の厚さを決めるための手順は、当該技術において既知のところであり、従って、ここでは説明しない。反射防止層１４１は、平面分割器の非反射面１３９における放射光ビーム１０７の反射を最小限に抑える。結果として、放射光ビームは、非反射面及び基板１１６を通って、ビーム分割面１３３に達し、放射光ビームの一部が、光ビーム１１７として反射され、放射光ビームの残りの部分が、出力光ビーム１１９として透過される。上述の実施例の場合、反射防止層１４１は省略された。
【００４５】
代替案として、ＶＣＳＥＬ１０１及び光センサ１１１に隣接した基板１１６の面をビーム分割面として利用することも可能である。この場合、反射防止層は、ＶＣＳＥＬ及び光センサから遠位の基板面に形成して、出力光ビーム１１９の透過を最大にすることが可能である。しかし、この代替構成の場合、さらに詳細に後述するように、基板を吸光性にすることによって光センサの受光面１３１からＶＣＳＥＬ１０１に反射する光を減衰させることができない。
【００４６】
反射光ビーム１１７として平面ビーム分割器１１５によって反射される放射光ビーム１０７の一部は、ビーム分割面１３３の反射率によって決まる。制御回路１２７によって、出力光ビームにノイズを持ち込むことなく、出力光ビームの強度を制御できるようにするため、反射されるべき光ビーム部分は、装置１００の効率（反射ビーム１１７が出力光ビーム１１９から外れるための）と光センサ１１１の電気出力のＳ／Ｎ比との按配に依存する。光センサ１１１の出力が、制御回路１２７の動作によって、出力光ビームのＳ／Ｎ比が劣化するのを阻止するのに十分なＳ／Ｎ比になることを保証するため、反射光ビームの強度は、光センサ１１１の感度に関して十分に高くなければならない。
【００４７】
用途によっては、ガラス・空気境界の反射率が４％であれば、放射光ビーム１０７の強度及び光検出器１１１の感度が、両方とも、光センサ１１１からの出力信号に所望のＳ／Ｎ比をもたらすのに十分に高い場合がある。しかし、多くの一般的な用途においては、反射光ビーム１１７の強度が放射光ビーム１０７の強度の１０〜２０％の範囲であることが必要とされる。さらに、出力光ビーム１１９の強度が低い用途の場合、十分な強度を備えた反射光ブームを得るには、２０％を超える反射率が必要になる。用途によっては、ガラス・空気境界の４％の反射率でも、反射が強すぎるという場合もある。従って、平面ビーム分割器１１５のビーム分割面１３３に反射制御層１４３を被着させることによって、ビーム分割面１３３の反射率が決められ、反射光ビーム１１７と出力光ビーム１１９との強度比が設定される。反射制御層に適した材料、及び、放射光ビーム１０７の所望の一部を反射するため、反射制御層の厚さを決める手順については、当該技術において周知のところであり、ここでは説明しない。
【００４８】
もう１つの要素を利用して、ビーム分割面１３３の反射率を決定することも可能である。用途によっては、目の安全のために、出力光ビーム１１９の最大強度を制限しなければならない。この最大強度は、一部のレーザが、最高のＳ／Ｎ比で放射光ビームを発生する強度より低い場合もある。こうした状況の場合、反射制御層１４３は、比較的反射率の高いビーム分割面１３３を形成するように設計することが可能である。この結果、そのＳ／Ｎ比が最高またはそれに近い値になる強度で放射光ビーム１０７を発生するように、ＶＣＳＥＬ１０１を動作させることが可能になる。ビーム分割面の反射率は、出力光ビームの強度の設定が安全基準を楽々と満たす強度になるように選択される。ビーム分割面は、放射光ビームの大部分を光センサ１１１に向けて反射し、放射光ビームの残りのわずかな部分を出力光ビームとして透過する。その強度が低下するにもかかわらず、ビーム分割面によって、放射光ビームと放射光ビームのノイズが、両方とも等しく減衰されるので、出力光ビームのＳ／Ｎ比は放射光ビームとほぼ同じになる。このタイプの光源の場合、反射制御層によって、用途しだいで、反射率が８０％を超えるビーム分割面が得られる可能性がある。
【００４９】
出力光ビームの強度は、ビーム分割面による反射によってだけでなく、基板１１６に吸光性材料を用いることによっても、放射光ビームの強度に対して低下させることが可能である。
【００５０】
この実施例、及び、本開示に記載の全ての実施例において、制御回路１２７による光ビーム１１９の強度の正確な制御は、一方における放射光ビーム１０７ともう一方における反射光ビーム１１７及び出力光ビーム１１９との間の伝達関数が固定されたカップラ１１４によって左右される。ガラス・空気境界、水晶・空気境界、または、プラスチック・空気境界、あるいは、メタライゼーションが施された反射制御層をコーティングした前記境界といった境界である、カップラのビーム分割面の反射率は、放射光ビームの偏光方向によって決まるので、ＶＣＳＥＬ１０１は、伝達関数が固定されたカップラが得られるように、偏光方向が限定された放射光ビームを発生する。さもなければ、放射光ビームの偏光方向の変動によって、カップラの伝達関数が変化することになる。偏光方向の変化によってカップラの伝達関数が変化すると、制御回路が放射光ビーム（従って、出力光ビーム）の強度に不要な変化を与える。偏光方向が限定された放射光ビームを発生することの可能なＶＣＳＥＬ構造については、後掲の図５Ａ及び図５Ｂに関連して簡単に後述する。
さらに、あるいは、代わりに、カップラのビーム分割面上の反射制御層として、一連の誘電体層を用いることも可能である。こうしたビーム分割面の伝達関数は、放射光ビームの偏光方向とはほとんど無関係である。
【００５１】
光センサ１１１は、受光面１３１上に被着した反射防止層１４５を備えている。反射防止層１４５は、光センサ１１１による検出効率を最大にし、かつ、光センサの受光面によって反射される逆ビーム１４７の強度を最小限に抑える。図２Ｂには、分かりやすくするため、光ビーム１１７及び１０７から横方向にオフセットした逆ビーム１４７が示されているが、実際には、逆ビーム１４７は、反射光ビーム１１７及び放射光ビーム１０７の光路に沿ってＶＣＳＥＬ１０１に戻る。これらの光路に沿って、逆ビームは、平面ビーム分割器１１５のビーム分割面１３３によって部分的に反射される。逆ビーム１４７は、ＶＣＳＥＬ１０１によって生じる放射光ビーム１０７と波長は同じであるが、位相が異なり、従って、例えば、放射光ビーム１０７のＳ／Ｎ比を劣化させるなどの、ＶＣＳＥＬの性能を損なう可能性を有している。逆ビーム１４７の強度を最小限に抑えることによって、ＶＣＳＥＬ１０１の性能を損なう能力が低下する。
【００５２】
ＶＣＳＥＬ１０１の性能を損なう逆ビーム１４７の能力は、平面ビーム分割器１１５の基板１１６に吸光性ガラスを用いることによってさらに低下させることが可能である。こうした追加予防措置の必要は、光センサ１１１の受光面１３１及び平面ビーム分割器のビーム分割面１３３の反射率、及び、該光ビームによる外乱に対するＶＣＳＥＬの妨害感受性を含む、いくつかの要素によって決まる。
【００５３】
平面ビーム分割器１１５は、また、出力光ビーム１１９の反射（例えば、出力光ビームが結合される光ファイバの面からの反射）に備わったＶＣＳＥＬ１０１の性能を損なう能力も低下させる。平面ビーム分割器のビーム分割面１３３は、出力光ビーム１１９の反射の一部を反射するので、ＶＣＳＥＬ１０１に到達する出力光ビーム１１９の反射強度を低下させる。基板１１６に吸光性のガラスを用いることによって、ＶＣＳＥＬ１０１に到達する出力光ビーム１１９の反射強度がさらに低下する。
【００５４】
逆ビーム１４７のＶＣＳＥＬ１０１の性能を損なう能力は、図２Ｃ〜図２Ｅに示すように、反射光ビーム１１７が非ゼロの入射角で受光面１３１に入射するように光センサ１１１を取り付けることによって低下させることも可能である。反射光ビーム１１７が非ゼロの入射角で受光面に入射するように光センサを取り付けることによって、逆ビーム１４７Ａは、光学系を通って、光ビーム１０７及び１１７の光路とは異なる光路を戻ることになる。結果として、逆ビームの大部分が、ほんの数ミクロンしかない活性領域１４９の外においてＶＣＳＥＬ１０１に入射するので、光センサによる反射後にＶＣＳＥＬの活性領域に戻る逆ビームの強度は、大幅に低下する。
【００５５】
図２Ｃに示す光源１００Ａの場合、光センサ１１１に対する反射光ビームの入射角は、センサを取り付けるポスト１１３Ａの一部がヘッダ１０３に対して垂直にならないように、ヘッダに対してポストを曲げることによって増大する。図２Ｄに示す実施例の光源１００Ｂの場合、光センサ１１１に対する反射光ビーム１１７の入射角は、無修正のポスト１１３に取り付けられた角度つきパッド１５１に光センサ１１１を取り付けることによって増大する。図２Ｅに示す実施例の光源１００Ｃの場合、反射光ビームが、無修正のポスト１１３に取り付けられた光センサ１１１に非ゼロの入射角で入射するように、平面ビーム分割器１１５Ａは、４５゜とは異なる角度で取り付けられる。
【００５６】
図２Ｂ〜図２Ｅには、平面ビーム分割器１１５の面１３３及び１３９において、放射光ビーム１０７がいかに屈折するかも示されている。この屈折の結果、ＶＣＳＥＬ１０１がパッケージ１０５の光学軸に取り付けられる場合、出力光ビーム１１９は、光学軸に対して横方向にシフトした位置から放射される。このシフトは、その物理的軸が光学軸上にくるようにして、パッケージ１０５が取り付けられ、出力光ビームが、やはり、光学軸上に位置する別のコンポーネントに結合される場合には、とりわけ問題になる可能性がある。物理的軸から適正にオフセットした位置においてヘッダ１０３にＶＣＳＥＬを取り付けることによって、出力光ビーム１１９をパッケージ１０５の物理的軸に戻すことが可能である。
【００５７】
図３Ａには、ＶＣＳＥＬ１０１によって生じる放射光ビーム１０７の一部を反射光ビーム１１７として光センサ１１１に結合し、放射光ビーム１０７の残りの部分を出力光ビーム１１９として透過するカップラ１１４として、立方ビーム分割器２１５が用いられた、本発明による第２の実施例である光源２００が示されている。図３Ａにおいて、図２Ａに関連して上述のものと同じ構成要素については同じ参照番号で表示されており、ここでは、説明を繰り返さない。
【００５８】
ＶＣＳＥＬ１０１によって生じる放射光ビーム１０７は、ゼロの入射角で立方ビーム分割器２１５に入射し、出射するので、ビーム分割器によって屈折することはない。従って、ＶＣＳＥＬがパッケージ１０５の物理的軸上に取り付けられている場合、出力光ビーム１１９は、この軸上に放射される。
【００５９】
立方ビーム分割器２１５のビーム分割面２５３の反射率は、ビーム分割面によって反射されて、反射光ビーム１１７を発生する放射光ビーム１０７の量を決定する金属または誘電体層である、反射制御層によって制御される。ビーム分割面２５３の反射率は、反射光ビーム１１７と出力光ビーム１１９との間における強度比の設定が、図２Ａに関して上述のところと同様になるように選択される。
【００６０】
図３Ａに示す実施例の場合、立方ビーム分割器２１５は、面２５５を光センサ１１１の受光面１３１に取り付けることによって装着される。このために屈折率整合セメントを利用して、ビーム分割器と光センサの間の境界における反射を最小限に抑えることが望ましい。ビーム分割器の面２５５、２５７、及び、２５９には、反射によってＶＣＳＥＬ１０１に戻される光の強度を最小限に抑えるため、反射防止コーティング（不図示）が施される。
【００６１】
図３Ｂには、本発明による光源の第２の実施例に関する変形である光源２５０の一部が示されている。ＶＣＳＥＬ１０１、光センサ１１１、及び、立方ビーム分割器２１５の構成をさらに詳細に示すことができるように、図３Ｂから、ヘッダ１０３の一部を除くパッケージ１０５が省略されている。パッケージ、及び、導体１２５及び１２９に対するボンディング・ワイヤ１２６及び１３０の接続は、図３Ａに示されているのと同じである。
【００６２】
図３Ｂに示す変形の場合、ヘッダ１０３は、標準的なヘッダであり、上述の実施例に用いられているポスト１１３が欠けている。ＶＣＳＥＬ１０１は、図２Ａに関連して上述のようにヘッダ１０３に取り付けられている。立方ビーム分割器２１５の面２５７は、ＶＣＳＥＬ１０１の発光面１０９に取り付けられ、光センサ１１１は、ビーム分割器の面２５５に取り付けられている。ビーム分割器は、ＶＣＳＥＬに取り付けられ、光センサは、できれば屈折率整合セメントを用いてビーム分割器に取り付けられる。反射によってＶＣＳＥＬ１０１に戻される光の強度を最小限に抑えるため、面２５５、２５７、及び、２５９には、反射防止層のコーティングを施すことが望ましい。ボンディング・ワイヤ２６１によって、光センサ１１１の背面とヘッダ１０３の間に電気的接続が施される。
【００６３】
図３Ａ及び図３Ｂに示す光源の場合、面２５５が面２５７及び２５９に直交しないようにして、立方ビーム分割器２１５を組み立てることによって、反射光ビーム１１７と面２５５及び光センサ１１１の受光面２３１の両方との間において非ゼロの入射角を得ることが可能になる。代替案として、ビーム分割面２５３が放射光ビーム１０７に対して４５゜とは異なる角度をなすようにして、立方ビーム分割器を組み立てることによって、面２５５及び光センサ１１１の受光面１３１に対して非ゼロの入射角を得ることが可能になる。入射角が非ゼロになると、面２５５または受光面１３１によって反射される光が、図２Ｃ〜図２Ｅに関して上述のところと同様に、その活性領域外においてＶＣＳＥＬ１０１に入射する。
【００６４】
本発明による光源の第３の実施例に関するいくつかの変形が、図４Ａ〜図４Ｇにおいて示されている。図４Ａ〜図４Ｇには、図２Ａ及び図２Ｂに示すものと同じ構成要素が同じ参照番号を用いて表示されている。第３の実施例の場合、標準的な（ポストのない）ヘッダが利用され、光センサがヘッダに取り付けられ、ＶＣＳＥＬが、発光面が光センサの受光面とほぼ平行になるようにして、光センサに隣接して取り付けられる。パッケージによって支持される面は、反射または後方散乱によって、ＶＣＳＥＬが発生する放射光ビームの一部の方向を転換して、光センサに戻し、光センサが出力光ビームの強度をモニタできるようにする。
【００６５】
ＶＣＳＥＬ及び光センサは、互いに同軸をなすようにヘッダに取り付けることもできるし、あるいは、ヘッダに並べて取り付けることも可能である。ＶＣＳＥＬ及び光センサに独立したチップが用いられる場合、これらのチップは、一般に、０．２〜１ｍｍだけ離して配置される。代替案として、ＶＣＳＥＬ及び光センサは、共通の半導体材料に形成することが可能であり、この場合、素子間の離隔距離は、上述の距離より短くすることが可能である。しかし、素子間における電気的及び熱的クロストークを低減するためには、離隔距離は０．１ｍｍを超えることが望ましい。
【００６６】
図２Ａに関連して上述のところと同様に、ＶＣＳＥＬと光センサとの電気的接続が行われる。光センサの電気出力は、図２Ａに示す制御回路１２７と同様の制御回路に送られるが、図面の簡略化のため、図４Ａ〜図４Ｇの図面から省略されている。制御回路は、やはり、図２Ａに関連して上述のように、高輝度状態において、または、低輝度状態において、または、高輝度状態及び低輝度状態の両方において、ＶＣＳＥＬに送られる電流に制御を加える。
【００６７】
図４Ａには、本発明による光源の第３の実施例に関する第１の変形である光源３００が示されている。光源３００において、ＶＣＳＥＬ１０１及び光センサ１１１は、パッケージ１０５のヘッダ１０３に並べて取り付けられる。パッケージの容器１０６には、修正された窓３０３が取り付けられている。修正窓３０３は、角度つき部分３０５を支持しており、該部分は、カップラ３１４Ａの働きをして、ＶＣＳＥＬ１０１によって生じた放射光ビーム１０７の一部を反射光ビーム１１７として光センサ１１１に戻し、放射光ビーム１０７の残りの部分を出力光ビーム１１９として透過する。角度つき部分３０５は、窓３０３内において放射光ビーム１０７のほぼ中心にくるように配置される。角度つき部分は、放射光ビーム１０７に対して、面３０７によって反射される反射光ビーム１１７が光センサ１１１に入射する角度をなすように設定された、ほぼ平面で、平行な面３０７及び３０９を備えている。角度つき部分３０５を含む窓３０３は、水晶、ガラス、または、他の適合する材料の成形物またはプレス成形物である。代替実施例の場合、修正窓３０３を省略し、角度つき部分３０５を容器１０６によって直接支持することも可能である。
【００６８】
角度つき部分３０５には、図２Ａに関連して上述のように、その反射率が反射光ビーム１１７と出力光ビーム１１９の相対的強度を決定するように選択されている金属または誘電体層である、反射制御層３１１のコーティングを施すことが可能である。面３０７の真性反射率によって所望の強度が得られる用途の場合、反射制御層３１１の省略が可能である。
【００６９】
図４Ｂには、標準窓１０８を備える標準容器１０６を用いた、第２の変形である光源３２０が示されている。これら標準部品は、図４Ａに示す修正窓を備えた容器よりも低コストである。容器１０６には、介挿体３２１が取り付けられている。その他の点では、図４Ｂに示す変形３２０の構造と図４Ａに示す変形とは同じものであり、これ以上の説明は加えない。
介挿体３２１には、角度つき部分３２３が含まれており、該部分は、カップラ３１４Ｂの働きをして、ＶＣＳＥＬ１０１によって生じた放射光ビーム１０７の一部を反射光ビーム１１７として光センサ１１１に戻し、放射光ビーム１０７の残りの部分を出力光ビーム１１９として透過する。角度つき部分３２３は、介挿体３２１内において放射光ビーム１０７のほぼ中心にくるように配置される。角度つき部分は、放射光ビーム１０７に対して、面３２５によって反射される反射光ビーム１１７が光センサ１１１に入射する角度をなすように設定された、ほぼ平面で、平行な面３２５及び３２７を備えている。介挿体３２１は、水晶、ガラス、または、他の適合する材料の成形物またはプレス成形物である。
【００７０】
角度つき部分３２３の面３２５には、図２Ａに関連して上述のように、その反射率が反射光ビーム１１７と出力光ビーム１１９の相対的強度を決定するように選択されている金属または誘電体層である、反射制御層３２９のコーティングを施すことが可能である。面３２５の真性反射率によって所望の強度が得られる用途の場合、反射制御層３２９の省略が可能である。
【００７１】
窓１０８には、窓１０８と介挿体３２１の間に生じる多重反射を阻止し、窓が出力光ビームの一部を反射して、ＶＣＳＥＬ１０１に戻すのを阻止するため、反射防止層１１０のコーティングを施すことが望ましい。
【００７２】
図４Ｃには、パッケージ１０５の窓３４１がボール・レンズ３４３を支持する、第３の変形である光源３４０が示されている。ボール・レンズ３４３の凸面３４５は、カップラ３１４Ｃの働きをして、ＶＣＳＥＬ１０１によって生じた放射光ビーム１０７の一部を反射光ビーム１１７として光センサ１１１に戻し、放射光ビーム１０７の残りの部分を出力光ビーム１１９として透過する。放射光ビーム１０７は、ＶＣＳＥＬ１０１から放射されると、わずかに発散する。従って、光ビームの外側部分は、ボール・レンズのビーム分割面３４５に非ゼロの入射角で入射し、光学軸に対して角度をなしてビーム分割面３４５によって反射される。例えば、放射光ビーム１０７の外側部分３４７は、反射光ビーム１１７が光センサ１１１に入射する角度でビーム分割面３４５によって反射される。
【００７３】
ボール・レンズ３４３の凸面３４５をカップラとして用いることによって、いくつかの利点が得られる。放射光ビーム１０７に対してゼロの入射角をなすように配置されるのは、凸面の無限小セグメントだけである。従って、凸面によって、光センサ１１１の受光面及び凸面による反射光ビーム１１７の反射後、ＶＣＳＥＬ１０１に戻される逆光ビームの強度が最小限に抑えられる。また、反射光ビーム１１７は、凸面から発散するので、ＶＣＳＥＬに対する光センサの位置決めに要求される精度要件が緩和される。
【００７４】
窓３４１及びボール・レンズ３４３は、ガラス、水晶、プラスチック、及び、その他の適合する材料による成形物またはプレス成形物とすることが可能である。ボール・レンズは、サファイアから造ることも可能である。代替実施例の場合、窓を省略し、ボール・レンズを容器１０６によって直接支持することも可能である。もう１つの代替実施例の場合、ボール・レンズの凸面の代わりに、球面または放物面レンズの凸面を凸状ビーム分割面３４５として用いることが可能である。
【００７５】
ボール・レンズ３４３のビーム分割面３４５には、反射制御層３４９、すなわち、面３４５の反射率を決める、従って、図２Ａに関連して上述のように、反射光ビーム１１７と出力光ビーム１１９との相対的強度を決める金属または誘電体層のコーティングを施すことが可能である。ビーム分割面の反対側にあるボール・レンズの面３４６には、反射防止層３４８のコーティングを施すことが望ましい。
【００７６】
図４Ｃに示す実施例の場合、反射光ビーム１１７の一部だけしか光検出器１１１に入射しない。反射光ビームの残りは、ヘッダ１０３及びＶＣＳＥＬ１０１によって吸収または反射される。図４Ｄに示す第４の変形である光源３５０の場合、大面積センサ３５１がヘッダ１０３に取り付けられ、ＶＣＳＥＬ１０１が、光学軸の中心にくるのが望ましい光センサ３５１の受光面３５３の中心に取り付けられて、ＶＣＳＥＬ／光センサ・アセンブリ３６１を形成する。ＶＣＳＥＬ１０１及びトラック４１７（図５Ａ）によってカバーされていない受光面３５３の部分が、反射光ビーム１１７の大部分を捕捉し、結果として、光センサは、図４Ｃに示す変形に比べて、所定の強度の反射光ビームに対するＳ／Ｎ比が高い電気信号を発生することになる。ＶＣＳＥＬ／光センサ・アセンブリ３６１の詳細については、図５Ａ及び５Ｂに関連して以下で述べることにする。
【００７７】
ＶＣＳＥＬ／光センサ・アセンブリ３６１は、光センサ３５１の背面の導電層４０７（図５Ｂ）がヘッダ１０３と物理的及び電気的に接触するようにして取り付けられる。大面積センサ３５１の電気出力は、導体１２９とボンディング・パッド４１１の間に接続されたボンディング・ワイヤ１３０によって導体１２９に接続される。ＶＣＳＥＬ１０１の電流は、導体１２５と導電層４１９の間に接続されたボンディング・ワイヤ１２６によって導体１２５から接続される。ＶＣＳＥＬの電気回路は、ボンディング・ワイヤ３５５の一方の端部をボンディング・パッド４１５に接続することによって完成する。図４Ｄには、ヘッダ１０３に接続されたボンディング・ワイヤ３５５のもう一方の端部が示されている。代替案として、ＶＣＳＥＬ回路は、ボンディング・ワイヤ３５５のもう一方の端部を、ヘッダ１０３の絶縁通路（不図示）を通る追加導体（不図示ではあるが、導体１２５及び１２９と同様）に接続することによって、光センサ回路から電気的に分離することが可能である。
上述の点を除けば、図４Ｄに示す光源３５０は、図４Ｃに関して上述のものと同様であり、これ以上の説明は行わない。
【００７８】
図４Ｈは、図４Ｄに示す実施例によって生じる出力光ビーム１１９内に取り付けられた大面積光検出器の出力と対照して作図された光センサ３５１の出力電流を示すグラフである。図４Ｈには、光センサ３５１の出力と出力光ビーム内に取り付けられた光検出器の出力との間におけるほぼ線形の関係が示されており、光センサ３５１の出力が出力光ビーム１１９の強度を正確に表していることが分かる。
【００７９】
用途によっては、図４Ｄに示す実施例のように、ボール・レンズ３４３と容器１０６の窓を一体化しないほうが望ましい場合もある。というのも、ボール・レンズの中心が放射光ビーム１０７にくるように、こうした構成のコンポーネントを正確に位置決めすることが必要になるためである。図４Ｅには、本発明によるレーザ・ベースの光源の第３の実施例に関する第５の変形である、光源５００が示されている。この光源は、主として、光通信リンクに用いることを意図したものである。図４Ｅの場合、図４Ｄに関連して上述の構成要素と同様の構成要素は、同じ参照番号で表示されており、ここでは説明を繰り返さない。
【００８０】
光源５００の場合、パッケージ５０１は、光学軸を形成する軸に沿って配置されたノーズ部分５０２と、本体部分５０４を備えている。ノーズ部分には、光学軸と同軸をなすようにボア５０３が形成されている。ボアは、光学軸に対する光ファイバ（不図示）の側方位置を形成し、光学軸上の固定位置に光ファイバの端部を配置するようにして光ファイバを収容するため、精密な寸法が付与されている。
【００８１】
本体部分５０４には、正確に光学軸に中心が位置し、ボール・レンズ５４３を収容する寸法が付与された空洞５０７が含まれている。ボール・レンズは、肩５１１と係合するまで空洞に押し込まれる。これによって、光学軸上におけるボール・レンズの横方向及び軸方向の位置が正確に決まる。通路５０５によって、空洞５０７とボア５０３が光学的に接続される。本体部分５０４の空洞５０７によって、光学軸上におけるボール・レンズ５４３の正確な位置決めが行われ、空洞とノーズ部分５０２のボア５０３とが連係して、光ファイバ、ボール・レンズ、及び、光学軸間における固定位置関係が確定する。
【００８２】
ボール・レンズ５４３の凸状ビーム分割面５４５には、反射制御層５４９、すなわち、面５４５の反射率を決める、従って、図２Ａに関連して上述のように、反射光ビーム１１７と出力光ビーム１１９との相対的強度を決める金属または誘電体層のコーティングを施すことが可能である。ビーム分割面の反対側にあるボール・レンズの面５４６には、反射防止層５４８のコーティングを施すことが望ましい。ボール・レンズ５４３の代わりに、凸状面が、光学軸に対し垂直にアライメントがとれるようにして放射光ビーム１０７内に取り付けられた、球面または放物面レンズを用いることも可能である。
【００８３】
パッケージ５０１の本体部分５０４は、レーザ／光センサ・サブアセンブリ５１３を収容する。レーザ／光センサ・サブアセンブリは、容器１０６の窓１０８が、図４Ｂに示す窓と同様の標準的な窓である点を除けば、図４Ｄに示す光源と同様であり、光学軸に対してほぼ垂直に配置された平面の平行面を備えている。窓１０８には、反射防止層１１０のコーティングを施すことが望ましい。
【００８４】
レーザ／光センサ・サブアセンブリ５１３は、パッケージ５０１の本体部分５０４に対してすきまばめを施されているので、本体部分においてレーザ／光センサ・サブアセンブリの横方向と軸方向の位置調整が可能である。レーザ／光センサ・サブアセンブリ５１３は、リング状の接着剤５１９によって本体部分５０４内の所定位置に保持される。
【００８５】
アセンブリの際、接着剤５１９の硬化前に、出力光ビーム１１９の強度を最大にするため、光学軸に対して軸方向と横方向の両方において、レーザ／光センサ・サブアセンブリ５１３の位置が能動的に調整される。レーザ／光センサ・サブアセンブリの位置が最適になると、接着剤を硬化させて、レーザ／光センサ・サブアセンブリが本体部分５０４内の所定位置に固定される。パッケージ５０１内におけるレーザ／光センサ・サブアセンブリの位置を最適にすると、光センサ３５１上におけるＶＣＳＥＬ１０１の位置決め公差及びヘッダ１０３上におけるＶＣＳＥＬ／光センサ・アセンブリ３６１の位置決め公差にもかかわらず、ＶＣＳＥＬ１０１がパッケージの光学軸上に位置決めされる。
上記の点を除けば、レーザ／光センサ・サブアセンブリ５１３の構造は、図４Ｄに関連して上述のものと同じであり、従って、ここでは説明を繰り返さない。
【００８６】
図４Ｅに示す光源５００の場合、ＶＣＳＥＬ１０１によって生じた放射光ビーム１０７が、光学軸に沿って進むにつれて、光学軸から発散し、この結果、放射光ビーム１０７の一部が、非ゼロの入射角でボール・レンズ５４３に入射することになる。ボール・レンズ５４３は、カップラ５１４の働きをして、ＶＣＳＥＬ１０１によって生じる放射光ビーム１０７の一部を反射光ビーム１１７として光センサ３５１に戻し、放射光ビーム１０７の残りの部分を出力光ビーム１１９として透過する。反射光ビーム１１７は、光センサ３５１に入射し、光センサによって反射光ビームの強度を表す電気信号が発生する。図２Ａに関連して上述のものと同様の制御回路（不図示）が、光センサによって生じる電気信号に応答して、ＶＣＳＥＬ１０１に送られる電流に制御を加え、高輝度状態と低輝度状態の一方または両方において出力光ビーム１１９の強度を制御する。
図４Ｅに示す光源５００の代替構成の場合、ＶＣＳＥＬ及び光センサは、図４Ｃに示す構成と同様の構成で、ヘッダに並べて取り付けることが可能である。別の代替実施例の場合、容器１０６を省略することが可能である。
【００８７】
ＶＣＳＥＬによって生じる光ビームの一部は、図４Ｆ及び４Ｇに示す第３の実施例に関する第６と第７の変形におけるように、後方散乱によって光センサに結合することも可能である。図４Ｆ及び図４Ｇに示す変形の場合、図４Ａ及び図４Ｄに関連して上述のものと同じ構成要素は、同じ参照番号で表示されているので、ここでは説明を繰り返さない。
【００８８】
図４Ｆ及び図４Ｇに示す光源の場合、標準的なヘッダ１０３および容器１０６が用いられているが、容器の窓６０１には、カップラ６１４として散乱部分６０３を含むことが可能である。カップラは、ＶＣＳＥＬ１０１によって生じた放射光ビーム１０７の一部を散乱光６０５として光センサ１１１または３５１に戻し、放射光ビーム１０７の残りの部分を出力光ビーム１１９として透過する。ある実施例では、散乱部分６０３は、窓６０１の面６０７をつや消し加工することによって形成された。代替案として、窓の面の１つに弱い回折格子（不図示）を形成することにより、窓６０１によって、あるいは、他の手段によって光を散乱させることが可能である。ＶＣＳＥＬ１０１から遠位の窓６０１の面には、反射防止層６１０のコーティングを施すことが望ましい。
図４Ｆに示す光源の場合、ＶＣＳＥＬ１０１及び光センサ１１１は、図４Ａに関連して上述のように、ヘッダ１０３に並べて取り付けられる。図４Ｇに示す光源の場合、ＶＣＳＥＬ１０１は、図４Ｄに関連して上述のように、大面積光センサの中心に取り付けられる。
【００８９】
すぐ前で説明した変形のどちらかに修正を加えて、図４Ｂに示す修正装置の介挿体３２１を利用し、図４Ｂに示す窓付き容器のような標準窓付き容器を利用することも可能である。修正介挿体の角度つき部分３２３は、放射光ビーム１０７に対する入射角がゼロになるように角度がつけられ、散乱部分は、角度つき部分の面３２５に形成される。散乱部分に向かい合った修正介挿体の面には、図４Ｂに示す反射防止層３３０と同様の反射防止層のコーティングを施すのが望ましい。
【００９０】
次に、図５Ａ及び図５Ｂを参照して、図４Ｄ、図４Ｅ、及び、図４Ｇに関連して上述の実施例に用いられているＶＣＳＥＬ／光センサ・アセンブリ３６１について説明する。大面積センサ３５１の場合、基板４０１は、シリコン、ガリウム砒素等のような半導体材料である。望ましい実施例の場合、基板は、約１．５平方ミリメートルのシリコンである。領域４０３は、基板４０１における受光面３５３の下に形成される。領域４０３は、基板とは逆の導電性を備えている。基板の受光面には、絶縁層４０５が配置され、基板の反対側の面には、導電層４０７が配置されている。望ましい実施例の場合、絶縁層は、二酸化珪素の層であり、導電層４０７は、アルミニウムまたは金の層である。メタライゼーション層４０９は、絶縁層４０５の開口部を介して領域４０３と接触し、領域４０３と絶縁層の面上のボンディング・パッド４１１を接続する。ボンディング・パッド４１１と導電層４０７との間に逆バイアスがかかると、電流が受光面３５３に入射する光の強度に比例して流れる。
取り付けパッド４１３は、受光面３５３の中心において絶縁層上に配置され、トラック４１７によってボンディング・パッド４１５に接続される。望ましい実施例の場合、メタライゼーション層４０９、取り付けパッド４１３、ボンディング・パッド４１１及び４１５、及び、トラック４１７が、単一メタライゼーション工程で形成された。
【００９１】
ＶＣＳＥＬ１０１は、基板／ミラー構造４２３の対向する面上に配置された導電層４１９及び４２１を備えている。望ましい実施例の場合、基板／ミラー構造４２３は、約０．５平方ミリメートルである。基板／ミラー構造については、図８Ａ及図び８Ｂに関連して、以下でさらに詳述する。ＶＣＳＥＬ１０１によって生じる光は、導電層４１９の発光ポート４２５を通ってデバイスを出る。
ＶＣＳＥＬ１０１は、適合するチップ取り付け技法を用いて、取り付けパッド４１３の中心に取り付けられるので、導電層４２１は、取り付けパッドと物理的及び電気的に接触する。望ましい実施例の場合、このために導電性エポキシ接着剤が利用された。
【００９２】
図６Ａ及び図６Ｂには、本発明によるレーザ・ベースの光源の第４の実施例７００が示されている。図６Ａ及び６Ｂの場合、図２Ａに関連して上述の構成要素と同じ構成要素は、同じ参照番号で表示されている。第４の実施例の場合、カップラ７１４は、光センサの面に形成されたビーム分割層である。カップラは、透過によって放射光ビームの一部を光センサに結合し、放射光ビームの残りの部分を出力光ビームとして反射する。
【００９３】
図６Ａ及び図６Ｂに示す光源７００の場合、図２Ａに示す実施例に用いられているポスト・タイプのヘッダと同様のポスト・タイプのヘッダ１０３が用いられる。しかし、この実施例の場合、ＶＣＳＥＬ１０１は、ポスト１１３に取り付けられ、ヘッダ１０３とほぼ平行な放射光ビーム１０７を放射する。角度つき面７０３を含むプラットフォーム７０１は、角度つき面がＶＣＳＥＬ１０１に面するようにして、ヘッダ１０３に取り付けられる。このプラットフォームは、ＶＣＳＥＬ１０１によって生じる放射光ビーム１０７が角度つき面７０３の中心に入射するように、寸法が付与され、ヘッダに取り付けられる。
【００９４】
光センサ１１１は、プラットフォーム７０１の角度つき面の、放射光ビーム１０７が受光面１３１の中心に入射する位置に取り付けられる。ビーム分割層７０５は、光センサ１１１の面に配置され、カップラ７１４の働きをする。カップラは、図６Ｂに示すように、ＶＣＳＥＬ１０１によって生じる放射光ビーム１０７の一部を透過光ビーム７１７として光センサ１１１に結合し、放射光ビーム１０７の残りの部分を出力光ビーム１１９として反射する。角度つき面７０３は、放射光ビーム１０７の方向に対して、ビーム分割面７０５によって反射される出力光ビーム１１９がヘッダ１０３にほぼ垂直な方向に放射することになる角度をなすように設定することが望ましい。ある実施例の場合、角度つき面７０３は、放射光ビーム１０７に対して約４５゜の角度がつけられた。
出力光ビーム１１９は、容器１０６の窓１０８を通ってパッケージ１０５を出る。窓には、出力光ビームの一部を反射してＶＣＳＥＬ１０１に戻すのを阻止するため、反射防止層１１０のコーティングを施すことが可能である。
【００９５】
ビーム分割層７０５によって透過される放射光ビーム１０７の一部である透過光ビーム７１７は、光センサ１１１の受光面１３１に入射する。光センサは、図２Ａに関連して上述のところと同様にして、透過光ビーム７１７の強度を表した電気信号を発生する。上述のものと同様の制御回路が、光センサによって生じる電気信号に応答し、ＶＣＳＥＬ１０１に送られる電流に制御を加えて、高輝度状態と低輝度状態の一方または両方において、出力光ビーム１１９の強度を決めることが可能である。
【００９６】
ビーム分割層７０５の反射率は、透過光ビーム７１７と出力光ビーム１１９の間において所望の強度比が得られるように選択される。出力光ビーム１１９のＳ／Ｎ比が、ビーム分割面の反射率を比較的低くすることによって向上し、ＶＣＳＥＬ１０１によって生じる放射光ビーム１０７の大部分が、上述のように出力光ビームとして反射されない用途の場合、光センサの受光面１３１には、ビーム分割層７０５の下に吸光層（不図示）が含まれる。吸光層は、透過光ビーム７１７による光センサ１１１の飽和を阻止し、出力光ビーム１１９の強度が透過光ビーム７１７を反射する受光面１３１によって増強されるのを阻止する。
【００９７】
光センサ１１１の受光面に配置されたビーム分割層７０５の代替案として、ＶＣＳＥＬ１０１と光センサ１１１の間に、ビーム分割器を非ゼロの入射角で配置することが可能である。図２Ａに示す平面ビーム分割器１１５と同様のビーム分割器を用いることが可能である。ビーム分割器は、放射光ビームの一部を透過光ビームとして光センサに透過し、放射光ビームの残りの部分を出力光ビームとして反射する。ビーム分割器は、光センサの受光面によって支持することもできるし、あるいは、光センサとは関係なく、ヘッダによって支持することも可能である。後者の場合、光センサは、受光面が透過光ビームとほぼ垂直になるように取り付けることが可能である。
【００９８】
ＶＣＳＥＬ１０１と光センサ１１１とをしっかりと結合することによって、この実施例はＶＣＳＥＬアレイをなすＶＣＳＥＬの強度制御に特に適したものになる。図２Ａ〜図２Ｅ、図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、及び、図４Ｂに示す実施例は、ＶＣＳＥＬアレイをなすＶＣＳＥＬの強度制御にも適している。図６Ｃには、２素子ＶＣＳＥＬアレイを例示した、ＶＣＳＥＬのアレイと共に用いられる、図６Ａ及び図６Ｂに示す実施例の適応構造７２０が示されている。図６Ｃに示すレーザ・ベース光源７２０の場合、ＶＣＳＥＬ７１１及び７１３は、ポストに取り付けられた共通層構造に並べて形成されている。後掲の図８Ｂにおいて示される２つのＶＣＳＥＬがこのために用いられる。代替案として、ポスト１１３に２つの個別ＶＣＳＥＬを並べて取り付けることも可能である。ボンディング・ワイヤ７１５及び７１６と導体７１９及び７２１によって、それぞれ、ＶＣＳＥＬに対して別個の電気接続が行われる。
【００９９】
個別光センサをプラットフォーム７０１の角度つき面７０３に並べて取り付けることはできるが、図面には、一体化光センサ・アレイ７２３が示されている。光センサの場合、通常、ＶＣＳＥＬアレイにおけるＶＣＳＥＬの数（図６Ｃには例として２つが示されている）と等しい数の光センサが、共通基板に形成される。共通ビーム分割層７０５が、光センサ・アレイの面上に形成される。ボンディング・ワイヤ７２５及び７２７と導体７２９及び７３１によって、それぞれ、光センサの素子に対する個別の電気接続がなされる。光センサ・アレイ７２３における各光センサの電気出力は、上述のようにして、光センサに入射する放射光ビームを発生する、ＶＣＳＥＬの光出力を制御するために用いられる。
【０１００】
次に、図７に関連して、本発明によるレーザ・ベースの光源の第５の実施例８００について説明する。第５の実施例の場合、ＶＣＳＥＬ及び光センサは、ＶＣＳＥＬの発光面が光センサの発光面にほぼ平行になるようにして、ヘッダに並べて取り付けられ、複数面が、ＶＣＳＥＬによって生じる放射光ビームの一部を光センサに結合し、放射光ビームの残りの部分を出力光ビームとして送り出すカップラとして用いられる。図７に示す実施例の場合、図２Ａに示すものに対応する構成要素は、同じ参照番号で表示されており、ここでは説明を繰り返さない。
【０１０１】
ＶＣＳＥＬ１０１及び光センサ１１１は、反射防止層１１０を含むことが望ましい窓が設けられた容器１０６内に納められたヘッダ１０３に並べて取り付けられている。平面ビーム分割器８１５及びリフレクタ８１８は、ＶＣＳＥＬ１０１が生じた放射光ビーム１０７の一部を反射光ビーム１１７として光センサ１１１に結合し、放射光ビームの残りの部分を出力光ビーム１１９として透過するカップラ８１４を構成する。
【０１０２】
平面ビーム分割器８１５には、部分的に反射性であって、ＶＣＳＥＬ１０１によって生じた放射光ビーム１０７の一部を反射光ビームとしてリフレクタ８１８の反射面に向かって反射するビーム分割面８２１が含まれている。ビーム分割面は、また、ＶＣＳＥＬによって生じた放射光ビーム１０７の残りの部分を出力光ビーム１１９として透過する。反射光ビームは、反射面８２３に達するまで、ヘッダ１０３とほぼ平行に進行する。反射面８２３は、部分的に反射性であり、ビーム分割面から受けた反射光ビーム１１７を光センサ１１１に反射する。光センサは、反射光ビームに応答して、その大きさが反射光ビームの強度によって決まる出力電流を発生する。
反射面の反射率をほぼ１００％まで高めるため、メタライゼーション層８２９がリフレクタ８１８の反射面に配置される。
ほとんどの用途において、図２Ａに関連して上述のように、ビーム分割面の反射率を反射光ビーム１１７及び出力光ビーム１１９の所望の強度が得られる値に設定するため、平面ビーム分割器８１５のビーム分割面８２１に反射制御層８３９の被着が施される。
【０１０３】
ある実施例の場合、カップラ８１４を構成する平面ビーム分割器８１５及びリフレクタ８１８として、互いに、及び、ヘッダに対してセメント接合される２つの小さなガラスのオプチカル・フラットを利用することが可能である。平面ビーム分割器及びリフレクタは、互いに直交するように、ただし、反射光ビーム１１７を非ゼロの入射角で光センサ１１１に送り込むため、ヘッダ１０３に対して１３５゜と４５゜とはわずかに異なる角度をなすように取り付けることが望ましい。この結果、光センサの受光面１３１における反射光ビームの反射がＶＣＳＥＬ１０１に戻されるのが阻止される。オプチカル・フラットには、カップラのアセンブル前に、反射制御層８３９及びメタライゼーション層８２９のコーティングが施される。
ＶＣＳＥＬ１０１及び光センサ１１１は、同じ半導体材料に組み込むことが可能である。例えば、図８Ａ及び８Ｂに示す層構造８０３に形成されたＶＣＳＥＬ及び追加レーザ構造を用いることが可能である。
【０１０４】
図８Ａ及び図８Ｂには、本発明の第６の実施例が示されている。第５の実施例と同様、本発明による光源の第６の実施例は、複数面を用いて、放射光ビームの一部を光センサに結合する。しかし、第６の実施例の場合、ＶＣＳＥＬと光センサの両方が形成された半導体層構造上に形成される薄膜光学導波管が、カップラとして用いられる。これにより、製造時におけるＶＣＳＥＬ及び光センサに対するカップラのアライメントが簡単にとれるようになる。
【０１０５】
図８Ａ及び図８Ｂには、本発明によるレーザ・ベース光源の第６に実施例である光源９００が示されている。図８Ａ及び図８Ｂには、それぞれ、層構造８０３の露出面８０９の図、及び、露出面８０９に隣接した層構造８０３の一部の略断面図が示されている。この層構造の細部については、その開示が参考までに本書に組み込まれている、米国特許出願第０８／５５１，３０２号に記載がある。該層構造は、図７に示すパッケージ１０５とほぼ同様のパッケージ（不図示）のヘッダ（不図示）に取り付けられた基板（不図示）に形成される。ヘッダ、パッケージ、及び、層構造８０３に形成される素子間の接続、及び、パッケージの導体は、図面の簡略化のため、図８Ａ及び８Ｂから省略されている。
【０１０６】
ＶＣＳＥＬ８０１及び追加レーザ構造８１１は、層構造８０３における導電率の低い領域８６５によって、及び、該層構造の露出面８０９に形成される電極８５１及び８５３によって層構造８０３に形成される。追加層構造は、構造的にはＶＣＳＥＬと同様であり、電気的には、導電率の低い領域によってＶＣＳＥＬから分離されている。ＶＣＳＥＬの電極８５１は、ＶＣＳＥＬが放射光ビーム９０７を放射する発光ポート８７１と境界をなしている。追加レーザ構造の電極８５３は、追加レーザ構造が光ビーム９１７を受ける受光ポート８２５と境界をなしている。
【０１０７】
一般に、追加レーザ構造８１１及びＶＣＳＥＬ８０１は、層構造８０３において、ほぼ１００μｍほどの距離だけ物理的に離れている。ＶＣＳＥＬ８０１に通るレーザ電流を駆動する電位と逆の極性の逆バイアスが加えられると、追加レーザ構造８１１は光センサの働きをする。
【０１０８】
図８Ａ及び図８Ｂに示す光源９００の場合、弱い回折格子９１１を組み込んだ薄膜導波管９０１は、カップラ９１４の働きをし、ＶＣＳＥＬ８０１によって生じた放射光ビーム９０７を光ビーム９１７として追加レーザ構造８１１に結合する。追加レーザ構造は、逆バイアス下において光センサの働きをする。カップラ９１４は、放射光ビーム９０７の残りの部分を出力光ビーム９１９として透過する。
【０１０９】
薄膜光導波管９０１の場合、ＶＣＳＥＬ８０１と追加レーザ構造８１１の間において、層構造８０３の露出面８０９の一部に第１のクラッド層９０３の被着が施される。コア層９０５が、第１のクラッド層に、さらに、ＶＣＳＥＬの発光ポート８７１及び追加レーザ構造の受光ポート８２５にかぶせられる。このコア層は、第１のクラッド層よりも屈折率が高い。ＶＣＳＥＬの発光ポートにかぶせられるコア層には、弱い回折格子９１１が含まれている。
第２のクラッド層９０９が、第１のクラッド層９０３及び追加レーザ構造８１１の受光ポート８２５にかぶさったコア層９０５の一部にかぶせられる。第２のクラッド層には、光学導波管９０１の外部からの迷光が入射し、追加レーザ構造によって検出されるのを阻止する、メタライゼーション層９１３のコーティングを施すのが望ましい。
【０１１０】
出力光ビーム９１９の強度と追加レーザ構造８１１の受光ポート８２５が受ける光ビーム９１７の強度との間に一定の関係を確保するため、ＶＣＳＥＬ８０１が、偏光方向が固定された放射光ビーム８０７を発生するか、あるいは、光学導波管９０１の面９１５及び９２１が、偏光方向とは無関係な反射を生じなければならない。図８Ａに示す実施例の場合、ＶＣＳＥＬの発光ポート８７１は、楕円形であり、これによって、ＶＣＳＥＬは、偏光方向が固定された放射光ビームを発生する。発光ポート及び／またはコア領域８６７を楕円形または他の回転非対称形状にすることによって、放射光ビームの偏光方向が非対称形状の大きい方の次元方向と一致するように固定される。
【０１１１】
光源９００は、第２のクラッド層９０９を省略することによって簡略化することが可能である。この場合、回折格子９１１の外側において、コア層９０５にメタライゼーション層９１３の被着を施すのが望ましい。
【０１１２】
薄膜光学導波管９０１の層は、それぞれ、層構造８０３の露出面８０９に液体プラスチックの層を回転塗布し、プラスチック層を焼成し、さらに、マスク及びエッチング・プロセスを利用して、プラスチック層に光学導波管の層を形成することによって形成される。このプロセスは、光学導波管の各層毎に１度ずつ実施される。コア層に用いられるプラスチックは、屈折率が２つのクラッド層に用いられるものより大きい。ある実施例の場合、層構造の面に回転塗布されるプラスチックは、デュポン社よりＰｏｌｙ−ｇｕｉｄｅTMのブランド名で販売されているポリイミドであった。弱い回折格子９１１は、選択的エッチング・プロセスによってコア層９０５に形成された。
弱い回折格子９１１は、放射光ビーム９０７の一部を追加レーザ構造８１１に向かって逆回折する。反射光ビーム９０７の残りの部分は、回折されずに、出力光ビーム９１９として回折格子９１１を通過する。
【０１１３】
光ビーム９１７は、回折格子９１１から光学導波管９０１を通り、コア層９０５に沿って追加レーザ構造８１１に向かい、コア層を横切って、コア層と第１のクラッド層９０３との間の境界９１５に向かって進む。弱い回折格子９１１のピッチは、光ビーム９１７が、境界の臨界角を超える角度で境界に入射する角度をなして回折されるように設計されている。結果として、光ビーム９１７は、境界において全内反射し、コア層９０５を横切って、コア層と第２のクラッド層９０９の境界９２１に達するまで戻り、そこで、もう１度全内反射を生じる。光ビーム９１７は、追加レーザ構造８１１の受光ポート８２５に達するまで、コア／クラッド層境界９１５及び９２１で反射を繰り返して、光学導波管に沿って進む。第１のクラッド層は、受光ポート８２５をカバーしないので、光ビーム９１７は、受光ポートに入射する。
【０１１４】
受光ポート８２５に入射する光ビーム９１７によって、光ビーム９１７の強度を表す出力電流が、ライン８３５で略示の導体を介して追加レーザ構造８１１に流れる。制御回路８２７は、追加レーザ構造の出力電流に応答し、ライン８３３で略示の導体を介してＶＣＳＥＬ８０１に電流を送る。この電流によって、ＶＣＳＥＬは、追加レーザ構造からの出力電流が高輝度状態と低輝度状態の一方または両方において所定の値に維持されることになる強度を備えた、放射光ビーム９０７を発生する。これは、図２Ａに関連して上述のように、それぞれ、高輝度状態、または、低輝度状態、または、高輝度状態と低輝度状態の両方において、所定の強度を有する出力光ビーム９１９に対応する。
【０１１５】
制御回路８２７には、追加レーザ構造８１１に特有の出力電流に対する非線形光強度を補償する回路要素を含むことが可能である。制御回路には、さらに、高輝度状態における出力光ビーム９１９の強度を、追加レーザ構造８１１の所定の最大出力電流に対応する、所定の最大強度に制限する回路要素を含むことが可能である。
【０１１６】
強度を制御されたＶＣＳＥＬアレイは、非導電層８６５と、電極８５１及び８５３が形成される層にパターン形成し、ＶＣＳＥＬ８０１と同様の複数ＶＣＳＥＬ及び追加レーザ構造８１１と同様の複数追加レーザ構造を形成することによって、共通層構造に作製することが可能である。さらに、光学導波管９０１を構成する層にパターン形成することによって、それぞれが、ＶＣＳＥＬの１つによって生じた放射光ビームの一部を隣接するレーザ構造に結合する、複数光学導波管を形成することが可能である。
【０１１７】
本開示では、本発明の実施例について詳述したが、言うまでもなく、本発明は、解説の実施例そのままに限定されるものではなく、付属の請求項に定義された本発明の範囲内において、さまざまな修正を加えることが可能である。以下に本発明の実施態様のいくつかを列記する。
【０１１８】
（実施態様１）
強度が制御された光ビーム（１１９）を発生する一体化レーザ・ベース光源（３００、３２０、３４０、３５０、５００）であって、以下（ａ）ないし（ｄ）を含むことを特徴とする光源
（ａ）ヘッダ（１０３）を含むパッケージ（１０５、５０１）、
（ｂ）光センサ手段（１１１、３５１）であって、入射する光エネルギの強度を表した電気信号を発生し、受光表面（１３１、３５３）を含んでおり、前記ヘッダに取り付けられた光センサ手段（１１１、３５１）、
（ｃ）レーザ（１０１）であって、前記光ビームが放射光ビーム（１０７）として放射される唯一無二の発光面（１０９）を備え、前記発光面が受光面とほぼ平行になるようにして、前記パッケージ内において前記光センサ手段に隣接して取り付けられるレーザ（１０１）、および
（ｄ）凸状ビーム分割表面手段（３４５、５４５）であって、前記放射光ビームの一部を反射光ビーム（１１７）として前記光センサ手段に向けて反射し、前記放射光ビームの残りの部分を出力光ビームとして透過する、前記パッケージによって放射光ビーム内に支持された凸状ビーム分割表面手段（３４５、５４５）。
【０１１９】
（実施態様２）実施態様１に記載の光源であって、前記凸状ビーム分割表面に、前記反射光ビームと前記出力光ビームの強度比を決定する反射制御手段（３４９、５４９）が含まれている
ことを特徴とする光源。
【０１２０】
（実施態様３）実施態様１または２に記載の光源であって、前記レーザ及び前記光センサ手段（１１１）が前記ヘッダに並べて取り付けられる
ことを特徴とする光源。
【０１２１】
（実施態様４）実施態様３に記載の光源であって、前記レーザ、前記光センサ手段、及び、前記凸状ビーム分割表面手段が、前記光センサ手段の受光面によって反射された光が前記レーザの発光面から離れる方向に向けられ、出力光ビームのノイズが低減するように配列される
ことを特徴とする光源。
【０１２２】
（実施態様５）実施態様１または２に記載の光源であって、前記レーザが、前記光センサ手段（３５１）の受光面（３５３）の一部に取り付けられることを特徴とする光源。
【０１２３】
（実施態様６）実施態様１ないし５に記載の光源であって、以下の（ａ）および（ｂ）を含むことを特徴とする光源
（ａ）前記パッケージには、前記ヘッダに取り付けられた容器（１０６）が含まれている、および
（ｂ）前記凸状ビーム分割手段が前記容器によって前記放射光ビーム内に支持されている。
【０１２４】
（実施態様７）実施態様１ないし５に記載の光源であって、光源に、さらに、レンズ（５４５）が含まれていることと、該レンズに前記凸状ビーム分割表面手段が含まれており、前記パッケージには以下（ａ）および（ｂ）が含まれていることを特徴とする
（ａ）レンズが取り付けられる軸方向ボア（５０３＋５０７）、および
（ｂ）軸方向ボアと光学的にアライメントがとられ、レンズに対して可調整位置にヘッダを収容する寸法が付与された本体部分（５０４）
【０１２５】
（実施態様８）実施態様７に記載の光源であって、前記軸方向ボアに、光ファイバを収容し、前記光ファイバを前記レンズに対して所定位置に正確に位置決めする寸法が付与された部分（５０３）が含まれている
ことを特徴とする光源。
【０１２６】
（実施態様９）実施態様１ないし実施態様７に記載の光源であって、前記レーザが、レーザ電流に応答して、前記放射光ビームを発生すること、および、前記光源に、さらに前記光センサ手段によって生じる電気信号に応答して、前記レーザ電流を制御する働きをする制御手段（１２７）が含まれている
ことを特徴とする光源。
【０１２７】
（実施態様１０）実施態様９に記載の光源であって、前記制御手段が、さらに、前記レーザ電流を制御して、前記光センサ手段によって生じた前記電気信号を、前記出力光ビームの所定の最大強度に対応する所定の最大値に制限する
ことを特徴とする光源。
【０１２８】
（実施態様１１）実施態様１ないし実施態様１０に記載の光源であって、以下（ａ）ないし（ｃ）を含むことを特徴とする光源
（ａ）前記レーザによって生じる前記放射光ビームが強度とＳ／Ｎ比を備えており、前記Ｓ／Ｎ比は強度に関係すること、
（ｂ）前記レーザがしきい値レベルを超えるＳ／Ｎ比の前記放射光ビームを発生する前記強度が、所定の最大強度を超えること、および
（ｃ）前記ビーム分割表面手段が、前記放射光ビームの一部を前記光センサ手段に反射することによって、前記出力光ビームのＳ／Ｎ比がしきい値レベルを超え、強度が所定の最大強度未満になる。
【０１２９】
（実施態様１２）強度が制御された出力光ビーム（１１９）で光ファイバを照射するための一体化レーザ・ベース光源（５００）を製造する方法であって、以下（ａ）ないし（ｅ）のステップを含むことを特徴とする方法
（ａ）以下（イ）ないし（ハ）を提供するステップ
（イ）レーザ／センサアセンブリ（５１３）であって、該レーザ／センサアセンブリ（５１３）は以下（あ）ないし（う）含む
（あ）ヘッダ（１０３）、
（い）光センサ手段（３５１）であって、受光面（３５３）を含んでおり、ヘッダに取り付けられ、入射する光エネルギの強度を表した電気信号を発生する光センサ手段（３５１）と、
（う）レーザ（１０１）であって、放射光ビームとして光ビームが放射される唯一無二の発光面（１０９）を備え、前記発光面が受光面に対してほぼ平行になるように、パッケージ内において前記光センサ手段に隣接して取り付けられるレーザ（１０１）、
（ロ）凸状表面（５４５）を備えるレンズ（５４３）と、
（ハ）パッケージであって、該パッケージは以下（あ）および（い）を含む
（あ）軸方向ボア（５０３＋５０７）であって、前記レンズ及び光ファイバを収容することにより、前記光ファイバがレンズに対して所定の位置に正確に位置決めされるような寸法が付与された部分を含む軸方向ボア（５０３＋５０７）、及び、
（い）本体部分（５０４）であって、光学的に軸方向ボアとのアライメントがとられ、すきまばめによって、前記レーザ／センサ・アセンブリを収容する寸法が付与された本体部分（５０４）、
（ｂ）前記レンズを前記パッケージの軸方向ボアに取り付けるステップ、
（ｃ）前記レーザ／センサ・アセンブリを前記本体部分に挿入するステップであって、前記レンズの凸状表面によって、前記放射光ビームの一部が反射光ビームとして前記光センサ手段に向けて反射され、前記レンズによって、前記放射光ビームの残りの部分が出力光ビームとして透過される位置に挿入するステップ、
（ｄ）前記レンズに対する前記レーザ／センサ・アセンブリの位置を調整するステップであって、前記出力光ビームの強度を最大にするステップと、
（ｅ）前記本体部分内において、前記レーザ／センサ・アセンブリを調整ステップ（ｄ）で得られる位置に固定するステップ。
【図面の簡単な説明】
【図１】エッジ発光レーザをベースにした、強度が制御される光を発生する既知の一体化光源の側面図である。
【図２Ａ】強度が制御される光を発生する、本発明による一体化レーザ・ベース光源の第１の実施例に関する側面図である。
【図２Ｂ】図２Ａに示す本発明による一体化レーザ・ベース光源の実施例の光学構成に関するより詳細な図である。
【図２Ｃ】図２Ａに示す本発明による一体化レーザ・ベース光源の実施例において、光センサによる反射光ビームの反射後にレーザに入射する光を減衰させるための第１の代替構造を示す図である。
【図２Ｄ】図２Ａに示す本発明による一体化レーザ・ベース光源の実施例において、光センサによる反射光ビームの反射後にレーザに入射する光を減衰させるための第2の代替構造を示す図である。
【図２Ｅ】図２Ａに示す本発明による一体化レーザ・ベース光源の実施例において、光センサによる反射光ビームの反射後にレーザに入射する光を減衰させるための第3の代替構造を示す図である。
【図２Ｆ】図２Ａに示す本発明による一体化レーザ・ベース光源の実施例において、ＶＣＳＥＬを通る電流のさまざまな値で、サンプルＶＣＳＥＬが生じる光ビームの強度、出力光ビームの強度、及び、反射光ビームに応答して光センサが生じる出力電流との間の関係を示すグラフである。
【図３Ａ】本発明による一体化レーザ・ベース光源の第２の実施例に関する側面図である。
【図３Ｂ】図３Ａに示す本発明による一体化レーザ・ベース光源の実施例に関する変形の詳細図である。
【図４Ａ】本発明による一体化レーザ・ベース光源の第３の実施例に関する第１の変形の側面図である。
【図４Ｂ】本発明による一体化レーザ・ベース光源の第３の実施例に関する第２の変形の側面図である。
【図４Ｃ】本発明による一体化レーザ・ベース光源の第３の実施例に関する第３の変形の側面図である。
【図４Ｄ】本発明による一体化レーザ・ベース光源の第３の実施例に関する第４の変形の側面図である。
【図４Ｅ】本発明による一体化レーザ・ベース光源の第３の実施例に関する第５の変形の側面図である。
【図４Ｆ】本発明による一体化レーザ・ベース光源の第３の実施例に関する第６の変形の側面図である。
【図４Ｇ】本発明による一体化レーザ・ベース光源の第３の実施例に関する第７の変形の側面図である。
【図４Ｈ】図４Ｄに示す変形によって生じる出力光ビーム内に取り付けられた大面積光検出器の出力と対照して作図された光検出器の出力電流を示すグラフである。
【図５Ａ】それぞれ、図４Ｄ、図４Ｅ、及び、図４Ｇに示す変形に用いられたＶＣＳＥＬ／光センサ・アセンブリの平面図である。
【図５Ｂ】それぞれ、図４Ｄ、図４Ｅ、及び、図４Ｇに示す変形に用いられたＶＣＳＥＬ／光センサ・アセンブリの断面図である。
【図６Ａ】本発明による一体化レーザ・ベース光源の第４の実施例に関する側面図である。
【図６Ｂ】本発明による一体化レーザ・ベース光源の第４の実施例の光学構成に関する詳細図である。
【図６Ｃ】レーザ・アレイによる動作に適応する、本発明による一体化レーザ・ベース光源の第４の実施例に関する平面図である。
【図７】本発明による一体化レーザ・ベース光源の第５の実施例に関する側面図である。
【図８Ａ】それぞれ、本発明による一体化レーザ・ベース光源の第６の実施例に関する平面図である。
【図８Ｂ】それぞれ、本発明による一体化レーザ・ベース光源の第６の実施例に関する断面図である。
【符号の説明】
１００レーザ・ベース光源
１０１ＶＣＳＥＬ
１０３ヘッダ
１０５パッケージ
１０６容器
１０７放射光ビーム
１０８窓
１０９発光面
１１１光センサ
１１３ポスト
１１４カップラ
１１５平面ビーム分割器
１１６基板
１１７反射光ビーム
１１９出力光ビーム
１２３基板
１２５導体
１２６導体
１２７制御回路
１２８入力端子
１２９導体
１３０ボンディング・ワイヤ
１３１受光面
１３３ビーム分割面
１３５溝
１３７エッジ
１３９非反射面
１４１反射防止層
１４３反射制御層
１４７逆ビーム
２００光源
２１５立方ビーム分割器
２５３ビーム分割面
２６１ボンディング・ワイヤ
３００光源
３０３窓
３０５角度つき部分
３１１反射制御層
３１４Ａカップラ
３１４Ｂカップラ
３１４Ｃカップラ
３２０光源
３２１介挿体
３２３角度つき部分
３２９反射制御層
３４０光源
３４１窓
３４３ボール・レンズ
３４５ビーム分割面
３４８反射防止層
３５０光源
３５１光センサ
３５３受光面
３５５ボンディング・ワイヤ
３６１ＶＣＳＥＬ／光センサ・アセンブリ
４０１基板
４０５絶縁層
４０７導電層
４０９メタライゼーション層
４１１ボンディング・ワイヤ
４１３取り付けパッド
４１７トラック
４１９導電層
４２１導電層
４２３基板／ミラー構造
５００光源
５０１パッケージ
５０２ノーズ部分
５０３ボア
５０４本体部分
５０５通路
５０７空洞
５０９ボール・レンズ
５１１肩
５１３レーザ／光センサ・サブアセンブリ
５１４カップラ
５１９接着剤
５４３ボール・レンズ
５４８反射防止層
５４９反射制御層
６０１窓
６０３散乱部分
６０５散乱光
６１０反射防止層
６１４カップラ
７００光源
７０１プラットフォーム
７０５ビーム分割層
７１１ＶＣＳＥＬ
７１３ＶＣＳＥＬ
７１４カップラ
７１５ボンディング・ワイヤ
７１６ボンディング・ワイヤ
７１７透過光ビーム
７１９導体
７２０光源
７２１導体
７２３一体化光センサ・アレイ
７２５ボンディング・ワイヤ
７２７ボンディング・ワイヤ
７２９導体
７３１導体
８００光源
８０１ＶＣＳＥＬ
８０３層構造
８１１追加レーザ構造
８１４カップラ
８１５ビーム分割器
８１８リフレクタ
８２１ビーム分割面
８２３反射面
８２５受光ポート
８２９メタライゼーション層
８３９反射制御層
８５１電極
８５３電極
８７１発光ポート
９００光源
９０１薄膜導波管
９０３第１のクラッド層
９０５コア層
９０７放射光ビーム
９０９第２のクラッド層
９１１回折格子
９１５コア／クラッド層境界
９１９出力光ビーム
９２１コア／クラッド層境界[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to laser-based light sources, and more particularly, to laser-based light sources that generate light with controlled intensity.
[0002]
[Prior art]
Lasers are used as a light source in many consumer and industrial products, including laser printers and optical communication links. In the case of a laser printer, the optical output of the laser is modulated to selectively discharge the photoconductive drum. In the case of an optical communication link, the optical output of the laser is modulated to represent the state of the digital information signal. Lasers that produce modulated light output are also used, for example, to write digital information signals to optical disks. In these and other applications, it is necessary to modulate the light output of the laser at high speed, so that modulation of the light output by simply turning the laser on and off is usually excluded. Instead, the light output of the laser is modulated between a high brightness state and a low brightness state, which is usually only slightly above the laser threshold level. However, in the disclosure below, the low brightness state is considered to include a zero brightness state where the laser current decreases below the threshold current or to zero.
[0003]
If the laser light output is modulated between a high brightness state and a low brightness state, the light intensity in at least one of the two brightness states must be clearly defined. For example, when applied to a laser printer, if the low brightness state exceeds the zero brightness state, the light intensity in the low brightness state must remain below the discharge threshold of the photoconductive drum. Furthermore, since the spot size of the photoconductive drum discharged by the light beam is determined by the intensity of the light beam, the intensity of the laser in the high brightness state must also be defined to ensure a consistent line width. For applications in optical communication links, the difference between the high and low brightness states can be relatively small in order to maximize the modulation rate and thus the data transmission rate. In order for the receiver of the optical communication link to be able to distinguish the two luminance states from each other, the light intensity in both luminance states must be accurately defined.
[0004]
The light intensity generated by the semiconductor laser for a given laser current is mainly determined by the temperature of the laser. Aging is a secondary factor. The temperature of the laser is determined in part by the current through the laser, i.e., the magnitude of the laser current and the duty cycle. The laser duty cycle is determined by the digital input signal that modulates the laser. In the case of a laser printer, the laser produces a “filled area” by continuously generating light in a high brightness state, and by continuously generating light in a low brightness state, such as margins and edges. A clear white area. The thermal time constant of a typical semiconductor laser is very rapid and is about the same as the time required to print about 10 pixels. Thus, if the laser light output increases, for example, as the temperature rises, the laser temperature, and thus the light output, increases steadily while printing the filled area (as a result, the print density and line width are increased). Will increase). On the other hand, narrow lines that are separated in the vertical direction printed in the white area tend to be too blurry because the laser output is insufficient as a result of the laser temperature being too low.
[0005]
Using a control system to vary the laser current to prevent the laser printer, optical communication link, or other laser-based device performance from being compromised due to light intensity variations caused by the laser The light intensity is maintained at a predetermined level in the high-luminance state or the low-luminance state, or the light intensity is the first in the high-luminance state regardless of temperature and laser aging. It is desirable to maintain the predetermined level and to maintain the second predetermined level in the low luminance state.
[0006]
FIG. 1 shows a portion of a known laser light source 10 that generates light of controlled intensity. In the case of the laser light source 10, the edge emitting laser 12 is attached to the post 14 protruding from the header 16. A container 17 is attached to the header 16 and typically forms a hermetic seal with the header. This container can be provided with a window 19 through which the light beam 18 generated by the laser 12 is emitted. Typically, the window is coated with an antireflection layer 21 to prevent a portion of the reflected light beam 18 from being returned to the laser 12 by the window.
[0007]
The edge emitting laser 12 is formed by generating a suitable semiconductor structure such as gallium arsenide. The edge emitting laser 12 is routed through a conductor 30 that passes through an electrically isolated path (not shown) of the header 16 and a bonding wire 31 that connects the conductor 30 to a metallization layer (not shown) of the laser 12. In response to a current supplied from an external power source, the light beam 18 is emitted. The edge emitting laser 12 emits a light beam 18 from a very narrow aperture of about 0.1 μm width of the cleavage edge 20, and also emits a secondary light beam 24 from a cleavage edge 26 opposite to the cleavage edge 20.
[0008]
In applications where the intensity of light generated by the edge emitting laser 12 must be controlled, the optical sensor 28 is mounted on a header 16 that is positioned to be directly illuminated by the secondary light beam 24. The optical sensor 28 is generally a photodiode made of silicon, gallium arsenide, or indium gallium arsenide, and its type depends on the wavelength of light generated by the laser 12. The electrical output of the optical sensor 28 is provided by a conductor 32 that passes through an electrically isolated path (not shown) in the header, and a bonding wire 33 that connects the conductor 32 to a metallization layer (not shown) of the optical sensor 28. It is sent out of the package.
[0009]
The conductor 32 is also connected to the control circuit 34. The control circuit also receives a digital input signal via the input terminal 36. The state of the digital input signal determines whether the control circuit drives the laser 12 to emit a light beam in a high brightness state or a low brightness state. The control circuit 34 controls the current sent to the laser 12 via the conductors 30 and 31 so that a predetermined value of the electrical output of the photosensor is obtained in one or both of the high luminance state and the low luminance state. This predetermined value of the output of the optical sensor 28 corresponds to the secondary light beam 24 having a predetermined intensity in each luminance state. Since the intensity of the secondary light beam 24 is approximately linearly related to the intensity of the primary light beam 18, the intensity of the primary light beam 18 is conveniently measured by an optical sensor that monitors the intensity of the secondary light beam 24. Can be controlled with an acceptable accuracy.
[0010]
Recently, vertical cavity surface emitting lasers (VCSELs) have been introduced. These lasers are formed to form a semiconductor layer structure deposited on a semiconductor substrate, and, like an edge emitting laser, is not from a very narrow region about 0.1 μm wide at the cleavage edge of the device, but the surface of the structure. The light is emitted from a part of. VCSEL offers many advantages in terms of performance compared to edge emitting lasers. For example, VCSELs inherently generate light beams that are much more symmetrical than edge emitting lasers. As a result, the light from the VCSEL can be more effectively coupled by the laser printer or the optical system of the optical communication link than the light from the edge emitting laser. By increasing the coupling efficiency, the power for operating the VCSEL can be lowered to obtain a predetermined light intensity. However, VCSELs generally emit a single light beam instead of the two light beams emitted by an edge emitting laser. Therefore, simply using a VCSEL instead of the edge emitting laser 12 in the configuration shown in FIG. 1 cannot create a VCSEL-based light source that generates light with controlled intensity. An alternative configuration is needed to monitor the light intensity produced by the VCSEL.
[0011]
Possible solutions for this problem are G. Hasnian et al. , Monolithic Integration of Photodiode with Vertical Cavity Surface Emitted Laser, 27 ELECTRONICS LETTERS 18, p. 1630 (1991). In this case, a p-i-n photodiode is grown in the p-type mirror region of the top-emitting VCSEL. This configuration provides excellent monitoring performance, but additional epitaxial layers must be deposited to obtain the photodiode layer, and additional etching and etching can be used to form the photodiode pattern. As the process becomes necessary, the complexity of the manufacturing process increases. In addition, the etching process leaves the layer edges exposed to contaminants that can compromise the reliability and accuracy of the configuration.
[0012]
US patent application Ser. No. 08 / 332,231, assigned to the assignee of the present application, describes some of the alternative configurations for monitoring the intensity of light produced by a VCSEL. In the case of the first configuration among these, the Schottky structure is formed as a photodetector on the upper surface of the layer structure in which the VCSEL is formed. This configuration also requires that additional layers be deposited on the VCSEL layer structure, even if the number of additional layers required for the pin photodiode is reduced.
[0013]
In the second configuration, the photodiode is formed adjacent to the VCSEL in the layer structure in which the VCSEL is formed. Light is sent laterally in the layer structure between the VCSEL emitting layer and the photodetector. The magnitude of the current flowing through the photodetector in response to a reverse bias applied to the photodetector (as opposed to the forward bias experienced by the VCSEL) represents the light intensity in the light emitting layer of the VCSEL. This configuration provides a structurally simple method of monitoring the light intensity in the light emitting layer of the VCSEL, but there is a relationship between the light intensity in the light emitting layer and the intensity of the light beam actually emitted by the VCSEL. Since it is not clearly defined, intensity monitoring accuracy may be unacceptable.
[0014]
【task to solve】
Therefore, an object of the present invention is to provide a simple and accurate output light intensity control laser base light source.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides an integrated laser-based light source that generates an output light beam with a controlled intensity. The light source includes a package including an optical sensor, a laser, a convex beam splitting surface, and a header. The optical sensor generates an electrical signal representing the intensity of light energy incident thereon and is attached to the header. The laser has a unique light emitting surface on which a light beam is emitted as a radiation light beam. The laser is mounted adjacent to the optical sensor in the package such that the light emitting surface is substantially parallel to the light receiving surface of the optical sensor. The convex beam splitting surface reflects a portion of the emitted light beam as a reflected light beam toward the optical sensor and transmits the remaining portion of the emitted light beam as the output light beam. The convex beam splitting surface is supported in the radiation beam by the package.
[0016]
The convex beam splitting surface reflects a portion of the emitted light beam towards the optical sensor, while the light reflected back to the laser after reflection by the optical sensor and the second reflection by the convex beam splitting surface. Minimize strength. The reflected light beam diverges from the convex beam splitting surface, which reduces the positioning accuracy of the optical sensor relative to the laser that must be applied to receive the reflected light beam.
[0017]
The convex beam splitting surface can include a reflection control element that determines the intensity ratio of the reflected light beam and the output light beam.
[0018]
The laser and optical sensor can be mounted side by side on the header. As an alternative, the laser can be attached to a part of the light receiving surface of the photosensor.
[0019]
The package can include a container attached to the header, which allows the convex beam splitting surface to be supported in the emitted light beam.
[0020]
The light source can further include a lens that includes a convex beam splitting surface.
[0021]
The package can include an axial bore for mounting the lens and a body portion that is optically aligned with the axial bore. In this embodiment, the body portion is dimensioned to accommodate the header at an adjustable position relative to the lens, the axial bore accommodates the optical fiber, and the optical fiber is accurately positioned at a predetermined position relative to the lens. A portion to which a dimension for positioning is given is included.
[0022]
Arrangement on the laser, the optical sensor, and the convex beam splitting surface so that the light reflected by the light receiving surface of the optical sensor moves away from the light emitting surface of the laser and reduces the noise of the output light beam Can be applied.
[0023]
The light source may further include a controller that controls the laser current in response to an electrical signal generated by the photosensor. The controller can further control the laser current to limit the electrical signal generated by the optical sensor to a predetermined maximum value corresponding to a predetermined maximum intensity of the output light beam.
[0024]
The S / N ratio of the radiation beam generated by the laser can be determined by its intensity. The intensity at which the S / N ratio of the emitted light beam exceeds the threshold level may exceed a predetermined maximum intensity. In this case, the beam splitting surface reflects such a portion of the emitted light beam to the optical sensor so that the S / N ratio of the output light beam exceeds the threshold level and the intensity is below a predetermined maximum intensity. It is possible to be.
[0025]
The present invention also provides an integrated laser-based light source that irradiates an optical fiber with an output light beam with controlled intensity. The light source includes a laser / sensor assembly, a ball lens, and a package. The laser / sensor assembly includes a header, a light source, and a laser. The optical sensor generates an electrical signal representing the intensity of light energy incident thereon and is attached to the header. The laser has a unique light emitting surface that emits a light beam as a radiation light beam. The laser is mounted adjacent to the optical sensor so that the light emitting surface is substantially parallel to the light receiving surface. The package includes an axial bore and a body portion. The ball lens is attached to an axial bore that includes a portion that receives an optical fiber and is dimensioned to accurately position the optical fiber with respect to the ball lens. The body part is optically aligned with the axial bore, and the ball lens reflects a portion of the radiated light beam as a reflected light beam toward the optical sensor and the rest of the radiated light beam is output light. Dimensions are provided to adjustably accommodate the laser / sensor assembly at a position relative to the ball lens that is transmitted as a beam and where the intensity of the output light beam is maximized.
[0026]
The laser and optical sensor can be mounted side by side on the header. As an alternative, the laser can be attached to a part of the light receiving surface of the photosensor.
[0027]
Finally, the present invention provides a method for manufacturing an integrated laser-based light source for irradiating an optical fiber with an intensity-controlled output light beam. For this method, a laser / sensor assembly, a lens with a convex surface, and a package are provided. The laser / sensor assembly includes a header, an optical sensor, and a laser. The optical sensor generates an electrical signal representing the intensity of light energy incident thereon and is attached to the header. The laser has a unique light emitting surface from which a light beam is emitted as a radiated light beam, and is mounted adjacent to the optical sensor so that the light emitting surface is substantially parallel to the light receiving surface. The package includes an axial bore that includes a portion that is dimensioned to receive the lens and the optical fiber so that the optical fiber is accurately positioned in place with respect to the lens. The package also includes a body portion optically aligned with the axial bore and dimensioned to receive the laser / sensor assembly by clearance fit.
[0028]
The lens is attached to the axial bore of the package. The laser / sensor until the convex surface of the lens reflects a portion of the emitted light beam as a reflected light beam towards the optical sensor and the lens transmits the remaining portion of the emitted light beam as the output light beam. -The assembly is inserted into the body part. The position of the laser / sensor assembly with respect to the lens is adjusted to maximize the intensity of the output light beam. Finally, the laser / sensor assembly is fixed in the body portion at a position where the intensity of the output light beam is maximized.
A curable adhesive may be applied to at least one of the body portion and the laser / sensor assembly and the adhesive may be cured to secure the laser / sensor assembly within the body portion.
[0029]
【Example】
The integrated laser-based light source according to the present invention comprises a laser and an optical sensor mounted in a common package. The laser generates a radiation beam in response to the laser current. The coupler is also attached at a position where the radiation beam in the package is irradiated. The coupler couples a portion of the emitted light beam to the photosensor and transmits the remaining portion of the emitted light beam as an output light beam. The light sensor generates an electrical signal representative of the intensity of the portion of the emitted light beam that is coupled to the light sensor by the coupler. Since the light coupled to the light sensor by the coupler is part of the emitted light beam, the electrical signal generated by the light sensor also represents the intensity of the emitted light beam and the output light beam. When an electrical signal generated by the optical sensor is supplied, the laser current is controlled by a suitable control circuit, and the electrical signal generated by the optical sensor is held at a predetermined value corresponding to an output light beam having a predetermined intensity. Is done.
[0030]
In various embodiments described below, partial reflection, backscattering, inverse diffraction, and transmission on one or more surfaces are clarified. A configuration in which the laser and the optical sensor are attached to a common plane or two orthogonal planes that are overlapped so as to be coaxial, or a configuration in which the laser and the optical sensor are attached to each other to form another configuration is also described. In another example, the laser and optical sensor are formed in a common layer structure.
The meaning of “light” in this disclosure should be construed to include other forms of electromagnetic energy that can be generated by a laser.
[0031]
Next, with reference to FIG. 2A, a first embodiment 100 of a laser-based light source that generates light with controlled intensity will be described. In this first embodiment, which utilizes a slightly modified version of the package used in the edge emitting laser described above with respect to FIG. 1, a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) is used for the header of the package 105. 103. The VCSEL 101 emits a radiation light beam 107 from the light emitting surface 109. An optical sensor 111 is attached to a post 113 attached to the header 103 adjacent to the VCSEL 101. A coupler 114 is attached to the package 105 and couples a portion of the emitted light beam 107 generated by the VCSEL to the optical sensor 111 as a reflected light beam 117 and transmits the remaining portion of the emitted light beam 107 as an output light beam 119. To do.
[0032]
The package 105 is finished by a container 106 attached to the header 103. This container is typically welded to the header 103 to form a hermetic seal. The container may include a window 108 through which the output light beam 119 exiting the light source. The window is coated with an anti-reflective layer 110 to prevent a portion of the output light beam 119 from being reflected back to the VCSEL 101.
[0033]
In this first embodiment, the planar beam splitter 115 acts as a coupler 114 to couple a portion of the radiated light beam 107 to the optical sensor 111 as a reflected light beam 117 and the remaining portion of the light beam 107. Is transmitted as an output light beam 119. The optical sensor 111 generates an electrical signal representing the intensity of the reflected light beam 117 split from the radiated light beam 107 by the planar beam splitter 115. The planar beam splitter reflects a certain portion of the light beam 107 as a reflected light beam 117 to be sent to the optical sensor 111 and transmits the remaining portion of the radiated light beam 107 as an output light beam 119. The electrical signal generated by the sensor 111 also represents the intensity of the output light beam 119 emitted by the light source 100 and is therefore suitable for controlling the intensity of the output light beam 119 generated by the VCSEL-based light source 100.
[0034]
In FIG. 2F, the optical sensor 111 is generated in response to the intensity of the emitted light beam 107 produced by the sample VCSEL, the intensity of the output light beam 119, and the reflected light beam 117 at various values of current through the VCSEL. The relationship between the output current is shown. Obviously, the output current generated by the optical sensor follows the intensity of the output light beam 119.
[0035]
In the VCSEL-based light source 100, the VCSEL 101 patterns conductive regions in a layer structure obtained by epitaxially growing several tens of layers of semiconductor material (collectively indicated by reference numeral 121) on a substrate 123, thereby providing two conductive layers. A light emitting layer sandwiched between mirror layers is formed. The layer structure is described in detail in US patent application Ser. No. 08 / 330,033, the disclosure of which is incorporated by reference, but will be described in some detail in connection with FIGS. 8A and 8B below. The
[0036]
The substrate 123 is mounted in electrical and physical contact with the header 103 of the package 105, many of which use suitable chip mounting techniques known in the art. A second electrical contact is formed to the VCSEL 101 by a conductor 125 that passes through an electrically isolated path (not shown) in the header 103. Conductor 125 is connected to the metallization layer (not shown) of VCSEL 101 by bonding wire 126.
The VCSEL 101 generates a radiation beam 107 in response to current supplied by the control circuit 127 and sent to the VCSEL via conductors 125 and 126. For currents between the threshold and saturation values, the intensity of the light beam 107 is approximately proportional to the current (FIG. 2F).
[0037]
The optical sensor 111 preferably comprises a conventional photodiode structure formed of silicon, gallium arsenide, indium gallium arsenide, or other suitable material. The desired material depends on the wavelength of the light beam 117. Other suitable light sensing elements such as solar cells can also be used for the light sensor 111. Many of the optical sensors are attached to the post 113 using suitable attachment techniques known in the art.
[0038]
The optical sensor 111 is mounted in physical and electrical contact with the post, but can alternatively be electrically separated from the post. Another electrical contact to the photosensor is formed by a conductor 129 through an electrically isolated path (not shown) in the header 103. The conductor 129 is connected to a metallization layer (not shown) of the optical sensor 111 by a bonding wire 130. A suitable circuit element (not shown) reverse biases the photosensor 111 and the output current from the photosensor determined by the intensity of the reflected light beam 117 is sent to the control circuit 127 via conductors 129 and 130.
[0039]
In response to the output current from the optical sensor 111 and the digital input signal received via the input terminal 128, the control circuit 127 causes the output light beam 119 to reach a predetermined level in one or both of the high luminance state and the low luminance state. The current flowing through the VCSEL 101 is controlled so as to be maintained. The circuit configuration of the control circuit 127 is conventional and will not be described here. The control circuit can be mounted in the package 105, in which case bonding wires 126 and 130 are connected to the control circuit and conductors 125 and 129 are used to input signals and power within the package 105. Are transferred to a control circuit attached to the header 103. The control circuit can be integrated with the optical sensor 111 or the VCSEL 101.
[0040]
The optical sensor 111 includes a light receiving surface 131 on which the reflected light beam 117 extracted from the radiated light beam 107 enters the optical sensor. In the embodiment shown in FIG. 2A, the optical sensor is attached to the post 113 such that the light receiving surface 131 is not parallel to the light emitting surface 109 of the VCSEL 101.
[0041]
In the first embodiment, the planar beam splitter 115 includes a substrate 116 attached to the path of the emitted light beam 107. The substrate 116 includes two parallel surfaces, that is, a beam splitting surface 133 and a non-reflecting surface 139. The beam splitting surface 133 reflects a part of the radiated light beam 107 generated by the VCSEL 101 as a reflected light beam and transmits the remaining part of the radiated light beam as an output light beam 119. In one example, an optical flat of about 2 square mm and a thickness of about 200 μm was used as the substrate. As an alternative, quartz or plastic can be used for the planar beam splitter.
[0042]
The planar beam splitter 115 is attached to the header 103 in which a groove 135 is formed at a distance approximately equal to the height of the post from the plane of the post 113. In the planar beam splitter 115, an edge 137 between the non-reflecting surface 139 and the beam splitting surface 133 is engaged with the groove 135, and a part of the non-reflecting surface distal to the edge 137 is supported by the post 113. It is attached in this way. The actual position of the groove 135 with respect to the post 113 is set so that the reflected beam 117 from the beam splitting surface 133 of the planar beam splitter 115 is incident on the center of the optical sensor 111. The planar beam splitter 115 is held in place by a suitable adhesive or a clip (not shown) attached to the header 103 and / or post 113. The groove 135 can be omitted, thereby allowing the use of an unmodified post-type header.
[0043]
The optical configuration of the light source 100 is shown in more detail in FIG. 2B. 2B shows the VCSEL 101 attached to a part of the header 103, the optical sensor 111 attached to a part of the post 113 attached to the header 103 as shown in FIG. 2A, and the emitted light generated by the VCSEL 101. A portion of the planar beam splitter 115 is shown that couples a portion of the beam 107 to the optical sensor 111 as a reflected beam 117 and transmits the remainder of the radiation beam 107 of the radiation beam 107 as an output light beam 119.
[0044]
In order to control transmission and reflection by the beam splitter 115, an antireflection layer 141 that conforms to the non-reflecting surface 139 of the substrate 116 is applied. The non-reflective surface is a substrate surface adjacent to the VCSEL 101 and the optical sensor 111. Procedures for determining the thickness of the antireflective layer based on the materials suitable for the antireflective layer and the wavelength of the emitted light beam 107 generated by the VCSEL 101 are known in the art and are therefore not described here. . The antireflection layer 141 minimizes the reflection of the radiation beam 107 on the non-reflecting surface 139 of the plane divider. As a result, the emitted light beam passes through the non-reflecting surface and the substrate 116 to the beam splitting surface 133, a part of the emitted light beam is reflected as the light beam 117, and the remaining part of the emitted light beam is output. It is transmitted as a light beam 119. In the case of the above-described embodiment, the antireflection layer 141 is omitted.
[0045]
As an alternative, the surface of the substrate 116 adjacent to the VCSEL 101 and the optical sensor 111 can be used as a beam splitting surface. In this case, an anti-reflective layer can be formed on the substrate surface distal from the VCSEL and photosensor to maximize transmission of the output light beam 119. However, in this alternative configuration, the light reflected from the light receiving surface 131 of the optical sensor to the VCSEL 101 cannot be attenuated by making the substrate light-absorbing, as will be described in more detail later.
[0046]
A part of the radiated light beam 107 reflected by the planar beam splitter 115 as the reflected light beam 117 is determined by the reflectance of the beam splitting surface 133. In order to allow the control circuit 127 to control the intensity of the output light beam without introducing noise into the output light beam, the portion of the light beam that is to be reflected depends on the efficiency of the device 100 (the reflected beam 117 is the output light beam 119). And the S / N ratio of the electrical output of the optical sensor 111 depends on the distribution. In order to ensure that the output of the optical sensor 111 has a sufficient S / N ratio to prevent the S / N ratio of the output light beam from being deteriorated by the operation of the control circuit 127, the intensity of the reflected light beam Must be sufficiently high with respect to the sensitivity of the photosensor 111.
[0047]
Depending on the application, if the reflectivity of the glass / air interface is 4%, both the intensity of the radiated light beam 107 and the sensitivity of the photodetector 111 can be obtained in the desired signal-to-noise ratio in the output signal from the optical sensor 111. May be high enough to bring However, many common applications require that the intensity of the reflected light beam 117 be in the range of 10-20% of the intensity of the emitted light beam 107. Furthermore, for applications where the intensity of the output light beam 119 is low, a reflectivity greater than 20% is required to obtain a reflected light boom with sufficient intensity. Depending on the application, even with a reflectance of 4% at the glass / air boundary, the reflection may be too strong. Therefore, by applying the reflection control layer 143 to the beam splitting surface 133 of the planar beam splitter 115, the reflectance of the beam splitting surface 133 is determined, and the intensity ratio between the reflected light beam 117 and the output light beam 119 is set. Is done. The material suitable for the reflection control layer and the procedure for determining the thickness of the reflection control layer to reflect the desired portion of the emitted light beam 107 are well known in the art and will not be described here.
[0048]
It is also possible to determine the reflectance of the beam splitting surface 133 using another factor. Depending on the application, the maximum intensity of the output light beam 119 must be limited for eye safety. This maximum intensity may be lower than the intensity at which some lasers generate a emitted light beam with the highest S / N ratio. In such a situation, the reflection control layer 143 can be designed to form a beam splitting surface 133 having a relatively high reflectivity. As a result, it is possible to operate the VCSEL 101 so as to generate the radiation light beam 107 with an intensity at which the S / N ratio becomes the maximum value or a value close thereto. The reflectivity of the beam splitting surface is selected such that the setting of the intensity of the output light beam easily satisfies the safety standard. The beam splitting surface reflects most of the emitted light beam toward the optical sensor 111 and transmits the remaining small portion of the emitted light beam as the output light beam. Despite its reduced intensity, the beam splitting surface attenuates both the emitted light beam and the emitted light beam noise equally, so the S / N ratio of the output light beam is approximately the same as the emitted light beam. Become. In the case of this type of light source, the reflection control layer may provide a beam splitting surface with a reflectance exceeding 80% depending on the application.
[0049]
The intensity of the output light beam can be reduced with respect to the intensity of the emitted light beam not only by reflection by the beam splitting surface but also by using a light-absorbing material for the substrate 116.
[0050]
In this embodiment, and in all embodiments described in this disclosure, the precise control of the intensity of the light beam 119 by the control circuit 127 is such that the emitted light beam 107 on one side and the reflected light beam 117 and the output light beam on the other side. The transfer function to and from 119 depends on the fixed coupler 114. The reflectivity of the beam splitting surface of the coupler, which is the boundary between the glass / air boundary, the crystal / air boundary, the plastic / air boundary, or the boundary coated with a metallized reflection control layer is Since it depends on the polarization direction of the beam, the VCSEL 101 generates a radiation beam with a limited polarization direction so as to obtain a coupler with a fixed transfer function. Otherwise, variations in the polarization direction of the emitted light beam will change the transfer function of the coupler. When the coupler transfer function changes due to a change in polarization direction, the control circuit causes an unwanted change in the intensity of the emitted light beam (and hence the output light beam). A VCSEL structure capable of generating a radiation beam with a limited polarization direction will be briefly described later with reference to FIGS. 5A and 5B.
Additionally or alternatively, a series of dielectric layers can be used as a reflection control layer on the beam splitting surface of the coupler. The transfer function of such a beam splitting surface is almost independent of the polarization direction of the emitted light beam.
[0051]
The optical sensor 111 includes an antireflection layer 145 deposited on the light receiving surface 131. The antireflection layer 145 maximizes the detection efficiency of the optical sensor 111 and minimizes the intensity of the reverse beam 147 reflected by the light receiving surface of the optical sensor. 2B shows a reverse beam 147 laterally offset from the light beams 117 and 107 for the sake of clarity, but in reality, the reverse beam 147 is a reflection of the reflected light beam 117 and the radiated light beam 107. Return to the VCSEL 101 along the optical path. Along these optical paths, the reverse beam is partially reflected by the beam splitting surface 133 of the planar beam splitter 115. The reverse beam 147 has the same wavelength as the emitted light beam 107 produced by the VCSEL 101, but is out of phase, and thus may impair the performance of the VCSEL, for example, degrading the S / N ratio of the emitted light beam 107. have. By minimizing the intensity of the reverse beam 147, the ability to compromise the performance of the VCSEL 101 is reduced.
[0052]
The ability of the reverse beam 147 to impair the performance of the VCSEL 101 can be further reduced by using light absorbing glass for the substrate 116 of the planar beam splitter 115. The need for such additional precautions depends on several factors, including the reflectivity of the light receiving surface 131 of the optical sensor 111 and the beam splitting surface 133 of the planar beam splitter, and the VCSEL's susceptibility to disturbances by the light beam. .
[0053]
Planar beam splitter 115 also reduces the ability to compromise the performance of VCSEL 101 with reflection of output light beam 119 (eg, reflection from the surface of the optical fiber to which the output light beam is coupled). Since the beam splitting surface 133 of the planar beam splitter reflects a part of the reflection of the output light beam 119, the reflection intensity of the output light beam 119 reaching the VCSEL 101 is reduced. By using light absorbing glass for the substrate 116, the reflection intensity of the output light beam 119 reaching the VCSEL 101 is further reduced.
[0054]
The ability of the reverse beam 147 to impair the performance of the VCSEL 101 is reduced by mounting the optical sensor 111 such that the reflected light beam 117 is incident on the light receiving surface 131 at a non-zero incident angle, as shown in FIGS. 2C-2E. It is also possible. By attaching the optical sensor so that the reflected light beam 117 is incident on the light receiving surface at a non-zero incident angle, the reverse beam 147A returns through an optical system and an optical path different from the optical paths of the light beams 107 and 117. become. As a result, the majority of the reverse beam is incident on the VCSEL 101 outside the active region 149 which is only a few microns, so that the intensity of the reverse beam returning to the active region of the VCSEL after reflection by the photosensor is greatly reduced.
[0055]
In the case of the light source 100A shown in FIG. 2C, the incident angle of the reflected light beam with respect to the optical sensor 111 is determined by bending the post with respect to the header so that a part of the post 113A to which the sensor is attached is not perpendicular to the header 103. Increase. In the case of the light source 100B of the embodiment shown in FIG. 2D, the incident angle of the reflected light beam 117 with respect to the optical sensor 111 is increased by attaching the optical sensor 111 to the angled pad 151 attached to the uncorrected post 113. In the case of the light source 100C of the embodiment shown in FIG. 2E, the planar beam splitter 115A is 45 ° so that the reflected light beam is incident on the optical sensor 111 attached to the unmodified post 113 at a non-zero incident angle. It is attached at a different angle.
[0056]
FIGS. 2B-2E also show how the emitted light beam 107 is refracted at the surfaces 133 and 139 of the planar beam splitter 115. As a result of this refraction, when the VCSEL 101 is attached to the optical axis of the package 105, the output light beam 119 is emitted from a position shifted laterally with respect to the optical axis. This shift is particularly problematic when the package 105 is mounted so that its physical axis is on the optical axis and the output light beam is coupled to another component that is also located on the optical axis. There is a possibility. By attaching the VCSEL to the header 103 at a location that is properly offset from the physical axis, the output light beam 119 can be returned to the physical axis of the package 105.
[0057]
In FIG. 3A, a portion of the emitted light beam 107 generated by the VCSEL 101 is coupled to the optical sensor 111 as a reflected light beam 117 and the remaining portion of the emitted light beam 107 is transmitted as an output light beam 119 as a coupler 114 that is a cubic beam. A light source 200 according to a second embodiment of the present invention using a splitter 215 is shown. In FIG. 3A, the same components as those described above with reference to FIG. 2A are indicated with the same reference numerals, and description thereof will not be repeated here.
[0058]
The emitted light beam 107 generated by the VCSEL 101 enters and exits the cubic beam splitter 215 at a zero incident angle and is not refracted by the beam splitter. Thus, if the VCSEL is mounted on the physical axis of the package 105, the output light beam 119 is emitted on this axis.
[0059]
The reflectivity of the beam splitting surface 253 of the cubic beam splitter 215 is a reflection control layer that is a metal or dielectric layer that determines the amount of the emitted light beam 107 that is reflected by the beam splitting surface to generate the reflected light beam 117. Controlled by. The reflectivity of the beam splitting surface 253 is selected such that the intensity ratio setting between the reflected light beam 117 and the output light beam 119 is similar to that described above with respect to FIG. 2A.
[0060]
In the embodiment shown in FIG. 3A, the cubic beam splitter 215 is mounted by attaching the surface 255 to the light receiving surface 131 of the optical sensor 111. To this end, it is desirable to utilize index matching cement to minimize reflection at the boundary between the beam splitter and the optical sensor. The beam splitter surfaces 255, 257, and 259 are provided with anti-reflective coatings (not shown) to minimize the intensity of light that is returned to the VCSEL 101 by reflection.
[0061]
FIG. 3B shows a portion of a light source 250 that is a variation on the second embodiment of the light source according to the present invention. The package 105 excluding a part of the header 103 is omitted from FIG. 3B so that the configurations of the VCSEL 101, the optical sensor 111, and the cubic beam splitter 215 can be shown in more detail. The connection of the bonding wires 126 and 130 to the package and conductors 125 and 129 is the same as shown in FIG. 3A.
[0062]
In the case of the modification shown in FIG. 3B, the header 103 is a standard header, and the post 113 used in the above-described embodiment is missing. The VCSEL 101 is attached to the header 103 as described above in connection with FIG. 2A. The surface 257 of the cubic beam splitter 215 is attached to the light emitting surface 109 of the VCSEL 101, and the optical sensor 111 is attached to the surface 255 of the beam splitter. The beam splitter is attached to the VCSEL and the optical sensor is preferably attached to the beam splitter using a refractive index matching cement. In order to minimize the intensity of light that is returned to the VCSEL 101 by reflection, it is desirable to coat the surfaces 255, 257, and 259 with an antireflection layer. An electrical connection is made between the back surface of the optical sensor 111 and the header 103 by the bonding wire 261.
[0063]
In the case of the light source shown in FIGS. 3A and 3B, the reflected light beam 117 and the surface 255 and the light receiving surface 231 of the optical sensor 111 are assembled by assembling the cubic beam splitter 215 so that the surface 255 is not orthogonal to the surfaces 257 and 259. It is possible to obtain a non-zero incident angle between the two. As an alternative, by assembling the cubic beam splitter such that the beam splitting surface 253 is at an angle different from 45 ° with respect to the emitted light beam 107, the surface 255 and the light receiving surface 131 of the optical sensor 111 are It becomes possible to obtain a non-zero incident angle. When the incident angle becomes non-zero, the light reflected by the surface 255 or the light receiving surface 131 enters the VCSEL 101 outside its active region, similar to that described above with respect to FIGS. 2C-2E.
[0064]
Several variations on the third embodiment of the light source according to the invention are shown in FIGS. 4A to 4G. 4A-4G, the same components as those shown in FIGS. 2A and 2B are indicated using the same reference numerals. In the third embodiment, a standard (post-free) header is utilized, the photosensor is attached to the header, and the VCSEL has a light emitting surface that is substantially parallel to the light receiving surface of the photosensor. Mounted adjacent to the sensor. The surface supported by the package, by reflection or backscattering, redirects part of the emitted light beam generated by the VCSEL back to the light sensor, allowing the light sensor to monitor the intensity of the output light beam. .
[0065]
The VCSEL and the optical sensor can be attached to the header so as to be coaxial with each other, or can be attached to the header side by side. If separate chips are used for the VCSEL and the optical sensor, these chips are generally spaced apart by 0.2-1 mm. As an alternative, the VCSEL and the optical sensor can be formed in a common semiconductor material, in which case the separation between the elements can be shorter than the distance described above. However, in order to reduce electrical and thermal crosstalk between elements, it is desirable that the separation distance exceeds 0.1 mm.
[0066]
The electrical connection between the VCSEL and the optical sensor is made in the same manner as described above with reference to FIG. 2A. The electrical output of the optical sensor is sent to a control circuit similar to the control circuit 127 shown in FIG. 2A, but is omitted from the drawings of FIGS. 4A to 4G for simplification of the drawing. The control circuit also controls the current sent to the VCSEL in the high brightness state, or in the low brightness state, or in both the high and low brightness states, as described above in connection with FIG. 2A. Add.
[0067]
FIG. 4A shows a light source 300, which is a first variant of the third embodiment of the light source according to the invention. In the light source 300, the VCSEL 101 and the optical sensor 111 are mounted side by side on the header 103 of the package 105. A modified window 303 is attached to the package container 106. The correction window 303 supports an angled portion 305 that acts as a coupler 314A to return a portion of the emitted light beam 107 generated by the VCSEL 101 to the optical sensor 111 as a reflected light beam 117, The remaining part of the radiation light beam 107 is transmitted as the output light beam 119. The angled portion 305 is disposed so as to be approximately at the center of the emitted light beam 107 in the window 303. The angled portion includes substantially parallel and parallel surfaces 307 and 309 that are set so that the reflected light beam 117 reflected by the surface 307 is incident on the optical sensor 111 with respect to the radiated light beam 107. I have. The window 303 including the angled portion 305 is a molding or press molding of quartz, glass, or other suitable material. In an alternative embodiment, the correction window 303 can be omitted and the angled portion 305 can be supported directly by the container 106.
[0068]
Angled portion 305 is a metal or dielectric layer whose reflectivity is selected to determine the relative intensities of reflected light beam 117 and output light beam 119, as described above in connection with FIG. 2A. It is possible to apply a coating of the reflection control layer 311. In the case where the desired intensity is obtained by the intrinsic reflectance of the surface 307, the reflection control layer 311 can be omitted.
[0069]
FIG. 4B shows a light source 320 that is a second variant using a standard container 106 with a standard window 108. These standard parts are less expensive than a container with a modified window shown in FIG. 4A. An insertion body 321 is attached to the container 106. In other respects, the structure of the modification 320 shown in FIG. 4B and the modification shown in FIG. 4A are the same, and no further explanation is given.
The insertion member 321 includes an angled portion 323, which acts as a coupler 314 B, and a part of the radiated light beam 107 generated by the VCSEL 101 is reflected to the optical sensor 111 as a reflected light beam 117. Returning, the remaining part of the radiated light beam 107 is transmitted as the output light beam 119. The angled portion 323 is disposed so as to be approximately at the center of the emitted light beam 107 in the insertion body 321. The angled portion includes substantially plane and parallel surfaces 325 and 327 which are set so as to make an angle at which the reflected light beam 117 reflected by the surface 325 is incident on the optical sensor 111 with respect to the radiated light beam 107. I have. The interposer 321 is a molded or press molded product of quartz, glass, or other suitable material.
[0070]
Surface 325 of angled portion 323 has a metal or dielectric whose reflectivity is selected to determine the relative intensities of reflected light beam 117 and output light beam 119, as described above in connection with FIG. 2A. The reflection control layer 329, which is a body layer, can be coated. In a case where a desired intensity is obtained by the intrinsic reflectance of the surface 325, the reflection control layer 329 can be omitted.
[0071]
The window 108 is coated with an anti-reflective layer 110 to prevent multiple reflections that occur between the window 108 and the insert 321 and prevent the window from reflecting a portion of the output light beam back to the VCSEL 101. It is desirable to apply.
[0072]
FIG. 4C shows a light source 340 that is a third variation in which the window 341 of the package 105 supports the ball lens 343. The convex surface 345 of the ball lens 343 acts as a coupler 314C to return a part of the radiated light beam 107 generated by the VCSEL 101 to the optical sensor 111 as a reflected light beam 117 and output the remaining part of the radiated light beam 107. Transmits as a light beam 119. The emitted light beam 107 diverges slightly when emitted from the VCSEL 101. Accordingly, the outer portion of the light beam is incident on the beam splitting surface 345 of the ball lens at a non-zero incident angle and is reflected by the beam splitting surface 345 at an angle to the optical axis. For example, the outer portion 347 of the emitted light beam 107 is reflected by the beam splitting surface 345 at an angle at which the reflected light beam 117 enters the optical sensor 111.
[0073]
By using the convex surface 345 of the ball lens 343 as a coupler, several advantages are obtained. Only the infinitesimal segment of the convex surface is arranged to make a zero incident angle with respect to the radiation beam 107. Therefore, the intensity of the reverse light beam returned to the VCSEL 101 after reflection of the reflected light beam 117 by the light receiving surface and the convex surface of the optical sensor 111 is minimized by the convex surface. Moreover, since the reflected light beam 117 diverges from the convex surface, the accuracy requirement required for positioning the optical sensor with respect to the VCSEL is relaxed.
[0074]
The window 341 and ball lens 343 can be molded or pressed from glass, quartz, plastic, and other suitable materials. Ball lenses can also be made from sapphire. In an alternative embodiment, the window can be omitted and the ball lens can be supported directly by the container 106. In another alternative embodiment, a convex surface of a spherical or parabolic lens can be used as the convex beam splitting surface 345 instead of the convex surface of the ball lens.
[0075]
The beam splitting surface 345 of the ball lens 343 determines the reflectivity of the reflection control layer 349, ie, the surface 345, and therefore, as described above in connection with FIG. 2A, the reflected light beam 117 and the output light beam 119 It is possible to apply a metal or dielectric layer coating that determines the relative strength of the metal. The ball lens surface 346 opposite the beam splitting surface is preferably coated with an antireflective layer 348.
[0076]
In the embodiment shown in FIG. 4C, only a part of the reflected light beam 117 is incident on the photodetector 111. The remainder of the reflected light beam is absorbed or reflected by the header 103 and the VCSEL 101. In the case of the light source 350, which is the fourth modification shown in FIG. 4D, the large area sensor 351 is attached to the header 103, and the VCSEL 101 is attached to the center of the light receiving surface 353 of the optical sensor 351, which is preferably located at the center of the optical axis. Thus, a VCSEL / light sensor assembly 361 is formed. The portion of the light receiving surface 353 that is not covered by the VCSEL 101 and the track 417 (FIG. 5A) captures most of the reflected light beam 117, and as a result, the optical sensor has a predetermined intensity compared to the deformation shown in FIG. 4C. An electric signal having a high S / N ratio with respect to the reflected light beam is generated. Details of the VCSEL / light sensor assembly 361 will be described below in connection with FIGS. 5A and 5B.
[0077]
The VCSEL / light sensor assembly 361 is mounted such that the conductive layer 407 (FIG. 5B) on the back surface of the light sensor 351 is in physical and electrical contact with the header 103. The electrical output of the large area sensor 351 is connected to the conductor 129 by a bonding wire 130 connected between the conductor 129 and the bonding pad 411. The current of VCSEL 101 is connected from conductor 125 by bonding wire 126 connected between conductor 125 and conductive layer 419. The VCSEL electrical circuit is completed by connecting one end of bonding wire 355 to bonding pad 415. In FIG. 4D, the other end of the bonding wire 355 connected to the header 103 is shown. As an alternative, the VCSEL circuit connects the other end of the bonding wire 355 to an additional conductor (not shown but similar to conductors 125 and 129) that passes through an insulation path (not shown) in the header 103. By this, it is possible to electrically isolate it from the optical sensor circuit.
Except as noted above, the light source 350 shown in FIG. 4D is similar to that described above with respect to FIG. 4C and will not be described further.
[0078]
FIG. 4H is a graph showing the output current of the optical sensor 351 plotted against the output of a large area photodetector mounted in the output light beam 119 produced by the embodiment shown in FIG. 4D. FIG. 4H shows a substantially linear relationship between the output of the optical sensor 351 and the output of the photodetector mounted in the output light beam, where the output of the optical sensor 351 is the intensity of the output light beam 119. It can be seen that is accurately represented.
[0079]
Depending on the application, it may be desirable not to integrate the ball lens 343 and the container 106 window as in the embodiment shown in FIG. 4D. This is because it is necessary to accurately position the components in such a configuration so that the center of the ball lens comes to the emitted light beam 107. FIG. 4E shows a light source 500, which is a fifth variation of the third embodiment of the laser-based light source according to the present invention. This light source is primarily intended for use in optical communication links. In the case of FIG. 4E, components similar to those described above in connection with FIG. 4D are labeled with the same reference numerals and will not be described again here.
[0080]
In the case of the light source 500, the package 501 includes a nose portion 502 disposed along an axis that forms an optical axis, and a main body portion 504. A bore 503 is formed in the nose portion so as to be coaxial with the optical axis. The bore forms a lateral position of the optical fiber (not shown) with respect to the optical axis, and the optical fiber is accommodated so that the end of the optical fiber is arranged at a fixed position on the optical axis. Has been.
[0081]
The body portion 504 includes a cavity 507 that is precisely centered on the optical axis and dimensioned to accommodate the ball lens 543. The ball lens is pushed into the cavity until it engages the shoulder 511. This accurately determines the lateral and axial position of the ball lens on the optical axis. The passage 505 optically connects the cavity 507 and the bore 503. The cavity 507 in the body portion 504 provides accurate positioning of the ball lens 543 on the optical axis, and the cavity and the bore 503 in the nose portion 502 work together to connect the optical fiber, ball lens, and optical axis. The fixed positional relationship at is fixed.
[0082]
The convex beam splitting surface 545 of the ball lens 543 determines the reflectivity of the reflection control layer 549, ie, the surface 545, and thus, as described above in connection with FIG. 2A, the reflected light beam 117 and the output light beam. It is possible to apply a metal or dielectric layer coating that determines its relative strength to 119. The ball lens surface 546 opposite the beam splitting surface is preferably coated with an antireflective layer 548. Instead of the ball lens 543, it is also possible to use a spherical or parabolic lens in which the convex surface is mounted in the emitted light beam 107 so as to be aligned perpendicular to the optical axis.
[0083]
The body portion 504 of the package 501 houses the laser / light sensor subassembly 513. The laser / light sensor subassembly is similar to the light source shown in FIG. 4D except that the window 108 of the container 106 is a standard window similar to the window shown in FIG. 4B, with respect to the optical axis. It has a plane parallel surface arranged almost vertically. The window 108 is preferably coated with an antireflection layer 110.
[0084]
Since the laser / photosensor subassembly 513 is loosely fitted to the main body portion 504 of the package 501, the position of the laser / photosensor subassembly can be adjusted in the lateral direction and the axial direction in the main body portion. It is. Laser / light sensor subassembly 513 is held in place within body portion 504 by ring adhesive 519.
[0085]
During assembly, the position of the laser / photosensor subassembly 513 is active both axially and laterally relative to the optical axis to maximize the intensity of the output light beam 119 before the adhesive 519 cures. Adjusted. When the position of the laser / light sensor subassembly is optimized, the adhesive is cured to secure the laser / light sensor subassembly in place within the body portion 504. Optimizing the position of the laser / light sensor subassembly within the package 501 ensures that the VCSEL 101 is packaged despite the positioning tolerance of the VCSEL 101 on the light sensor 351 and the positioning tolerance of the VCSEL / light sensor assembly 361 on the header 103. Is positioned on the optical axis.
Except for the above, the structure of the laser / light sensor subassembly 513 is the same as that described above in connection with FIG. 4D and therefore will not be repeated here.
[0086]
In the case of the light source 500 shown in FIG. 4E, the emitted light beam 107 generated by the VCSEL 101 diverges from the optical axis as it travels along the optical axis, so that a portion of the emitted light beam 107 has a non-zero incident angle. Thus, the light enters the ball lens 543. The ball lens 543 acts as a coupler 514 to return a part of the radiated light beam 107 generated by the VCSEL 101 to the optical sensor 351 as a reflected light beam 117 and the remaining part of the radiated light beam 107 as an output light beam 119. To Penetrate. The reflected light beam 117 is incident on the optical sensor 351, and an electrical signal representing the intensity of the reflected light beam is generated by the optical sensor. A control circuit (not shown) similar to that described above in connection with FIG. 2A controls the current sent to the VCSEL 101 in response to an electrical signal generated by the optical sensor, to either one of a high brightness state or a low brightness state. Alternatively, the intensity of the output light beam 119 is controlled in both.
In the alternative configuration of the light source 500 shown in FIG. 4E, the VCSEL and the optical sensor can be mounted side by side on the header with the same configuration as the configuration shown in FIG. 4C. In another alternative embodiment, the container 106 can be omitted.
[0087]
A portion of the light beam produced by the VCSEL can also be coupled to the photosensor by backscattering, as in the sixth and seventh variants for the third embodiment shown in FIGS. 4F and 4G. In the case of the variant shown in FIGS. 4F and 4G, the same components as those described above with reference to FIGS. 4A and 4D are labeled with the same reference numerals and will not be described again here.
[0088]
In the case of the light source shown in FIGS. 4F and 4G, a standard header 103 and container 106 are used, but the container window 601 may include a scattering portion 603 as a coupler 614. The coupler returns a part of the emitted light beam 107 generated by the VCSEL 101 to the optical sensor 111 or 351 as the scattered light 605 and transmits the remaining part of the emitted light beam 107 as the output light beam 119. In one embodiment, the scattering portion 603 was formed by matting the surface 607 of the window 601. Alternatively, light can be scattered by the window 601 or by other means by forming a weak diffraction grating (not shown) on one of the faces of the window. The surface of the window 601 distal from the VCSEL 101 is preferably coated with an antireflection layer 610.
In the case of the light source shown in FIG. 4F, the VCSEL 101 and the optical sensor 111 are mounted side by side on the header 103 as described above with reference to FIG. 4A. In the case of the light source shown in FIG. 4G, the VCSEL 101 is attached to the center of the large area photosensor as described above in connection with FIG. 4D.
[0089]
It is also possible to modify one of the variations just described and use a standard windowed container, such as the windowed container illustrated in FIG. 4B, using the interposer 321 of the modifying device illustrated in FIG. 4B. It is. The angled portion 323 of the modified interposer is angled so that the angle of incidence on the emitted light beam 107 is zero, and the scattering portion is formed on the surface 325 of the angled portion. It is desirable to apply a coating of an antireflection layer similar to the antireflection layer 330 shown in FIG. 4B to the surface of the correction insert facing the scattering portion.
[0090]
Next, with reference to FIGS. 5A and 5B, the VCSEL / light sensor assembly 361 used in the embodiment described above in connection with FIGS. 4D, 4E, and 4G will be described. In the case of the large area sensor 351, the substrate 401 is a semiconductor material such as silicon or gallium arsenide. In the preferred embodiment, the substrate is about 1.5 square millimeters of silicon. The region 403 is formed under the light receiving surface 353 in the substrate 401. The region 403 has conductivity opposite to that of the substrate. An insulating layer 405 is disposed on the light receiving surface of the substrate, and a conductive layer 407 is disposed on the opposite surface of the substrate. In the preferred embodiment, the insulating layer is a silicon dioxide layer and the conductive layer 407 is an aluminum or gold layer. The metallization layer 409 contacts the region 403 through the opening of the insulating layer 405, and connects the region 403 and the bonding pad 411 on the surface of the insulating layer. When a reverse bias is applied between the bonding pad 411 and the conductive layer 407, a current flows in proportion to the intensity of light incident on the light receiving surface 353.
The mounting pad 413 is disposed on the insulating layer at the center of the light receiving surface 353 and is connected to the bonding pad 415 by a track 417. In the preferred embodiment, metallization layer 409, mounting pads 413, bonding pads 411 and 415, and tracks 417 were formed in a single metallization process.
[0091]
The VCSEL 101 includes conductive layers 419 and 421 disposed on opposing surfaces of the substrate / mirror structure 423. In the preferred embodiment, the substrate / mirror structure 423 is approximately 0.5 square millimeters. The substrate / mirror structure is described in further detail below in connection with FIGS. 8A and 8B. Light generated by the VCSEL 101 exits the device through the light emitting port 425 of the conductive layer 419.
Since the VCSEL 101 is attached to the center of the mounting pad 413 using a suitable chip mounting technique, the conductive layer 421 is in physical and electrical contact with the mounting pad. In the preferred embodiment, a conductive epoxy adhesive was utilized for this purpose.
[0092]
6A and 6B show a fourth embodiment 700 of a laser-based light source according to the present invention. In FIGS. 6A and 6B, components that are the same as those described above in connection with FIG. 2A are labeled with the same reference numbers. In the case of the fourth embodiment, the coupler 714 is a beam splitting layer formed on the surface of the optical sensor. The coupler couples a portion of the emitted light beam to the optical sensor by transmission and reflects the remaining portion of the emitted light beam as an output light beam.
[0093]
In the case of the light source 700 shown in FIGS. 6A and 6B, a post type header 103 similar to the post type header used in the embodiment shown in FIG. 2A is used. However, in this embodiment, the VCSEL 101 is attached to the post 113 and emits a radiation beam 107 substantially parallel to the header 103. The platform 701 including the angled surface 703 is attached to the header 103 so that the angled surface faces the VCSEL 101. This platform is dimensioned and attached to the header so that the emitted light beam 107 produced by the VCSEL 101 is incident on the center of the angled surface 703.
[0094]
The optical sensor 111 is attached to the angled surface of the platform 701 at a position where the radiated light beam 107 enters the center of the light receiving surface 131. The beam splitting layer 705 is disposed on the surface of the optical sensor 111 and functions as a coupler 714. The coupler couples a portion of the emitted light beam 107 generated by the VCSEL 101 to the optical sensor 111 as a transmitted light beam 717 and reflects the remaining portion of the emitted light beam 107 as an output light beam 119, as shown in FIG. 6B. The angled surface 703 is set so as to form an angle at which the output light beam 119 reflected by the beam splitting surface 705 radiates in a direction substantially perpendicular to the header 103 with respect to the direction of the radiated light beam 107. Is desirable. In one embodiment, the angled surface 703 is angled approximately 45 ° with respect to the emitted light beam 107.
The output light beam 119 exits the package 105 through the window 108 of the container 106. The window can be coated with an antireflective layer 110 to prevent a portion of the output light beam from being reflected back to the VCSEL 101.
[0095]
A transmitted light beam 717 that is a part of the emitted light beam 107 transmitted by the beam splitting layer 705 is incident on the light receiving surface 131 of the optical sensor 111. The optical sensor generates an electrical signal representing the intensity of the transmitted light beam 717 in the same manner as described above with respect to FIG. 2A. A control circuit similar to that described above responds to the electrical signal generated by the photosensor and applies control to the current sent to the VCSEL 101 so that the intensity of the output light beam 119 in one or both of the high brightness state and the low brightness state. Can be determined.
[0096]
The reflectivity of the beam splitting layer 705 is selected so that a desired intensity ratio is obtained between the transmitted light beam 717 and the output light beam 119. Applications in which the S / N ratio of the output light beam 119 is improved by making the reflectivity of the beam splitting surface relatively low, and most of the emitted light beam 107 generated by the VCSEL 101 is not reflected as the output light beam as described above In this case, the light receiving surface 131 of the optical sensor includes a light absorbing layer (not shown) below the beam splitting layer 705. The light absorption layer prevents saturation of the optical sensor 111 by the transmitted light beam 717 and prevents the intensity of the output light beam 119 from being enhanced by the light receiving surface 131 that reflects the transmitted light beam 717.
[0097]
As an alternative to the beam splitting layer 705 disposed on the light receiving surface of the optical sensor 111, a beam splitter can be disposed between the VCSEL 101 and the optical sensor 111 at a non-zero incident angle. A beam splitter similar to the planar beam splitter 115 shown in FIG. 2A can be used. The beam splitter transmits a part of the emitted light beam as a transmitted light beam to the optical sensor and reflects the remaining part of the emitted light beam as an output light beam. The beam splitter can be supported by the light receiving surface of the optical sensor, or can be supported by the header irrespective of the optical sensor. In the latter case, the optical sensor can be mounted so that the light receiving surface is substantially perpendicular to the transmitted light beam.
[0098]
By tightly coupling the VCSEL 101 and the optical sensor 111, this embodiment is particularly suitable for controlling the intensity of the VCSEL forming the VCSEL array. 2A to 2E, FIG. 3A, FIG. 3B, FIG. 4A, and FIG. 4B are also suitable for intensity control of a VCSEL that forms a VCSEL array. FIG. 6C illustrates the example adaptation structure 720 shown in FIGS. 6A and 6B for use with an array of VCSELs, illustrating a two-element VCSEL array. In the case of the laser-based light source 720 shown in FIG. 6C, the VCSELs 711 and 713 are formed side by side in a common layer structure attached to the post. The two VCSELs shown in FIG. 8B below are used for this purpose. As an alternative, two separate VCSELs can be mounted side by side on the post 113. Bonding wires 715 and 716 and conductors 719 and 721 provide separate electrical connections to the VCSEL, respectively.
[0099]
Although the individual photosensors can be mounted side by side on the angled surface 703 of the platform 701, an integrated photosensor array 723 is shown in the drawing. In the case of photosensors, a number of photosensors equal to the number of VCSELs in the VCSEL array (two are shown as an example in FIG. 6C) are typically formed on the common substrate. A common beam splitting layer 705 is formed on the surface of the photosensor array. Bonding wires 725 and 727 and conductors 729 and 731 provide separate electrical connections to the elements of the photosensor, respectively. The electrical output of each photosensor in photosensor array 723 is used to control the optical output of the VCSEL that generates the emitted light beam incident on the photosensor, as described above.
[0100]
Next, with reference to FIG. 7, a fifth embodiment 800 of a laser-based light source according to the present invention will be described. In the case of the fifth embodiment, the VCSEL and the optical sensor are mounted side by side on the header so that the light emitting surface of the VCSEL is substantially parallel to the light emitting surface of the optical sensor, and a plurality of surfaces are provided for the radiation light beam generated by the VCSEL. It is used as a coupler that couples part to the optical sensor and sends out the rest of the emitted light beam as an output light beam. In the case of the embodiment shown in FIG. 7, the components corresponding to those shown in FIG. 2A are indicated by the same reference numerals and will not be described again here.
[0101]
The VCSEL 101 and the optical sensor 111 are mounted side by side on a header 103 housed in a container 106 provided with a window that preferably includes an antireflection layer 110. Planar beam splitter 815 and reflector 818 couple a portion of radiated light beam 107 produced by VCSEL 101 to optical sensor 111 as reflected light beam 117 and transmit the remaining portion of the radiated light beam as output light beam 119. 814 is configured.
[0102]
The planar beam splitter 815 includes a beam splitting surface 821 that is partially reflective and reflects a portion of the emitted light beam 107 generated by the VCSEL 101 as a reflected light beam toward the reflecting surface of the reflector 818. ing. The beam splitting surface also transmits the remaining portion of the emitted light beam 107 produced by the VCSEL as an output light beam 119. The reflected light beam travels substantially parallel to the header 103 until reaching the reflecting surface 823. The reflective surface 823 is partially reflective, and reflects the reflected light beam 117 received from the beam splitting surface to the optical sensor 111. The photosensor generates an output current in response to the reflected light beam whose magnitude is determined by the intensity of the reflected light beam.
In order to increase the reflectivity of the reflective surface to approximately 100%, a metallization layer 829 is disposed on the reflective surface of the reflector 818.
In most applications, the planar beam splitter 815 is set to set the reflectivity of the beam splitting surface to a value that provides the desired intensity of the reflected light beam 117 and output light beam 119, as described above in connection with FIG. 2A. The reflection control layer 839 is applied to the beam splitting surface 821.
[0103]
In one embodiment, two small glass optical flats cemented to each other and to the header can be utilized as the planar beam splitter 815 and reflector 818 that make up the coupler 814. The plane beam splitter and the reflector are orthogonal to each other, but are slightly different from 135 ° and 45 ° with respect to the header 103 because the reflected light beam 117 is sent to the optical sensor 111 at a non-zero incident angle. It is desirable to attach so as to form. As a result, reflection of the reflected light beam on the light receiving surface 131 of the optical sensor is prevented from returning to the VCSEL 101. The optical flat is coated with a reflection control layer 839 and a metallization layer 829 before assembling the coupler.
The VCSEL 101 and the optical sensor 111 can be incorporated in the same semiconductor material. For example, a VCSEL and additional laser structure formed in the layer structure 803 shown in FIGS. 8A and 8B can be used.
[0104]
8A and 8B show a sixth embodiment of the present invention. Similar to the fifth embodiment, the sixth embodiment of the light source according to the present invention uses a plurality of surfaces to couple a portion of the emitted light beam to the photosensor. However, in the case of the sixth embodiment, a thin film optical waveguide formed on a semiconductor layer structure in which both a VCSEL and an optical sensor are formed is used as a coupler. Thus, the coupler can be easily aligned with the VCSEL and the optical sensor at the time of manufacture.
[0105]
FIGS. 8A and 8B show a light source 900 which is a sixth embodiment of the laser-based light source according to the present invention. 8A and 8B show a view of the exposed surface 809 of the layer structure 803 and a schematic cross-sectional view of a portion of the layer structure 803 adjacent to the exposed surface 809, respectively. Details of this layer structure are described in US patent application Ser. No. 08 / 551,302, the disclosure of which is incorporated herein by reference. The layer structure is formed on a substrate (not shown) attached to a header (not shown) of a package (not shown) substantially the same as the package 105 shown in FIG. Connections between elements formed in the header, package, and layer structure 803, and package conductors are omitted from FIGS. 8A and 8B for simplicity of the drawings.
[0106]
The VCSEL 801 and the additional laser structure 811 are formed in the layer structure 803 by the low conductivity region 865 in the layer structure 803 and by the electrodes 851 and 853 formed on the exposed surface 809 of the layer structure. The additional layer structure is structurally similar to the VCSEL and is electrically separated from the VCSEL by a region with low conductivity. The VCSEL electrode 851 is bounded by a light emission port 871 through which the VCSEL emits a radiation beam 907. The additional laser structure electrode 853 is bounded by a light receiving port 825 where the additional laser structure receives the light beam 917.
[0107]
In general, the additional laser structure 811 and the VCSEL 801 are physically separated by a distance of approximately 100 μm in the layer structure 803. The additional laser structure 811 acts as an optical sensor when a reverse bias of the opposite polarity to the potential driving the laser current through the VCSEL 801 is applied.
[0108]
In the case of the light source 900 shown in FIGS. 8A and 8B, a thin film waveguide 901 incorporating a weak diffraction grating 911 acts as a coupler 914 and an additional laser structure 811 using the emitted light beam 907 generated by the VCSEL 801 as the light beam 917. To join. The additional laser structure acts as an optical sensor under reverse bias. The coupler 914 transmits the remaining part of the radiation light beam 907 as the output light beam 919.
[0109]
In the case of the thin-film optical waveguide 901, the first cladding layer 903 is deposited on a part of the exposed surface 809 of the layer structure 803 between the VCSEL 801 and the additional laser structure 811. A core layer 905 is placed over the first cladding layer and further over the VCSEL light emitting port 871 and the light receiving port 825 of the additional laser structure. This core layer has a higher refractive index than the first cladding layer. The core layer that covers the light emitting port of the VCSEL includes a weak diffraction grating 911.
A second cladding layer 909 is placed over a portion of the core layer 905 that covers the first cladding layer 903 and the light receiving port 825 of the additional laser structure 811. The second cladding layer is preferably coated with a metallization layer 913 that prevents stray light from outside the optical waveguide 901 from entering and being detected by the additional laser structure.
[0110]
To ensure a certain relationship between the intensity of the output light beam 919 and the intensity of the light beam 917 received by the light receiving port 825 of the additional laser structure 811, the VCSEL 801 generates a radiated light beam 807 with a fixed polarization direction. Alternatively, the surfaces 915 and 921 of the optical waveguide 901 must produce reflections independent of the polarization direction. In the embodiment shown in FIG. 8A, the VCSEL emission port 871 is elliptical, which causes the VCSEL to generate a radiation beam with a fixed polarization direction. By making the light emission port and / or core region 867 elliptical or other rotationally asymmetric shape, the polarization direction of the emitted light beam is fixed to coincide with the larger dimension direction of the asymmetric shape.
[0111]
The light source 900 can be simplified by omitting the second cladding layer 909. In this case, it is desirable to apply the metallization layer 913 to the core layer 905 outside the diffraction grating 911.
[0112]
Each layer of the thin-film optical waveguide 901 is formed by spin-coating a liquid plastic layer on the exposed surface 809 of the layer structure 803, baking the plastic layer, and further using a mask and an etching process to form a plastic layer. It is formed by forming a layer of an optical waveguide. This process is performed once for each layer of the optical waveguide. The plastic used for the core layer has a higher refractive index than that used for the two cladding layers. In one example, the plastic that was spin coated onto the surface of the layer structure was polyimide sold by DuPont under the brand name Poly-guide ™. A weak diffraction grating 911 was formed in the core layer 905 by a selective etching process.
The weak diffraction grating 911 diffracts a portion of the emitted light beam 907 toward the additional laser structure 811. The remaining portion of the reflected light beam 907 passes through the diffraction grating 911 as the output light beam 919 without being diffracted.
[0113]
The light beam 917 passes from the diffraction grating 911 through the optical waveguide 901 to the additional laser structure 811 along the core layer 905, across the core layer, and between the core layer and the first cladding layer 903. Proceed toward 915. The pitch of the weak diffraction grating 911 is designed so that the light beam 917 is diffracted at an angle that is incident on the boundary at an angle that exceeds the critical angle of the boundary. As a result, the light beam 917 is totally internally reflected at the boundary and returns across the core layer 905 until it reaches the boundary 921 between the core layer and the second cladding layer 909, where it again causes total internal reflection. The light beam 917 travels along the optical waveguide, repeating reflections at the core / cladding layer boundaries 915 and 921 until reaching the light receiving port 825 of the additional laser structure 811. Since the first cladding layer does not cover the light receiving port 825, the light beam 917 enters the light receiving port.
[0114]
The light beam 917 incident on the light receiving port 825 causes an output current representative of the intensity of the light beam 917 to flow to the additional laser structure 811 via the conductor indicated schematically at line 835. Control circuit 827 is responsive to the output current of the additional laser structure and sends current to VCSEL 801 via the conductor schematically shown on line 833. This current causes the VCSEL to generate a radiation beam 907 with an intensity that will cause the output current from the additional laser structure to be maintained at a predetermined value in one or both of the high and low brightness states. This corresponds to an output light beam 919 having a predetermined intensity in a high brightness state, or in a low brightness state, or in both a high brightness state and a low brightness state, respectively, as described above in connection with FIG. To do.
[0115]
The control circuit 827 can include a circuit element that compensates for the non-linear light intensity for the output current characteristic of the additional laser structure 811. The control circuit may further include a circuit element that limits the intensity of the output light beam 919 in the high brightness state to a predetermined maximum intensity corresponding to a predetermined maximum output current of the additional laser structure 811.
[0116]
The VCSEL array with controlled intensity is patterned in the layer where the non-conductive layer 865 and the electrodes 851 and 853 are formed to form a multiple VCSEL similar to the VCSEL 801 and a multiple additional laser structure similar to the additional laser structure 811. Thus, it is possible to produce a common layer structure. In addition, patterning the layers that make up optical waveguide 901 forms multiple optical waveguides, each coupling a portion of the emitted light beam produced by one of the VCSELs to an adjacent laser structure. Is possible.
[0117]
While this disclosure has described in detail embodiments of the invention, it should be understood that the invention is not limited to the illustrative embodiments as such, but is within the scope of the invention as defined in the appended claims. Various modifications can be made. Some of the embodiments of the present invention are listed below.
[0118]
(Embodiment 1)
Integrated laser-based light source (300, 320, 340, 350, 500) that generates a light beam (119) with controlled intensity, comprising: (a) to (d) below
(A) Package (105, 501) including header (103),
(B) Optical sensor means (111, 351) for generating an electrical signal representing the intensity of incident optical energy, including a light receiving surface (131, 353), and attached to the header Means (111, 351),
(C) a laser (101) comprising a unique light emitting surface (109) from which the light beam is emitted as a radiated light beam (107) so that the light emitting surface is substantially parallel to the light receiving surface; A laser (101) mounted adjacent to the photosensor means in the package; and
(D) Convex beam splitting surface means (345, 545) for reflecting a portion of the emitted light beam as a reflected light beam (117) towards the optical sensor means, and for the rest of the emitted light beam Convex beam splitting surface means (345, 545) supported in the radiation light beam by the package, which transmits the part as an output light beam.
[0119]
(Embodiment 2) The light source according to Embodiment 1, wherein the convex beam splitting surface includes reflection control means (349, 549) for determining an intensity ratio between the reflected light beam and the output light beam. ing
A light source characterized by that.
[0120]
(Embodiment 3) The light source according to Embodiment 1 or 2, wherein the laser and the optical sensor means (111) are mounted side by side on the header.
A light source characterized by that.
[0121]
(Embodiment 4) The light source according to Embodiment 3, wherein the laser, the optical sensor means, and the convex beam splitting surface means reflect light reflected by a light receiving surface of the optical sensor means. The light beam is directed away from the light emitting surface and arranged so that the noise of the output light beam is reduced
A light source characterized by that.
[0122]
(Embodiment 5) The light source according to Embodiment 1 or 2, wherein the laser is attached to a part of a light receiving surface (353) of the optical sensor means (351).
[0123]
(Embodiment 6) The light source according to Embodiments 1 to 5, comprising the following (a) and (b):
(A) the package includes a container (106) attached to the header; and
(B) The convex beam splitting means is supported in the radiation beam by the container.
[0124]
(Embodiment 7) The light source according to any one of Embodiments 1 to 5, wherein the light source further includes a lens (545), and the lens includes the convex beam splitting surface means. The package includes the following (a) and (b):
(A) an axial bore (503 + 507) to which the lens is attached, and
(B) Body portion (504) optically aligned with the axial bore and dimensioned to accommodate the header at an adjustable position relative to the lens.
[0125]
(Embodiment 8) The light source according to Embodiment 7, wherein an optical fiber is accommodated in the axial bore, and a dimension for accurately positioning the optical fiber at a predetermined position with respect to the lens is provided. (503) is included
A light source characterized by that.
[0126]
(Embodiment 9) The light source according to any one of Embodiments 1 to 7, wherein the laser generates the emitted light beam in response to a laser current, and the light sensor further includes the optical sensor. Control means (127) is included which serves to control the laser current in response to an electrical signal generated by the means.
A light source characterized by that.
[0127]
(Embodiment 10) The light source according to Embodiment 9, wherein the control means further controls the laser current so that the electric signal generated by the optical sensor means is a predetermined value of the output light beam. Limit to a predetermined maximum value corresponding to the maximum intensity
A light source characterized by that.
[0128]
(Embodiment 11) A light source according to Embodiments 1 to 10, comprising the following (a) to (c)
(A) the emitted light beam produced by the laser has an intensity and an S / N ratio, the S / N ratio being related to the intensity;
(B) the intensity at which the laser generates the emitted light beam with an S / N ratio that exceeds a threshold level exceeds a predetermined maximum intensity; and
(C) The beam splitting surface means reflects a part of the emitted light beam to the optical sensor means, so that the S / N ratio of the output light beam exceeds a threshold level and the intensity is a predetermined maximum. Less than strength.
[0129]
Embodiment 12 A method of manufacturing an integrated laser-based light source (500) for irradiating an optical fiber with an output light beam (119) with controlled intensity, comprising: (a) to (e) below Method comprising steps
(A) Step of providing (a) to (c) below
(A) A laser / sensor assembly (513), the laser / sensor assembly (513) including the following (a) to (u)
(A) Header (103),
(I) an optical sensor means (351) comprising a light receiving surface (353), attached to the header, and generating an electrical signal representing the intensity of incident optical energy;
(Iii) a laser (101) comprising a unique light emitting surface (109) from which a light beam is emitted as a radiated light beam, wherein the light emitting surface is substantially parallel to the light receiving surface; A laser (101) mounted within said optical sensor means adjacent to
(B) a lens (543) with a convex surface (545);
(C) a package, which includes the following (a) and (ii)
(A) An axial bore (503 + 507), which is provided with a dimension that allows the optical fiber to be accurately positioned at a predetermined position with respect to the lens by accommodating the lens and the optical fiber. Including axial bore (503 + 507), and
(I) a body portion (504) that is optically aligned with the axial bore and is dimensioned to accommodate the laser / sensor assembly by clearance fit;
(B) attaching the lens to the axial bore of the package;
(C) inserting the laser / sensor assembly into the body portion, wherein a portion of the emitted light beam is reflected by the convex surface of the lens toward the optical sensor means as a reflected light beam. Inserting the remaining portion of the emitted light beam by the lens into a position where it is transmitted as an output light beam;
(D) adjusting the position of the laser / sensor assembly with respect to the lens, maximizing the intensity of the output light beam;
(E) fixing the laser / sensor assembly in the body portion at the position obtained in the adjusting step (d);
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view of a known integrated light source based on an edge emitting laser that generates light of controlled intensity.
2A is a side view of a first embodiment of an integrated laser-based light source according to the present invention that generates light of controlled intensity. FIG.
2B is a more detailed view of the optical configuration of the embodiment of the integrated laser-based light source according to the present invention shown in FIG. 2A.
2C shows a first alternative structure for attenuating light incident on the laser after reflection of the reflected light beam by the optical sensor in the embodiment of the integrated laser-based light source according to the present invention shown in FIG. 2A. is there.
2D shows a second alternative structure for attenuating light incident on the laser after reflection of the reflected light beam by the optical sensor in the embodiment of the integrated laser-based light source according to the present invention shown in FIG. 2A. is there.
2E illustrates a third alternative structure for attenuating light incident on the laser after reflection of the reflected light beam by the optical sensor in the embodiment of the integrated laser-based light source according to the present invention shown in FIG. 2A. is there.
FIG. 2F shows the intensity of the light beam produced by the sample VCSEL, the intensity of the output light beam, and the reflection at various values of current through the VCSEL in the embodiment of the integrated laser-based light source according to the present invention shown in FIG. 2A. 5 is a graph showing the relationship between the output current generated by the photosensor in response to the light beam.
3A is a side view of a second embodiment of an integrated laser-based light source according to the present invention. FIG.
3B is a detailed view of a variation on the embodiment of the integrated laser-based light source according to the present invention shown in FIG. 3A.
FIG. 4A is a side view of a first variation for a third embodiment of an integrated laser-based light source according to the present invention.
FIG. 4B is a side view of a second variation of the third embodiment of the integrated laser-based light source according to the present invention.
FIG. 4C is a side view of a third variation of the third embodiment of the integrated laser-based light source according to the present invention.
4D is a side view of a fourth variation of the third embodiment of the integrated laser-based light source according to the present invention. FIG.
4E is a side view of a fifth variation of the third embodiment of the integrated laser-based light source according to the present invention. FIG.
FIG. 4F is a side view of a sixth variation of the third embodiment of the integrated laser-based light source according to the present invention.
FIG. 4G is a side view of a seventh variation of the third embodiment of the integrated laser-based light source according to the present invention.
4H is a graph showing the output current of a photodetector plotted against the output of a large area photodetector installed in the output light beam produced by the deformation shown in FIG. 4D.
5A is a plan view of a VCSEL / light sensor assembly used in the variation shown in FIGS. 4D, 4E, and 4G, respectively. FIG.
5B is a cross-sectional view of the VCSEL / light sensor assembly used in the variation shown in FIGS. 4D, 4E, and 4G, respectively.
6A is a side view of a fourth embodiment of an integrated laser-based light source according to the present invention. FIG.
6B is a detailed view of the optical configuration of the fourth embodiment of the integrated laser-based light source according to the present invention. FIG.
6A-6C are plan views of a fourth embodiment of an integrated laser-based light source according to the present invention adapted for operation with a laser array.
FIG. 7 is a side view of a fifth embodiment of an integrated laser-based light source according to the present invention.
8A is a plan view of a sixth embodiment of an integrated laser base light source, respectively, according to the present invention. FIG.
8B is a cross-sectional view of a sixth embodiment of an integrated laser-based light source, respectively, according to the present invention.
[Explanation of symbols]
100 Laser-based light source
101 VCSEL
103 header
105 packages
106 containers
107 Synchrotron radiation beam
108 windows
109 Light emitting surface
111 Optical sensor
113 posts
114 coupler
115 Planar beam splitter
116 substrates
117 Reflected light beam
119 Output light beam
123 Substrate
125 conductors
126 conductor
127 Control circuit
128 input terminals
129 conductor
130 Bonding wire
131 Photosensitive surface
133 Beam splitting surface
135 groove
137 edge
139 Non-reflective surface
141 Antireflection layer
143 Reflection control layer
147 Reverse beam
200 light source
215 Cubic beam splitter
253 Beam splitting surface
261 Bonding wire
300 light source
303 windows
305 Angled part
311 Reflection control layer
314A Coupler
314B Coupler
314C coupler
320 Light source
321 Intercalation body
323 Angled part
329 reflection control layer
340 light source
341 windows
343 Ball lens
345 Beam splitting surface
348 Antireflection layer
350 light source
351 Optical sensor
353 light receiving surface
355 Bonding wire
361 VCSEL / Optical Sensor Assembly
401 substrate
405 Insulating layer
407 conductive layer
409 Metallization layer
411 Bonding wire
413 Mounting pad
417 tracks
419 Conductive layer
421 conductive layer
423 Substrate / mirror structure
500 light source
501 package
502 Nose part
503 bore
504 Body part
505 passage
507 cavity
509 ball lens
511 shoulder
513 Laser / Optical Sensor Subassembly
514 Coupler
519 Adhesive
543 Ball Lens
548 Antireflection layer
549 Reflection control layer
601 windows
603 Scattering part
605 scattered light
610 Antireflection layer
614 Coupler
700 light source
701 platform
705 Beam splitting layer
711 VCSEL
713 VCSEL
714 Coupler
715 Bonding wire
716 Bonding wire
717 Transmitted light beam
719 conductor
720 light source
721 conductor
723 Integrated Photosensor Array
725 Bonding wire
727 Bonding Wire
729 conductor
731 Conductor
800 light source
801 VCSEL
803 layer structure
811 Additional laser structure
814 Coupler
815 Beam splitter
818 reflector
821 Beam splitting plane
823 reflective surface
825 Light receiving port
829 Metallization layer
839 Reflection control layer
851 electrode
853 electrode
871 Light emitting port
900 light source
901 Thin film waveguide
903 First cladding layer
905 core layer
907 Synchrotron radiation beam
909 Second cladding layer
911 diffraction grating
915 Core / cladding layer boundary
919 Output light beam
921 Core / cladding layer boundary

Claims

An integrated laser-based light source for generating a light beam with controlled intensity, comprising: (a) to (d) below.
(A) a package including a header; (b) an optical sensor means for generating an electrical signal representing the intensity of incident light energy, including a light receiving surface, and attached to the header;
(C) a single light emitting surface from which the light beam is emitted as a radiated light beam, the light emitting surface being substantially parallel to the light receiving surface, and a light receiving surface of the light sensor means in the package. Laser attached to the part,
(D) reflects toward the optical sensor means a portion of the pre-Symbol radiated light beam as a reflected light beam, a ball lens having a convex surface that transmits the remaining portion of the radiated light beam as the output light beam A ball lens supported in the radiation beam by the package.

2. The light source according to claim 1, wherein a reflection control means for determining an intensity ratio of the reflected light beam and the output light beam is included on the convex surface of the ball lens .

An integrated laser-based light source for illuminating an optical fiber with an intensity-controlled output light beam, the light source comprising the following (a) to (c):
(A) a laser / sensor assembly including the following (a) to (c):
(B) Header,
(B) an optical sensor means that includes a light receiving surface and is attached to the header and generates an electrical signal representing the intensity of incident light energy;
(C) A single light emitting surface from which the light beam is emitted as a radiated light beam is provided, and is attached to a part of the light receiving surface of the optical sensor means so that the light emitting surface is substantially parallel to the light receiving surface Laser,
(B) Ball lens
(C) a package including the following (a) and (b): (a) an axial bore for mounting the ball lens, and the optical fiber is accommodated with respect to the ball lens by accommodating the optical fiber; An axial bore including a portion that is dimensioned to be positioned in place,
(B) a body portion optically aligned with the axial bore, wherein the convex surface of the ball lens reflects a portion of the emitted light beam as a reflected light beam toward the optical sensor means; The laser / sensor assembly for the ball lens such that the convex surface of the ball lens transmits the remainder of the emitted light beam as an output light beam and the intensity of the output light beam is maximized. A body part dimensioned to accommodate and accommodate.

The light source according to claim 3, wherein the convex surface of the ball lens includes reflection control means for determining an intensity ratio between the reflected light beam and the output light beam.

The light source according to claim 2, wherein the reflection control means is a metal or a coating of a dielectric layer.

The said laser is attached to the center of the light-receiving surface of the said optical sensor means so that the said light emission surface may become substantially parallel with respect to the said light-receiving surface, It is any one of Claims 1-5 light source.