WO2023174752A1 - Optoelektronisches modul und verfahren zum betrieb eines optoelektronischen moduls - Google Patents

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    • G02B6/29367—Zigzag path within a transparent optical block, e.g. filter deposited on an etalon, glass plate, wedge acting as a stable spacer

Definitions

  • the optoelectronic module is set up in particular to generate electromagnetic radiation, for example light that can be perceived by the human eye.
  • One problem to be solved is to provide an optoelectronic module that has a plurality of output waveguides with a particularly high luminance.
  • Another task to be solved is to specify a method for operating an optoelectronic module that enables simplified control of a plurality of output waveguides.
  • the optoelectronic module comprises a semiconductor component designed to emit electromagnetic radiation.
  • the electromagnetic radiation preferably comprises a spectral distribution with a main wavelength in the visible spectral range.
  • a main wavelength is a wavelength an electromagnetic radiation in which a spectrum of radiation has a global maximum.
  • the semiconductor component includes, for example, at least one semiconductor emitter.
  • the semiconductor emitter comprises a first region of a first conductivity, a second region of a second conductivity and an active region which is set up to emit electromagnetic radiation.
  • the first conductivity advantageously differs from the second conductivity.
  • the first region and the second region are each formed with a doped semiconductor material.
  • the active region has in particular a pn junction, a double heterostructure, a single quantum well structure (SQW, single quantum well) or a multiple quantum well structure (MQW, multi quantum well) for generating radiation.
  • the semiconductor emitter is, for example, a luminescent diode, in particular a light-emitting or laser diode.
  • the optoelectronic module comprises a distribution structure with a plurality of distribution elements, at least one input waveguide and a plurality of output waveguides.
  • the distribution structure includes, for example, a planar waveguide structure.
  • the distribution elements, the at least one input waveguide and the output waveguides are monolithically integrated on a substrate. This enables a particularly compact design with advantageously low optical coupling losses.
  • the distribution structure is in particular designed to distribute electromagnetic radiation from the at least one input waveguide to the output waveguides in a predetermined intensity ratio. The electromagnetic radiation coupled into the distribution structure can thus emerge from the output waveguides in a desired ratio.
  • the distribution elements are provided, for example, in the form of optical switches.
  • Each distribution element preferably comprises an input and at least two outputs. In particular, each distribution element influences a distribution of the radiation intensity of electromagnetic radiation entering through the input to the outputs.
  • the optoelectronic module comprises a plurality of conversion structures.
  • a conversion structure is set up in particular for converting electromagnetic radiation of a first wavelength to electromagnetic radiation with a second wavelength that is different from the first wavelength.
  • the conversion structure effects, for example, a partial or complete conversion of the incoming electromagnetic radiation.
  • the conversion structure converts part of the electromagnetic radiation entering it and consequently emits mixed radiation.
  • the mixed radiation advantageously creates a white color impression for an observer.
  • the electromagnetic radiation emitted by the semiconductor component enters the distribution structure through the input waveguide.
  • the input waveguide points advantageously a core area and a jacket area.
  • the jacket area at least partially surrounds the core area.
  • the core region advantageously has a higher refractive index than the cladding region.
  • the electromagnetic radiation emerges from the distribution structure through the output waveguides.
  • a desired distribution of the electromagnetic radiation can be set on the output waveguides.
  • the electromagnetic radiation emerges from each output waveguide in one exit direction.
  • the exit directions of all output waveguides are preferably aligned parallel to one another.
  • a conversion structure is arranged downstream of each output waveguide.
  • An arrangement of one conversion structure on each output waveguide enables a particularly high contrast ratio between adjacent conversion structures.
  • the optoelectronic module comprises:
  • the electromagnetic radiation emitted by the semiconductor component enters the distribution structure through the input waveguide, - the electromagnetic radiation through the
  • Each output waveguide is followed by a conversion structure.
  • An optoelectronic module described here is based, among other things, on the following considerations:
  • To produce pixelated light sources with high luminance several individual semiconductor components can be arranged next to one another in an array.
  • a converter element can be arranged downstream of each semiconductor component.
  • Such an arrangement makes effective heat dissipation of the semiconductor components and the converter elements more difficult, since waste heat is generated both in the semiconductor components and in the converter elements during operation.
  • a maximum achievable luminance of the individual semiconductor components can thus be limited.
  • a precise arrangement of a plurality of semiconductor components in an array can be associated with increased manufacturing effort.
  • the optoelectronic module described here makes use, among other things, of the idea of making a spatial separation between the generation of electromagnetic radiation and the conversion of the electromagnetic radiation. Furthermore, by using a distribution structure, only one semiconductor component is required to control a plurality of emission areas. Electromagnetic radiation generated in the semiconductor component is coupled into the distribution structure and distributed there to a plurality of output waveguides. Each output waveguide is followed by a conversion structure, which represents at least part of the converted to electromagnetic radiation. Due to the spatial separation between the semiconductor component and the conversion structures, the two structures can be cooled separately. The semiconductor component and the conversion structures can thus advantageously work at different operating temperatures. Furthermore, a plurality of conversion structures can be controlled with just one semiconductor component. A complex adjustment of a plurality of semiconductor components in an array can advantageously be avoided.
  • the distribution elements are passive and wavelength-selective filter elements.
  • the distribution elements are designed as Mach-Zehnder interferometers, as dielectric interference thin-film filters, as waveguide grating routers or as micro-ring resonators.
  • passive distribution elements do not require any additional control.
  • the distribution elements are designed to select electromagnetic radiation according to its main wavelength.
  • a distribution of the output characteristic of a distribution element can be set, for example, by an electrical field that is constantly applied during operation on a beam splitter or a constantly set phase shift on a Mach-Zehnder interferometer. For example, manufacturing-related deviations in the distribution elements can be compensated for.
  • the distribution elements have a pass band with a bandwidth of at most 2 nm, preferably at most 1 nm.
  • the distribution elements in the passage areas have a high radiation permeability. For example, electromagnetic radiation outside the pass band is reflected or absorbed by the distribution element.
  • a small bandwidth enables an advantageously high number of distribution elements to be controlled with a semiconductor component that emits electromagnetic radiation with a limited bandwidth.
  • the semiconductor component is set up to emit coherent radiation with a modulatable main wavelength.
  • a distribution of the electromagnetic radiation can be influenced by the wavelength-selective distribution structure.
  • the semiconductor component includes a laser component with a sampled grating and a distributed Bragg reflector (English: Sample Grating Distributed Bragg Reflector Laser, short: SG-DBR).
  • the semiconductor component is formed with a laser component with an external resonator.
  • the main wavelength of the electromagnetic radiation emitted by the semiconductor component can be modulated in a spectral range over a bandwidth of at least 25 nm, preferably at least 50 nm and particularly preferably at least 100 nm, the spectral range having a wavelength of 447 nm includes.
  • the semiconductor component preferably emits coherent electromagnetic radiation.
  • the semiconductor component emits electromagnetic radiation with a main wavelength between 390 nm and 480 nm.
  • the main wavelength can be modulated with a frequency of at least 500 Hz, preferably at least 1 kHz and particularly preferably at least 2 kHz.
  • a high modulation frequency enables an advantageously short period of time in which a specific main wavelength can be emitted.
  • a high modulation frequency also increases the number of different main wavelengths that can be provided in a given display period. Consequently, the number of controllable distribution elements and output waveguides can be increased.
  • a representation period describes here and below a period in which a desired intensity distribution of the electromagnetic radiation is provided on the output waveguides.
  • the display period is so short that a human observer does not get the impression of flickering.
  • the display period is at most 1/30 s, preferably at most 1/60 s and particularly preferably at most 1/100 s long.
  • the semiconductor component comprises at least two semiconductor emitters, the first semiconductor emitter being used to emit electromagnetic radiation with a variable main wavelength in a first spectral range is set up and a second semiconductor emitter is set up to emit electromagnetic radiation with a variable main wavelength in a second spectral range.
  • the first main wavelength is in particular different from the second main wavelength.
  • the spectral ranges of the first electromagnetic radiation and the second electromagnetic radiation do not overlap.
  • each semiconductor emitter is assigned an input waveguide.
  • the required number of distribution elements can be reduced.
  • a first semiconductor emitter is assigned a first number of output waveguides and a second semiconductor emitter is assigned a second number of output waveguides.
  • the first main wavelength of the first semiconductor emitter is advantageously identical to the second main wavelength of the second semiconductor emitter.
  • each output waveguide is assigned exactly one distribution element.
  • each distribution element is designed in particular to control exactly one output waveguide.
  • the distribution elements are active and controllable coupling elements. Active distribution elements are advantageous particularly precisely controllable.
  • the distribution elements are designed as controllable directional couplers or as controllable directional couplers with phase reversal.
  • each distribution element includes a Mach-Zehnder interferometer.
  • the distribution elements are advantageously designed as electro-optically controllable components. In other words, an intensity distribution at the outputs of a distribution element can be adjusted using an electrical control signal.
  • each distribution element is assigned a control line.
  • the distribution elements can be modulated with a frequency of at least 0.5 GHz, preferably 1 GHz, particularly preferably 10 GHz.
  • a complete switching process is considered to be a modulation of a distribution element.
  • a particularly high modulation frequency enables an advantageously increased number of output waveguides that can be controlled within a predetermined display period.
  • the semiconductor component is set up to emit coherent radiation with a main wavelength in the blue spectral range.
  • the main wavelength is greater than or equal to 450 nm and less than or equal to 475 nm.
  • a main wavelength in the blue spectral range is particularly suitable for generating white mixed light.
  • Each conversion structure includes a decoupling element.
  • the decoupling element is, for example, an optical one Grating coupler (English: grating coupler).
  • Grating couplers enable an advantageously high efficiency with which electromagnetic radiation is coupled out of a waveguide into an area.
  • each conversion structure comprises a diffuser element.
  • the diffuser element is preferably arranged downstream of the decoupling element.
  • the diffuser element homogenizes electromagnetic radiation emerging from the coupling element.
  • the diffuser element for example, has a large number of small scattering centers. If parallel light rays hit different points on the diffuser element, they are distributed in different directions and thus produce diffuse light.
  • each input waveguide is assigned a coupling element.
  • the coupling element is, for example, a grid coupler.
  • the coupling element enables, in particular, improved coupling efficiency between the semiconductor component and an input waveguide.
  • the semiconductor component is formed with a III/V compound semiconductor material.
  • a III/V compound semiconductor material has at least one element from the third main group, such as B, Al, Ga, In, and one element from the fifth main group, such as N, P, As.
  • the term “III/V compound semiconductor material” includes the group of binary, ternary or quaternary compounds that contain at least one element from the third main group and contain at least one element from the fifth main group, for example nitride and phosphide compound semiconductors.
  • Such a binary, ternary or quaternary compound can also have, for example, one or more dopants and additional components.
  • at least the active areas of the semiconductor component are formed with a III/V compound semiconductor material.
  • the semiconductor component in particular also includes other materials, for example in the form of metallizations and/or carrier materials.
  • the semiconductor component is preferably based on a phosphide compound semiconductor material.
  • “Based on phosphide compound semiconductor material” in this context means that the semiconductor component or at least a part thereof, particularly preferably at least the active region and/or a growth substrate wafer, preferably Al n Ga m Inin -nm P or As n Ga m Ini - nm P includes, where 0 ⁇ n ⁇ 1, 0 ⁇ m ⁇ 1 and n+m ⁇ 1.
  • This material does not necessarily have to have a mathematically exact composition according to the above formula. Rather, it can have one or more dopants as well as additional components.
  • the above formula only includes the essential components of the crystal lattice (Al or As, Ga, In, P), even if these can be partially replaced by small amounts of other substances.
  • the semiconductor component is formed with InGaAsP.
  • the distribution structure is formed with one of the following materials: III/V compound semiconductor material, silicon on an insulator (English: silicon-on-insulator, SOI for short), silicon dioxide, silicon nitride, indium phosphide, gallium arsenide, diamond, diamond on an insulator (English: Diamond-on-Insulator, DOI for short), lithium niobate, aluminum oxide, aluminum nitride, gallium nitride.
  • the distribution structure is preferably formed with the same material as the semiconductor component.
  • no jump in refractive index occurs between the semiconductor component and the distribution structure.
  • the optoelectronic module comprises at least 10, preferably at least 30, particularly preferably at least 100 output waveguides.
  • An increased number of output waveguides increases the achievable resolution of the optoelectronic module.
  • the optoelectronic module includes a maximum of 200 output waveguides.
  • a method for operating an optoelectronic module is also specified.
  • the optoelectronic module can be operated in particular using the method described here. This means that all features disclosed in connection with the optoelectronic module are also disclosed for the method for operating an optoelectronic module and vice versa.
  • the distribution elements are provided as passive and wavelength-selective filter elements.
  • the distribution elements are designed as Mach-Zehnder interferometers, as dielectric interference thin-film filters, as waveguide grating routers or as micro-ring resonators.
  • passive distribution elements are required no additional control.
  • the distribution elements select electromagnetic radiation according to its main wavelength.
  • the distribution elements allow electromagnetic radiation with a main wavelength to be transmitted in a pass band and absorb or reflect electromagnetic radiation in the spectral range outside the pass band.
  • the semiconductor component emits electromagnetic radiation with different discrete main wavelengths.
  • the discrete main wavelengths each correspond to a pass band of a distribution element.
  • the main wavelength of the electromagnetic radiation determines through which distribution element the electromagnetic radiation can be transmitted.
  • each main wavelength is assigned a distribution element.
  • different main wavelengths are emitted in a representation period for a period of time dependent on the main wavelength.
  • the emission of electromagnetic radiation of a specific main wavelength for a period of time dependent on the main wavelength enables a desired intensity distribution of the electromagnetic radiation on the output waveguides.
  • an optical output power of the semiconductor component is in the Representation period constant. This enables particularly simple control of the semiconductor component.
  • different main wavelengths are emitted for an identical period of time in a representation period.
  • a change in the main wavelength can advantageously take place at a constant speed.
  • an optical output power of the semiconductor component is modulated in the representation period synchronously with the modulation of the main wavelengths.
  • a desired intensity distribution on the output waveguides can thus be achieved by modulating the output power of the semiconductor component.
  • the distribution elements (210) are provided as active and controllable coupling elements. Active distribution elements can advantageously be controlled particularly precisely.
  • the distribution elements are designed as controllable directional couplers or as controllable directional couplers with phase reversal.
  • each distribution element includes a Mach-Zehnder interferometer.
  • the distribution elements are advantageously designed as electro-optically controllable components. In other words, an intensity distribution on the outputs of a distribution element is set using an electrical control signal.
  • each distribution element is assigned a control line.
  • the semiconductor component emits electromagnetic radiation with a constant main wavelength. This enables a particularly simple design of the semiconductor component.
  • an optical output power of the semiconductor component is constant in a representation period.
  • the control of the semiconductor component is therefore simplified.
  • the distribution elements act as variably modulated beam splitters, the distribution of which is constant over the period shown.
  • the distribution elements can cause any distribution of the optical power entering them between the outputs.
  • a distribution that is constant over the representation period enables an advantageously low requirement for a minimum switching time of the distribution elements and simplifies their control.
  • the distribution elements act as optical switches and are switched several times in a period shown.
  • a switch is understood to be a component with ideally only two switching states.
  • a distribution element can thus distribute all of the incoming electromagnetic radiation either to a first output or to a second output. This enables simplified control of the distribution elements.
  • Operation of an optoelectronic module is optical
  • Output power of the semiconductor component is modulated synchronously with the distribution elements in the display period. Modulation of the optical output power of the semiconductor component makes it possible to display a desired intensity distribution on the output waveguides when using optical switches as distribution elements.
  • An optoelectronic module described here is particularly suitable for use as pixelated light sources with a high luminance. Especially as headlights for motor vehicles.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of an optoelectronic module described here according to a first exemplary embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of an optoelectronic module described here according to a second exemplary embodiment
  • FIG. 3 shows a schematic top view of an optoelectronic module described here according to a third exemplary embodiment
  • 4 shows a schematic top view of an optoelectronic module described here according to a fourth exemplary embodiment
  • FIG. 5 shows a perspective schematic sectional view of an optoelectronic module described here according to a fifth exemplary embodiment
  • FIG. 6 shows a control concept of an optoelectronic module described here according to a first exemplary embodiment
  • FIG. 8 shows a schematic sectional view of a conversion structure described here according to a first exemplary embodiment
  • FIG. 9 shows a schematic sectional view of a conversion structure described here according to a second exemplary embodiment
  • FIG. 10 shows a schematic sectional view of a conversion structure described here according to a third exemplary embodiment
  • 11 shows a schematic sectional view of a conversion structure described here according to a fourth exemplary embodiment
  • 12 shows a schematic sectional view of an optoelectronic module described here according to a sixth exemplary embodiment
  • FIG. 13A shows a schematic top view of an optoelectronic module described here according to a seventh exemplary embodiment
  • FIG. 13B shows a schematic sectional view of an optoelectronic module described here according to the seventh exemplary embodiment
  • FIG. 14 shows a schematic top view of an optoelectronic module described here according to an eighth exemplary embodiment
  • FIG. 15 shows a schematic top view of an optoelectronic module described here according to a ninth exemplary embodiment
  • FIG. 16 shows a schematic sectional view of a device with a plurality of optoelectronic modules described here according to a tenth exemplary embodiment
  • Figure 17 shows a control concept of an optoelectronic module described here according to a third exemplary embodiment
  • Figure 18 shows a control concept of an optoelectronic module described here according to a fourth exemplary embodiment.
  • Identical, similar or identically acting elements are provided with the same reference symbols in the figures.
  • the figures and the size relationships between the elements shown in the figures are not to be considered to scale. Rather, individual elements can be shown exaggeratedly large for better display and/or for better comprehensibility.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of an optoelectronic module 1 described here according to a first exemplary embodiment.
  • the optoelectronic module 1 includes a semiconductor component 10 designed to emit electromagnetic radiation.
  • the electromagnetic radiation preferably comprises a spectral distribution with a main wavelength in the visible spectral range.
  • the semiconductor component 10 is designed in particular to emit coherent radiation with a modulatable main wavelength Xi to X n .
  • the semiconductor component 10 includes a laser component with a sampled grating and a distributed Bragg reflector (English: Sample Grating Distributed Bragg Reflector Laser, short: SG-DBR).
  • the semiconductor component 10 is formed with a laser component with an external resonator.
  • the main wavelength Xi to X n can be modulated with a frequency of at least 500 Hz, preferably at least 1 kHz and particularly preferably at least 2 kHz.
  • a high modulation frequency enables an advantageously short period of time in which a specific main wavelength can be emitted.
  • a high modulation frequency also increases a number of different main wavelengths Xi to X n , which can be provided in a predetermined display period TD.
  • the optoelectronic module 1 comprises at least one distribution structure 20 with a plurality of passive and wavelength-selective distribution elements 210, at least one input waveguide 201 and a plurality of output waveguides 202.
  • the distribution structure 20 includes a planar waveguide structure. This enables a particularly compact design with advantageously low optical coupling losses.
  • the distribution structure 20 is set up to distribute electromagnetic radiation from the at least one input waveguide 201 to the output waveguides 202 in a predetermined intensity ratio.
  • the electromagnetic radiation emitted by the semiconductor component 10 enters the distribution structure 20 through the input waveguide 201.
  • the electromagnetic radiation then emerges from the distribution structure 20 through the output waveguides 202.
  • Each output waveguide 202 is assigned exactly one distribution element 210.
  • Each distribution element 210 is set up to control exactly one output waveguide 202.
  • the distribution elements 210 are designed as Mach-Zehnder interferometers, as dielectric interference thin-film filters, as waveguide grating routers or as micro-ring resonators.
  • passive distribution elements 210 do not require any additional control.
  • the distribution elements 210 are designed to select electromagnetic radiation according to its main wavelength Xi to X n . In other words, each distribution element 210 is assigned to a main wavelength Xi to X n .
  • the distribution elements 210 have a spectral passband with a bandwidth of at most 2 nm, preferably at most 1 nm.
  • the distribution elements 210 have a high radiation permeability in the pass region. For example, electromagnetic radiation outside the pass band is reflected or absorbed by the distribution element 210.
  • a small bandwidth enables an advantageously high number of distribution elements 210 to be controlled with a semiconductor component 10 that emits electromagnetic radiation with a limited bandwidth.
  • the optoelectronic module 1 further comprises a plurality of conversion structures 30.
  • the conversion structures 30 are downstream of the distribution structure 20.
  • the conversion structures 30 are set up to convert electromagnetic radiation of a first wavelength to electromagnetic radiation with a second wavelength that is different from the first wavelength.
  • the conversion structures 30, for example, cause one partial or complete conversion of the incoming electromagnetic radiation.
  • Each conversion structure 30 includes an outcoupling element 301, a diffuser element 302 and a conversion element 303.
  • the outcoupling element 301 is an optical grating coupler. Grating couplers enable an advantageously high efficiency with which electromagnetic radiation is coupled out of a waveguide into an area.
  • the diffuser element 302 is arranged downstream of the decoupling element 301.
  • the diffuser element 302 homogenizes electromagnetic radiation emerging from the coupling element 301.
  • the diffuser element 302 for example, has a large number of small scattering centers. If parallel light rays hit different points on the diffuser element 302, they are distributed in different directions and thus generate diffuse light.
  • the conversion element 303 contains a conversion material.
  • the conversion material is designed as a ceramic plate.
  • the diffuser element 302 is arranged between the conversion element 303 and the decoupling element 301.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of an optoelectronic module 1 described here according to a second exemplary embodiment.
  • the optoelectronic module 1 includes a semiconductor component 10 designed to emit electromagnetic radiation.
  • the semiconductor component 10 is set up to emit coherent radiation with a main wavelength in the blue spectral range.
  • the main wavelength is greater than or equal to 440 nm and less than or equal to 475 nm.
  • the main wavelength is preferably less than or equal to 465 nm.
  • the optoelectronic module 1 comprises a distribution structure 20 with a plurality of distribution elements 210, at least one input waveguide 201 and a plurality of output waveguides 202.
  • the distribution structure 20 includes a planar waveguide structure. This enables a particularly compact design with advantageously low optical coupling losses.
  • the distribution structure 20 is set up to distribute electromagnetic radiation from the at least one input waveguide 201 to the output waveguides 202 in a predetermined intensity ratio.
  • the electromagnetic radiation emitted by the semiconductor component 10 enters the distribution structure 20 through the input waveguide 201.
  • the electromagnetic radiation then emerges from the distribution structure 20 through the output waveguides 202.
  • the distribution elements 210 are active and controllable coupling elements. Active distribution elements 210 can advantageously be controlled particularly precisely.
  • the distribution elements 210 are in the form of controllable directional couplers or as controllable directional couplers with phase reversal.
  • a controllable directional coupler with phase reversal has an advantageously high tolerance to manufacturing fluctuations.
  • each distribution element 210 includes a Mach-Zehnder interferometer.
  • the distribution elements 210 are advantageously designed as electro-optically controllable components. In other words, an intensity distribution on the outputs of a distribution element 210 can be adjusted using an electrical control signal.
  • a control line 211 is assigned to each distribution element 210.
  • the optoelectronic module 1 further comprises a control device 212 which is connected to the control lines 211.
  • Each distribution element 210 can be controlled by the control device 212 independently of the other distribution elements 210 via the control lines 211.
  • the control device can set a division ratio of each distribution element independently of one another by applying suitable electrical potentials.
  • the distribution elements 210 can be modulated with a frequency of at least 0.5 GHz, preferably 1 GHz, particularly preferably 10 GHz.
  • modulation of a distribution element 210 refers to a complete switching process, i.e. a complete switching from a first output to a second output of a distribution element.
  • a particularly high modulation frequency enables an advantageously increased number of output waveguides 202, which can be controlled within a predetermined display period TD.
  • the optoelectronic module 1 further comprises a plurality of conversion structures 30. The conversion structures 30 are arranged downstream of the distribution structure 20.
  • Conversion structures 30 are set up to convert electromagnetic radiation of a first wavelength to electromagnetic radiation with a second wavelength that is different from the first wavelength.
  • the conversion structures 30, for example, effect a partial or complete conversion of the incoming electromagnetic radiation.
  • the main wavelength of the semiconductor component 10 is advantageously selected such that it serves as an efficient pump wavelength for the conversion structure 30.
  • Each conversion structure 30 includes an outcoupling element 301, a diffuser element 302 and a conversion element 303.
  • the outcoupling element 301 is an optical grating coupler. Grating couplers enable an advantageously high efficiency with which electromagnetic radiation is coupled out of a waveguide into an area.
  • the diffuser element 302 is arranged downstream of the decoupling element 301.
  • the diffuser element 302 homogenizes electromagnetic radiation emerging from the coupling element 301.
  • the diffuser element 302 for example, has a large number of small scattering centers. If parallel light rays hit different points on the diffuser element 302, they are distributed in different directions and thus generate diffuse light.
  • the conversion element 303 contains a conversion material. In particular, the conversion material is designed as a ceramic plate.
  • the diffuser element 302 is arranged between the conversion element 303 and the decoupling element 301.
  • An optical element 40 is arranged downstream of the conversion structures 30.
  • the optical element 40 is transparent to the electromagnetic radiation emerging from the conversion structures 30.
  • the optical element is a projection lens.
  • FIG. 3 shows a schematic top view of an optoelectronic module 1 described here according to a third exemplary embodiment.
  • the third exemplary embodiment essentially corresponds to the second exemplary embodiment shown in FIG.
  • the distribution structure 20, the conversion structures 30 and a coupling element 2011 are arranged on a common carrier 60.
  • the carrier 60 is formed, for example, with one of the following materials: III/V compound semiconductor material, silicon on an insulator (English: silicon-on-insulator, SOI for short), silicon dioxide, silicon nitride, indium phosphide, gallium arsenide, diamond, diamond on an insulator ( English: Diamond-on-Insulator, DOI for short), lithium niobate, aluminum oxide, aluminum nitride, gallium nitride.
  • III/V compound semiconductor material silicon on an insulator (English: silicon-on-insulator, SOI for short), silicon dioxide, silicon nitride, indium phosphide, gallium arsenide, diamond, diamond on an insulator ( English: Diamond-on-Insulator, DOI for short), lithium niobate, aluminum oxide, aluminum nitride, gallium nitride.
  • the coupling element 2011 is assigned to the input waveguide 201.
  • the coupling element 2011 is designed as a grid coupler.
  • the semiconductor component 10 is optically connected to the coupling element 2011 via an optical waveguide 50.
  • the electromagnetic radiation from the semiconductor component 10 first enters the optical waveguide 50 and is then coupled from the optical waveguide 50 via the coupling element 2011 into the input waveguide 201.
  • the coupling element 2011 in particular enables improved coupling efficiency between the semiconductor component 10 and the input waveguide 201.
  • Figure 4 shows a schematic top view of an optoelectronic module 1 described here according to a fourth exemplary embodiment.
  • the fourth exemplary embodiment essentially corresponds to the third exemplary embodiment shown in FIG.
  • the semiconductor component 10 is arranged on the carrier 60.
  • a particularly compact optoelectronic module 1 can thus be provided.
  • FIG. 5 shows a perspective schematic sectional view of an optoelectronic module 1 described here according to a fifth exemplary embodiment.
  • the fifth exemplary embodiment essentially corresponds to the third exemplary embodiment shown in FIG.
  • a heat sink 70 is arranged on a rear side of the carrier 60.
  • the heat sink 70 enables efficient removal of heat from the conversion structures 30.
  • the heat sink 70 is formed with a material that has a particularly high thermal conductivity, for example with a metal or a ceramic.
  • a plurality of optical elements 40 are arranged downstream of the conversion structures 30.
  • the optical elements 40 are designed for beam shaping.
  • the optical elements are in particular made with a radiation-permeable polymer, for example polymethyl methacrylate, or PMMA for short, or a Glass formed.
  • the optical elements 40 advantageously cause a collimation of the electromagnetic radiation emerging from the conversion structures 30.
  • Figure 6 shows a control concept of an optoelectronic module 1 described here according to a first exemplary embodiment.
  • An optoelectronic module 1 with a semiconductor component 10 and a distribution structure 20 is controlled.
  • the semiconductor component 10 emits electromagnetic radiation with a constant main wavelength in the visible spectral range.
  • the distribution structure 20 comprises a plurality of active and controllable distribution elements 210.
  • the distribution elements 210 each have one input and two outputs.
  • the outputs of the distribution elements 210 are provided with unique designations Al, A2, Bl, B2, B3 and B4.
  • the control concept shows a course of the control of all outputs Al, A2, Bl, B2, B3 and B4 of the distribution elements 210 and the optical output power of the semiconductor component 10 over a display period TD.
  • the representation period TD describes a period in which a desired intensity distribution of the electromagnetic radiation is provided on the output waveguides 202.
  • the display period TD is so short that a human observer does not get the impression of flickering.
  • the display period TD is at most 1/30 s, preferably at most 1/60 s and particularly preferably at most 1/100 s long.
  • the distribution elements 210 act as optical switches. In the representation period TD, the distribution elements 210 switched several times. The value “1" means this output is active and electromagnetic radiation comes out at this output. The value “0” means this output is not active and no electromagnetic radiation comes out at this output. At a first point in time within the display period TD, the outputs Al and Bl of the distribution elements 210 are active. Consequently, electromagnetic radiation emerges from the top output waveguide 202 and is emitted through the top conversion structure 30.
  • the distribution elements 210 are modulated with a frequency of at least 0.5 GHz, preferably at least 1 GHz, particularly preferably at least 10 GHz.
  • the optical output power of the semiconductor component 10 is modulated synchronously with the distribution elements 210 in the representation period TD.
  • each output waveguide 202 can be illuminated with a desired intensity distribution.
  • Figure 7 shows a control concept of an optoelectronic module 1 described here according to a second exemplary embodiment.
  • the structure of the controlled optoelectronic module 1 essentially corresponds to the optoelectronic module 1 shown in FIG. 6.
  • an optical output power of the semiconductor component 10 is constant in the representation period TD.
  • the distribution elements 210 act as variably modulated beam splitters, the distribution of which is constant over the display period TD.
  • the first distribution element 210 with the outputs Al and A2 is controlled in such a way that 50% of the irradiated intensity is distributed to the output Al and 50% of the irradiated intensity to the output A2.
  • multiple switching operations of the distribution elements 210 within the display period TD can be dispensed with.
  • modulation of the optical output power of the semiconductor component 10 can be dispensed with.
  • the semiconductor component 10 is in cw operation.
  • an output waveguide 202 can be provided in the distribution structure 20 as a light sink. Excess optical power can thus be absorbed in the light sink.
  • FIG 8 shows a schematic sectional view of a conversion structure 30 described here according to a first exemplary embodiment.
  • the conversion structure 30 includes a decoupling element 301, a diffuser element 302 and a conversion element 303.
  • the decoupling element 301 is, for example, an optical grating coupler. Grating couplers enable an advantageously high level of efficiency with which electromagnetic radiation is coupled out of a waveguide into an area.
  • the decoupling element 301 has a structuring with a A plurality of elevations 3010 and depressions 3011 on a side facing the diffuser element 302.
  • the diffusor element 302 is arranged between the decoupling element 301 and the conversion element 303.
  • the diffuser element homogenizes electromagnetic radiation emerging from the coupling element 301.
  • the diffuser element 302 has a large number of scattering centers. If parallel light rays hit different points on the diffuser element 302, they are distributed in particular in different directions and thus generate diffuse light.
  • the conversion element 303 contains a conversion material.
  • the conversion material is designed as a ceramic plate.
  • the conversion element 303 converts electromagnetic radiation of a first main wavelength Xi into electromagnetic radiation of a second main wavelength X2.
  • the second main wavelength X2 is greater than the first main wavelength Xi.
  • a first electromagnetic radiation is partially or completely converted.
  • the conversion element 303 emits a mixed radiation of converted and unconverted electromagnetic radiation.
  • the conversion element 303 is mechanically self-supporting.
  • Figure 9 shows a schematic sectional view of a conversion structure 30 described here according to a second exemplary embodiment.
  • the second exemplary embodiment essentially corresponds to the first exemplary embodiment shown in FIG. 8.
  • the conversion structure 30 does not include any Diffusion element 302.
  • the conversion element 303 is arranged directly on the decoupling element 301.
  • the conversion element 303 is mechanically self-supporting and rests on the elevations 3010 of the decoupling element 301.
  • Figure 10 shows a schematic sectional view of a conversion structure 30 described here according to a third exemplary embodiment.
  • the third exemplary embodiment essentially corresponds to the second exemplary embodiment shown in FIG. 9.
  • the conversion element 303 is applied to the decoupling element 301 by means of spray coating.
  • the conversion element 303 is formed with a matrix material in which particles of a phosphor are embedded.
  • a particularly suitable matrix material is a radiation-permeable polymer, for example a polysiloxane.
  • the conversion element 303 extends into the depressions 3011 of the decoupling element 301.
  • the conversion element 303 projects beyond the decoupling element 301 in a lateral direction. This advantageously results in particularly good adhesion between the decoupling element 301 and the conversion element 303.
  • Figure 11 shows a schematic sectional view of a conversion structure 30 described here according to a fourth exemplary embodiment.
  • the fourth exemplary embodiment essentially corresponds to the third exemplary embodiment shown in FIG. 10.
  • the conversion element 303 is structured.
  • the conversion element 303 is structured, for example, using photolithography.
  • the lateral extent of the conversion element 303 corresponds to that lateral extent of the elevations 3010 of the structuring of the decoupling element 301.
  • Figure 12 shows a schematic sectional view of an optoelectronic module 1 described here according to a sixth exemplary embodiment.
  • the sixth exemplary embodiment essentially corresponds to the first exemplary embodiment shown in FIG.
  • the semiconductor component 10 comprises a plurality of semiconductor emitters 11, 12, 13.
  • a first semiconductor emitter 11 emits electromagnetic radiation with a variable first main wavelength Xi in a first spectral range
  • a second semiconductor emitter 12 emits electromagnetic radiation with a variable second main wavelength X 3 in a second spectral range
  • a third semiconductor emitter 13 emits electromagnetic radiation with a variable third main wavelength X 3 in a third spectral range.
  • the first main wavelength Xi, the second main wavelength X2 and the third main wavelength X 3 are different from each other.
  • the spectral ranges of the first electromagnetic radiation, the second electromagnetic radiation and the third electromagnetic radiation preferably do not overlap.
  • the semiconductor component 10 can emit electromagnetic radiation over a larger bandwidth.
  • the first, second and third main wavelengths Xi, X2, X 3 are identical. If each semiconductor emitter 11, 12, 13 is assigned its own input waveguide 201, you can a distinction between the first, second and third main wavelengths Xi, X2, X 3 is omitted.
  • a particularly small deviation in the emission wavelength in the individual output waveguides 202 is possible.
  • An input waveguide 201 is assigned to each semiconductor emitter 11 , 12 , 13 .
  • the required number of distribution elements 210 in the distribution structure 20 can be reduced.
  • the first semiconductor emitter 11 is assigned a first number of output waveguides 202
  • the second semiconductor emitter 12 is assigned a second number of output waveguides 202
  • the third semiconductor emitter 13 is assigned a third number of output waveguides 202.
  • FIG. 13A shows a schematic top view of an optoelectronic module 1 described here according to a seventh exemplary embodiment.
  • the seventh exemplary embodiment essentially corresponds to the first exemplary embodiment shown in FIG.
  • the distribution elements 210 are designed as micro-ring resonators. Electromagnetic radiation with different main wavelengths Xi to X n is emitted from the optoelectronic semiconductor component 10 .
  • Each distribution element 210 has a passband for one of the main wavelengths Xi to X n .
  • a distribution element 210 is assigned to each output waveguide 202.
  • Coupling element 2011 are arranged on a common carrier 60.
  • the carrier 60 is, for example, with one of the following materials: III/V compound semiconductor material, silicon on an insulator
  • Figure 13B shows a schematic sectional view of an optoelectronic module 1 described here according to the seventh exemplary embodiment.
  • Figure 13B shows a section through Figure 13A along section line AA.
  • the structure of the conversion structure 30 can be seen in the sectional view.
  • a diffuser element 302 is arranged between a conversion element 303 and a decoupling element 301.
  • the input waveguide 201 is on the carrier 60 arranged.
  • FIG. 14 shows a schematic top view of an optoelectronic module 1 described here according to an eighth exemplary embodiment.
  • the eighth exemplary embodiment essentially corresponds to the third exemplary embodiment shown in FIG.
  • the distribution structure 20 is passive, wavelength-selective filter elements.
  • the distribution elements 210 are designed as passive Mach-Zehnder interferometers. Since interferometers are wavelength sensitive, they are suitable for wavelength division multiplexing.
  • Figure 15 shows a schematic top view of an optoelectronic module 1 described here according to a ninth exemplary embodiment.
  • the ninth exemplary embodiment essentially corresponds to the first exemplary embodiment shown in FIG.
  • the distribution elements 210 are designed as interference thin-film filters.
  • the distribution elements 210 and a plurality of reflectors 203 are arranged on a support 60.
  • the reflectors 203 are formed, for example, with a broadband reflecting material, in particular silver.
  • the carrier 60 is designed as a gradient index rod.
  • the main wavelengths Xi to X n are separated by an arrangement of different filters.
  • the incident electromagnetic radiation is directed to the filters, each of which allows a single main wavelength to pass and blocks the others.
  • the incident electromagnetic radiation is passed through a sequence of narrow-band interference thin-film filters, each of which transmits one wavelength in a pass band and reflects all other wavelengths onto the following filter.
  • Figure 16 shows a schematic sectional view of a device with a plurality of optoelectronic modules 1 described here according to a tenth exemplary embodiment.
  • Two optoelectronic modules 1 are arranged in such a way that the conversion structures 30 of the two optoelectronic modules 1 adjoin one another.
  • the optoelectronic modules 1 are essentially identical to the exemplary embodiment of an optoelectronic module shown in FIG.
  • the use of several optoelectronic modules 1 enables particularly easy scalability of the number of controllable conversion structures 30.
  • the optoelectronic modules used are preferably designed identically.
  • FIG 17 shows a control concept of an optoelectronic module 1 described here according to a third exemplary embodiment.
  • An optoelectronic module 1 with a semiconductor component 10 and a distribution structure 20 is controlled.
  • the semiconductor component 10 emits electromagnetic radiation with different discrete main wavelengths, preferably in the visible spectral range.
  • the distribution structure 20 includes a plurality of distribution elements 210, which are provided as passive and wavelength-selective filter elements.
  • the distribution elements 210 each have an output.
  • the outputs of the distribution elements 210 are provided with unique designations B1, B2, B3 and B4.
  • the control concept shows a course of the main wavelength Xi to X4 emitted by the semiconductor component 10 and the optical output power of the semiconductor component 10 over a display period TD.
  • the representation period TD describes a period in which a desired intensity distribution of the electromagnetic radiation is provided on the output waveguides 202. It is advantageous that the display period TD is so short that that there is no impression of flickering for a human observer.
  • the display period TD is at most 1/30 s, preferably at most 1/60 s and particularly preferably at most 1/100 s long.
  • the optical output power of the semiconductor component 10 is constant in the representation period TD.
  • each output waveguide 202 can be illuminated with a desired intensity distribution.
  • Figure 18 shows a control concept of an optoelectronic module 1 described here according to a fourth exemplary embodiment.
  • the structure of the controlled optoelectronic module 1 essentially corresponds to the optoelectronic module 1 shown in FIG. 17.
  • an optical output power of the semiconductor component 10 is modulated in the representation period TD.
  • Main wavelength can be set constant.
  • the optical output power of the semiconductor component 10 is modulated in the display period TD synchronously with the modulation of the main wavelengths.
  • the semiconductor component 1 does not emit any electromagnetic radiation with the first main wavelength in order not to illuminate the output waveguide 202 with the output B1.
  • a desired intensity distribution on the output waveguides 202 can thus be achieved by modulating the output power of the semiconductor component 10.

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Abstract

Es wird ein optoelektronisches Modul umfassend ein zur Emission von elektromagnetischer Strahlung eingerichtetes Halbleiterbauelement (10), eine Verteilstruktur (20) mit einer Mehrzahl von Verteilelementen (210), zumindest einem Eingangswellenleiter (201) und einer Mehrzahl von Ausgangswellenleitern (202), und eine Mehrzahl von Konversionsstrukturen (30) angegeben. Die von dem Halbleiterbauelement (10) emittierte elektromagnetische Strahlung tritt durch den Eingangswellenleiter (201) in die Verteilstruktur (20) ein. Die elektromagnetische Strahlung tritt durch die Ausgangswellenleiter (202) aus der Verteilstruktur (20) aus. Je einem Ausgangswellenleiter (202) ist eine Konversionsstruktur (30) nachgeordnet. Es wird ferner ein Verfahren zum Betrieb eines optoelektronischen Moduls (1) angegeben.

Description

Beschreibung
OPTOELEKTRONISCHES MODUL UND VERFAHREN ZUM BETRIEB EINES OPTOELEKTRONISCHEN MODULS
Es wird ein optoelektronisches Modul und ein Verfahren zum Betrieb eines optoelektronischen Moduls angegeben . Das optoelektronische Modul ist insbesondere zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise von für das menschliche Auge wahrnehmbarem Licht , eingerichtet .
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein optoelektronisches Modul anzugeben, das eine Mehrzahl von Ausgangswellenleitern mit einer besonders hohen Leuchtdichte aufweist .
Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zum Betrieb eines optoelektronischen Moduls anzugeben, das eine vereinfachte Ansteuerung einer Mehrzahl von Ausgangswellenleitern ermöglicht .
Diese Aufgaben werden durch die Vorrichtung und die Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst . Vorteilhafte Aus führungs formen und Weiterbildungen der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren hervor .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form umfasst das optoelektronische Modul ein zur Emission von elektromagnetischer Strahlung eingerichtetes Halbleiterbauelement . Die elektromagnetische Strahlung umfasst bevorzugt eine spektrale Verteilung mit einer Hauptwellenlänge im sichtbaren Spektralbereich . Eine Hauptwellenlänge ist hier und im Folgenden eine Wellenlänge einer elektromagnetischen Strahlung, bei der ein Spektrum der Strahlung ein globales Maximum aufweist .
Das Halbleiterbauelement umfasst beispielsweise zumindest einen Halbleiteremitter . Insbesondere umfasst der Halbleiteremitter einen ersten Bereich einer ersten Leitfähigkeit , einen zweiten Bereich einer zweiten Leitfähigkeit und einen aktiven Bereich, der zur Emission von elektromagnetischer Strahlung eingerichtet ist . Vorteilhaft unterscheidet sich die erste Leitfähigkeit von der zweiten Leitfähigkeit . Beispielsweise sind der erste Bereich und der zweite Bereich j eweils mit einem dotierten Halbleitermaterial gebildet . Der aktive Bereich weist insbesondere einen pn- Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfachquantentopfstruktur ( SQW, single quantum well ) oder eine Mehrfachquantentopfstruktur (MQW, multi quantum well ) zur Strahlungserzeugung auf . Bei dem Halbleiteremitter handelt es sich beispielsweise um eine Lumines zenzdiode , insbesondere um eine Leucht- oder Laserdiode .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form umfasst das optoelektronische Modul eine Verteilstruktur mit einer Mehrzahl von Verteilelementen, zumindest einem Eingangswellenleiter und einer Mehrzahl von Ausgangswellenleitern . Die Verteilstruktur umfasst beispielsweise eine planare Wellenleiterstruktur . Bevorzugt sind die Verteilelemente , der zumindest eine Eingangswellenleiter und die Ausgangswellenleiter monolithisch auf einem Substrat integriert . Dies ermöglicht eine besonders kompakte Bauform mit vorteilhaft geringen optischen Koppelverlusten . Die Verteilstruktur ist insbesondere dazu eingerichtet , eine elektromagnetische Strahlung aus dem zumindest einen Eingangswellenleiter in einem vorgegebenen Intensitätsverhältnis auf die Ausgangswellenleiter zu verteilen . Die in die Verteilstruktur eingekoppelte elektromagnetische Strahlung kann so in einem gewünschten Verhältnis aus den Ausgangswellenleitern austreten . Die Verteilelemente sind beispielsweise in Form von optischen Schaltern bereitgestellt . Bevorzugt umfasst j edes Verteilelement einen Eingang und zumindest zwei Ausgänge . Insbesondere beeinflusst j edes Verteilelement eine Aufteilung der Strahlungsintensität einer durch den Eingang eintretenden elektromagnetischen Strahlung auf die Ausgänge .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form umfasst das optoelektronische Modul eine Mehrzahl von Konversionsstrukturen . Eine Konversionsstruktur ist insbesondere zur Konversion von elektromagnetischer Strahlung einer ersten Wellenlänge zu elektromagnetischer Strahlung mit einer von der ersten Wellenlänge verschiedenen zweiten Wellenlänge eingerichtet . Die Konversionsstruktur bewirkt beispielsweise eine teilweise oder vollständige Konversion der eintretenden elektromagnetischen Strahlung . Insbesondere konvertiert die Konversionsstruktur einen Teil der in sie eintretenden elektromagnetischen Strahlung und emittiert folglich eine Mischstrahlung . Vorteilhaft ruft die Mischstrahlung einen weißen Farbeindruck bei einem Betrachter hervor .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des optoelektronischen Moduls tritt die von dem Halbleiterbauelement emittierte elektromagnetische Strahlung durch den Eingangswellenleiter in die Verteilstruktur ein . Der Eingangswellenleiter weist vorteilhaft einen Kernbereich und einen Mantelbereich auf . Der Mantelbereich umgibt den Kernbereich zumindest teilweise . Der Kernbereich weist vorteilhaft einen höheren Brechungsindex als der Mantelbereich auf .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des optoelektronischen Moduls tritt die elektromagnetische Strahlung durch die Ausgangswellenleiter aus der Verteilstruktur aus . An den Ausgangswellenleitern kann eine gewünschte Verteilung der elektromagnetischen Strahlung eingestellt sein . Beispielsweise tritt die elektromagnetische Strahlung aus j edem Ausgangswellenleiter in einer Austrittsrichtung aus . Bevorzugt sind die Austrittsrichtungen aller Ausgangswellenleiter parallel zueinander ausgerichtet .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des optoelektronischen Moduls ist j e einem Ausgangswellenleiter eine Konversionsstruktur nachgeordnet . Eine Anordnung von j eweils einer Konversionsstruktur an einem Ausgangswellenleiter ermöglicht ein besonders hohes Kontrastverhältnis zwischen benachbarten Konver sions Struktur en .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form umfasst das optoelektronische Modul :
- ein zur Emission von elektromagnetischer Strahlung eingerichtetes Halbleiterbauelement ,
- eine Verteilstruktur mit einer Mehrzahl von Verteilelementen, zumindest einem Eingangswellenleiter und einer Mehrzahl von Ausgangswellenleitern, und
- eine Mehrzahl von Konversionsstrukturen, wobei
- die von dem Halbleiterbauelement emittierte elektromagnetische Strahlung durch den Eingangswellenleiter in die Verteilstruktur eintritt , - die elektromagnetische Strahlung durch die
Ausgangswellenleiter aus der Verteilstruktur austritt ,
- j e einem Ausgangswellenleiter eine Konversionsstruktur nachgeordnet ist .
Einem hier beschriebenen optoelektronischen Modul liegen unter anderem die folgenden Überlegungen zugrunde : Zur Herstellung von pixelierten Lichtquellen mit hoher Leuchtdichte können mehrere einzelne Halbleiterbauelemente in einem Array nebeneinander angeordnet werden . Zur Emission von weißem Licht kann den Halbleiterbauelementen j eweils ein Konverterelement nachgeordnet werden . Eine solche Anordnung erschwert j edoch eine ef fektive Entwärmung der Halbleiterbauelemente und der Konverterelemente , da sowohl in den Halbleiterbauelementen als auch in den Konverterelementen im Betrieb eine Abwärme entsteht . Eine maximal erreichbare Leuchtdichte der einzelnen Halbleiterbauelemente kann so limitiert sein . Ferner kann eine präzise Anordnung einer Mehrzahl von Halbleiterbauelementen in einem Array mit einem erhöhten Herstellungsaufwand verbunden sein .
Das hier beschriebene optoelektronische Modul macht unter anderem von der Idee Gebrauch, eine räumliche Trennung zwischen einer Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung und der Konversion der elektromagnetischen Strahlung vorzunehmen . Ferner wird durch die Verwendung einer Verteilstruktur nur ein Halbleiterbauelement benötigt , um eine Mehrzahl von Emissionsbereichen anzusteuern . Eine in dem Halbleiterbauelement erzeugte elektromagnetische Strahlung wird in die Verteilstruktur eingekoppelt und dort auf eine Mehrzahl von Ausgangswellenleitern verteilt . Jedem Ausgangswellenleiter ist eine Konversionsstruktur nachgeordnet , die zumindest einen Teil der elektromagnetischen Strahlung konvertiert . Durch die räumliche Trennung zwischen dem Halbleiterbauelement und den Konversionsstrukturen kann eine getrennte Entwärmung der beiden Strukturen erfolgen . Vorteilhaft können das Halbleiterbauelement und die Konversionsstrukturen so bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen arbeiten . Ferner kann mit nur einem Halbleiterbauelement eine Mehrzahl von Konversionsstrukturen angesteuert werden . Eine aufwändige Justage einer Mehrzahl von Halbleiterbauelementen in einem Array kann vorteilhaft vermieden werden .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des optoelektronischen Moduls sind die Verteilelemente passiv und wellenlängenselektive Filterelemente . Beispielsweise sind die Verteilelemente als Mach-Zehnder- Interferometer, als dielektrische Interferenz-Dünnschichtfilter, als Wellenleiter-Gitterrouter oder als Mikroringresonatoren ausgeführt . Vorteilhaft benötigen passive Verteilelemente keine zusätzliche Steuerung . Die Verteilelemente sind dazu eingerichtet , eine elektromagnetische Strahlung entsprechend ihrer Hauptwellenlänge aus zuwählen . Insbesondere kann eine Verteilung der Ausgangscharakteristik eines Verteilelements beispielsweise durch ein im Betrieb konstant angelegtes elektrisches Feld an einem Strahlteiler oder einer konstant eingestellten Phasenverschiebung an einem Mach-Zehnder- Interferometer eingestellt sein . So können beispielsweise Herstellungsbedingte Abweichungen in den Verteilelementen kompensiert werden . Hier und im Folgenden sind Verteilelemente , mit einer solchen im Betrieb statischen Korrektur ebenfalls als passive Filterelemente zu betrachten, da sie während des Betriebs keine aktiv modulierte Ansteuerung benötigen . Gemäß zumindest einer Aus führungs form des optoelektronischen Moduls weisen die Verteilelemente einen Durchlassbereich mit einer Bandbreite von höchstens 2 nm, bevorzugt höchstens 1 nm auf . Insbesondere weisen die Verteilelemente in dem Durchlassbereiche eine hohe Strahlungsdurchlässigkeit auf . Beispielsweise wird eine elektromagnetische Strahlung außerhalb des Durchlassbereichs von dem Verteilelement reflektiert oder absorbiert . Eine geringe Bandbreite ermöglicht eine Ansteuerung einer vorteilhaft hohen Anzahl von Verteilelementen mit einem Halbleiterbauelement , das eine elektromagnetische Strahlung mit einer begrenzten Bandbreite emittiert .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des optoelektronischen Moduls ist das Halbleiterbauelement zur Emission von kohärenter Strahlung mit einer modulierbaren Hauptwellenlänge eingerichtet . Durch die Modulation der Hauptwellenlänge kann eine Verteilung der elektromagnetischen Strahlung durch die wellenlängenselektive Verteilstruktur beeinflusst werden . Insbesondere umfasst das Halbleiterbauelement ein Laserbauelement mit einem gesampelten Gitter und einem verteilten Bragg Reflektor ( englisch : Sample Grating Distributed Bragg Reflector Laser, kurz : SG-DBR) . Alternativ ist das Halbleiterbauelement mit einem Laserbauelement mit einem externen Resonator gebildet .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des optoelektronischen Moduls ist die Hauptwellenlänge der von dem Halbleiterbauelement emittierten elektromagnetischen Strahlung in einem Spektralbereich über eine Bandbreite von mindestens 25 nm, bevorzugt von mindestens 50 nm und besonders bevorzugt von mindestens 100 nm modulierbar, wobei der Spektralbereich eine Wellenlänge von 447 nm beinhaltet . Bevorzugt emittiert das Halbleiterbauelement eine kohärente elektromagnetische Strahlung . Insbesondere emittiert das Halbleiterbauelement eine elektromagnetische Strahlung mit einer Hauptwellenlänge zwischen 390 nm bis 480 nm .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des optoelektronischen Moduls ist die Hauptwellenlänge mit einer Frequenz von mindestens 500 Hz , bevorzugt mindestens 1 kHz und besonders bevorzugt mindestens 2 kHz modulierbar . Eine hohe Modulations frequenz ermöglicht eine vorteilhaft geringe Zeitspanne , in der eine bestimmte Hauptwellenlänge emittiert werden kann . Insbesondere wird durch eine hohe Modulations frequenz auch eine Anzahl von verschiedenen Hauptwellenlängen erhöht , die in einem vorgegebenen Darstellungs zeitraum bereitgestellt werden können . Folglich kann eine Anzahl von ansteuerbaren Verteilelementen und Ausgangswellenleitern erhöht werden .
Ein Darstellungs zeitraum beschreibt hier und im Folgenden einen Zeitraum, in dem eine gewünschte Intensitätsverteilung der elektromagnetischen Strahlung an den Ausgangswellenleitern bereitgestellt wird . Vorteilhaft ist der Darstellungs zeitraum so kurz , dass für einen menschlichen Betrachter kein Eindruck eines Flimmerns entsteht . Beispielsweise ist der Darstellungs zeitraum höchstens 1 / 30 s , bevorzugt höchstens 1 / 60 s und besonders bevorzugt höchstens 1 / 100 s lang .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des optoelektronischen Moduls umfasst das Halbleiterbauelement zumindest zwei Halbleiteremitter, wobei der erste Halbleiteremitter zur Emission einer elektromagnetischen Strahlung mit einer variablen Hauptwellenlänge in einem ersten Spektralbereich eingerichtet ist und ein zweiter Halbleiteremitter zur Emission einer elektromagnetischen Strahlung mit einer variablen Hauptwellenlänge in einem zweiten Spektralbereich eingerichtet ist . Die erste Hauptwellenlänge ist insbesondere verschieden von der zweiten Hauptwellenlänge . Beispielsweise überlappen sich die Spektralbereiche der ersten elektromagnetischen Strahlung und der zweiten elektromagnetischen Strahlung nicht . Durch die Verwendung von mehreren Halbleiteremittern kann das Halbleiterbauelement elektromagnetische Strahlung über eine größere Bandbreite emittieren .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des optoelektronischen Moduls ist j edem Halbleiteremitter ein Eingangswellenleiter zugeordnet . Vorteilhaft kann so eine benötigte Anzahl von Verteilelementen reduziert werden . Beispielsweise sind einem ersten Halbleiteremitter eine erste Anzahl von Ausgangswellenleitern zugeordnet und einem zweiten Halbleiteremitter eine zweite Anzahl von Ausgangswellenleitern zugeordnet . Vorteilhaft ist die erste Hauptwellenlänge des ersten Halbleiteremitters identisch mit der zweiten Hauptwellenlänge des zweiten Halbleiteremitters .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des optoelektronischen Moduls ist j edem Ausgangswellenleiter genau ein Verteilelement zugeordnet . Vorteilhaft sind nur so viele Verteilelemente wie Ausgangswellenleiter nötig . Jedes Verteilelement ist insbesondere dazu eingerichtet , genau einen Ausgangswellenleiter anzusteuern .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des optoelektronischen Moduls sind die Verteilelemente aktiv und steuerbare Koppelelemente . Aktive Verteilelemente sind vorteilhaft besonders genau steuerbar . Beispielsweise sind die Verteilelemente als steuerbare Richtkoppler oder als steuerbare Richtkoppler mit Phasenumkehr ausgebildet . Insbesondere umfasst j edes Verteilelement ein Mach-Zehnder- Interferometer . Vorteilhaft sind die Verteilelemente als elektrooptisch steuerbare Bauelemente ausgeführt . Mit anderen Worten, eine Intensitätsverteilung auf den Ausgängen eines Verteilelements ist mittels eines elektrischen Steuersignals einstellbar . Insbesondere ist j edem Verteilelement eine Steuerleitung zugeordnet .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des optoelektronischen Moduls sind die Verteilelemente mit einer Frequenz von mindestens 0 , 5 GHz , bevorzugt 1 GHz , besonders bevorzugt 10 GHz modulierbar . Als Modulation eines Verteilelements gilt hier und im Folgenden ein vollständiger Schaltvorgang . Eine besonders hohe Modulations frequenz ermöglicht eine vorteilhaft erhöhte Anzahl an Ausgangswellenleitern, die innerhalb eines vorgegebenen Darstellungs zeitraumes angesteuert werden können .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des optoelektronischen Moduls ist das Halbleiterbauelement zur Emission von kohärenter Strahlung mit einer Hauptwellenlänge im blauen Spektralbereich eingerichtet . Insbesondere ist die Hauptwellenlänge größer oder gleich 450 nm und kleiner oder gleich 475 nm . Eine Hauptwellenlänge im blauen Spektralbereich eignet sich besonders gut zur Erzeugung von weißem Mischlicht .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des optoelektronischen
Moduls umfasst j ede Konversionsstruktur ein Auskoppelelement .
Das Auskoppelelement ist beispielsweise ein optischer Gitterkoppler (englisch: grating coupler) . Gitterkoppler ermöglichen eine vorteilhaft hohe Effizienz, mit der eine elektromagnetische Strahlung aus einem Wellenleiter in einen Bereich ausgekoppelt wird.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des optoelektronischen Moduls umfasst jede Konversionsstruktur ein Diffusorelement. Das Diffusorelement ist bevorzugt dem Auskoppelelement nachgeordnet. Insbesondere homogenisiert das Diffusorelement eine aus dem Auskoppelelement austretende elektromagnetische Strahlung. Das Diffusorelement besitzt beispielsweise eine große Anzahl kleiner Streuzentren. Treffen parallel laufende Lichtstrahlen an verschiedenen Stellen des Diffusorelements auf, werden sie insbesondere in unterschiedliche Richtung verteilt und erzeugen so diffuses Licht.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des optoelektronischen Moduls ist jedem Eingangswellenleiter ein Einkoppelelement zugeordnet. Das Einkoppelelement ist beispielsweise ein Gitterkoppler. Das Einkoppelelement ermöglicht insbesondere eine verbesserte Koppeleffizienz zwischen dem Halbleiterbauelement und einem Eingangswellenleiter.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des optoelektronischen Moduls ist das Halbleiterbauelement mit einem III/V- Verbindungs-Halbleitermaterial gebildet. Ein III/V- Verbindungs-Halbleitermaterial weist wenigstens ein Element aus der dritten Hauptgruppe, wie beispielsweise B, Al, Ga, In, und ein Element aus der fünften Hauptgruppe, wie beispielsweise N, P, As, auf. Insbesondere umfasst der Begriff "III/V-Verbindungs-Halbleitermaterial" die Gruppe der binären, ternären oder quaternären Verbindungen, die wenigstens ein Element aus der dritten Hauptgruppe und wenigstens ein Element aus der fünften Hauptgruppe enthalten, beispielsweise Nitrid- und Phosphid-Verbindungshalbleiter . Eine solche binäre , ternäre oder quaternäre Verbindung kann zudem zum Beispiel ein oder mehrere Dotierstof fe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen . Bevorzugt sind zumindest die aktiven Bereiche des Halbleiterbauelements mit einem I I I /V-Verbindungs-Halbleitermaterial gebildet . Das Halbleiterbauelement umfasst insbesondere auch weitere Materialien, beispielsweise in Form von Metallisierungen und/oder Trägermaterialien .
Bevorzugt basiert das Halbleiterbauelement auf einem Phosphid-Verbindungs-Halbleitermaterial . "Auf Phosphid- Verbindungs-Halbleitermaterial basierend" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das Halbleiterbauelement oder zumindest ein Teil davon, besonders bevorzugt zumindest der aktive Bereich und/oder ein Aufwachssubstratwafer, vorzugsweise AlnGamIni-n-mP oder AsnGamIni-n-mP umfasst , wobei 0 < n < 1 , 0 < m < 1 und n+m < 1 . Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen . Vielmehr kann es ein oder mehrere Dotierstof fe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen . Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel j edoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al beziehungsweise As , Ga, In, P ) , auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stof fe ersetzt sein können . Beispielsweise ist das Halbleiterbauelement mit InGaAsP gebildet .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des optoelektronischen Moduls ist die Verteilstruktur mit einem der folgenden Materialien gebildet : I I I /V-Verbindungshalbleitermaterial , Sili zium auf einem I solator ( englisch : Silicon-on- Insulator, kurz SOI ) , Sili ziumdioxid, Sili ziumnitrid, Indiumphosphid, Galliumarsenid, Diamant , Diamant auf einem I solator ( englisch : Diamond-on- Insulator, kurz DOI ) , Lithiumniobat , Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Galliumnitrid . Bevorzugt ist die Verteilstruktur mit dem gleichen Material gebildet wie das Halbleiterbauelement . Vorteilhaft entsteht so kein Brechungsindexsprung zwischen dem Halbleiterbauelement und der Verteilstruktur .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des optoelektronischen Moduls umfasst das optoelektronische Modul mindestens 10 , bevorzugt mindestens 30 , besonders bevorzugt mindestens 100 Ausgangswellenleiter . Eine erhöhte Anzahl an Ausgangswellenleitern erhöht eine erreichbare Auflösung des optoelektronischen Moduls . Beispielsweise umfasst das optoelektronische Modul höchstens 200 Ausgangswellenleiter .
Es wird weiter ein Verfahren zum Betrieb eines optoelektronischen Moduls angegeben . Das optoelektronische Modul kann insbesondere mittels dem hier beschriebenen Verfahren betrieben werden . Das heißt , sämtliche im Zusammenhang mit dem optoelektronischen Modul of fenbarten Merkmale sind auch für das Verfahren zum Betrieb eines optoelektronischen Moduls of fenbart und umgekehrt .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens zum Betrieb eines optoelektronischen Moduls werden die Verteilelemente als passive und wellenlängenselektive Filterelemente bereitgestellt . Beispielsweise sind die Verteilelemente als Mach-Zehnder- Interferometer, als dielektrische Interferenz-Dünnschichtfilter, als Wellenleiter-Gitterrouter oder als Mikroringresonatoren ausgeführt . Vorteilhaft benötigen passive Verteilelemente keine zusätzliche Steuerung . Die Verteilelemente wählen eine elektromagnetische Strahlung entsprechend ihrer Hauptwellenlänge aus . Insbesondere lassen die Verteilelemente eine elektromagnetische Strahlung mit einer Hauptwellenlänge in einem Durchlassbereich transmittieren und absorbieren oder reflektieren elektromagnetische Strahlung in dem Spektralbereich außerhalb des Durchlassbereichs .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens zum Betrieb eines optoelektronischen Moduls emittiert das Halbleiterbauelement elektromagnetische Strahlung mit verschiedenen diskreten Hauptwellenlängen . Insbesondere entsprechen die diskreten Hauptwellenlängen j eweils einem Durchlassbereich eines Verteilelements . Die Hauptwellenlänge der elektromagnetischen Strahlung bestimmt , durch welches Verteilelement die elektromagnetische Strahlung transmittiert werden kann . Mit anderen Worten, j eder Hauptwellenlänge ist ein Verteilelement zugeordnet .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens zum Betrieb eines optoelektronischen Moduls werden in einem Darstellungs zeitraum verschiedene Hauptwellenlängen für j eweils einen von der Hauptwellenlänge abhängigen Zeitraum emittiert . Die Emission einer elektromagnetischen Strahlung einer bestimmten Hauptwellenlänge für einen von der Hauptwellenlänge abhängigen Zeitraum ermöglicht eine gewünschte Intensitätsverteilung der elektromagnetischen Strahlung an den Ausgangswellenleitern .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens zum Betrieb eines optoelektronischen Moduls ist eine optische Ausgangsleistung des Halbleiterbauelements in dem Darstellungs zeitraum konstant . Dies ermöglicht eine besonders einfache Ansteuerung des Halbleiterbauelements .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens zum Betrieb eines optoelektronischen Moduls werden in einem Darstellungs zeitraum verschiedene Hauptwellenlängen für einen j eweils identischen Zeitraum emittiert . Vorteilhaft kann eine Veränderung der Hauptwellenlänge mit einer konstanten Geschwindigkeit erfolgen .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens zum Betrieb eines optoelektronischen Moduls wird eine optische Ausgangsleistung des Halbleiterbauelements in dem Darstellungs zeitraum synchron zu der Modulation der Hauptwellenlängen moduliert . Eine gewünschte Intensitätsverteilung an den Ausgangswellenleitern kann so durch eine Modulation der Ausgangsleistung des Halbleiterbauelements erzielt werden .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens zum Betrieb eines optoelektronischen Moduls werden die Verteilelemente ( 210 ) als aktive und steuerbare Koppelelemente bereitgestellt . Aktive Verteilelemente sind vorteilhaft besonders genau steuerbar . Beispielsweise sind die Verteilelemente als steuerbare Richtkoppler oder als steuerbare Richtkoppler mit Phasenumkehr ausgebildet . Insbesondere umfasst j edes Verteilelement ein Mach-Zehnder- Interferometer . Vorteilhaft sind die Verteilelemente als elektrooptisch steuerbare Bauelemente ausgeführt . Mit anderen Worten, eine Intensitätsverteilung auf den Ausgängen eines Verteilelements wird mittels eines elektrischen Steuersignals eingestellt . Insbesondere ist j edem Verteilelement eine Steuerleitung zugeordnet . Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens zum Betrieb eines optoelektronischen Moduls emittiert das Halbleiterbauelement elektromagnetische Strahlung mit einer konstanten Hauptwellenlänge . Dies ermöglicht eine besonders einfache Aus führung des Halbleiterbauelements .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens zum Betrieb eines optoelektronischen Moduls ist eine optische Ausgangsleistung des Halbleiterbauelements in einem Darstellungs zeitraum konstant . Die Ansteuerung des Halbleiterbauelements ist folglich vereinfacht .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens zum Betrieb eines optoelektronischen Moduls wirken die Verteilelemente als variabel modulierbare Strahlteiler , deren Aufteilung über den Darstellungs zeitraum konstant ist . Insbesondere können die Verteilelemente beliebige Aufteilungen der in sie eintretenden optischen Leistung auf die Ausgänge bewirken . Eine über den Darstellungs zeitraum konstante Aufteilung ermöglicht eine vorteilhaft geringe Anforderung an eine minimale Schaltzeit der Verteilelemente und vereinfacht deren Ansteuerung .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens zum Betrieb eines optoelektronischen Moduls wirken die Verteilelemente als optische Schalter und werden in einem Darstellungs zeitraum mehrmals geschaltet . Als Schalter ist hier und im Folgenden ein Bauelement mit idealerweise nur zwei Schalt zuständen verstanden . Ein Verteilelement kann somit die gesamte eintretende elektromagnetische Strahlung entweder auf einen ersten Ausgang oder auf einen zweiten Ausgang verteilen . Dies ermöglicht eine vereinfachte Ansteuerung der Verteilelemente . Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens zum
Betrieb eines optoelektronischen Moduls wird eine optische
Ausgangsleistung des Halbleiterbauelements in dem Darstellungs zeitraum synchron zu den Verteilelementen moduliert wird . Eine Modulation der optischen Ausgangsleistung des Halbleiterbauelements ermöglicht eine Darstellung einer gewünschten Intensitätsverteilung an den Ausgangswellenleitern bei der Verwendung von optischen Schaltern als Verteilelementen .
Ein hier beschriebenes optoelektronisches Modul eignet sich insbesondere zum Einsatz als pixelierte Lichtquellen mit einer hohen Leuchtdichte . Insbesondere als Scheinwerfer für Kraftfahrzeuge .
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des optoelektronischen Moduls ergeben sich aus den folgenden, im Zusammenhang mit den in den Figuren dargestellten Aus führungsbeispielen .
Es zeigen :
Figur 1 eine schematische Schnittansicht eines hier beschriebenen optoelektronischen Moduls gemäß einem ersten Aus führungsbeispiel ,
Figur 2 eine schematische Schnittansicht eines hier beschriebenen optoelektronischen Moduls gemäß einem zweiten Aus führungsbeispiel ,
Figur 3 eine schematische Draufsicht auf ein hier beschriebenes optoelektronisches Modul gemäß einem dritten Aus führungsbeispiel , Figur 4 eine schematische Draufsicht auf ein hier beschriebenes optoelektronisches Modul gemäß einem vierten Aus führungsbeispiel ,
Figur 5 eine perspektivische schematische Schnittansicht eines hier beschriebenen optoelektronischen Moduls gemäß einem fünften Aus führungsbeispiel ,
Figur 6 ein Ansteuerkonzept eines hier beschriebenen optoelektronischen Moduls gemäß einem ersten Aus führungsbeispiel ,
Figur 7 ein Ansteuerkonzept eines hier beschriebenen optoelektronischen Moduls gemäß einem zweiten Aus führungsbeispiel ,
Figur 8 eine schematische Schnittansicht einer hier beschriebenen Konversionsstruktur gemäß einem ersten Aus führungsbeispiel ,
Figur 9 eine schematische Schnittansicht einer hier beschriebenen Konversionsstruktur gemäß einem zweiten Aus führungsbeispiel ,
Figur 10 eine schematische Schnittansicht einer hier beschriebenen Konversionsstruktur gemäß einem dritten Aus führungsbeispiel ,
Figur 11 eine schematische Schnittansicht einer hier beschriebenen Konversionsstruktur gemäß einem vierten Aus führungsbeispiel , Figur 12 eine schematische Schnittansicht eines hier beschriebenen optoelektronischen Moduls gemäß einem sechsten Aus führungsbeispiel ,
Figur 13A eine schematische Draufsicht auf ein hier beschriebenes optoelektronisches Modul gemäß einem siebten Aus führungsbeispiel ,
Figur 13B eine schematische Schnittansicht eines hier beschriebenen optoelektronischen Moduls gemäß dem siebten Aus führungsbeispiel ,
Figur 14 eine schematische Draufsicht auf ein hier beschriebenes optoelektronisches Modul gemäß einem achten Aus führungsbeispiel ,
Figur 15 eine schematische Draufsicht auf ein hier beschriebenes optoelektronisches Modul gemäß einem neunten Aus führungsbeispiel ,
Figur 16 eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung mit einer Mehrzahl von hier beschriebenen optoelektronischen Modulen gemäß einem zehnten Aus führungsbeispiel ,
Figur 17 ein Ansteuerkonzept eines hier beschriebenen optoelektronischen Moduls gemäß einem dritten Aus führungsbeispiel , und
Figur 18 ein Ansteuerkonzept eines hier beschriebenen optoelektronischen Moduls gemäß einem vierten Aus führungsbeispiel . Gleiche , gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugs zeichen versehen . Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten . Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein .
Figur 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines hier beschriebenen optoelektronischen Moduls 1 gemäß einem ersten Aus führungsbeispiel . Das optoelektronische Modul 1 umfasst ein zur Emission von elektromagnetischer Strahlung eingerichtetes Halbleiterbauelement 10 . Die elektromagnetische Strahlung umfasst bevorzugt eine spektrale Verteilung mit einer Hauptwellenlänge im sichtbaren Spektralbereich .
Das Halbleiterbauelement 10 ist insbesondere zur Emission von kohärenter Strahlung mit einer modulierbaren Hauptwellenlänge Xi bis Xn eingerichtet . Insbesondere umfasst das Halbleiterbauelement 10 ein Laserbauelement mit einem gesampelten Gitter und einem verteilten Bragg Reflektor ( englisch : Sample Grating Distributed Bragg Reflector Laser, kurz : SG-DBR) . Alternativ ist das Halbleiterbauelement 10 mit einem Laserbauelement mit einem externen Resonator gebildet .
Die Hauptwellenlänge Xi bis Xn der von dem Halbleiterbauelement 10 emittierten elektromagnetischen Strahlung ist in einem Spektralbereich über eine Bandbreite von mindestens 25 nm, bevorzugt von mindestens 50 nm und besonders bevorzugt von mindestens 100 nm modulierbar, wobei der Spektralbereich eine Wellenlänge von 447 nm beinhaltet . Insbesondere emittiert das Halbleiterbauelement 10 eine elektromagnetische Strahlung mit einer Hauptwellenlänge Xi bis Xn zwischen 390 nm bis 480 nm .
Die Hauptwellenlänge Xi bis Xn ist mit einer Frequenz von mindestens 500 Hz , bevorzugt mindestens 1 kHz und besonders bevorzugt mindestens 2 kHz modulierbar . Eine hohe Modulations frequenz ermöglicht eine vorteilhaft geringe Zeitspanne , in der eine bestimmte Hauptwellenlänge emittiert werden kann . Insbesondere wird durch eine hohe Modulations frequenz auch eine Anzahl von verschiedenen Hauptwellenlängen Xi bis Xn erhöht , die in einem vorgegebenen Darstellungs zeitraum TD bereitgestellt werden können .
Ferner umfasst das optoelektronische Modul 1 zumindest eine Verteilstruktur 20 mit einer Mehrzahl von passiven und wellenlängenselektiven Verteilelementen 210 , zumindest einem Eingangswellenleiter 201 und einer Mehrzahl von Ausgangswellenleitern 202 . Die Verteilstruktur 20 umfasst eine planare Wellenleiterstruktur . Dies ermöglicht eine besonders kompakte Bauform mit vorteilhaft geringen optischen Koppelverlusten . Die Verteilstruktur 20 ist dazu eingerichtet , eine elektromagnetische Strahlung aus dem zumindest einen Eingangswellenleiter 201 in einem vorgegebenen Intensitätsverhältnis auf die Ausgangswellenleiter 202 zu verteilen . Die von dem Halbleiterbauelement 10 emittierte elektromagnetische Strahlung tritt durch den Eingangswellenleiter 201 in die Verteilstruktur 20 ein . Anschließend tritt die elektromagnetische Strahlung durch die Ausgangswellenleiter 202 aus der Verteilstruktur 20 aus . Jedem Ausgangswellenleiter 202 ist genau ein Verteilelement 210 zugeordnet . Vorteilhaft sind nur so viele Verteilelemente 210 wie Ausgangswellenleiter 202 nötig . Jedes Verteilelement 210 ist dazu eingerichtet , genau einen Ausgangswellenleiter 202 anzusteuern .
Die Verteilelemente 210 sind als Mach-Zehnder- Interferometer, als dielektrische Interferenz-Dünnschichtfilter, als Wellenleiter-Gitterrouter oder als Mikroringresonatoren ausgeführt . Vorteilhaft benötigen passive Verteilelemente 210 keine zusätzliche Steuerung . Die Verteilelemente 210 sind dazu eingerichtet , eine elektromagnetische Strahlung entsprechend ihrer Hauptwellenlänge Xi bis Xn aus zuwählen . Mit anderen Worten, j edes Verteilelement 210 ist einer Hauptwellenlänge Xi bis Xn zugeordnet . Die Verteilelemente 210 weisen einen spektralen Durchlassbereich mit einer Bandbreite von höchstens 2 nm, bevorzugt höchstens 1 nm auf . Insbesondere weisen die Verteilelemente 210 in dem Durchlassbereich eine hohe Strahlungsdurchlässigkeit auf . Beispielsweise wird eine elektromagnetische Strahlung außerhalb des Durchlassbereichs von dem Verteilelement 210 reflektiert oder absorbiert . Eine geringe Bandbreite ermöglicht eine Ansteuerung einer vorteilhaft hohen Anzahl von Verteilelementen 210 mit einem Halbleiterbauelement 10 , das eine elektromagnetische Strahlung mit einer begrenzten Bandbreite emittiert .
Weiter umfasst das optoelektronische Modul 1 eine Mehrzahl von Konversionsstrukturen 30 . Die Konversionsstrukturen 30 sind der Verteilstruktur 20 nachgeordnet . Die Konversionsstrukturen 30 sind zur Konversion von elektromagnetischer Strahlung einer ersten Wellenlänge zu elektromagnetischer Strahlung mit einer von der ersten Wellenlänge verschiedenen zweiten Wellenlänge eingerichtet . Die Konversionsstrukturen 30 bewirken beispielsweise eine teilweise oder vollständige Konversion der eintretenden elektromagnetischen Strahlung.
Jede Konversionsstruktur 30 umfasst ein Auskoppelelement 301, ein Diffusorelement 302 und ein Konversionselement 303. Das Auskoppelelement 301 ist ein optischer Gitterkoppler (englisch: grating coupler) . Gitterkoppler ermöglichen eine vorteilhaft hohe Effizienz, mit der eine elektromagnetische Strahlung aus einem Wellenleiter in einen Bereich ausgekoppelt wird.
Das Diffusorelement 302 ist dem Auskoppelelement 301 nachgeordnet. Insbesondere homogenisiert das Diffusorelement 302 eine aus dem Auskoppelelement 301 austretende elektromagnetische Strahlung. Das Diffusorelement 302 besitzt beispielsweise eine große Anzahl kleiner Streuzentren. Treffen parallel laufende Lichtstrahlen an verschiedenen Stellen des Diffusorelements 302 auf, werden sie insbesondere in unterschiedliche Richtung verteilt und erzeugen so diffuses Licht.
Das Konversionselement 303 enthält ein Konversionsmaterial. Insbesondere ist das Konversionsmaterial als keramisches Plättchen ausgebildet. Das Diffusorelement 302 ist zwischen dem Konversionselement 303 und dem Auskoppelelement 301 angeordnet .
Den Konversionsstrukturen 30 ist ein Optikelement 40 nachgeordnet. Das Optikelement 40 ist strahlungsdurchlässig für die aus den Konversionsstrukturen 30 austretende elektromagnetische Strahlung. Beispielsweise ist das Optikelement eine Projektionslinse. Figur 2 zeigt eine schematische Schnittansicht eines hier beschriebenen optoelektronischen Moduls 1 gemäß einem zweiten Aus führungsbeispiel . Das optoelektronische Modul 1 umfasst ein zur Emission von elektromagnetischer Strahlung eingerichtetes Halbleiterbauelement 10 . Das Halbleiterbauelement 10 ist zur Emission von kohärenter Strahlung mit einer Hauptwellenlänge im blauen Spektralbereich eingerichtet . Insbesondere ist die Hauptwellenlänge größer oder gleich 440 nm und kleiner oder gleich 475 nm . Bevorzugt ist die Hauptwellenlänge kleiner oder gleich 465 nm .
Ferner umfasst das optoelektronische Modul 1 eine Verteilstruktur 20 mit einer Mehrzahl von Verteilelementen 210 , zumindest einem Eingangswellenleiter 201 und einer Mehrzahl von Ausgangswellenleitern 202 . Die Verteilstruktur 20 umfasst eine planare Wellenleiterstruktur . Dies ermöglicht eine besonders kompakte Bauform mit vorteilhaft geringen optischen Koppelverlusten . Die Verteilstruktur 20 ist dazu eingerichtet , eine elektromagnetische Strahlung aus dem zumindest einen Eingangswellenleiter 201 in einem vorgegebenen Intensitätsverhältnis auf die Ausgangswellenleiter 202 zu verteilen . Die von dem Halbleiterbauelement 10 emittierte elektromagnetische Strahlung tritt durch den Eingangswellenleiter 201 in die Verteilstruktur 20 ein . Anschließend tritt die elektromagnetische Strahlung durch die Ausgangswellenleiter 202 aus der Verteilstruktur 20 aus .
Die Verteilelemente 210 sind aktive und steuerbare Koppelelemente . Aktive Verteilelemente 210 sind vorteilhaft besonders genau steuerbar . Beispielsweise sind die Verteilelemente 210 als steuerbare Richtkoppler oder als steuerbare Richtkoppler mit Phasenumkehr ausgebildet . Ein steuerbarer Richtkoppler mit Phasenumkehr weist eine vorteilhaft hohe Toleranz gegenüber Fertigungsschwankungen auf .
Insbesondere umfasst j edes Verteilelement 210 ein Mach- Zehnder- Interferometer . Vorteilhaft sind die Verteilelemente 210 als elektrooptisch steuerbare Bauelemente ausgeführt . Mit anderen Worten, eine Intensitätsverteilung auf den Ausgängen eines Verteilelements 210 ist mittels eines elektrischen Steuersignals einstellbar .
Jedem Verteilelement 210 ist eine Steuerleitung 211 zugeordnet . Das optoelektronische Modul 1 umfasst ferner eine Steuervorrichtung 212 , die mit den Steuerleitungen 211 verbunden ist . Über die Steuerleitungen 211 kann j edes Verteilelement 210 unabhängig von übrigen Verteilelementen 210 durch die Steuervorrichtung 212 angesteuert werden . Die Steuervorrichtung kann durch das Anlegen geeigneter elektrischer Potentiale ein Teilungsverhältnis j edes Verteilelements unabhängig voneinander einstellen .
Die Verteilelemente 210 können mit einer Frequenz von mindestens 0 , 5 GHz , bevorzugt 1 GHz , besonders bevorzugt 10 GHz moduliert werden . Als Modulation eines Verteilelements 210 gilt hier und im Folgenden ein vollständiger Schaltvorgang, also ein vollständiges Umschalten von einem ersten Ausgang zu einem zweiten Ausgang eines Verteilelements . Eine besonders hohe Modulations frequenz ermöglicht eine vorteilhaft erhöhte Anzahl an Ausgangswellenleitern 202 , die innerhalb eines vorgegebenen Darstellungs zeitraumes TD angesteuert werden können . Weiter umfasst das optoelektronische Modul 1 eine Mehrzahl von Konversionsstrukturen 30. Die Konversionsstrukturen 30 sind der Verteilstruktur 20 nachgeordnet. Die
Konversionsstrukturen 30 sind zur Konversion von elektromagnetischer Strahlung einer ersten Wellenlänge zu elektromagnetischer Strahlung mit einer von der ersten Wellenlänge verschiedenen zweiten Wellenlänge eingerichtet. Die Konversionsstrukturen 30 bewirken beispielsweise eine teilweise oder vollständige Konversion der eintretenden elektromagnetischen Strahlung. Vorteilhaft ist die Hauptwellenlänge des Halbleiterbauelements 10 derart ausgewählt, dass sie als effiziente Pumpwellenlänge für die Konversionsstruktur 30 dient.
Jede Konversionsstruktur 30 umfasst ein Auskoppelelement 301, ein Diffusorelement 302 und ein Konversionselement 303. Das Auskoppelelement 301 ist ein optischer Gitterkoppler (englisch: grating coupler) . Gitterkoppler ermöglichen eine vorteilhaft hohe Effizienz, mit der eine elektromagnetische Strahlung aus einem Wellenleiter in einen Bereich ausgekoppelt wird.
Das Diffusorelement 302 ist dem Auskoppelelement 301 nachgeordnet. Insbesondere homogenisiert das Diffusorelement 302 eine aus dem Auskoppelelement 301 austretende elektromagnetische Strahlung. Das Diffusorelement 302 besitzt beispielsweise eine große Anzahl kleiner Streuzentren. Treffen parallel laufende Lichtstrahlen an verschiedenen Stellen des Diffusorelements 302 auf, werden sie insbesondere in unterschiedliche Richtung verteilt und erzeugen so diffuses Licht. Das Konversionselement 303 enthält ein Konversionsmaterial. Insbesondere ist das Konversionsmaterial als keramisches Plättchen ausgebildet. Das Diffusorelement 302 ist zwischen dem Konversionselement 303 und dem Auskoppelelement 301 angeordnet .
Den Konversionsstrukturen 30 ist ein Optikelement 40 nachgeordnet. Das Optikelement 40 ist strahlungsdurchlässig für die aus den Konversionsstrukturen 30 austretende elektromagnetische Strahlung. Beispielsweise ist das Optikelement eine Projektionslinse.
Figur 3 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein hier beschriebenes optoelektronisches Modul 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Das dritte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem in der Figur 2 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel. Die Verteilstruktur 20, die Konversionsstrukturen 30 und ein Einkoppelelement 2011 sind auf einem gemeinsamen Träger 60 angeordnet. Der Träger 60 ist beispielsweise mit einem der folgenden Materialen gebildet: III/V-Verbindungshalbleitermaterial, Silizium auf einem Isolator (englisch: Silicon-on-Insulator, kurz SOI) , Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Indiumphosphid, Galliumarsenid, Diamant, Diamant auf einem Isolator (englisch: Diamond-on-Insulator, kurz DOI) , Lithiumniobat , Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Galliumnitrid.
Das Einkoppelelement 2011 ist dem Eingangswellenleiter 201 zugeordnet. Das Einkoppelelement 2011 ist als ein Gitterkoppler ausgeführt. Das Halbleiterbauelement 10 ist über einen Lichtwellenleiter 50 optisch mit dem Einkoppelelement 2011 verbunden. Mit anderen Worten, die elektromagnetische Strahlung aus dem Halbleiterbauelement 10 tritt zunächst in den Lichtwellenleiter 50 ein und wird anschließend aus dem Lichtwellenleiter 50 über das Einkoppelelement 2011 in den Eingangswellenleiter 201 eingekoppelt . Das Einkoppelelement 2011 ermöglicht insbesondere eine verbesserte Koppelef fi zienz zwischen dem Halbleiterbauelement 10 und dem Eingangswellenleiter 201 .
Figur 4 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein hier beschriebenes optoelektronisches Modul 1 gemäß einem vierten Aus führungsbeispiel . Das vierte Aus führungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem in der Figur 3 gezeigten dritten Aus führungsbeispiel . Im Unterschied zu dem dritten Aus führungsbeispiel ist das Halbleiterbauelement 10 auf dem Träger 60 angeordnet . So kann ein besonders kompaktes optoelektronisches Modul 1 bereitgestellt werden .
Figur 5 zeigt eine perspektivische schematische Schnittansicht eines hier beschriebenen optoelektronischen Moduls 1 gemäß einem fünften Aus führungsbeispiel . Das fünfte Aus führungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem in der Figur 3 gezeigten dritten Aus führungsbeispiel . Zusätzlich ist an einer Rückseite des Trägers 60 eine Wärmesenke 70 angeordnet . Die Wärmesenke 70 ermöglicht eine ef fi ziente Abfuhr von Wärme aus den Konversionsstrukturen 30 . Die Wärmesenke 70 ist mit einem Material gebildet , dass eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist , beispielsweise mit einem Metall oder einer Keramik .
Ferner ist den Konversionsstrukturen 30 eine Mehrzahl von Optikelementen 40 nachgeordnet . Die Optikelemente 40 sind zur Strahl formung ausgebildet . Die Optikelemente sind insbesondere mit einem strahlungsdurchlässigen Polymer, beispielsweise Polymethylmethacrylat , kurz PMMA, oder einem Glas gebildet. Vorteilhaft bewirken die Optikelemente 40 eine Kollimation der aus den Konversionsstrukturen 30 austretenden elektromagnetischen Strahlung.
Figur 6 zeigt ein Ansteuerkonzept eines hier beschriebenen optoelektronischen Moduls 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Ein optoelektronisches Modul 1 mit einem Halbleiterbauelement 10 und einer Verteilstruktur 20 wird angesteuert. Das Halbleiterbauelement 10 emittiert eine elektromagnetische Strahlung mit einer konstanten Hauptwellenlänge im sichtbaren Spektralbereich. Die Verteilstruktur 20 umfasst eine Mehrzahl von aktiven und steuerbaren Verteilelementen 210. Die Verteilelemente 210 weisen jeweils einen Eingang und zwei Ausgänge auf. Die Ausgänge der Verteilelemente 210 sind mit eindeutigen Bezeichnungen Al, A2, Bl, B2, B3 und B4 versehen.
Das Ansteuerkonzept zeigt einen Verlauf der Ansteuerung aller Ausgänge Al, A2, Bl, B2, B3 und B4 der Verteilelemente 210 und der optischen Ausgangsleistung des Halbleiterbauelements 10 über einen Darstellungszeitraum TD.
Der Darstellungszeitraum TD beschreibt einen Zeitraum, in dem eine gewünschte Intensitätsverteilung der elektromagnetischen Strahlung an den Ausgangswellenleitern 202 bereitgestellt wird. Vorteilhaft ist der Darstellungszeitraum TD so kurz, dass für einen menschlichen Betrachter kein Eindruck eines Flimmerns entsteht. Beispielsweise ist der Darstellungszeitraum TD höchstens 1/30 s, bevorzugt höchstens 1/60 s und besonders bevorzugt höchstens 1/100 s lang.
Die Verteilelemente 210 wirken als optische Schalter. In dem Darstellungszeitraum TD werden die Verteilelemente 210 mehrmals geschaltet . Der Wert „1" bedeutet , dieser Ausgang ist aktiv und elektromagnetische Strahlung tritt an diesem Ausgang aus . Der Wert „0" bedeutet , dieser Ausgang ist nicht aktiv und an diesem Ausgang tritt keine elektromagnetische Strahlung aus . Zu einem ersten Zeitpunkt innerhalb des Darstellungs zeitraumes TD sind die Ausgänge Al und Bl der Verteilelemente 210 aktiv . Folglich tritt elektromagnetische Strahlung an dem obersten Ausgangswellenleiter 202 aus und wird durch die oberste Konversionsstruktur 30 emittiert . Die Verteilelemente 210 werden mit einer Frequenz von mindestens 0 , 5 GHz , bevorzugt mindestens 1 GHz , besonders bevorzugt mindestens 10 GHz moduliert .
Die optische Ausgangsleistung des Halbleiterbauelements 10 wird in dem Darstellungs zeitraum TD synchron zu den Verteilelementen 210 moduliert . So kann durch eine gezielte Ansteuerung der Verteilelemente 210 j eder Ausgangswellenleiter 202 mit einer gewünschten Intensitätsverteilung beleuchtet werden .
Figur 7 zeigt ein Ansteuerkonzept eines hier beschriebenen optoelektronischen Moduls 1 gemäß einem zweiten Aus führungsbeispiel . Der Aufbau des angesteuerten optoelektronischen Moduls 1 entspricht im Wesentlichen dem in der Figur 6 gezeigten optoelektronischen Moduls 1 . Im Unterschied zu dem in der Figur 6 gezeigten Ansteuerkonzept ist eine optische Ausgangsleistung des Halbleiterbauelements 10 in dem Darstellungs zeitraum TD konstant . Die Verteilelemente 210 wirken als variabel modulierbare Strahlteiler , deren Aufteilung über den Darstellungs zeitraum TD konstant ist . Das erste Verteilelement 210 mit den Ausgängen Al und A2 ist derart angesteuert , dass sich 50 % der eingestrahlten Intensität auf den Ausgang Al und 50 % der eingestrahlten Intensität auf den Ausgang A2 verteilen . In dem nachgeordneten Verteilelement mit den Ausgängen Bl und B2 verteilen sich 34 % der eingestrahlten Intensität auf den Ausgang Bl und die übrigen 66 % der eingestrahlten Intensität auf den Ausgang B2 . So ergibt sich an dem Ausgangswellenleiter 202 eine gewünschte Int ensitäts Verteilung .
Vorteilhaft kann so auf mehrfache Schaltvorgänge der Verteilelemente 210 innerhalb des Darstellungs zeitraumes TD verzichtet werden . Ferner kann auf eine Modulation der optischen Ausgangsleistung des Halbleiterbauelements 10 verzichtet werden . Das Halbleiterbauelement 10 befindet sich im cw-Betrieb .
Zusätzlich kann in der Verteilstruktur 20 ein Ausgangswellenleiter 202 als Lichtsenke vorgesehen sein . Überschüssige optische Leistung kann so in der Lichtsenke absorbiert werden .
Figur 8 zeigt eine schematische Schnittansicht einer hier beschriebenen Konversionsstruktur 30 gemäß einem ersten Aus führungsbeispiel . Die Konversionsstruktur 30 umfasst ein Auskoppelelement 301 , ein Di f fusorelement 302 und ein Konversionselement 303 . Das Auskoppelelement 301 ist beispielsweise ein optischer Gitterkoppler ( englisch : grating coupler ) . Gitterkoppler ermöglichen eine vorteilhaft hohe Ef fi zienz , mit der eine elektromagnetische Strahlung aus einem Wellenleiter in einen Bereich ausgekoppelt wird . Das Auskoppelelement 301 weist eine Strukturierung mit einer Mehrzahl von Erhebungen 3010 und Vertiefungen 3011 auf einer dem Di f fusorelement 302 zugewandten Seite auf .
Das Di f fusorelement 302 ist zwischen dem Auskoppelelement 301 und dem Konversionselement 303 angeordnet . Das Di f fusorelement homogenisiert eine aus dem Auskoppelelement 301 austretende elektromagnetische Strahlung . Das Di f fusorelement 302 besitzt eine große Anzahl von Streuzentren . Tref fen parallel laufende Lichtstrahlen an verschiedenen Stellen des Di f fusorelements 302 auf , werden sie insbesondere in unterschiedliche Richtung verteilt und erzeugen so di f fuses Licht .
Das Konversionselement 303 enthält ein Konversionsmaterial . Insbesondere ist das Konversionsmaterial als keramisches Plättchen ausgebildet . Das Konversionselement 303 konvertiert eine elektromagnetische Strahlung einer ersten Hauptwellenlänge Xi zu einer elektromagnetischen Strahlung einer zweiten Hauptwellenlänge X2 . Insbesondere ist die zweite Hauptwellenlänge X2 größer als die erste Hauptwellenlänge Xi . Beispielsweise wird eine erste elektromagnetische Strahlung teilweise oder vollständig konvertiert . Bei einer teilweisen Konversion emittiert das Konversionselement 303 eine Mischstrahlung aus konvertierter und unkonvertierter elektromagnetischer Strahlung . Das Konversionselement 303 ist mechanisch selbsttragend .
Figur 9 zeigt eine schematische Schnittansicht einer hier beschriebenen Konversionsstruktur 30 gemäß einem zweiten Aus führungsbeispiel . Das zweite Aus führungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem in der Figur 8 gezeigten ersten Aus führungsbeispiel . Im Unterschied zu dem ersten Aus führungsbeispiel umfasst die Konversionsstruktur 30 kein Di f fusorelement 302 . Das Konversionselement 303 ist direkt an dem Auskoppelelement 301 angeordnet . Das Konversionselement 303 ist mechanisch selbsttragend und liegt auf den Erhebungen 3010 des Auskoppelelements 301 auf .
Figur 10 zeigt eine schematische Schnittansicht einer hier beschriebenen Konversionsstruktur 30 gemäß einem dritten Aus führungsbeispiel . Das dritte Aus führungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem in der Figur 9 gezeigten zweiten Aus führungsbeispiel . Im Unterschied zu dem zweiten Aus führungsbeispiel ist das Konversionselement 303 mittels Sprühbeschichten auf dem Auskoppelelement 301 aufgebracht . Beispielsweise ist das Konversionselement 303 mit einem Matrixmaterial gebildet , in das Partikel eines Leuchtstof fes eingebettet sind . Als Matrixmaterial eignet sich insbesondere ein strahlungsdurchlässiges Polymer, beispielsweise ein Polysiloxan . Das Konversionselement 303 erstreckt sich bis in die Vertiefungen 3011 des Auskoppelelements 301 . Das Konversionselement 303 überragt das Auskoppelelement 301 in einer lateralen Richtung . Vorteilhaft ergibt sich so eine besonders gute Haftung zwischen dem Auskoppelelement 301 und dem Konversionselement 303 .
Figur 11 zeigt eine schematische Schnittansicht einer hier beschriebenen Konversionsstruktur 30 gemäß einem vierten Aus führungsbeispiel . Das vierte Aus führungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem in der Figur 10 gezeigten dritten Aus führungsbeispiel . Im Unterschied zu dem dritten Aus führungsbeispiel ist das Konversionselement 303 strukturiert . Das Konversionselement 303 ist beispielsweise mittels Photolithographie strukturiert . Die laterale Erstreckung des Konversionselements 303 entspricht der lateralen Erstreckung der Erhebungen 3010 der Strukturierung des Auskoppelelements 301 .
Figur 12 zeigt eine schematische Schnittansicht eines hier beschriebenen optoelektronischen Moduls 1 gemäß einem sechsten Aus führungsbeispiel . Das sechste Aus führungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem in der Figur 1 gezeigten ersten Aus führungsbeispiel . Im Unterschied zu dem ersten Aus führungsbeispiel umfasst das Halbleiterbauelement 10 eine Mehrzahl von Halbleiteremittern 11 , 12 , 13 . Ein erster Halbleiteremitter 11 emittiert eine elektromagnetische Strahlung mit einer variablen ersten Hauptwellenlänge Xi in einem ersten Spektralbereich, ein zweiter Halbleiteremitter 12 emittiert eine elektromagnetische Strahlung mit einer variablen zweiten Hauptwellenlänge X3 in einem zweiten Spektralbereich und ein dritter Halbleiteremitter 13 emittiert eine elektromagnetische Strahlung mit einer variablen dritten Hauptwellenlänge X3 in einem dritten Spektralbereich .
Die erste Hauptwellenlänge Xi, die zweite Hauptwellenlänge X2 und die dritte Hauptwellenlänge X3 sind verschieden voneinander . Bevorzugt überlappen sich die Spektralbereiche der ersten elektromagnetischen Strahlung, der zweiten elektromagnetischen Strahlung und der dritten elektromagnetischen Strahlung nicht . Durch die Verwendung von mehreren Halbleiteremittern 11 , 12 , 13 kann das Halbleiterbauelement 10 eine elektromagnetische Strahlung über eine größere Bandbreite emittieren .
Alternativ sind die erste , zweite und dritte Hauptwellenlänge Xi, X2 , X3 identisch . Wenn j edem Halbleiteremitter 11 , 12 , 13 ein eigener Eingangswellenleiter 201 zugeordnet ist , kann auf eine Unterscheidung der ersten, zweiten und dritten Hauptwellenlängen Xi, X2 , X3 verzichtet werden . Vorteilhaft ist so eine besonders geringe Abweichung der Emissionswellenlänge in den einzelnen Ausgangswellenleitern 202 möglich .
Jedem Halbleiteremitter 11 , 12 , 13 ist ein Eingangswellenleiter 201 zugeordnet . Vorteilhaft kann so eine benötigte Anzahl von Verteilelementen 210 in der Verteilstruktur 20 reduziert werden . Beispielsweise sind dem ersten Halbleiteremitter 11 eine erste Anzahl von Ausgangswellenleitern 202 zugeordnet , dem zweiten Halbleiteremitter 12 eine zweite Anzahl von Ausgangswellenleitern 202 zugeordnet und dem dritten Halbleiteremitter 13 eine dritte Anzahl von Ausgangswellenleitern 202 zugeordnet .
Figur 13A zeigt eine schematische Draufsicht auf ein hier beschriebenes optoelektronisches Modul 1 gemäß einem siebten Aus führungsbeispiel . Das siebte Aus führungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem in der Figur 1 gezeigten ersten Aus führungsbeispiel . Die Verteilelemente 210 sind als Mikroringresonatoren ausgebildet . Aus dem optoelektronischen Halbleiterbauelement 10 wird eine elektromagnetische Strahlung mit unterschiedlichen Hauptwellenlängen Xi bis Xn emittiert . Jedes Verteilelement 210 weist einen Durchlassbereich für eine der Hauptwellenlängen Xi bis Xn auf . Jedem Ausgangswellenleiter 202 ist ein Verteilelement 210 zugeordnet .
Die Verteilstruktur 20 , die Konversionsstrukturen 30 und ein
Einkoppelelement 2011 sind auf einem gemeinsamen Träger 60 angeordnet . Der Träger 60 ist beispielsweise mit einem der folgenden Materialen gebildet: III/V- Verbindungshalbleitermaterial , Silizium auf einem Isolator
(englisch: Silicon-on-Insulator, kurz SOI) , Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Indiumphosphid, Galliumarsenid, Diamant, Diamant auf einem Isolator (englisch: Diamond-on-Insulator, kurz DOI) , Lithiumniobat , Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Galliumnitrid .
Figur 13B zeigt eine schematische Schnittansicht eines hier beschriebenen optoelektronischen Moduls 1 gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel. Figur 13B zeigt einen Schnitt durch die Figur 13A entlang der Schnittlinie AA. In der Schnittansicht ist der Aufbau der Konversionsstruktur 30 erkennbar. Zwischen einem Konversionselement 303 und einem Auskoppelelement 301 ist ein Diffusorelement 302 angeordnet. Der Eingangswellenleiter 201 ist auf dem Träger 60 angeordnet.
Figur 14 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein hier beschriebenes optoelektronisches Modul 1 gemäß einem achten Ausführungsbeispiel. Das achte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem in der Figur 3 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu dem dritten Ausführungsbeispiel sind die Verteilstruktur 20 passive, wellenlängenselektive Filterelemente. Insbesondere sind die Verteilelemente 210 als passive Mach-Zehnder-Interferometer ausgebildet. Da Interferometer wellenlängenempfindlich sind, sind sie für das Wellenlängenmultiplexing geeignet. Ein Mach- Zehnder-Interferometer kann als Zweiwellenlängendemultiplexer eingesetzt werden. Um die Komponenten der Wellenlängen Xi und X2 zu unterschiedlichen Ausgängen zu leiten, wird die Differenz Ad der Weglängen so gewählt, dass die Phasendifferenz <|) = 2nd/X bei Xi ein geradzahliges Vielfaches von n und bei X2 ein ungeradzahliges Vielfaches von n ist. Das heißt Ad = qi*Xi/2 bzw . Ad = q2*Ä2/2 , wobei qi eine gerade ganze Zahl ist und q2 eine ungerade ganze Zahl . Mehrere Mach- Zehnder- Interferometer können hintereinander eingesetzt werden, um mehr als zwei Wellenlängen zu trennen .
Figur 15 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein hier beschriebenes optoelektronisches Modul 1 gemäß einem neunten Aus führungsbeispiel . Das neunte Aus führungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem in der Figur 1 gezeigten ersten Aus führungsbeispiel . Die Verteilelemente 210 sind als Interferenz-Dünnschichtfilter ausgebildet . Auf einem Träger 60 sind die Verteilelemente 210 und eine Mehrzahl von Reflektoren 203 angeordnet . Die Reflektoren 203 sind beispielsweise mit einem breitbandig reflektierenden Material , insbesondere Silber, gebildet . Der Träger 60 ist als Gradientenindexstab ausgebildet .
Die Trennung der Hauptwellenlängen Xi bis Xn erfolgt durch eine Anordnung von unterschiedlichen Filtern . Dabei wird die einfallende elektromagnetische Strahlung auf die Filter gelenkt , von denen j edes eine einzelne Hauptwellenlänge passieren lässt und die anderen blockiert . Die einfallende elektromagnetische Strahlung wird durch eine Folge von schmalbandigen Interferenz-Dünnschichtfilter geführt , die j eweils eine Wellenlänge in einem Durchlassbereich transmittieren und alle übrigen Wellenlängen auf das folgende Filter reflektieren .
Figur 16 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung mit einer Mehrzahl von hier beschriebenen optoelektronischen Modulen 1 gemäß einem zehnten Aus führungsbeispiel . Zwei optoelektronische Module 1 sind derart angeordnet , dass die Konversionsstrukturen 30 der beiden optoelektronischen Module 1 aneinander angrenzen .
Die optoelektronischen Module 1 sind im Wesentlichen identisch zu dem in der Figur 1 gezeigten Aus führungsbeispiel eines optoelektronischen Moduls . Durch die Verwendung von mehreren optoelektronischen Modulen 1 ermöglicht eine besonders einfache Skalierbarkeit der Anzahl von ansteuerbaren Konversionsstrukturen 30 . Bevorzugt sind die verwendeten optoelektronischen Module identisch ausgebildet .
Figur 17 zeigt ein Ansteuerkonzept eines hier beschriebenen optoelektronischen Moduls 1 gemäß einem dritten Aus führungsbeispiel . Ein optoelektronisches Modul 1 mit einem Halbleiterbauelement 10 und einer Verteilstruktur 20 wird angesteuert . Das Halbleiterbauelement 10 emittiert elektromagnetische Strahlung mit verschiedenen diskreten Hauptwellenlängen, bevorzugt im sichtbaren Spektralbereich . Die Verteilstruktur 20 umfasst eine Mehrzahl von Verteilelementen 210 , die als passive und wellenlängenselektive Filterelemente bereitgestellt werden . Die Verteilelemente 210 weisen j eweils einen Ausgang auf . Die Ausgänge der Verteilelemente 210 sind mit eindeutigen Bezeichnungen Bl , B2 , B3 und B4 versehen .
Das Ansteuerkonzept zeigt einen Verlauf der von dem Halbleiterbauelement 10 emittierten Hauptwellenlänge Xi bis X4 und der optischen Ausgangsleistung des Halbleiterbauelements 10 über einen Darstellungs zeitraum TD . Der Darstellungs zeitraum TD beschreibt einen Zeitraum, in dem eine gewünschte Intensitätsverteilung der elektromagnetischen Strahlung an den Ausgangswellenleitern 202 bereitgestellt wird . Vorteilhaft ist der Darstellungs zeitraum TD so kurz , dass für einen menschlichen Betrachter kein Eindruck eines Flimmerns entsteht . Beispielsweise ist der Darstellungs zeitraum TD höchstens 1 / 30 s , bevorzugt höchstens 1 / 60 s und besonders bevorzugt höchstens 1 / 100 s lang .
Die optische Ausgangsleistung des Halbleiterbauelements 10 ist in dem Darstellungs zeitraum TD konstant .
In dem Darstellungs zeitraum TD werden verschiedene Hauptwellenlängen Xi bis X4 für j eweils einen von der Hauptwellenlänge abhängigen Zeitraum emittiert . Für elektromagnetische Strahlung mit der zweiten Hauptwellenlänge X2 ist nur das Verteilelement 210 mit dem Ausgang B2 durchlässig . Folglich tritt elektromagnetische Strahlung an dem zweiten Ausgangswellenleiter 202 von oben aus und wird durch die nachgeordnete Konversionsstruktur 30 emittiert . So kann durch eine gezielte Veränderung der von dem Halbleiterbauelement 10 emittierten Hauptwellenlänge j eder Ausgangswellenleiter 202 mit einer gewünschten Intensitätsverteilung beleuchtet werden .
Figur 18 zeigt ein Ansteuerkonzept eines hier beschriebenen optoelektronischen Moduls 1 gemäß einem vierten Aus führungsbeispiel . Der Aufbau des angesteuerten optoelektronischen Moduls 1 entspricht im Wesentlichen dem in der Figur 17 gezeigten optoelektronischen Moduls 1 . Im Unterschied zu dem in der Figur 17 gezeigten Ansteuerkonzept wird eine optische Ausgangsleistung des Halbleiterbauelements 10 in dem Darstellungs zeitraum TD moduliert .
In dem Darstellungs zeitraum TD werden verschiedene Hauptwellenlängen für einen j eweils identischen Zeitraum emittiert . Vorteilhaft kann so eine Änderungsrate der Hauptwellenlänge konstant eingestellt werden . Die optische Ausgangsleistung des Halbleiterbauelements 10 wird in dem Darstellungs zeitraum TD synchron zu der Modulation der Hauptwellenlängen moduliert . Beispielsweise emittiert das Halbleiterbauelement 1 keine elektromagnetische Strahlung mit der ersten Hauptwellenlänge , um den Ausgangswellenleiter 202 mit dem Ausgang Bl folglich nicht zu beleuchten . Eine gewünschte Intensitätsverteilung an den Ausgangswellenleitern 202 kann so durch eine Modulation der Ausgangsleistung des Halbleiterbauelements 10 erzielt werden .
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Aus führungsbeispiele beschränkt . Vielmehr umfasst die Erfindung j edes neue Merkmal sowie j ede Kombination von Merkmalen, was insbesondere j ede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet , auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht expli zit in den Patentansprüchen oder Aus führungsbeispielen angegeben ist .
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 102022106271 . 6 , deren Of fenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird .
Bezugs zeichenliste
I optoelektronisches Modul
10 Halbleiterbauelement
I I erster Halbleiteremitter
12 zweiter Halbleiteremitter
13 dritter Halbleiteremitter
20 Verteilstruktur
201 Eingangswellenleiter
2011 Einkoppelelement
202 Ausgangswellenleiter
203 Reflektor
210 Verteilelement
211 Steuerleitung
212 Steuervorrichtung
30 Konversionsstruktur
301 Auskoppelelement
3010 Erhebung
3011 Vertiefung
302 Di f fusorelement
303 Konversionselement
40 Optikelement
50 Lichtwellenleiter
60 Träger
70 Wärmesenke
TD Darstellungs zeitraum
Xi erste Hauptwellenlänge
X2 zweite Hauptwellenlänge
X3 dritte Hauptwellenlänge
Xn n-te Hauptwellenlänge

Claims

Patentansprüche
1. Optoelektronisches Modul (1) , umfassend
- ein zur Emission von elektromagnetischer Strahlung eingerichtetes Halbleiterbauelement (10) ,
- eine Verteilstruktur (20) mit einer Mehrzahl von
Verteilelementen (210) , zumindest einem Eingangswellenleiter (201) und einer Mehrzahl von Ausgangswellenleitern (202) , und
- eine Mehrzahl von Konversionsstrukturen (30) , wobei
- die Verteilelemente (210) , der zumindest eine
Eingangswellenleiter (201) und die Ausgangswellenleiter (202) monolithisch auf einem Substrat integriert sind,
- die von dem Halbleiterbauelement (10) emittierte elektromagnetische Strahlung durch den Eingangswellenleiter (201) in die Verteilstruktur (20) eintritt,
- die elektromagnetische Strahlung durch die
Ausgangswellenleiter (202) aus der Verteilstruktur (20) austritt, und
- je einem Ausgangswellenleiter (202) eine Konversionsstruktur (30) nachgeordnet ist.
2. Optoelektronisches Modul (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, bei dem
- die Verteilelemente (210) passive und wellenlängenselektive Filterelemente sind.
3. Optoelektronisches Modul (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, bei dem
- die Verteilelemente (210) einen Durchlassbereich mit einer Bandbreite von höchstens 2 nm, bevorzugt höchstens 1 nm aufweisen .
4. Optoelektronisches Modul (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 2 und 3, bei dem
- das Halbleiterbauelement (10) zur Emission von kohärenter Strahlung mit einer modulierbaren Hauptwellenlänge eingerichtet ist.
5. Optoelektronisches Modul (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, bei dem
- die Hauptwellenlänge der von dem Halbleiterbauelement (10) emittierten elektromagnetischen Strahlung in einem Spektralbereich über eine Bandbreite von mindestens 25 nm, bevorzugt von mindestens 50 nm und besonders bevorzugt von mindestens 100 nm modulierbar ist, wobei der Spektralbereich eine Wellenlänge von 447 nm beinhaltet.
6. Optoelektronisches Modul (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, bei dem
- die Hauptwellenlänge mit einer Frequenz von mindestens 500 Hz, bevorzugt mindestens 1 kHz und besonders bevorzugt mindestens 2 kHz modulierbar ist.
7. Optoelektronisches Modul (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 6, bei dem
- das Halbleiterbauelement (10) zumindest zwei Halbleiteremitter (11, 12) umfasst, wobei der erste Halbleiteremitter (11) zur Emission einer elektromagnetischen Strahlung mit einer variablen Hauptwellenlänge in einem ersten Spektralbereich eingerichtet ist und ein zweiter Halbleiteremitter (12) zur Emission einer elektromagnetischen Strahlung mit einer variablen Hauptwellenlänge in einem zweiten Spektralbereich eingerichtet ist.
8. Optoelektronisches Modul (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, bei dem
- jedem Halbleiteremitter (11, 12) ein Eingangswellenleiter (201) zugeordnet ist.
9. Optoelektronisches Modul (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 8, bei dem
- jedem Ausgangswellenleiter (202) genau ein Verteilelement (210) zugeordnet ist.
10. Optoelektronisches Modul (1) gemäß Anspruch 1, bei dem
- die Verteilelemente (210) aktive und steuerbare Koppelelemente sind.
11. Optoelektronisches Modul (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, bei dem
- die Verteilelemente (210) mit einer Frequenz von mindestens 0,5 GHz, bevorzugt 1 GHz, besonders bevorzugt 10 GHz modulierbar sind.
12. Optoelektronisches Modul (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 10 und 11, bei dem
- das Halbleiterbauelement (10) zur Emission von kohärenter Strahlung mit einer Hauptwellenlänge im blauen Spektralbereich eingerichtet ist.
13. Optoelektronisches Modul (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem
- jede Konversionsstruktur (30) ein Auskoppelelement (301) umfasst .
14. Optoelektronisches Modul (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem - jede Konversionsstruktur (30) ein Diffusorelement (302) umfasst .
15. Optoelektronisches Modul (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem
- jedem Eingangswellenleiter (201) ein Einkoppelelement (2011) zugeordnet ist.
16. Optoelektronisches Modul (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem
- das Halbleiterbauelement (10) mit einem III/V- Verbindungshalbleitermaterial gebildet ist.
17. Optoelektronisches Modul (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem
- die Verteilstruktur (20) mit einem der folgenden Materialien gebildet ist: III/V-Verbindungshalbleitermaterial
(insbesondere identisch zum Halbleiterbauelement) , Silizium auf einem Isolator (englisch: Silicon-on-Insulator, kurz SOI) , Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Indiumphosphid, Galliumarsenid, Diamant, Diamant auf einem Isolator (englisch: Diamond-on-Insulator, kurz DOI) , Lithiumniobat , Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Galliumnitrid.
18. Optoelektronisches Modul (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem
- das optoelektronische Modul (1) mindestens 10, bevorzugt mindestens 30, besonders bevorzugt mindestens 100 Ausgangswellenleiter (202) umfasst.
19. Verfahren zum Betrieb eines optoelektronischen Moduls
(1) gemäß Anspruch 1, wobei - die Verteilelemente (210) als passive und wellenlängenselektive Filterelemente bereitgestellt werden,
- das Halbleiterbauelement (10) elektromagnetische Strahlung mit verschiedenen diskreten Hauptwellenlängen emittiert, wobei
- in einem Darstellungszeitraum (TD) verschiedene Hauptwellenlängen für jeweils einen von der Hauptwellenlänge abhängigen Zeitraum emittiert werden, und
- eine optische Ausgangsleistung des Halbleiterbauelements
(10) in dem Darstellungszeitraum (TD) konstant ist, oder wobei
- in einem Darstellungszeitraum (TD) verschiedene Hauptwellenlängen für einen jeweils identischen Zeitraum emittiert werden, und
- eine optische Ausgangsleistung des Halbleiterbauelements
(10) in dem Darstellungszeitraum (TD) synchron zu der Modulation der Hauptwellenlängen moduliert wird.
20. Verfahren zum Betrieb eines optoelektronischen Moduls
(1) gemäß Anspruch 1, wobei
- die Verteilelemente (210) als aktive und steuerbare Koppelelemente bereitgestellt werden,
- das Halbleiterbauelement (10) elektromagnetische Strahlung mit einer konstanten Hauptwellenlänge emittiert, wobei
- eine optische Ausgangsleistung des Halbleiterbauelements
(10) in einem Darstellungszeitraum (TD) konstant ist, und
- die Verteilelemente (210) als variabel modulierbare Strahlteiler wirken, deren Aufteilung über den Darstellungszeitraum (TD) konstant ist, oder wobei
- die Verteilelemente (210) als optische Schalter wirken, und in einem Darstellungszeitraum (TD) mehrmals geschaltet werden, und - eine optische Ausgangsleistung des Halbleiterbauelements
(10) in dem Darstellungszeitraum (TD) synchron zu den
Verteilelementen (210) moduliert wird.
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