KR101659504B1 - 파장-제어 반도체 레이저 디바이스 - Google Patents

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코닌클리케 필립스 엔.브이.
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Abstract

통합 포토다이오드를 갖는 레이저 다이오드를 포함하는 반도체 레이저 디바이스가 기술된다. 통합 포토다이오드를 갖는 레이저 다이오드의 컴포넌트들 중 하나는 레이저 다이오드를 히팅하는데 사용된다. 따라서, 파장 제어 반도체 레이저들의 간단한 디자인이 획득된다.

Description

파장-제어 반도체 레이저 디바이스{WAVELENGTH-CONTROLLED SEMICONDUCTOR LASER DEVICE}
본 발명은 일반적으로 광 게이징 디바이스(optical gauging devices)에 관한 것으로, 특히, 광 셀프-믹싱 센서(optical self-mixing sensors)에 관한 것이다.
통합 포토다이오드들(VIP들)을 갖는 VCSEL들은, 예를 들어, 지면에 대한 속도 측정을 위한 자동차 센서들(automotive sensor)의 주요한 컴포넌트들이 될 것이다. 자동차 애플리케이션들은 디바이스 동작을 위한 광범위한 온도 범위(예를 들어, -40℃ ...120℃)를 요구한다. 그러나, VIP들은, 어떠한 방식으로든 동작하는 경우, 이러한 광 범위한 범위에 대해 상당히 속성들을 변경한다.
특징적인 VCSEL 성능 파라미터들의 온도에 대한 의존성은 문헌(예를 들어, H.Li 및 K.Iga, "수직-공동 표면-방출 레이저 디바이스들(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser Devices)", S69ff, Springer 2003)에 널리 공지되어 있다. 3개의 주요 효과들이 확인될 수 있다:
공동 공진(cavity resonance)은 온도에 따라 시프트하는데, 그 관계식은 다음과 같다:
∂λres / ∂T
Figure 112011028181714-pct00001
0.07 nm / K
또한, 게인 피크는 이하의 관계식에 따라 시프트한다:
∂λgain / ∂T
Figure 112011028181714-pct00002
0.32 nm / K
추가 효과들은 레이저 임계값의 변경이며 온도 증가에 따른 게인/전류의 감소이다.
적합한 디자인은, 광범위한 온도들(예를 들어, -80℃ ...180℃, B.Weigl 등의, "고성능 산화물-국한 GaAs VCSEL들(High-performance oxide-confined GaAs VCSELs)", IEEE J.Sel. Top. Quantum Electron.3, 409-415(1997))에서 VCSEL의 동작을 가능케 한다.
그러나, 이러한 디바이스의 출력 전력은 동작의 온도 범위 내에서 팩터 10 보다 크게 변하고, 레이징 파장(lasing wavelength)은 대략 10nm만큼 시프트된다. 원칙적으로, 통합 포토다이오드의 성능(감도 및 잡음)은 또한 온도에 따라 강력하게 변한다. 이러한 모든 효과들은, 양호하게 아이-세이프(eye-safe) 한계 및 명확한 파장 이하로 유지되어야만 하는, 일정한 신호 대 잡음, 일정한 출력 전력 등의 안정적인 VIP 성능의 목적과 충돌한다. 레이저가 셀프-믹싱 센서로서 사용되는 경우, 10nm 시프트는 이미 거리 및 속도 측정들에서 1%의 시스템적인 에러를 야기한다.
VCSELS의 온도-종속 파장 시프트는 DWDM들의 레이저 어레이들의 파장들을 조정하는데 사용되어 왔다. US 2008/0031294 A1은 VCSEL들의 파장이 개별적으로 조정되는 VCSEL 어레이를 기술한다. 파장 조정은 바이어스 히팅(bias heating)에 의해 달성된다. 어레이는 냉각 표면에 장착된다. 파장은 그 후 VCSEL들에 근접한 히팅 소자들(heating elements)에 의해 개별적으로 설정된다. 그러나, 이러한 구성은, 파장 조정을 달성하기 위해 VCSEL 근처에 추가 컴포넌트들을 요구한다. 또한, US 2008/0031294 A1에 따른 바이어스 히팅은 냉각 표면을 요구한다. VCSEL들이 개별적으로 냉각되지 않더라도, 냉각은 열 소산(heat dissipation)을 위해 추가 컴포넌트들을 요구한다.
따라서, 본 발명의 목적은 파장-제어 반도체 레이저의 더 간단한 디자인을 제공하는데 있다. 상기 목적은 청구항 1에 정의된 레이저 디바이스에 의해 달성된다. 본 발명의 유익한 실시예들 및 개선점들은 독립적인 청구항들로 정의된다. 일반적인 아이디어로서, 통합 포토다이오드를 갖는 레이저 다이오드의 컴포넌트들 중 하나가 레이저 다이오드를 히팅하는데 사용되는 레이저 디바이스가 제안된다.
명확하게, 이하를 포함하는 반도체 레이저 디바이스가 제안된다:
- 통합 포토다이오드를 갖는 수직 공동 표면 방출 레이저(300)인 반도체 레이저 다이오드, 및
삭제
- 반도체 레이저 다이오드 및 통합 포토다이오드를 전기적으로 접속하기 위한 전기 접점들(electric contacts), 통상 증착된 금속 층들
을 갖는 레이저 다이오드 디바이스.
따라서, 통합 히팅 수단을 포함하는, 통합 포토다이오드를 갖는 VCSEL 등의 반도체 레이저 디바이스가 제안된다. 본 발명은 특히 광범위한 동작 온도들에 걸쳐 레이저 파장을 안정화하는데 적합하다. 본 발명의 기본 아이디어는 VIP 등의 레이저 다이오드 디바이스의 통합 파트인 히팅 소자를 사용하는 것이다. 다시 말해서, 정상 기능 외에, 통합 포토다이오드를 갖는 레이저 다이오드의 소자들 중 하나는 제어된 히팅 소자로서도 사용된다. 따라서, 별도의 히터가 불필요하다. 따라서, 레이저 다이오드 디바이스의 전기 접점들을 포함하는 기존 구조들 중 적어도 하나의 구조는 히팅 소자로서 작용한다.
반도체 레이저 디바이스는 레이저 다이오드 디바이스의 온도를 안정화 또는 설정함으로써 레이저 파장을 설정 또는 안정화하는 피드백 제어 회로를 더 포함한다. 이 회로는 측정된 온도 종속 파라미터에 응답해서 히팅 전압 또는 전류를 생성하도록 셋업된다. 히팅 전압 또는 전류는 레이저 다이오드 디바이스의 적어도 하나의 전기 접점에 인가된다. 전기 접점들 중 적어도 하나는 또한 반도체 레이저 다이오드 또는 통합 포토다이오드를 전기적으로 접속해서, 히팅 전류가 레이저 다이오드 디바이스를 통과하여서 반도체 레이저 다이오드를 히팅한다. 일반적으로, 피드백 제어 회로는, 측정된 온도 종속 파라미터가 레이저 다이오드 디바이스로부터 제어 회로로 피드백되는 피드백 루프를 포함한다.
반도체 레이저 다이오드는 VIP(vertically integrated photodiode)를 갖는 VCSEL(vertical cavity surface emitting laser)이다. VCSEL 구조는 포토다이오드의 통합을 용이하게 한다. 더 낮은 전력 소비 및 그에 따른 더 낮은 열 방출로, 온도 조정의 범위가 확대된다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 통합 포토다이오드는 역 바이어스로 동작하고, 레이저 다이오드 디바이스의 온도를 안정화 또는 설정하기 위한 피드백 제어 회로는 통합 포토다이오드에 걸쳐 전압을 설정하도록 셋업되어서, 통합 포토다이오드는 수신된 광에 의해 야기된 광전류에 의해 히팅된다.
이러한 경우에, 어떠한 추가 히팅 소자도 요구되지 않으며, VIP 등의 통합 포토다이오드를 갖는 공통 레이저 다이오드가 피드백 제어 회로와 함께 사용될 수 있다.
다른 실시예에 따라, 반도체 레이저 다이오드 및 통합 포토다이오드를 전기적으로 접속하기 위한 전기 접점들 중 적어도 하나는 레이저 파장을 안정화 또는 설정하기 위한 회로에 접속하는 2개의 단자점들 또는 전극들을 갖는다. 이러한 경우에, 회로에 의해 제어되는 히팅 전류는 2개의 단자점들 간의 전기 접점을 통해 측방으로 흐른다. 다른 가능성은, 각각의 전기 접점 아래의 기판 또는 층을 통해 히팅 전류를 부분적으로 전도하는 것이다. 따라서, 2개의 단자점들을 갖는 전기 접점을 사용하는 대신, 전기 접점은 2개의 측방으로 분리된 접점들로 분할될 수 있다. 따라서, 히팅 전류 또는 전압은 공통 표면 상에서 2개의 분리된 전기 접점들 간에 제공되며, 전기 접점들 중 적어도 하나는 반도체 레이저 다이오드 또는 통합 포토다이오드와 접촉한다. 이러한 타입의 히팅 소자의 저항을 증가시키기 위해, 별도의 전기 접점들이 상이한 재료들로부터 생성될 수 있다. 명확하게, 하나의 접점은 표준 합금 접점일 수 있지만, 다른 접점은 높은 추가 손실들을 야기함으로써 접점 저항 및 시트 저항을 포함하는 전체 저항을 증가시키는 간단한 금속 접점일 수 있다.
광전류 및 포토다이오드에 걸친 전압에 의한 히팅 및 히팅 소자로서 디자인된 하나 이상의 전기 접점들을 통한 히팅이 조합될 수 있다.
레이저 다이오드의 온도는 적합한 온도 센서에 의해 감지될 수 있다. 그러나, 별도의 온도 센서를 추가할 필요 없이 레이저 다이오드의 동작 온도를 모니터할 수 잇으며 그렇게 하는 것이 유익하다. 특히, 액티브 존의 관련 온도가 직접 측정될 수 있다. 이를 위해, 온도에 대한 레이저 다이오드 순방향 전압(동작 전압)의 종속성이 게이징될 수 있다. 통상, 이러한 종속성은 부정적이다.
본 발명의 이러한 실시예에 따라, 피드백 제어 회로의 입력은 반도체 레이저 다이오드의 전기 접점들에 접속되고, 피드백 제어 회로는 온도-종속 입력 파라미터로서 레이저 다이오드의 순방향 전압을 측정한다.
본 실시예의 개선에 따라 레이저 파장을 제어하기 위해, 레이저 다이오드 온도가 선정된 파장(즉, 설정 또는 안정화된 파장)에 대응하는 온도 보다 더 낮은 경우, 동작 전압이 고정 동작 전류에서의 선정된 값 이하인 한, 다이오드는 피드백 제어 회로에 의해 히팅된다.
대안으로, 또는 추가적으로, 통합 포토다이오드에 의해 측정된 광 출력이 피드백 제어 회로의 입력 파라미터로서 사용될 수 있다. 본 발명의 유익한 개선에 따라, 피드백 제어 회로의 입력은 통합 포토다이오드의 전기 접점들에 접속되고, 통합 포토다이오드에 의해 측정된 광 출력은 피드백 제어 회로에 입력 파라미터로서 제공되어, 피드백 제어 회로는 광 출력에 따라 히팅 전류 또는 전압을 설정한다. 이러한 파라미터가, 특히 레이징 상태에서, 피드백에 다소 민감하더라도, 본 실시예는 또한 추가 온도 센서를 필요로 하지 않는 매우 간단한 디자인을 갖는다. 또한, 이미 상술된 바와 같이, 레이저 강도의 온도 종속성은 매우 강해서, 몹시 민감한 온도 측정을 허용한다.
다른 대안의 또는 추가의 입력 파라미터로서, 피드백 제어 회로는 히팅 파트에서 직접 측정된 신호를 사용하도록 셋업될 수 있다. 특히, 히팅 전압 또는 히팅 전류에 의해 히팅된 파트의 저항에 대응하는 파라미터가 검출될 수 있다. 히팅 파트에 걸친 전압은, 또한, 온도-종속 저항으로 인해, 온도에 종속적이다. 히팅된 파트가 기하학적으로 분리된 경우, 레이저의 온도가 아닌 히팅 소자의 온도를 제어하는 것이 유용할 수 있다. 이러한 경우에, 온도가 레이저 전압으로부터 유도된 경우, 레이저 온도의 반응시간은 오히려 피드백 루프를 느리게 할 것이다. 본 발명의 다른 개선에 따라, 히팅된 레이저 다이오드 디바이스의 파트에 걸친 전압은 따라서 피드백 제어 회로에 대한 입력 파라미터로서 제공되며, 히팅 전압 또는 전류는 이러한 전압에 응답해서 피드백 제어 회로에 의해 설정된다.
레이저 다이오드를 희망 온도로 히팅하며 동시에 피드백 루프를 더 빠르게 하는데 필요한 전력을 감소시키기 위해, 기판 상에 메사 구조(mesa structure)로 형성된 반도체 레이저 다이오드를 사용하는 것이 유익하며, 이 메사 구조는 기판에서 적어도 부분적으로 트렌치(trench)에 의해 둘러 싸인다. 트렌치는 기판을 따라 측방으로 열 소산을 감소시킨다.
레이저 다이오드에 대해 일부 열 절연(heat insulation)을 제공하는 다른 대안의 또는 추가의 가능성은, 메사와 기판 사이에 부분적으로 산화된 층을 배치하는 것이다.
이제까지, 레이저 다이오드들은 일반적으로 수명 및 효율성을 최적화하기 위해 냉각되어 왔다. 그러나, 냉각, 특히, 적극적 냉각(active cooling)은 추가 컴포넌트들을 요구한다. 레이저 다이오드가 수동적으로 냉각되는 경우, 주변 온도는 작업 온도를 제한한다. 그러나, 애플리케이션에 따라, 주변 온도는 매우 변동될 수 있다. 주변 온도들을 변동하는 환경의 전형적인 애플리케이션들은 운송용 센서들, 특히, 자동차, 항해 또는 항공 센서들이다. 본 발명의 일반적인 아이디어로서, 레이저 다이오드가 주변 온도들의 전형적인 범위에서 애플리케이션들의 고온 단부에서 동작하는 경우, 레이저 센서들의 적극적 냉각은 방지될 수 있다. 이를 위해, 히팅 소자를 사용해서 온도 범위를 상당히 감소시키는 것이 제안되며, 따라서, VIP 등의 레이저 다이오드는 애플리케이션의 전형적인 주변 온도 범위의 하한(lower limit) 보다 높은 온도들에서 양호하게 항상 동작한다. 그러나, 레이저 다이오드 수명에 부정적인 영향을 줄 것으로 예상될 수 있는 온도 범위에서, 중간 온도들로 VCSEL을 동작시키는 것이 양호하며, 이는, 예를 들어, 발생 온도들의 총 범위를 적어도 2인 팩터로 감소시킨다. 이러한 경우에, 예를 들어, >100℃에서 레이저 다이오드가 동작하는 시간 기간은 단축될 수 있으며, 동시에 여전히 동작의 온도 범위를 감소시킨다. 따라서, 레이저 다이오드의 수명에 해로운 온도 범위 아래로 동작 온도를 설정하는 것이 일반적으로 양호하다.
따라서, 디바이스는 더 높은 온도들에 대해 최적 속성들을 나타내도록 디자인될 수 있다. 더욱 명확하게, 반도체 레이저 디바이스, 특히, 상술된 반도체 레이저 디바이스를 갖는 차량 속도 또는 거리 센서는 이하를 포함하는 것으로 제안된다:
- 반도체 레이저 다이오드,
- 레이저 강도의 셀프-믹싱 진동(self-mixing oscillations)으로부터 거리 또는 속도와 관련된 파라미터를 측정하기 위한 셀프-믹싱 신호 디코딩 회로, 및
- 온도 관련 파라미터를 감지하기 위한 입력을 갖는 피드백 제어 회로.
피드백 제어 회로는 반도체 레이저 다이오드를 히팅함으로써, 적어도 20°, 양호하게는 적어도 50°, 더 양호하게는 적어도 60°의 값으로 반도체 레이저 다이오드의 온도를 안정화하는 히팅 전류 또는 히팅 전압을 제어한다. 상술된 바와 같이, 자동차 애플리케이션들에서 발생하는 온도들은 통상 -40℃ 내지 120℃ 범위이다. 따라서, 레이저 다이오드는 관련 온도 범위의 상위 60%에서 동작한다.
이러한 동작으로 인해, 적극적 냉각은 불필요하며, 히팅은 고정된 비교적 높은 온도로 레이저 다이오드를 안정화하기에 충분하다. 셀프-믹싱 진동의 주파수가 레이저 파장의 함수이기에, 본 발명은 특히 셀프-믹싱 센서들에 적합하다.
항해 및 항공 애플리케이션들의 온도 범위는 일반적으로 유사하다. 애플리케이션에 따라, 레이저 다이오드의 온도는 또한 더 높게 또는 더 낮게 설정될 수 있다. 그러나, 피드백 제어 회로에 의해 안정화된 온도는 양호하게 100℃ 이하이며, 더 양호하게는 80℃ 이하여서, 안정적인 동작 및 긴 수명을 보장한다.
도 1 및 도 2는, 각각, 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 레이저 디바이스의 상부도 및 측면도이다.
도 3은 히팅 소자로서 작용하는 링 접점(ring contact)을 갖는 본 발명의 제2 실시예의 상부도이다.
도 4 및 도 5는 도 3에 도시된 실시예의 변형들을 도시한다.
도 6은 반도체 레이저 다이오드 및 통합 포토다이오드를 위한 제어 회로의 실시예의 블록도이다.
도 7은 반도체 레이저 디바이스(1)의 애플리케이션을 도시한다.
도 1 및 도 2는, 각각, 반도체 레이저 디바이스(1)의 상부도 및 측면도이다.
반도체 레이저 디바이스(1)는, VCSEL(300) 및 통합 포토다이오드(200)와, VCSEL(300) 및 통합 포토다이오드(200)를 전기적으로 접속시키는 전기 접점들(110, 210, 310)을 갖는 레이저 다이오드 디바이스(3)를 포함한다. VCSEL(300)은, 하나의 중간 스택(302)을 갖는 2개의 브래그 반사기 스택들(Bragg reflector stacks)(301, 303), 예를 들어, 3개의 양자 웰들(quantum wells)을 포함한다. VCSEL 및 포토다이오드의 층들은 기판(100) 상에 증착된다. VCSEL의 전형적인 기판 재료는 GaAs이다.
반도체 레이저 디바이스(1)는 레이저 다이오드 디바이스(3)의 온도를 안정화 또는 설정함으로써 레이저 파장을 설정 또는 안정화하는 피드백 제어 회로(10)를 더 포함한다. 피드백 제어 회로(10)는 피드백 제어 회로(10)에 의해 검출된 온도 종속 파라미터에 응답해서 히팅 전압 또는 전류를 생성하도록 셋업된다. 히팅 전압 또는 전류는 레이저 다이오드 디바이스(3)의 전기 접점들에 인가된다. 적어도 하나의 전기 접점은 또한 VCSEL(300) 또는 통합 포토다이오드(200)를 전기적으로 접속해서, 히팅 전류가 레이저 다이오드 디바이스(3)를 통과하여서 VCSEL(300)을 희망 파장과 연관된 선정된 온도까지 히팅한다. 특히, 레이저 다이오드 온도가 선정된 파장에 대응하는 온도 보다 더 낮은 경우, 동작 전압이 고정 동작 전류에서의 선정된 값 이하인 한, VCSEL(300)은 광전류 및 조정된 역 바이어스 전압을 통해 피드백 제어 회로(10)에 의해 히팅된다.
명확하게, 피드백 제어 회로(10)는 라인들(12, 14, 16)을 통해 레이저 다이오드 디바이스(3)에 접속된다. 라인들(12, 16)은 VCSEL(300)의 상부에 있는 링 접점(310) 및 통합 모니터링 다이오드(200) 및 VCSEL을 접속시키는 전기 접점(210)에 접속된다. 이러한 라인들(12, 16)을 통해, 피드백 제어 회로(10)는 온도 종속 파라미터로서 VCSEL(300)의 순방향 전압을 측정한다.
피드백 제어 회로(10)는 라인(14)을 통해 리어 접점(rear contact)(110)에 더 접속된다. 라인들(12, 14)을 통해, 통합 포토다이오드(200)는 역 바이어스로 동작하며, 피드백 제어 회로(10)는 라인들(12, 14)을 통해 통합 포토다이오드(200)에 걸친 전압을 조정한다. 포토다이오드는 수신된 광에 의해 야기된 광전류에 의해 히팅되며, 통합 포토다이오드(200)에 인가된 히팅 전력은 피드백 제어 회로(10)에 의해 인가된 전압 및 광전류의 곱(product)에 의해 정해진다.
광전류가 역 바이어스 동작시의 역 바이어스 전압에 거의 독립적이기 때문에, 히팅 전력은 레이저 강도의 측정을 방해하지 않으면서 역 바이어스 전압을 조정함으로써 제어될 수 있다. 광전류가 피드백 제어 회로(10)에 피드백되어서, VCSEL(300)의 실제 및 희망 온도들의 편차(deviation)에 따라 특정 히팅 전력을 달성하도록 전압이 결정될 수 있는 경우에 더 유용하다.
기판(100)에 유입되는 트렌치(600)에 의해 둘러싸인 메사 구조를 통합 포토다이오드(200) 및 VCSEL(300)이 함께 형성한다. 트렌치(600)는 메사 구조의 일부 열 분리(thermal separation)를 제공한다. 에칭된 트렌치(600) 외에, (VCSEL의 산화물 개구와 유사하게) 메사와 기판(100) 사이에 부분적으로 산화된 층을 갖는 것이 유용할 수 있다.
도 3은 반도체 레이저 디바이스(1)의 다른 실시예를 도시한다. 본 실시예는, VCSEL(300) 및 통합 포토다이오드(200)를 접속시키는, 전기 접점들(110, 210, 310) 중 하나가 히팅 소자로서 사용됨을 인식하는 것을 기반으로 한다. 이를 위해, 각각의 전기 접점은, 피드백 제어 회로(10)에 접속되는 전기 접점 상의 2개의 단자점들이 사용된다는 점에서, 변경된다. 피드백 제어 회로(10)는 그 후 2개의 단자점들 간의 히팅 전류를 제어한다.
도 3에 도시된 실시예에서, VCSEL 상부의 링 접점(310)이 히팅 소자로서 사용된다. 링 형태의 전기적 전도층은 차단되어서, 2개의 단부들이 형성된다. 단부들은, 피드백 제어 회로(10)가 라인들(12, 14)을 통해 접속되는 단자점들(18, 19)로서 사용된다. 따라서, 피드백 제어 회로(10)에 의해 제어되는 히팅 전류는 단자점들(18, 19) 간의 링 접점을 따라 흐른다.
또한, 링 접점(310)의 도전 재료가 온도 종속 저항을 갖기에, 동시에 링 접점(310)은 온도 센서로서 사용될 수도 있다. 피드백 제어를 위한 입력으로서 사용되는 적합한 파라미터는 단자점들(18, 19) 간에 흐르는 전류 및 라인들(12, 14) 간의 전위 차의 비율일 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 실시예의 변형을 도시한다. VCSEL(300) 상부의 링 접점(310) 대신, 양호하게 VCSEL(300) 및 통합 포토다이오드(200)의 n-접점인, 통합 포토다이오드(200) 상부의 전기 접점(210)이 히팅 소자로서 사용된다. 이를 위해, 접점(210)은 VCSEL(300) 주위에 연장하는 가늘고 긴 U 형태의 층으로서 형성된다. U형 접점의 레그(leg)들의 단부들은 라인들(12, 14)에 의해 접촉됨으로써, 단자점들(18, 19)을 구성한다.
도 5는 전기 접점들이 추가적으로 히팅 소자들로서 사용되는 실시예의 다른 변형을 도시한다. 도 5에 도시된 변형에 따라, 히팅 전류 또는 전압은 공통 표면 상에서 2개의 측방으로 분리된 전기 접점들 간에 제공되며, 전기 접점들 중 적어도 하나는 VCSEL(300) 및/또는 통합 포토다이오드(200)에 접촉한다. 도 4에 도시된 실시예에서와 같이, VCSEL(300) 및 통합 포토다이오드(200)에 모두 접촉하는 n-접점은 히팅 소자로서 작용하도록 변경된다. 통합 포토다이오드(200) 상의 n-접점은 2개의 개별 접점들(230, 231)로 분할되었다. 접점들(230, 231) 중 하나의 접점 또는 양 접점들이 VCSEL에 대한 전원(도시되지 않음)에 접속하도록 사용될 수 있다. 피드백 제어 회로(10)에 의해 제어되는 히팅 전압은 라인들(12, 14)을 통해 접점들(230, 231) 간에 인가된다. 전체 히팅 전력은, 접점들(230, 231) 간의 시트 저항, 접점들(230, 231) 및 포토다이오드(200)의 하부 층 간의 접점 저항들로부터 야기된다. 접점 저항을 강화하기 위해, 접점들(230, 231)에 대해 상이한 금속이 사용될 수 있다. 특히, 접점들(230, 231) 중 하나는 VCSEL 디바이스들 상의 층들을 전도하기 위해 일반적으로 사용되는 표준 합금일 수 있다. 다른 접점은 메사의 하부 층에 높은 전이 저항을 제공하는 재료로부터 만들어질 수 있다.
상술된 실시예들에서, 피드백 제어 회로(10)는 독립 파트로서 도시된다. 그러나, 피드백 제어 회로(10)는 반도체 레이저 디바이스(1)의 구동 회로에 내장 및/또는 통합될 수 있다. 도 6의 블록도는 피드백 제어 회로(10)를 포함하는 드라이버 회로의 실시예를 도시한다. 이러한 셋업은 전기 히팅 소자들, 즉, 도 3 내지 도 5에 도시된 레이저 다이오드 소자들로서 변경된 전기 접점들을 갖는 레이저 다이오드 소자들에 특히 사용될 수 있다.
VCSEL(300)을 통한 전류는 레이저 드라이버(350)에 의해 제어되며, 레이저 드라이버(350)는 또한 레이저 전압(온도 표시)을 측정한다. 통합 포토다이오드(200) 상의 역 전압 및 광전류는 포토다이오드 제어 회로(250)에서 제어된다. 히팅 소자(700), 예를 들어, 도 3 내지 도 5에 도시된 변경된 전기 접점은 피드백 제어 회로(10)에 의해 독립적으로 제어될 수 있다. 피드백 루프(800)는, 점선으로 표시된 바와 같이, 레이저 전압에 대한 정보, 및, 희망하는 경우, 광전류에 대한 정보를 취한다.
도 1 및 도 2에 도시된 실시예에서, 포토다이오드(예를 들어, 디바이스(250)) 상의 역 전압을 통해 히팅이 영향을 받을 수 있다. 본 실시예에서, 피드백 제어 회로(10)는 또한 포토다이오드 제어 회로(250)에 통합될 수 있다.
도 7은 반도체 레이저 디바이스(1)의 애플리케이션을 도시한다. 반도체 레이저 디바이스(1)는, 구체적으로, 자동차(4)의 속도를 측정하기 위해, 차량 속도 센서로서 사용된다. 반도체 레이저 디바이스(1)는 자동차(4) 하부에 장착된다. 속도는 셀프-믹싱 진동 및/또는 반점 효과(speckle effect) 등의 셀프-믹싱 효과들을 평가함으로써 측정된다. 레이저 강도의 도플러식(Doppler-induced) 셀프-믹싱 진동에 의한 속도 측정의 경우, 레이저 빔(5)이 비스듬한 각도로 포장 도로(6)를 히트하도록, 디바이스(1)가 배치된다. 강하게 변하는 주변 온도들에서 레이저 파장을 안정화하기 위해, 피드백 제어 회로는 VCSEL의 온도를 50℃ 내지 80℃ 사이의 값으로 안정화한다. 따라서, 반도체 레이저 디바이스(1)의 레이저 다이오드가 항상 자동차의 전형적인 주변 환경에서 발생하는 온도들의 상부 범위에서 동작하기 때문에, 주변 온도들의 넓은 범위 내에서 안정적인 파장을 보장하기 위해 어떠한 냉각도, 특히, 적극적인 냉각이 필요하지 않다. 그러나, 성능 손실 및 수명 감소를 방지하기 위해, 온도 제어 회로는 VCSEL의 온도를 180℃ 보다 높지 않은 값으로, 더 양호하게는 120℃ 보다 높지 않게 안정화한다. 본 발명의 이러한 실시예에서, 히팅 소자들을 포함하는 다른 타입들의 반도체 레이저 디바이스들도 일반적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 레이저 다이오드 및 모니터링 다이오드의 컴포넌트들 중 하나를 사용하는 대신, 추가 히팅 소자가 레이저 다이오드의 기판 상에 배치될 수 있다.
본 발명의 양호한 실시예들이 첨부 도면들에 도시되고 상술된 설명에 기술되었지만, 본 발명은 기술된 실시예들로 제한되지 않으며, 첨부 청구항들에 기재된 본 발명의 범위 내에서 다수의 변경들이 생각될 수 있음을 알 것이다.
1: 반도체 레이저 디바이스
3: 레이저 다이오드 디바이스
4: 자동차
5: 레이저 빔
6: 포장 도로
10: 피드백 제어 회로
12, 14, 16: 라인들
18, 19: 단자점들
100: 기판
110, 210, 310, 230, 231: 전기 접점들
200: 통합 포토다이오드
250: 포토다이오드 제어 회로
300: VCSEL
301, 303: 브래그 반사기
302: 양자 웰
350: 레이저 드라이버
600: 트렌치
700: 히팅 소자
800: 피드백 루프

Claims (14)

  1. 레이저 다이오드 디바이스(3)를 포함하는 반도체 레이저 디바이스(1)로서,
    상기 레이저 다이오드 디바이스(3)는
    통합 포토다이오드(200)를 갖는 수직 공동(cavity) 표면 방출 레이저(300)인 반도체 레이저 다이오드, 및
    상기 반도체 레이저 다이오드 및 상기 통합 포토다이오드(200)를 전기적으로 접속하기 위한 전기 접점들(electric contacts)
    을 구비하며,
    상기 반도체 레이저 디바이스는
    상기 레이저 다이오드 디바이스(3)의 온도를 안정화 또는 설정함으로써 레이저 파장을 설정 또는 안정화하는 피드백 제어 회로(10)를 더 포함하며, 상기 피드백 제어 회로(10)는 측정된 온도 종속 파라미터에 응답해서 히팅 전압 또는 전류를 생성하도록 셋업되고,
    상기 히팅 전압 또는 전류는 상기 레이저 다이오드 디바이스(3)의 전기 접점들에 인가되며, 상기 전기 접점들 중 적어도 하나는 또한 히팅 전류가 레이저 다이오드 디바이스(3)를 통해 흘러서 상기 반도체 레이저 다이오드를 히팅하도록 상기 반도체 레이저 다이오드 또는 상기 통합 포토다이오드(200)에 전기적으로 접속된
    반도체 레이저 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 통합 포토다이오드(200)는 역 바이어스로 동작하며, 상기 레이저 다이오드 디바이스의 온도를 안정화 또는 설정하는 상기 피드백 제어 회로는 수광된 광에 의해 유도된 광전류에 의해 히팅되는 상기 통합 포토다이오드(200) 양단의 전압을 설정하도록 셋업되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 디바이스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 레이저 다이오드 및 상기 통합 포토다이오드를 전기적으로 접속하기 위한 상기 전기 접점들 중 적어도 하나는 상기 피드백 제어 회로에 접속하는 2개의 단자점들을 가지며, 상기 히팅 전류는 상기 2개의 단자점들 사이에서 흐르는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 디바이스.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 히팅 전류 또는 전압은 공통 표면 상에서 2개의 측방으로 분리된 전기 접점들 간에 제공되며, 상기 전기 접점들 중 적어도 하나는 상기 반도체 레이저 다이오드 또는 상기 통합 포토다이오드에 접촉하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 디바이스.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 분리된 전기 접점들은 상이한 재료들로부터 만들어지는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 디바이스.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 피드백 제어 회로의 입력은 상기 반도체 레이저 다이오드의 상기 전기 접점들에 접속되고, 상기 피드백 제어 회로는 상기 레이저 다이오드의 순방향 전압을 측정하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 디바이스.
  7. 제6항에 있어서,
    레이저 다이오드 온도가 미리 정해진 파장에 대응하는 온도보다 더 낮은 경우, 상기 반도체 레이저 다이오드는 동작 전압이 고정 동작 전류에서의 미리 정의된 값보다 낮은 한, 상기 피드백 제어 회로에 의해 히팅되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 디바이스.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 피드백 제어 회로(10)는 상기 히팅 전류 또는 전압에 의해 히팅된 파트의 저항에 대응하는 파라미터를 측정하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 디바이스.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 피드백 제어 회로의 입력은 상기 통합 포토다이오드의 전기 접점들에 접속되고, 상기 통합 포토다이오드에 의해 측정된 광 출력은 상기 광 출력에 따라 히팅 전류 또는 전압을 설정하는 피드백 제어 회로에 입력 파라미터로서 제공되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 디바이스.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 레이저 다이오드는 기판(100) 상에서 메사 구조로서 형성되고, 상기 메사 구조는 상기 기판(100)에서 트렌치(600)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸이는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 디바이스.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 레이저 다이오드는 기판(100) 상에서 메사 구조로서 형성되고, 부분적으로 산화된 층이 상기 메사와 상기 기판(100) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 디바이스.
  12. 차량의 속도 또는 거리를 측정하기 위한 센서로서,
    제1항에 따른 반도체 레이저 디바이스를 갖고,
    상기 반도체 레이저 디바이스는
    상기 반도체 레이저 디바이스의 레이저 강도의 셀프-믹싱 진동(self-mixing oscillations)으로부터 거리 또는 속도와 관련된 파라미터를 측정하기 위한 셀프-믹싱 신호 디코딩 회로를 더 포함하며,
    상기 피드백 제어 회로는, 온도 관련 파라미터를 감지하고 상기 반도체 레이저 다이오드를 히팅하는 히팅 전류 또는 히팅 전압을 제어하기 위한 입력을 갖고, 상기 피드백 제어 회로는 상기 반도체 레이저 다이오드의 온도를 적어도 20℃의 값으로 안정화하는,
    차량의 속도 또는 거리를 측정하기 위한 센서.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 피드백 제어 회로는 상기 반도체 레이저 다이오드의 온도를 100℃ 보다 높지 않은 값으로 안정화하는 것을 특징으로 하는, 차량의 속도 또는 거리를 측정하기 위한 센서.
  14. 삭제
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