CN101061611B - 激光器和检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的检测器设置于激光器的无源侧，以检测通过无源侧反射镜的光子泄漏，并通过肖特基接触测定检测器中生成的电流。

Description

激光器和检测装置
技术领域
本发明涉及光学装置，具体来说，涉及激光器和光检测器。 
背景技术
典型的激光器包括2个反射镜和有源区谐振腔。在垂直谐振腔表面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Lasers：VCSELS)中有2个反射镜，分别为具有较大反射率的底部反射镜和通过其使光输出的顶部反射镜。此外还有介于两个反射镜之间产生光的有源区。上述反射镜在典型情况下是“掺杂的”，这意味着有杂质掺入到材料中以使其导电。该有源区在典型情况下是“本征的”，是指该有源区并未为得到显著的导电性而掺杂。 
电泵浦激光器获得输入电流并将其转换为光功率输出。作为输入多少电流的函数的激光器发射多少激光取决于若干参数。首先是激光器结构的细节。激光器结构可以针对高输出功率进行优化，但因此而要求高输入电流，也可以针对低电流工作进行优化，但将不会有较多的光输出。 
涉及激光器工作另有3个主要参数：阈值电流、差分量子效率和最大功率输出点。如图1的激光器的一个实例特性曲线100所示，阈值电流102是激光器开始“发出激光”的最小电流。低于该阈值电流104该装置便起到发光二极管(LED)的作用。差分量子效率106是每单位输入电流变化量的输出功率变化量。最大功率输出点108是激光器所能输出的最大功率，与达到该输出功率所要求的输入电流有关。 
影响激光器工作的其他非结构条件为：1)激光器温度；2)激光器的自然老化；以及3)激光器因环境、机械或电气冲击所造成的退化。 
每个半导体激光器都具有描述输入电流和激光器输出功率之间的关系的工作特性曲线。图2中给出一个这样的具有代表性的曲线。如图2所示，当激光器工作时，通常设定2种电流，分别为与“截止”或“0”逻辑状态相对应的电流(I偏置)和与“导通”或“1”逻辑状态相对应的电流(I偏置+I调制)，其中I偏置为偏置电流，I调制为调制电流。当非结构条件中的任何一个或多个条件改变时，激光器的输出功率和输入电流之间的特性关系也变  化。这样就典型地造成激光特性曲线的“扁平化”，称之为处于“退化”状态。 
图3是图2的复制曲线并将其与处于退化状态下的同一个装置的实例曲线并列。如图3所示，该退化状态造成I偏置水平处于该激光器只是LED的区域中。结果，如图3所示，必须改变对于I偏置和/或I调制的设定来实现相同的或可接受的输出功率性能。 
当然，某些情况下激光器将随时间发生严重退化，以致于即便是改变偏置电流和调制电流仍无法达到原始(或者至少是最低要求)的输出功率。在此意义上激光器可以说即使不是实际上，在效果上也已经失效。 
为了解决激光器退化的问题和适应非结构性变化，通常对激光输出进行测定以便能有规律地调节I偏置和/或I调制的设定以应对任何这类变化。为了做到这一点，设计师设法对激光输出功率进行精确取样，并以实时方式连续辨别何时必须改变I偏置和/或I调制的设定，按与电路中的反馈补偿相类似的方法对其进行调节。 
对发射器组件进行该项工作的一个方法如图4所示。分立的检测器402结合到包含至少一个激光器406的封装404中。该封装404包括各个连接件，图中被显示为引脚408，向激光器406和检测器402提供电源、接地以及外部信号的入口通路。容纳激光器406和检测器402的封装404具有半透明的窗口412，窗口412位于激光器406和检测器402上方并与其相距足够的距离，以便由激光器406发射的某些光将被反射回检测器402。检测器402用于对输出的光取样，并根据所检测的光量帮助辨别应何时调节I偏置和/或I调制的设定，和/或上述设定何时不再调节，从而该激光器被认为已经退化到失去可用性或已经“失效”。 
虽然上述配置能够工作，但其使用通常限于共用一个检测器的激光器的数目较小的情形(因为检测器是对集合体进行取样，并且无法在不同激光器当中加以辨别)，理想的情形是每一个激光器有一个检测器(并且该对激光器-检测器与任何其他激光器-检测器对相隔离)。但一旦激光器数目增加到十多个，该项技术便不再可行。这是因为，采用此项技术时，装置数目增加意味着尺寸增大、间距要求提高、更为复杂、更多的连接、电源要求提高、基于所增加的装置数目的故障之间的平均时间减小等等。 
另一方法是使用腔内光检测器。由于该腔内光检测器的设计必须成为激光器总体设计的一部分，既增加了复杂性又提高了成本，所以该方法并不理想。 
一个替代方法是将一个检测结构、例如较薄或半透明肖特基接触(若采用肖特基二极管)或光栅(若采用金属-半导体-金属(MSM)检测器装置)置于激光器输出端附近，以便离开激光器输出端(即穿过激光器结构中相对于另一反射镜具有较低反射率的反射镜  离开)的激光在其离开激光器时经过该检测结构并穿过其中。 
图5以简化方式显示激光器输出端附近采用肖特基接触的顶发射的垂直谐振腔表面发射激光器(VCSEL)500。 
激光器500具有顶部反射镜502、有源区504和底部反射镜506，其中底部反射镜506邻接装置衬底508。由于该VCSEL是顶发射的，因而光输出510穿过顶部反射镜502。置于激光器500发射表面514上的肖特基接触512提供与激光器500输出成比例的电流输出。 
图6以简化方式显示激光器输出端附近同样采用肖特基接触的底发射的垂直谐振腔表面发射激光器(VCSEL)600。 
激光器600具有顶部反射镜602、有源区604和底部反射镜606，其中底部反射镜606邻接装置衬底608。由于该VCSEL是底发射的，因而光输出510穿过衬底608。置于激光器600发射表面614(也是衬底608的与激光器反射镜602、606和有源区604所处的表面相对的表面)上的肖特基接触612提供与激光器600输出成比例的电流输出。 
图7以简化方式显示激光器输出端附近采用光栅的顶发射的VCSEL 700。 
图7中的方法除了采用光栅702和较薄或半透明MSM接触704而非采用肖特基接触之外与图5中的方法相同。 
图8以简化方式显示激光器输出端附近采用光栅的底发射的VCSEL 800。 
图8中的方法除了采用光栅802和较薄或半透明MSM接触804而非采用肖特基接触之外与图5中的方法相同。 
图5至图8中的方法与腔内方法相比更容易实施，并提供对激光器输出的精确读出。但每种方法还是会对出射光量以及模式品质造成不利的影响。 
没有现成的途径以在其中包括不会对激光器输出带来妨碍或不利影响的现有的或在其上建立的半导体激光器设计的半导体装置来实现辨别激光器输出何时退化到超过规定的阈值之外甚至激光器在效果方面已经失效的任务。 
发明内容
我们设计出一种方法，该方法将检测器功能与装置结合在一起以不再要求分开的激光器和检测器的配置。我们的方法可与现有的半导体激光器(包括购自第三方的半导体激光器)一起使用，既不会使激光器输出降低，又不会影响输出光束的模式。 
总体而言，我们在激光器的非发射侧将功率监测结构与激光器结构结合在一起。该监测结构能随时监测激光器，用以提供有关激光器工作的反馈，以例如保持固定不变的输出功率和/或精确地检测何时个别激光器的输出已经减小到需要补偿的程度，精确地检测激光器已经失效或者相对于其所用于的应用来说已经退化到在效果方面“失效”的程度。 
通过位于激光器的非发射侧的结构来进行取样具有例如下列一个或多个优点：可便于与顶发射(远离激光器衬底)型和底发射(朝向激光器衬底)型两种激光器一起使用，几乎没有对于来自激光器本身之外的因素的反馈，该结构不对激光器输出形成干扰，激光器基本结构的设计可保持基本上相同(若非实际上相同)，允许激光器与包含其他电子集成电路的芯片进行紧密的集成/混合，并与激光器装置非常密集的集成相兼容。 
本文说明的各个优点和特征为可从代表性实施例得到的许多优点和特征中的一部分，给出上述优点和特征仅是为了有助于理解本发明。应该理解，这些优点和特征不应视为如权利要求所限定的对于本发明的限制、或对于权利要求的等效内容的限制。举例来说，上述优点中的某些优点互相矛盾，即无法在单个实施例中同时体现。同样，某些优点适用于发明的某一方面，但不适用于其他方面。因而，对于各个特征和各个优点的概述在确定等效性方面不应视为决定性的。通过附图和权利要求，本发明的另外的特征和优点在下文的说明中将更加明显。 
附图说明
图1是激光器的一例总体特性曲线； 
图2是特定激光器的一例特性曲线； 
图3是图2中的激光器在正常状态和退化状态下的一例特性曲线； 
图4是结合至少一个激光器和检测器的现有技术的一例封装； 
图5以简化方式显示激光器输出端附近采用肖特基接触的顶发射的垂直谐振腔表面发射激光器(VCSEL)； 
图6以简化方式显示激光器输出端附近同样采用肖特基接触的底发射的垂直谐振腔表面发射激光器(VCSEL)； 
图7以简化方式显示激光器输出端附近采用光栅的顶发射的VCSEL； 
图8以简化方式显示激光器输出端附近采用光栅的底发射的VCSEL； 
图9是常规的底发射的VCSEL的简化图示； 
图10是常规的顶发射的VCSEL1000的简化图示； 
图11是实施本发明的装置1100的高度简化实例； 
图12是与图11中的无源侧反射镜的装置1100类似的更为“真实”的实例装置的能  带图； 
图13是包含一微米厚的吸收区的图12中的肖特基势垒的能带图； 
图14是实施本发明的激光器装置1400的简化实例； 
图15和图16是具有p掺杂的GaAs无源侧反射镜、并配置为诸如图14所示的装置1400的实例装置的与图12和图13相似的能带图； 
图17和图18是另一个替换例的与图15和图16相似的能带图； 
图19至图21是实施本发明的顶发射的激光器装置的高度简化实例； 
图22是包括带有底发射的激光器的利用该替代性方法的激光器阵列的装置中的一部分的简化图示； 
图23是用顶发射的激光器实施的该替代性方法的简化图示； 
图24显示单元的一部分，具体的是来自图21的芯片连接到电子芯片后的芯片的单个激光器； 
图25是具有根据本发明的一个或多个光电子芯片的系统的运行的控制算法的流程图的例子。 
具体实施方式
激光器结构对其设计制造非常敏感，当前使用中的激光器设计经过多年优化以取得充分的功能。因而，寻求使用那些激光器的人们都不愿偏离或改变那些设计而惟恐所搭建的装置无法正常工作。而且，我们意识到这类装置可以在不采用可能对激光器输出形成干扰的结构的情况下使用。 
为了便于本文的说明，激光器的具有较低反射率的反射镜的一侧称为“有源”侧，其中该反射镜对应于在工作期间用以通过其发射激光的反射镜。激光器的与发射侧(即有源侧)相对的一侧在本文中称为激光器的“无源侧”，该侧的反射镜则称为无源侧反射镜。 
图9是常规的底发射的VCSEL900的简化图示，该VCSEL 900包括一对反射镜902、904，该反射镜902、904之间的有源区906和其上形成激光器的衬底908。由于是底发射的VCSEL，因而发射是穿过衬底908发生的。结果，无源侧910与上反射镜902的外表面912相对应。 
图10是常规的顶发射的VCSEL1000的简化图示，该VCSEL 1000包括一对反射镜1002、1004，该反射镜1002、1004之间的有源区1006和其上形成激光器的衬底1008。由于是顶发射的VCSEL，因而发射是远离衬底1008发生的。结果，无源侧1010与VCSEL 1000的衬 底1008侧相对应。 
总体而言，由于非理想半导体激光器会有少量的光子漏出无源侧，我们在激光器的无源侧放置一个小的吸收区。该光子泄漏虽不足以用于高度精确的瞬时补偿测定的目的，但会生成足以与激光器输出成比例的信号，该信号举例来说可用于由于随时间(按小时或更长时间的数量级)的退化而进行的激光器补偿，针对在效果方面或实际上失效的激光器的判别，或这两者功能兼而有之。 
该层将该少量的泄漏光子转换回电流形式的电信号，其可以随后在激光装置的外部得到测定。如果激光器的总输出功率提高，所吸收的漏光子量的绝对值便会增加。同样，如果总输出功率降低，所吸收的泄漏光子量的绝对值便会减小。 
该方法提供若干优点。由于输出端一侧没有设置任何元件，输出光束的强度和/或品质未受到直接影响。此外，基本的激光器结构没有修改，使得该方法适合于与平常的或成熟的设计一起使用。该方法还与用于将激光器混合到电子集成电路的技术兼容。而且，该方法还与非常密集的集成技术相兼容，这是因为该激光器并不占用任何另外的最终面积。 
图11是实施本发明的装置1100的高度简化实例。图11中，装置1100包括衬底1102，其上生长VCSEL型激光器1104(示范性的是p-I-n型)。该VCSEL 1104具有邻接衬底1102的反射镜1106、在反射镜1106顶部上的有源区1108和邻接该有源区1108但在该有源区1108的相对侧上的第二反射镜1110。有源区1108的宽度1112(称为台宽)小于装置有源侧的反射镜的宽度1113。各个反射镜的触点1114、1116提供激光器与适当的驱动器和/或控制电路(未图示)的电连接。衬底中的(可选)开口1118以可互换方式称为入口通路，确保衬底在激光器的输出表面上方足够薄甚至不存在以便于获得理想的输出。 
通常小于2微米厚度，举例来说是1微米厚度的薄层的薄层材料1120置于无源侧反射镜1110上。肖特基金属接触1122形成于材料1120的顶部，并用于检测该材料中由漏光子生成的电流。应注意，虽然许多激光器结构的设计自动造成某些微量光子从无源侧反射镜漏出，但如果特定设计不具有足够的泄漏，对无源侧反射镜的反射率进行细微变动可能使泄漏增加，但对激光器的工作并不造成有意义的影响。 
材料1120被选择为在激光器的工作波长下成为吸收材料，可稍微掺杂或不掺杂，但掺杂程度越大，该区域由于肖特基接触被“耗尽”的程度越小。这种耗尽的缺乏将在材料1120范围内生成一个电场，该电场可用于清除光吸收期间生成的载流子。 
表1更为详尽地显示装置1100。该激光器由形成激光器的p型反射镜的经过碳掺杂的砷化铝镓(Aluminum Gallium Arsenide(Al(x)GaAs))层、形成激光器的n型反射 镜的经过硅掺杂的砷化铝镓层和砷化镓层，以及形成激光器的有源区的未经过掺杂的砷化铝镓和砷化镓本征层的各个层组成。 
Figure DEST_PATH_G14315898150138000D000051
表1 
仅为了说明的目的，表1中的组成“层24”的材料1120为未经掺杂的半绝缘材料，举例来说为砷化镓(GaAs)。 
显然，图11中的配置为一种三端配置。该三端或三触点对应于：a)激光器的正极端；b)激光器的负极端；以及c)肖特基接触。使用中，成比例地表明激光器输出的电流测定在各激光器的其中一个触点和肖特基接触之间进行。 
为了有效进行测定，必须选择合适的材料以便形成与电阻接触相反的肖特基接触。由于形成肖特基接触的工艺过程本身是公知的，这里无需进行详尽说明。但出于完整说明的目的，下文给出对于与形成用于例如本文结合图11说明的装置的肖特基接触的实例相关的适当细节的简要说明，用以理解使用仅举几个代表性的实例的例如钛(Ti)、金(Au)、镍(Ni)和铂(Pt)等其他材料的其他肖特基接触。 
在这一方面，图12是与图11中具有铝(Al)的肖特基接触、砷化镓的吸收区以及p型砷化镓的无源侧反射镜的装置1100类似的更为“真实”的实例装置的能带图，其中Eo表示基带势能，Ef表示费米能级，因此使电子逃逸的能量为Eo和Ef两者之差，ΦM是特定金属的功函数，ΦS是特定半导体材料的功函数，Eg是禁带宽度的能量差，Ec是导带能量，Ev是价带能量。 
总体而言，应选择这样一种材料，其中无源侧反射镜为p型的情况下半导体的功函数应大于金属的功函数，而无源侧反射镜为n型的情况下金属的功函数应大于半导体的功函数。 
图13是包含一微米厚的吸收区的图12中的肖特基势垒的能带图。 
该配置的工作如下。当激光器工作时，大量光子离开激光器的发射侧。但是，所生成的光子中的较小百分比从无源侧泄漏，而且光子的泄漏在统计上与激光器的发射输出成比例。那些“所漏出的”光子进入其中光功率转换为电功率的吸收区。肖特基检测器则通过肖特基接触测定电功率，并可以根据测定结果进行适当调节或对激光器是否在效果方面或实际上失效作出确定。 
但图11中的配置不适合某些应用。这是因为，对于图11中的配置的工作，为了发出激光对激光器进行偏置，p触点必须相对于n触点正向偏置。但对于肖特基检测器，肖 特基接触必须如下进行偏置：a)当肖特基检测器的其他触点连接到p型层时相对于肖特基检测器的其他触点正向偏置；或b)当肖特基检测器的其他触点连接到n型层时相对于肖特基检测器的其他触点反向偏置。另外，理想的是使总体电压电平保持尽可能低。因此，在理想的情况下，将对激光器使用所有的电压。但对肖特基检测器触点的偏置需要某些电压并且其中有损于激光器的电压，某些情况下可能限制激光器的工作。 
为了对此进行解释，激光器在具有0.7伏压降的以晶体管为基础的快速电路的偏置下需要2.3伏工作电压，两者的总压降大约为3.0伏。由于半导体激光器装置在其中工作的许多系统通常是3.3伏系统，可提供最大0.3伏来用于检测器，某些情况下该电压可能是不足的电压。 
对于具有最靠近衬底的n型激光器层的激光器该情况相似。迅速切换激光器的要求以及NMOS(和NPN)晶体管相对于PMOS(和PNP)晶体管所固有的速度优势造成激光器的p触点保持固定不变，n触点成为受到调制来控制激光器的触点。在这种情况下，例如，激光器的p触点可以保持在3.3伏，而n触点则可在3.1伏和1伏之间摆动。在这种情况下，如果p接点为了获得激光器的最大范围而保持于最大电源电压(该情况中为3.3伏)，就可能没有另外的电压可用于相对于p触点正向偏置肖特基接触。 
当然，对于使用电流控制或电流切换的电路来说情况基本相同，这是因为，虽然电压本身未受到调制，但通过激光器抽出电流的效应仍然以相似的方式影响该激光器两端的电压。 
图14是在上面刚说明的情况下实施本发明的激光器装置1400的简化实例。如图14所示，n型区域1402生长于包括顶部反射镜1404的上部p型区域的顶部。取决于特定的实施方案，该n型区域1402可以在顶部反射镜1404之外，或可以包括该反射镜本身的顶部(未图示)。吸收区1408和肖特基接触1410分别层叠于n型区域1402的顶部。而且，可使该n型区域1402处于浮动(即没有加上电压)或可使之对p型反射镜1404短路。如图14所示，该两者由上部触点1406连接(即处于短路配置中)。 
回过来参照对于图11的实施方案有疑问的上述情况，具体来说，n型激光器触点受到调制，图14的实施方案中，p型区域1404和在其上生长的n型区域1402两者可保持于3.3伏。但现在肖特基接触1408层与n型吸收区1402相关(n型肖特基二极管)。这意味着，肖特基接触1410可相对于n触点(因而相对于激光器的p触点)反向偏置。因而，激光器p型区域1404可以处于3.3伏，激光器的n型区域触点1412可如上所述受到调制，但肖特基接触1408可保持于0伏，例如，能够在肖特基二极管1402两端加上最大电场， 因而从肖特基二极管1402得到最大百分比的光生成的载流子。 
图15和图16是具有p掺杂的GaAs无源侧反射镜、并配置为诸如图14所示的装置1400的实例装置的与图12和图13相似的能带图。 
图17和图18是具有p掺杂的Al(x)GaAs，具体来说采用Al0.16Ga0.84As的无源侧反射镜、并配置为如图14所示的装置1400的替代实例装置的与图15和图16相似的能带图。 
回到更为相关的方面，直到现在为止上述说明主要针对的是底发射的(也称为背面侧发射的)激光器。但本发明同样适用于顶发射的激光器。而且，对顶发射的激光器来说，某些实施方案中，使用背面侧(即衬底侧)肖特基接触的好处甚至可以比底面发射的激光器可取得的好处更大。这是因为，在顶发射的激光器变形例中，检测器装置不需要定位于装置台面上。结果，在触点尺寸和台面尺寸方面加工装置的公差可以放宽。这一优点对某些高性能装置来说是至关重要的。 
图19至图21(包括图21在内)是实施本发明的顶发射的激光器装置1900、2000、2100的高度简化实例。 
图19是结合本发明的装置1900的简化实例。如同采用底发射激光器的装置那样，图19中的装置包括的激光器1902由衬底1904、底部(即无源侧)反射镜1906、顶部(即发射侧)反射镜1908以及底部反射镜1906和顶部反射镜1908之间的有源区1910组成。衬底1904是吸收激光器发射的(各种)波长的材料。如图所示，衬底1904也是半绝缘材料。结果，进入到衬底1904中的光子泄漏生成光载流子。如果衬底1904不太厚(即薄到足以允许收集光载流子)，其可如上文所述用作吸收(即肖特基二极管)材料。结果，肖特基接触1914可置于衬底1904的背面侧1912。该配置随后按与底有源实施方案相同的方式工作，即光子泄漏生成与肖特基接触1914所检出的输出大体成比例的电流。 
某些情况下，衬底对于允许其直接用作吸收区可能太厚。但可通过例如求助于所研究的2个替代实例中的某一个来实施本发明。在第一方法中，例如可用化学机械工艺(CMP)、诸如蚀刻的化学处理或诸如抛光或研磨的物理处理减小衬底整个背面侧的厚度，直到其薄到足以用作吸收区(理想的是仅几微米的厚度)。这将允许肖特基接触足够靠近地设置。第二方法例如用诸如通过形成图形和(各向同性或各向异性)蚀刻工艺的化学处理、或用诸如机械或激光钻孔工艺的物理处理减少激光器本身无源侧下面的区域的厚度，来使相关区域的衬底下降至如第一方法指出的合适深度。很清楚，第一方法的优点在于简单的处理工艺，这是因为整个表面被均匀处理，而第二方法的优点在于具有更好的结构强度，这是因为大部分衬底将保持相当厚度，而且/或者允许沟槽的图形蚀刻深入到衬底中，以便其 后整个衬底可用金属涂覆(用诸如溅射、气相淀积、电镀或化学镀等任何合适的工艺)，该金属涂覆沟槽的壁面或填入沟槽，以便衬底中的沟槽直接或例如通过诸如CMP、诸如化学蚀刻的纯化学处理、或诸如抛光的纯机械处理的后续工艺而成为导电迹线。 
图20是结合本发明的装置2000的简化实例，实际上与图19的装置1900相同，只是该情况中衬底2002在最初用作吸收区太厚。如图所示，衬底2002用各向同性的蚀刻工艺通过形成图案和蚀刻在规定区域内使之减薄而形成朝内面向的开口。接着用例如溅射淀积或其他合适的工艺在开口内形成或设置肖特基接触2004。 
虽然上述说明对于其中衬底为半绝缘或未经掺杂的顶发射的激光器的情形，但某些情况中生长顶发射的激光器的衬底将是掺杂的衬底。这种情况下，该掺杂可能限制吸收区的有效尺寸，造成其本身在适用于实施本发明方面有所欠缺。但甚至在衬底掺杂的情况下也能创造本发明的实施方案。 
图21是结合本发明的装置2100的简化实例，其中衬底2102是掺杂衬底。为了实施本发明，半绝缘层2104在无源侧反射镜2106下面生长，或作为无源侧反射镜2106的一部分生长。半绝缘层2104将用作装置的吸收区。接着在衬底2102中从衬底2102的后侧2110制作开口2108，以便暴露半绝缘层2104的合适区域来从后侧2110进入。然后肖特基接触2112如上文所说明的那样形成，并经由开口2108通过衬底2104与吸收区2104连接。 
上文的全部说明中，所显示的和所说明的各个激光器全部为p-i-n型，其中n掺杂的反射镜始终与衬底最为接近。但应该理解，可采用本发明的其中各层的掺杂相反的即为n-i-p型的装置，其中p掺杂的反射镜与衬底最为接近。这样，其优点在于，即便是特定配置必须如结合图14所说明的那样增加另一层次并使该接触短路也能够使用上述方法。 
应该理解，虽然对于“p”型掺杂剂指的是碳，但可容易地使用诸如铍或锌的其他已知的“p”型掺杂剂。同样，虽然对于“n”型掺杂剂提及的是硅，但可使用诸如碲的其他已知的“n”型掺杂剂。这是因为，用于形成激光器结构(即反射镜和有源区)的不论是特定的掺杂剂还是特定的材料或激光器对于实施本发明均不是至关重要的。 
本发明的代表性的实例应用 
虽然上述说明是针对单个半导体激光器围绕本发明的实施方案进行的，但使用晶片规模加工技术，这样的激光器可以同时集中形成数十个至数万个或更多。结果，可以创造出结合2个至数千个这样的激光器的激光器阵列，并可获得以前无法提供的好处。为了便 于说明，下面给出本发明实施方案的2个应用实例，不论是以单个激光器还是以激光器阵列来实施，均可认识到，众多其他应用都能从本发明的应用中受益。 
在实施本发明的激光器阵列集中用作泵浦激光器的情况下，可对各个单独激光器进行监测，以便任何一个或多个单独激光器的总功率随时间的推移而退化时，可在工作期间迅速辨别该退化，并可通过调节该激光器(这些激光器)的例如偏置电流和/或调制电流来进行补偿。同样，如果有一个激光器在效果方面(或实际上)失效的话，通过利用本发明，也可迅速意识到该情况，并可调节余下的(n-1)个激光器，通过对余下的激光器的实际输出功率增加其单个功率的额外的1/(n-1)而将其输出功率稍加提高来补偿此损失。 
共同转让的美国专利申请10/180,367(其全部的公开内容通过引用而结合在本文中)中说明一例可从本文说明的本发明中受益的由许多分立的低功率半导体激光器制作出的非常精确的高功率激光器。通过应用本发明，输出功率可得到非常精确的控制来应对各个单独激光器之间的输出变动，以及由于随时间推移而退化和温度波动等因素造成的整个装置的种种变动。 
另一应用实例涉及对诸如共同转让的美国专利申请10/180,603(其全部的公开内容通过引用而结合在本文中)中显示和说明的多波长激光器阵列的使用。通过在该配置中应用本发明，可以应对与漂移有关的老化或退化问题。 
其他情况下还使用冗余激光器(即具有可在其中单独选择和切换的冗余的有源区的激光器，或者配置两个或多个分立的单独激光器以便在其中一个发生故障的事件中可由另一个来替代)，通过应用本发明，可实现对激光器在效果方面或实际上失效的辨别，用于自动切换(即排除故障)和/或发出故障警告。结果，可对阵列以对用户完全透明的方式获得超过不用冗余所能达到的水准的更高的MTBF。 
共同转让的美国专利申请09/896,797(其全部的公开内容通过引用而结合在本文中)中说明一例可从本发明中受益的冗余激光器配置。 
进一步替代性的实施方案 
取决于应用本发明的特定应用场合，理想的是将激光器混合集成到包括例如激光器的电子驱动器和控制电路的电子芯片中。激光器与电子芯片的连接可通过例如导线键合或通过应用诸如共同转让的美国专利申请系列号09/896,189，09/896,665，09/896,983，09/897,158以及09/897,160(其各自的全部公开内容在此通过引用来一并考虑)中显示和说明的技术将激光器与电子芯片混合集成在一起来实现。 
当使用混合集成方法时，肖特基接触可在某些实施方案中一开始就成为电子集成电路(IC)的一部分而非光学IC(即激光器为其中一部分的芯片)的一部分。该替代性方法显示于图22和图23中。 
图22是包括带有底发射的激光器的利用该替代性方法的激光器阵列的装置2200(未图示)中的一部分2202的简化图示。所示的激光器2204如上文结合图11所说明的那样配置，只是不同之处在于吸收区2206虽是承载激光器的芯片2208中的一部分，但没有肖特基接触。电介质2210覆盖(各个)激光器2204，并用于使承载激光器的芯片2208的其余部分与吸收区2206的最朝外的表面2212“齐平”。通过例如穿过电介质2210直至触点2214的蚀刻并用金属或其他导电材料2215填入该孔中，装置的触点2214便通过电介质2210引出至水平表面2212。 
承载激光器的芯片2208与之相混合集成的电子芯片2216包括一组电触点2218和肖特基接触2220，其中该组电触点2218与装置触点2214正确地电气对应，该肖特基接触2220则设置为当芯片2208、2216混合集成在一起时正确地连接到吸收区2206。 
作为对理解本发明并非至关重要的旁注，应该理解，如果电子芯片2216的触点在电子芯片2216本身的外表面上方延伸，以可选方式理想的是也使该表面“平坦化”，来确保两芯片2208、2216之间的最佳连接。 
图23是用顶发射的激光器实施的该替代性方法的简化图示。该方法与图22所说明的方法相似，只是不同之处在于用的是顶发射的(各个)激光器2302。如同图22，在图23的实施方案中，肖特基接触2304是激光器承载芯片2308与之混合集成的电子芯片2306的一部分，通过例如在衬底2312中蚀刻开口2314并用淀积工艺或其他填充工艺或使导线键合2316通过该开口2314而使开口2314导电，使装置触点2310与电子芯片2306通过衬底2312相接触。当然，也可使用可选择的平坦化电介质2318的方法。 
图24显示图21的芯片2100连接到电子芯片2402后单元2400的一部分、具体来说，显示来自该芯片2100的单个激光器。 
一旦(各个)光学装置承载芯片连接到(各个)电子芯片(不论是通过混合集成、导线键合，还是其他方法)，便可如下在例如网络或通信系统中使用所连接的装置。为了说明简单，下面称各个激光器装置和(各个)电子芯片的组合为“光电子单元”。该光电子单元被建立来例如周期性或连续性地监测来自检测器(包括无源侧吸收区和肖特基接触)的输出，并在必要时根据该输出计算新I偏置和I调制设定值。 
如果电子芯片具有相关的温度传感器(可以是分离的或与该单元中的任何芯片集成)， 该信息也可用于计算新I偏置和I调制设定值。 
而且，在包括冗余(即备份)激光器的各种设计中，电子芯片可以进一步包括逻辑或包含处理器运行程序代码，如果例如有一个激光器发生故障或在效果方面失效(即无法设定I偏置和I调制来足以使功率达到使激光器在符合规范的范围内的合适的水平上发光所要求的水平)，这些逻辑和程序代码将决定切换至备份激光器。 
图25显示具有一个或多个根据本发明的光电子单元的系统中用于上述某些特征的控制算法的样本相关部分。 
根据所需的输出功率(在单个装置或装置集合的基础上)设定初始的激光器偏置电流和激活电流(步骤2502)。然后将电流输入到所使用的各个激光器中(步骤2504)。测定无源侧光子泄漏(步骤2506)，并且取决于实施方案，根据经由无源侧收集器测定的光子泄漏和输出功率之间的比例关系估计激光器输出功率(可选步骤2507)，或将无源侧的测定值直接用作输出功率的替代。接着将所测定或所估计的功率与设定点(即某些基准或标准数值或范围)相比较(步骤2508)。如果激光器的输出与该基准或标准相符或处于范围中(步骤2510)，则使用相同的输入电流(即返回步骤2504)。否则，作出激光器是否在效果方面失效(在所示实例中包括实际上失效)的决定(步骤2512)。如果激光器并未在效果方面失效，则利用该输出以及如果能得到的话利用在某些有意义的时间(即步骤2506至步骤2512之前、期间、之后的特定应用的任何合理时间)得到的温度测定值(步骤2500)计算激光器的新偏置电流和/或调制电流(步骤2514)并重复上述处理过程(即返回步骤2502)。 
如果激光器在效果上失效，而且如果该系统包括排除故障特征，便可以起动该排除故障处理过程(步骤2516)。如果没有排除故障选项，便发送沟道警告信号或中断信号(步骤2520)。如果提供排除故障而且如果该系统包括在人工方式和自动方式排除故障之间的选择，便可例如根据特定的设定值或外部干预作出该决定(步骤2518)。如果排除故障必须进行人工干预，便可发送例如沟道警告信号或中断信号的信号(步骤2520)。如果采用自动方式排除故障，则确定备用激光器的可用性(步骤2522)。如果没有备用激光器可用，便发送警告或中断信号(步骤2520)。如果备用激光器可用，便切换到备用激光器(步骤2524)，对新激光器设定初始的偏置电流和调制电流(步骤2514)，并重复上述处理过程(即返回步骤2502)。 
说明了若干个不同实施例和应用之后，很显然，可以直接产生或替代各种的排列和组合，例如，在图25所示的流程图的情况下，诸如温度测定和排除故障的各个方面均为 可选项，从而在特定实施方案中可省略其中之一或两者，并可加入或替代利用本发明的其他技术特征。 
应该理解，上述说明只是呈现了各个说明性的实施例。为了便于读者理解，上述说明针对全部可能的实施例的代表性的实例以及反映本发明的原理的样本。本说明书并不试图穷举全部可能的变化。对于本发明的特定部分可能并不存在替代性的实施例，或对于某一部分可能存在另外的未说明的替代性实施例，这些不应认为是对那些替代性实施例权利的放弃。本领域的熟练技术人员将理解，结合本发明的相同原理的许多未作说明的实施例以及其他实施例都是等效的。 

Claims (24)

1.一种以激光器为基础的用于提供有关激光器工作的反馈的装置，其特征在于，该以激光器为基础的装置包括：
具有光发射侧和与所述光发射侧相对的非发射侧的VCSEL-型激光器；
与激光器混合的电子电路芯片；
位于所述电子电路芯片的至少一部分和所述激光器之间的平坦化电介质；
在所述非发射侧上的光检测器单元，该光检测器单元包括：
配置为接收通过所述非发射侧射出激光器的泄漏光子的吸收区；
肖特基接触，被配置为与所述吸收区连接，并且通过该肖特基接触可测定在吸收区中由对泄漏光子的吸收所产生的电流；和
位于所述肖特基接触和所述吸收区之间的衬底。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述激光器是顶发射的激光器。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述光发射侧包括有源侧反射镜，且其中有源侧反射镜被掺杂为p型。
4.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述光发射侧包括有源侧反射镜，且其中有源侧反射镜被掺杂为n型。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述吸收区包括半绝缘材料。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述半绝缘材料包括砷化镓。
7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述半绝缘材料的厚度小于2微米。
8.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述半绝缘材料的厚度约为1微米。
9.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述光发射侧包括有源侧反射镜，且其中有源侧反射镜包括碳掺杂剂、铍掺杂剂或锌掺杂剂中的至少一种。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述有源侧反射镜包括砷化铝镓。
11.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述非发射侧包括无源侧反射镜，且其中无源侧反射镜包括硅掺杂剂或碲掺杂剂中的至少一种。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述有源侧反射镜包括砷化铝镓。
13.一种由包括VCSEL-型激光器的装置进行的用于提供有关激光器工作的反馈的方法，所述VCSEL-型激光器具有所述激光器配置为通过其发射输出信号的有源侧反射镜以及与所述有源侧反射镜相对的无源侧反射镜，其特征在于，该方法包括：
通过肖特基接触对通过无源侧反射镜漏出激光器并进入到材料中的光子进行测定，该材料将该光子转换为可用肖特基接触测定的电流；
确定测定结果是否需要补偿动作；和
当需要该补偿动作时进行补偿动作，除非测定结果表明激光器已经失效；
其中所述测定和进行补偿动作包括使用与所述激光器混合的电子电路芯片；
平坦化电介质位于所述电子电路芯片的至少一部分和所述激光器之间；和
其中，衬底位于所述肖特基接触和所述材料之间。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括根据光子泄漏和激光器输出功率之间的比例关系确定激光器的输出功率量。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，进行补偿动作包括调节激光器的偏置电流。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，进行补偿动作包括调节激光器的调制电流。
17.如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括
当测定结果表明激光器已经失效时，以冗余的激光器替代该激光器。
18.一种用于提供有关激光器工作的反馈的方法，其特征在于，包括：
形成激光器，该激光器具有第一和第二反射镜，其中第一反射镜具有第一反射率，第二反射镜具有小于第一反射率的第二反射率；
通过将半绝缘材料涂覆到第一反射镜上或者通过在衬底上形成半绝缘材料来限定吸收区；和
将肖特基接触与衬底的一侧相邻接；
其中所述衬底位于所述肖特基接触和所述吸收区之间。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，当通过在衬底上形成半绝缘材料来限定吸收区时，激光器的形成包括在半绝缘材料上生长第一反射镜，使该半绝缘材料处于衬底和第一反射镜之间。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，当通过将半绝缘材料涂覆到第一反射镜上来限定吸收区时，所述第一反射镜具有p型和n型中的一种掺杂，并且其中吸收区的限定包括：
在第一反射镜上形成区域，所述区域具有p型和n型中的一种掺杂，并且该掺杂与第一反射镜的掺杂相反；和
将半绝缘材料涂覆到该区域上。
21.如权利要求18所述的方法，其特征在于，肖特基接触的邻接包括在所述衬底的与半绝缘材料相反的一侧并位于使肖特基接触能与电子集成电路连接的位置上形成肖特基接触。
22.如权利要求18所述的方法，其特征在于，肖特基接触的邻接包括在配置为与其上具有激光器的芯片混合的电子集成电路上形成肖特基接触。
23.如权利要求21或22所述的方法，其特征在于，激光器是多个激光器中的一个激光器，该方法还包括将该激光器混合集成到电子集成电路中。
24.如权利要求21至22中任一项所述的方法，其特征在于，激光器是顶发射的激光器，该方法还包括在邻接吸收区的衬底中形成开口，使得肖特基接触的邻接通过该开口发生。
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