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CN1738117B - 自监视光发射装置 - Google Patents

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CN1738117B
CN1738117B CN2005100536378A CN200510053637A CN1738117B CN 1738117 B CN1738117 B CN 1738117B CN 2005100536378 A CN2005100536378 A CN 2005100536378A CN 200510053637 A CN200510053637 A CN 200510053637A CN 1738117 B CN1738117 B CN 1738117B
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Abstract

本发明提供一种自监视光源。该自监视光源包括一产生光的光源和一接收所产生光的一部分的光监视器。该光源和该光监视器制作在同一半导体小芯片上。

Description

自监视光发射装置
技术领域
本发明提供一种自监视光源。该自监视光源包括一产生光的光源和一接收所产生光的一部分的光监视器。该光源和该光监视器制作在同一半导体小芯片上。
背景技术
半导体激光器作为组件(component)用在诸多光学系统中。垂直共振腔面射型激光器(VCSEL)即是一种半导体激光器。因为VCSEL在制造和测试方面的成本比其他半导体激光器便宜，因此，VCSEL在诸多应用中通常是一种较佳的光源。然而，像其他半导体激光器一样，因其自身的老化，VCSEL的输出功率会随温度和时间而改变或变化。
一种维持VCSEL输出功率稳定或恒定的方法是监视VCSEL的光输出。通常，将VCSEL的一部分光输出在一反馈回路内转向至一监视装置，例如一光电二极管。当VCSEL的输出功率变化时，反馈电路调整提供给VCSEL的驱动电流，而该驱动电流又反过来对VCSEL所产生的输出功率进行补偿。通常使用一部分透射反射镜(又称为窗口反射镜)来将VCSEL的一部分光转向至该光电二极管。
一种用于监视垂直共振腔面射型激光器(VCSEL)发射功率的先前技术是利用一外部光学表面分割一部分所发射的激光功率，并将这部分激光功率再导向至一单独的光电探测器装置。发明名称为“用于监视一激光器发光的光学回转”(Optical Tum for monitoring light from a laser)的美国专利第6,636，540号即介绍了此种方法的一个实例。虽然此种解决方案显著改进了当时使用的各种方法，但其需要单独的光学元件及探测器组件方可实现功率监视。
在大多数先前技术的系统中，至少存在下述单独的组件：一VCSEL组件、一光电探测器组件及若干光学元件。应能了解，必须认真组装该光学组件、激光器组件和探测器组件并将其集成在一起方能形成一有效系统。再者，如此项技术中所知晓，光学组件与其他组件的集成需要复杂的系统集成。此系统集成可包括校直、复杂的组装步骤及封装方法。况且，众多单独元件或组件会负面地增加整体包装的尺寸。再者，不同的产品平台各自需要一特定的设计来集成单独的光学组件、激光器组件和探测器组件。
根据上面所述情况，需要一种能克服上述缺点的用于集成光发射装置与功率监视器的系统和方法。
发明内容
本发明的一实施例阐释了一种制作成一单一半导体小芯片的自监视光发射装置(例如，一光源)。该自监视光源包括一用于产生光的光源和用于接收所产生光的一部分的光监视器。该光源(例如，一垂直射型光源)与该光监视器制作在同一半导体小芯片上。在此实施例中，光学元件可集成在该半导体小芯片中或作为一独立于该半导体小芯片的元件提供。
本发明的一实施例阐释了一种制作成一单一光源小芯片与一监视器小芯片子总成(sub-assembly)的自监视光发射装置(例如光源)。该自监视光源包括一形成在一光源小芯片内的光源(例如，一垂直发射光源)和一形成在一监视器小芯片内的监视器或探测器。该光源小芯片与该监视器小芯片组合在一起或封装在一单一子组件中。在此实施例中，光学元件可形成在光源小芯片内或形成在监视器小芯片内。
在一个方面，本发明提供了一种自监视光源，其包括：一制作在半导体小芯片中并产生光的光源；一光监视器，其与所述光源制作在同一半导体小芯片中并在所述半导体小芯片的横向上偏离所述光源，使所述光监视器不处于所述光源的正上方或正下方；位于所述光源上方的光学元件，所述光学元件集成在所述半导体小芯片中或作为独立于所述半导体小芯片的元件提供，并将来自所述光源的光的一部分导向至所述光监视器以产生反馈信号；所述光源是一包含一孔径的VCSEL；其中所述光监视器包括一至少部分地环绕所述孔径的环形布局。
附图说明
随附图式以举例说明而非限制方式对本发明进行图解说明；在附图中，相同的参考编号指代相同的元件。
图1图解说明—根据本发明一实施例含纳一自监视光源的光学系统
图2图解说明—根据本发明另一实施例含纳一带有集成光学元件的自监视光源的光学系统。
图3是根据本发明一实施例的一自监视光源的侧视图。
图4是根据本发明另一实施例的一自监视光源的侧视图。
图5是根据本发明一实施例的一自监视光源的俯视图，其中该监视器根据本发明一实施例具有一环形几何结构的布局。
图6是根据本发明另一实施例的一自监视光源的俯视图，其中该监视器根据本发明一实施例具有以切口为特征的环形几何结构的布局。
图7是一自监视光源的俯视图，其中该监视器根据本发明一实施例利用一具有一单一光接收点位的布局。
图8是一自监视光源阵列的俯视图，其中每一自监视光源根据本发明-实施例利用一具有两个光接收点位的布局。
图9图解说明-根据本发明-实施例的光栅。
图10是图9中贯穿线10′至10′的截面视图。
图11图解说明-根据本发明另-实施例的光栅。
图12是图11所示光栅贯穿12′至12′的视图。
图13是图11所示光栅贯穿13′至13′的视图。
图14图解说明根据本发明再一实施例适合产生-供监视用单-光区域的倾斜光栅。
图15是-根据本发明-实施例具有-第一监视器几何结构的自监视光源的性能标绘图。
图16是-根据本发明-实施例具有-第二监视器几何结构的自监视光源的性能标绘图。
图17图解说明-自监视光源，其中根据本发明-实施例-监视器形成于-监视器小芯片内，-光源形成于-光源小芯片内，且该监视器小芯片与该光源小芯片组合在-单一子总成中。
图18图解说明-自监视光源，其中根据本发明一实施例以一表面处理方式构建该监视器。
图19图解说明-自监视光源，其中根据本发明-实施例-光学元件与-监视器小芯片集成，且该监视器与-光源小芯片集成形成-单-子总成。
具体实施方式
本文阐释一种自监视光发射装置。在下文阐释中，出于说明目的，例举了诸多具体细节以使人们透彻了解本发明。然而，熟悉此项技术的人员易于了解，无需此等具体细节也可实施本发明。在其他例示中，为防止对本发明造成不必要的遮蔽，本文以方框图形成显示众所周知的结构和装置。
光学系统100
图1图解说明-光学系统100，其根据本发明-实施例含纳-自监视光源110。光学系统100可以是(例如)-光学发射器，其接收-数据信号、根据该数据信号调整-光源并将已调制光发射至-光学介质内，例如-光纤电缆内。
光学系统100包括自监视光源110、光学元件140及-给光源110(例如，激光器)提供一驱动信号152(例如，驱动电流)的光源驱动器150。自监视光源110包括一光监视器130，其接收该激光器所产生的一部分光且据此产生-反馈信号，并将该反馈信号提供至激光驱动器。光监视器130测量该光源所产生的光量或其所产生的功率量。光监视器130可以是(例如)一光探测器，且在本文中也称作“功率监视器”、“功率探测器”、“监视器”或“探测器”。
自监视光源110
根据本发明-实施例，光学系统100包括-自监视光源110(在下文中也可称作自监视光发射装置110)。自监视光源110包括一光源120其在一实施例中为-半导体激光器(例如-VCSEL)和-与光源120集成在一起的光监视器130(例如，-光电探测器或光电晶体管)。
光源120产生光122，而光122被导向至光学元件140。光122的第一部分124经透射供用于一应用，而光122的第二部分132被光学元件140反射至光监视器130。在该实施例中，自监视光源110利用外部光学元件140。举例而言，自监视光源110可与外部光学元件组装或封装在一起。可利用外部光学元件140透射激光器120所产生的一部分光并将一部分光反射回监视器130。光学元件140可包括一部分透射反射镜(也称作窗口反射镜)，以将VCSEL光输出122的一部分132转向至光监视器130。
光监视器130测量光的第二部分132并将-反馈信号134提供给-光源驱动器150(例如，一激光驱动器电路)。信号134可代表光源120输出功率的一量度。光源驱动器150接收反馈信号134及其他信号(例如，数据信号)，并依据该些信号向光源120提供1个或多个驱动信号152(例如，-驱动电流信号)。
如前面所述，光源120的输出功率(例如，VCSEL的输出)随温度和时间(例如，VCSEL的老化)而改变或变化。光监视器130监视光源120的光输出(例如，VCSEL的光输出)。VCSEL光输出的一部分132通常在-反馈回路内被转向至光监视器130。当VCSEL的输出功率122变化时，光源驱动器150调整提供至VCSEL的驱动电流152，该驱动电流反过来又对VCSEL120所产生的输出功率122进行补偿。以此方式，可利用由监视器130、光源驱动器150和光源120构成的反馈回路控制光源120的输出功率。在-实施例中，利用该反馈来维持光源120的稳定和恒定输出功率。
在-实施例中，一光源(例如，-垂直发射光源或VCSEL)与一光监视器(例如，一可测量或监视激光器所产生功率的光电探测器)集成在一单一半导体小芯片内(例如，单片集成)。在另一实施例中，一光源、一光监视器及一光学元件(例如，光栅)集成在一单一小芯片内。举例而言，一光栅可形成在该半导体小芯片的一表面上。
在再一实施例中，一光源(例如，一垂直发射光源，例如一VCSEL)形成在一光源小芯片内，且一光监视器(例如，一可测量或监视激光器所产生功率的光电探测器)形成在一监视小芯片或薄膜内，并且该光源小芯片与该监视器小芯片组合在一单一子总成中。举例而言，该光源小芯片与该监视器小芯片可共同组装或封装在一单一子总成中。可利用位于自监视光源110子总成外部的独立光学元件。
在再一实施例中，该光源、光监视器及光学元件组合在一单一子总成中。在该实施例中，应注意：光学元件(例如，一光栅)可形成于该光源小芯片内或形成于该监视器小芯片内。
在再一实施例中，一光源与一光学元件集合在一单一小芯片内。在该实施例中，应注意：光学元件(例如，一光栅)可形成在该光源小芯片的一表面上。然后，该带有集成光学元件的光源小芯片可与形成在一光监视器小芯片内或一光监视器薄膜内的一光监视器组合在一起。
在再一实施例中，一光监视器与光学元件集成在一单一小芯片内。在该实施例中，应注意：光学元件(例如，一光栅)可形成在该光监视小芯片的一表面上。
光学系统200
图2图解说明一光学系统200，其根据本发明一实施例含纳一带有集成光学元件的自监视光源210。光学系统200可以是(例如)一光学发射器，其接收一数据信号、根据该数据信号调制一光源并将已调制光发射至一光学介质内，例如一光纤电缆内。
带有集成光学元件的自监视光源210
光学系统200根据本发明一实施例包括一带有集成光学元件的自监视光源210(下文中也称作带有集成光学元件的自监视光发射装置)。自监视光源210包括一光源220(其在一实施例中为一半导体激光器，例如一VCSEL)、一与光源220集成在一起的光监视器230及一与光源220和光监视器230集成在一起的光学元件240。在该实施例中，由于自监视光源210提供一内部光学元件240(例如，一衍射光栅)来实施光定向、反射、再定向等，因此不需要一外部光学元件。
自监视底面发射型VCSEL
图3为根据本发明一实施例的一自监视光源300(下文中也称作自监视光发射装置)的侧视图。在该实施例中，自监视光发射装置300包括一光源350、一光监视器360及一光学元件370，其全部集成在一单一半导体小芯片(本文也称作单一芯片或单一小芯片)内。
在该实施例中，自监视光源300包括一垂直发射光源350(例如，一垂直发射型半导体激光器或地底面发射型VCSEL)。光源350与光监视器360及一光学元件370集成在一起。具体而言，光源350、光监视器360及光学元件370形成或制作在一单一半导体小芯片310(本文中也称作光源小芯片或激光器小芯片)内。光源小芯片310包括一处理活性元素的活性层320。活性层320包括一激光器孔径350和一光监视器360(例如，一光电探测器)。
应注意：小芯片310可由-诸如砷化镓铟(InGaAs)等半导体材料或此项技术中普通技术人员所知晓的适合用于制造光学电子装置的其他半导体材料(例如，II-VI及III-V半导体)制成。一种可将监视器360(例如，光电探测器)集成在激光器小芯片310(例如，-VCSEL小芯片)内的方法是采用选择性蚀刻和外延生长。首先，去除整个监视器区域内的激光共振腔。然后，在所去处部分上再生长一较厚的吸收层来提高效率。
半导体小芯片310包括一底面330和一顶面340。一光学元件(例如，一光栅)370可形成于顶面340上。在一实施例中，在半导体小芯片310的顶面内蚀刻成光栅370(例如，衍射光栅)。举例而言，可通过在光源小芯片310或衬底材料内蚀刻一表面浮雕图样来形成或制成光栅370。应注意，可沿图中所示小芯片310的整个表面或仅沿小芯片310的一部分表面(例如，光源350的正上方)形成光学元件370。如下文中更详细阐释的那样，根据本发明一实施例，也可在一监视器小芯片内蚀刻该光栅。可在光栅370上形成一减反射(AR)层380或涂层。AR层380可以是(例如)一氮化硅层或二氧化钛层。
在一实施例中，层320包括-半导体激光器(例如，-VCSEL)350和-监视器360。举例而言，激光器350可以是-底面发射型VCSEL。光产生于底面330上的激光器孔径处，传播穿过衬底310并照射在顶面的光学元件370(例如，衍射光栅)上。激光器350所产生的光能够以例示性光线所示的锥体形式传播。
应注意，大部分光从光源300中透射出来供用于一特定应用(例如，发射器应用)，一部分光反射回监视器360，而一部分光(未显示)可反射回活性层320(例如，激光器350)的其他区域。如前面所述，反射回监视器360的那部分光经测量后被提供至-驱动器电路，供其调整提供给激光器的驱动信号，以补偿激光器输出中因(例如)温度及激光器老化而发生的变化。
虽然-实施例中将激光350描述为-VCSEL，但应注意：本发明教示可应用于任何垂直发射光源，包括但不限于：垂直发射型发光二极管(LED)、垂直发射型半导体激光器、或其他垂直发射光源。
自监视顶面发射型VCSEL
图4为根据本发明另一实施例的-自监视光源400的侧视图。在该实施例中，自监视光源400是一自监视顶面发射型VCSEL。在该实施例中，激光器450是一顶面发射VCSEL。小芯片410(下文中也称作光源小芯片)已形成于-透明材料层420上。举例而言，透明材料40(例如，环氧树脂)可沉积在小芯片410的顶面430上。
-光学元件形成于透明材料420的-表面440上或制成层420的一部分。在一实施例中，随后将层420图样化为一光栅470，关于此光栅，下文将参照图9至14予以更详细说明。视情况，可给光栅470施加一减反射涂层480。
例示性监视器构型：例示性形状及几何结构
图5为-自监视光源的俯视图，其中该光源根据本发明的-实施例包括一环形几何结构。在该实施例中，光监视器或光电探测器在至少一个平面或水平上部分环绕该激光器孔径。在另一实施例中，光监视器或光电探测器在至少一个平面或水平上完全环绕该激光器孔径。在再一实施例中，光监视器位于-第一平面上，光源位于-第二平面上，且该光监视器或该光电探测器或部分或完全环绕自光监视器平面突出的激光器孔径部分。
环形几何结构的好处在于可因环形形状的对称性而放宽掩膜对活性层内光栅及组件的对准要求。举例而言，即使光栅与激光器之间的对准不甚完美，监视器因其自身几何结构的对称性仍可捕捉到反射回来的光。
图6为-自监视光源的俯视图，其中该监视器根据本发明另一实施例包括-具有若干切口的环形几何结构。下文将更详细讨论图5与图6。
图7为-自监视光源700的俯视图。自监视光源包括彼此集成在一起的-光源710和-监视器720。在该实施例中，光源710是-半导体激光器(例如，-VCSEL)，且监视器720根据本发明-实施例利用一单一光接收点位724。
应注意：光接收点位724可构建为任一合适的几何形状(例如，圆形、方形、多边形或其他形状)。应进一步注意，监视器720可包括多个光接收点位，该些点位即可构建为独立岛屿(例如，两个或多个独立的非连续区域或形状)也可构建为一单一的连续形状。
光监视器(例如，光电探测器)的布局可包括但不限于：-包括一个或多个非连接或非连续岛屿、一个或多个连续几何形状、-环形几何形状、包括至少一切口的环形几何形状的布局；-围绕至少-第一轴对称的布局；-围绕-第一轴及一第二轴对称的布局；及一径向对称的布局。况且，光监视器(例如，光电探测器)的布局可包括(例如)一单一光接收点位、至少两个独立光接收点位、或四个光接收点位。下文将更详细尽阐释该些几何结构和构型的实例。
图8为-自监视光源(例如，802、804、806)阵例800的俯视图。每一自监视光源均包括集成在一起的-光源和-监视器。在该实施例中，光源(例如，光源810、820、830)为半导体激光器(例如，-VCSEL)。
在该实施例中，每一集成监视器(例如，监视器812)均利用两个光接收点位。举例而言，监视器包括-第一光接收点位814和-第二光接收点位818。应注意，点位814、818可构建为任何合适的几何结构(例如，圆形、方形、或其他形状)。应进一步注意，点位814、818可构建为独立的岛屿(例如，两个或更多个独立的非连续区域或形状)或构建为-单一的连续形状，前面曾参照图5和图6阐释了位于-单一连续形状(例如，-环形几何结构)上的点位814、818的实例。
某些应用需要-激光器阵列(例如，-VCSEL阵列)，例如-包括多个沿第一维(例如，-x维或水平维)布置的激光器(例如，N个激光器)的阵列；该实施例对于此类应用尤其有用。根据本发明-实施例，该些激光器可构建有自监视光源。
应注意，监视器的布局可以是-围绕至少-第一轴(例如，x轴)对称的布局、-围绕-第-轴及第二轴(例如，y轴)对称的布局、及-围绕-特定点径向对称的布局。监视器的布局还可部分或完全环绕激光器孔径。
例示性光学元件构型
根据本发明-实施例的光学元件执行一个或多个下列功能：准直每一所接收光束以产生一准直光束；以一角度反射该准直光束形成一反射光束；部分透射入射光束形成一透射光束；以一角度部分偏移该反射光束形成一直接射至-光监视装置的受监视光束；将受监视光束聚焦在光监视装置上；及将透射光束聚焦在一光纤电缆上。在一实施例中，该光学元件可以构建有-光栅(例如，-衍射光栅)。
图9为根据本发明-实施例的光栅910的俯视图。光栅910具有一图样，该图样也称作-交替条形图样。光栅910包括多个沿一第一轴(例如，垂直轴或y轴)延伸的脊部分920和谷部分930。当人们从左向右移动时，脊部分920和谷部分930交替出现。应注意，图9的光栅能够旋转90°以获得-其脊和谷沿正交于该第一轴的-第二轴(例如，一水平轴或-x轴)延伸的光栅。
图10显示图9所示光栅910经由线10′-10′方向观察的一侧视图。光栅910可将光源(例如，激光器)所产生的一部分光反射回至两个接收点位，且因此适合以图8所示布局与自监视光源整合在一起。
图11为根据本发明另一实施例的光栅1110的俯视图。图12显示光栅1110经由线12′-12′方向观察的-视图，而图13显示光栅1110经由线13′-13′方向观察的-视图。光栅1110具有一图样，该图样称作棋盘图样。光栅1110包括布置成一棋盘形式的峰部分1120和底部分1130。光栅1110可以是(例如)-个二维交叉光栅，其沿-第一轴(例如，水平方向)及-第二轴(例如，垂直方向)具有相同的周期和形貌。光栅1110将激光器所产生光的一部分反射回四个光接收点位，且因此适合以图5或图6所示布局与自监视光源整合在一起。
在一实施例中，带有棋盘图样的光栅1110沿-第-轴且沿-第二轴具有相同的周期和形貌。在一实施例中，相同形貌之间的周期可以是(例如)约0.5微米，而在另一实施例中，相同形貌之间的周期可以是(例如)约0.35微米。
应注意，加工-具有两个高度(图9和图11)的光栅对于此项技术中普通技术人员可使用的加工技术而言甚为简单。
图14图解说明根据本发明再一实施例的-倾斜光栅1400，其适合产生-供监视用单一光区域。该实施例适合以图7所示布局与自监视光源整合在一起。
第一实施例的性能标绘图和照明图样
图15为根据本发明-实施例-具有第一监视器几何结构的集成激光器/监视器的性能标绘图。为使-激光监视器可靠，监视器应对监视器所测量的光具有恒定响应。监视器应对光的特性(例如，波长、入射角及偏振)不敏感。换言之，监视器应该因所接收总功率的改变而非波长、入射角及偏振等光性质的改变而做出不同的响应。
图15以偏振和入射角的函数形式显示下列内容：1)-第一标绘线1510，其表示具有第一偏振的激光功率透射部分(用于-应用)；-第二标绘线1512，其表示具有第二偏振的激光功率透射部分(用于-应用)；2)-第三标绘线1520，其表示具有第一偏振的激光功率反射至监视器(例如，光电探测器)的部分；及第四标绘线1522，其表示具有第二偏振的激光功率反射至监视器(例如，光电探测器)的部分；及3)-第五绘标线1530，其表示具有第一偏振的激光功率反射回激光器的部分；及-第六标绘线1532，其表示具有第二偏振的激光功率反射回激光器孔径的部分。第一偏振可以是-TE偏振，且第二偏振可以是-TM偏振。应注意，标绘线1510、1520及1530通常分别与标绘线1512、1522及1532重叠。
应注意，约76％的激光功率毫无变化地直接透射穿过该表面；约18％的激光功率被监视器捕捉或测量，而仅有3％的激光功率反射回激光器。另有3％的激光功率(在上述数字中未计及)反射至未照射监视器的其他光点。应注意，对于此应用而言，每一标绘线通常对于波长的变化不敏感。举例而言，当波长变化达到±20纳米时，标绘线仅显示微小的变化。
在一实施例中，光栅周期沿x方向和y方向约为0.50um；沿x方向和y方向的填充系数约为0.5；波长(λ)约为0.98um；光栅深度约为87纳米，且利用-减反射涂层，该减反射涂层采用一折射率约为1.45的材料制成。
如人们所能了解，图15显示监视器的响应未因激光束性质的改变而发生明显变化。随着激光照射的偏振和角度的改变，四个光点中每一光点内的功率可发生变化；然而，各光点的变化可相互抵消，且四个光点的合计功率保持相对恒定。监视器响应对偏振和入射角的相对不敏感性起因于光栅呈二维设计及四个光点投射至监视器。
参见图6，图中显示-光发射装置620和-具有切口的环形几何结构的监视器610(例如，-具有切口的环形几何结构的光电探测器)。图6还提供了-自光栅反射至装置的光点覆盖层。该自监视激光器设计的尺寸在装置间具有一约500um的间距。利用一维光栅能够实现一约250um间距的更紧凑间隔；一维光栅可仅沿一个轴(例如，垂直于-激光器阵列)形成若干反射光点且因此适合于-激光器阵列。
在该实施例中，小芯片604具有一其中可构建监视器610的约500um平方的尺寸。有九个光点(630、634、638、640、644、650、654、658、660)。中心光点644(约总功率的3％)指示返回至激光器孔径位置处的非期望反射的大小和位置。虽然中心光点的尺寸已增大，但仅一小部分反射光点与激光器孔径相重叠。
有四个光点(630、634、638、640)供监视器610进行测量并提供监视器信号(约总功率的18％)。在对角线上还有四个扩展的椭圆光点(650、654、658、660)(约总功率的3％)，其处于较大角度但不被监视器610收集。为防止在所监视功率中测量该些椭圆光点(650、654、658、660)，环形几何结构的某些区域(例如，切口)被去除。
第二实施例的性能标绘图和照明图样
图16显示根据本发明-实施例-具有第二监视器几何结构的集成激光器/监视器的性能标绘图。该第二自监视激光器设计在下列方面不同于第一设计。第一，光栅周期已变小或已调小。在此设计中，光栅周期约为0.35um。第二，第一设计中的减反射涂层已去除。再者，增加了光栅蚀刻深度。
图16以偏振和入射角的函数形式显示下列内容：1)-第一标绘线1610，其表示具有第一偏振的激光功率透射部分(用于-应用)；-第二标绘线1612，其表示具有第二偏振的激光功率透射部分(用于-应用)；2)-第三标绘线1620，其表示具有第一偏振的激光功率反射至监视器(例如，光电探测器)的部分；及第四标绘线1622，其表示具有第二偏振的激光功率反射至监视器(例如，光电探测器)的部分；及3)-第五绘标线1630，其表示具有第一偏振的激光功率反射回激光器的部分；及-第六标绘线1632，其表示具有第二偏振的激光功率反射回激光器孔径的部分。第一偏振可以是-TE偏振，且第二偏振可以是一TM偏振。应注意，标绘线1610、1620及1630通常分别重叠标绘线1612、1622及1632。
在该实施例中，透射功率部分已增加至约82％，且受监视功率部分约为16％。总功率的约2％为非期望的反馈反射。该特定的监视器设计对光束偏振和入射角也呈现出良好的不敏感性。该实列中的功率总和增加至100％(即，计及所有功率)。
该较小的光栅周期仅产生5个反射光点(见图5)，且没有额外光点耗费系统的功率。应注意，在本发明-实施例中，所形成的四个监视光点以较大角度传播，由此致使光电探测器具有一较大几何结构且小芯片具有一较大总体尺寸。在该实施例中，小芯片尺寸在每一边缘上约为1000um。
应注意，自光栅反射来的光被衍射至五个主要光点(530、540、550、560及570)并向下投射回VCSEL小芯片的背面。四个光点(530、540、550及560)自激光器孔径径向投射出来并以约90°的间隔定位在环的周围。该等四个光点(530、540、550及560)各照射环形监视器510(例如，-具有环形几何结构布局的光电探测器)的一部分。当将该等四个光点处所接收的光加在一起时，该总和代表入射至监视器510上的总功率。第5光点570自光栅表面直接向下反射并将某些功率发送回激光器。由于此功率能导致一不稳定反馈，因此应将该第5光点570最小化以防止反馈问题。
在一实施例中，光栅周期沿该x方向及该y方向约为0.35um；填充系数沿该x方向及该y方向约为0.5；波长(λ)约为0.98um；光栅深度约为132纳米，且没有AR涂层。应注意，对于此应用，每一标绘线通常对波长的实际变化不敏感。举例而言，当波长的变化达到±20纳米时，标绘线仅显示微小的变化。
本发明自监视激光器的使用通常对于-产品的平台设计呈透明状。除常规电触点外，可能还需要其他电触点(例如，一组电极)来操作该监视器(例如，光电探测器)，以给小芯片供电并提供激光器驱动信号。可使用该些额外的触点来传输监视器信号(例如，该监视器所测量的总功率)。
图17图解说明-自监视光源1700，其中：-监视器1760形成在-监视器小芯片1710内；-光源1750形成在-光源小芯片1720内；且根据本发明-实施例，监视器小芯片1710与光源小芯片1720组合在一单一子总成中。在该实施例中，光源1750(例如，VCSEL)形成或制作于VCSEL小芯片1720内。监视器1760形成或制作于一独立于VCSEL小芯片1720的监视器小芯片1710内。根据本发明的-实施例，监视器小芯片1710作为-单独元件形成于激光器小芯片1720的下方。可使用下列方法将监视器小芯片1710与VCSEL小芯片1720组合在一单一子总成中。首先，在监视器小芯片内形成至少一个电触点(例如，由一种导电材料制成的-隆起物、-电极或导电垫)。其次，将VCSEL小芯片定位在电触点上。VCSEL小芯片包括至少一个供与监视器小芯片的电触点实施电偶联的电触点。再次，在VCSEL小芯片与监视器小芯片之间的空隙下部填充-粘性材料，例如，一高折射率环氧树脂。应注意，可在监视器小芯片或光源小芯片内设置一或多个电迹线来发送电信号。一光学元件(例如，光栅)1770可形成在光源小芯片(例如，VCSEL小芯片)1720上。一减发射(AR)涂层可视情况沉积在光学元件1770上。
图18图解说明根据本发明-实施例的-自监视光源1800，其中光监视器1860以-表面处理(例如，-监视器薄膜1820)方式构建而成。在该实施例中，光源1850(例如，VCSEL)形成或制作于光源小芯片1820内，且监视器1860形成或制作于监视器薄膜1820内。一光学元件(例如，光栅)1870可形成于光源小芯片1820内(例如，VCSEL小芯片内的一表面上)。一减反射(AR)涂层1880可视情况沉积在光学元件(例如，光栅)1870上。
图19图解说明-自监视光源1900，其中根据本发明的一实施例，一光学元件1928与一监视器小芯片1920集成在一起且该监视器小芯片1920与一光源小芯片1910组合形成-单一子总成1950。自监视器光源1900包括一其中形成或制作有一垂直发射光源的光源小芯片1910。自监视光源1900还包括-其中形成有-光监视器1924(例如，-光电探测器)的监视器小芯片1920。举例而言，光源小芯片1910可包括-底面发射型VCSEL，-顶面发射型VCSEL或-垂直发射型发光二极管(LED)。监视器小芯片1920可包括-具有前面所述环形几何结构或其他几何结构及布局的监视器1924。
应注意，在该实施例中，一光学元件1928(例如，一光栅)与监视器小芯片集成在一起(例如，形成在监视器小芯片1920的一表面上)。监视小芯片1920与光源小芯片1910组合(例如，组装或封装)形成-单一子总成1950。通过使用形成于监视器小芯片1910内的一个或多个电触点1930及形成于监视器小芯片1920内的一个或多个电触点1940可对监视器小芯片1920与光源小芯片1910实施电偶联。可在监视器小芯片1920、光源小芯片1910或兼在二者中设置电迹线，以在各小芯片内、各小芯片之间及往来于子总成1950传导电信号。
应注意，根据本发明的其他实施例，自监视光发射装置包括一光源、监视器及光学元件；且三个组件中两个元件的任一组合集成在-第一小芯片内，-第三组件形成在-第二小芯片内，并且该第一小芯片与该第二小芯片组合(例如，组装或封装)在-单一子总成内。以此方式，根据本发明的各种实施例，自监视光发射装置的三个组件(例如，光源、监视器及光学元件)能够与不同组合及不同集成水平集成或组装在一起。在一实例中，通过下列方式可将-垂直发射光源(例如，VCSEL)、一光监视器(例如，一光探测器)及光学元件(例如，衍射光栅)共同组合或组装在-单一子总成内：集成上述组件中的两个并将该等两个组件形成于-第一小芯片内；将一第三组件形成于-第二小芯片内；及将该第一小芯片与该第二小芯片组装或封装在-单一子总成内。
上文阐释了用于监视一光源(例如，-半导体激光器)输出功率的自监视光发射装置的实施例。通过将一光监视器与该光源集成在-单一半导体小芯片或-单一子总成内，可测量该光源(例如，-VCSEL)的输出功率。在另-实施例中，将光反射回监视器所需的光学元件也集成在该单一半导体小芯片(例如，VCSEL小芯片)或该单一子总成内。光学元件还可集成在一光源小芯片或一监视器小芯片内。根据本发明的不同实施例，将光学元件集成在该监视器小芯片、光源小芯片或单一半导体小芯片内可简化平台设计、所需部件比先前技术解决方案少、所需对准精度降低、可避免先前技术解决方案的组装和封装问题且可提供比先前技术方法更紧凑的解决方案。
在上述说明书中，参照本发明的具体实施例对本发明进行了阐释。然而，很显然：可在不背离本发明更宽广范围的前提下对本发明的实施例作各种修改和改变。因此，须将本发明书及附图视为仅具有说明意义而非限制意义。

Claims (14)

1.一种自监视光源，其包括：
-制作在半导体小芯片中并产生光的光源；
-光监视器，其与所述光源制作在同一半导体小芯片中并在所述半导体小芯片的横向上偏离所述光源，使所述光监视器不处于所述光源的正上方或正下方；
位于所述光源上方的光学元件，所述光学元件集成在所述半导体小芯片中或作为独立于所述半导体小芯片的元件提供，并将来自所述光源的光的一部分导向至所述光监视器以产生反馈信号；所述光源是-包含-孔径的VCSEL；
其中所述光监视器包括-至少部分地环绕所述孔径的环形布局。
2.如权利要求1所述的自监视光源，其中所述光监视器包括下列之一：-具有-单一光接收点位的布局、-具有至少两个单独光接收点位的布局。
3.如权利要求1所述的自监视光源，其中所述光监视器包括具有四个光接收点位的布局。
4.如权利要求2所述的自监视光源，其中所述光监视器包括-连续几何结构。
5.如权利要求2所述的自监视光源，其中所述光监视器包括-环形几何结构。
6.如权利要求2所述的自监视光源，其中所述光监视器包括-包含至少一个切口的环形几何结构。
7.如权利要求2所述的自监视光源，其中所述光监视器包括-围绕至少-第一轴对称的布局。
8.如权利要求2所述的自监视光源，其中所述光监视器包括-围绕-第一轴和-第二轴对称的布局。
9.如权利要求2所述的自监视光源，其中所述光监视器包括-径向对称的布局。
10.如权利要求1所述的自监视光源，其中所述光学元件包括下述光栅之一：-具有-交替条形图样的光栅、-具有棋盘图样的光栅、-可将光导向至所述光监视器上-单一光接收点位的光栅、-可将光导向至所述光监视器上至少两个光接收点位的光栅。
11.如权利要求1所述的自监视光源，其中所述光学元件包括-可将光导向至所述光监视器上四个光接收点位的光栅。
12.如权利要求1所述的自监视光源，其中所述光源是下列之一：-底面发射型VCSEL、-顶面发射型VCSEL。
13.如权利要求1所述的自监视光源，其进一步包括：
-形成于所述半导体小芯片上的透明层；
其中，所述光学元件形成于所述透明层内。
14.如权利要求1所述的自监视光源，
其中，所述光学元件形成于所述半导体小芯片内；其中所述光源是一底面发射型VCSEL。
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