专利名称：具有抑制的反馈的激光单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有半导体激光器芯片的激光单元，该半导体激光器芯片包括具有用于激光束的出射区域的输出反射镜，该激光束主要意在气体检测，但也可被用在其它应用领域中，例如用在电信中，并且能够减少和/或抑制进入激光器的出射区域的激光的背反射。
背景技术：
由于安全、便利和环境保护的部门中的大量任务，存在对于有成本效益的、可靠的和高度灵敏的气体检测器的巨大需求。已知的气体传感器借助于吸收光谱法来频繁地检测气体。例如,用这种技术,使合适频率的激光束穿过至少部分地吸收该激光的气体或气体混合物。该频率依赖于要被检测的气体，并且被选择成确保激光与气体原子和/或气体分子的最强可能的相互作用。这里，激光束的吸收程度被用作正被讨论的气体的气体浓度的指示符。具有在光谱上单模式光束的激光尤其适合于气体检测。在激光吸收光谱法中，由激光二极管所发射的激光束在穿过气体或气体混合物之后被光检测器元件或热敏检测器元件所检测，并且所接收的信号被馈送到信号分析器以用于评估。该信号分析器从所接收的信号中分离恒定的干涉图案。然而，不能从所接收的信号中完全消除差不多一直将出现的不断改变的干涉图案，由于增加的噪声，其具有使用于要被检测的气体的检测灵敏度明显降级的效应。在一方面，改变的干涉图案是由热影响所引起的，该热影响通过改变激光到检测器元件的光程长度来影响半导体激光器单元。另外，这样的干涉图案可以由半导体激光器单元的外壳的内表面上的该激光的反射，或由布置在外壳内部的束成形光学元件或束引导光学元件(诸如透镜或反射镜)的边界面上的该激光的反射，或也可由用于激光束的出射窗的内表面或外表面上的该激光的反射所生成。通常，这些干涉图案还取决于温度，因为用于外壳内部的激光束的光程长度随该温度而改变。尤其是进入半导体激光器芯片的激光孔径的激光的背反射在由半导体激光器芯片所发射的激光束上的噪声方面具有极副面的效应。通常的做法是，在布置在外壳和半导体激光器芯片之间并用作活性散热器的珀尔贴(Peltier)元件上布置了半导体激光器单元的半导体激光器芯片，以便限制该热影响，并且从而限制干涉图案的出现。还从现有技术中已知的是，将影响激光束的光学元件与半导体激光器芯片以热传导连接进行连接，使得该光学元件具有与该半导体激光器芯片有关的限定的热状态。与温度控制的半导体激光器芯片有关的该限定的热状态产生了半导体激光器芯片和束成形元件之间的激光束的稳定的光程长度。例如，这种类型的热耦合从EP2320215A1获知。该专利公开披露了一种半导体激光器布置，特别是用于气体检测，具有带有电连接的外壳，该外壳具有底部，并优选地具有出射窗。在该外壳中布置了半导体激光器芯片和用于该半导体激光器芯片的温度控制设备。该温度控制设备由珀尔贴元件所形成，该珀尔贴元件用它的下平面与外壳的底部相连接，以及用它的上平面与半导体激光器芯片相连接。温度控制的束成形元件(例如校准微透镜)被布置在半导体激光器芯片和外壳的出射窗之间。束成形元件与半导体激光器芯片紧密地物理接触，其中它的边界面之一与激光孔径优选地材料上或粘性地相连接。从而，该束成形元件还具有关于该半导体激光器芯片的限定的热状态。然而，其中束成形元件与激光孔径直接物理接触的以上所描述的已知的半导体激光器布置，允许了激光的不受阻碍地干涉背反射在不影响它们的情况下发生。为了减少背反射，可使用光学绝缘体；然而，它们相对于半导体激光器的尺寸通常是非常大的，并且在紧凑的光学传感器中占用了大量的空间。另外，通常由若干光学元件所组成的这样的系统的相对高的价格阻止了这样的系统被安装在有成本效益的检测系统中。作为对光学绝缘体的替代，可使用仅仅旋转背反射光的偏振方向的光学元件。示例参考是出版物W001/02838A1和EP0729565B1。然而，即使这样的光学元件具有防反射涂层，由于附加的光学边界面，这样的光学元件作为分立元件的安装不提供任何真正的优势。即使在存在高质量的防反射涂层的情况下在这些边界面处发生的背反射在束路径中产生光学干涉。这极大地减少了偏振旋转的优势，并且可甚至导致更多的光学噪声。这种事实，以及防反射涂层的附加成本，是用于气体吸收的这样的解决方案在过去不被考虑的原因。
发明内容
参考以上所描述的现有技术，本发明着手的问题是提出用于将激光束的干涉现象进一步减少到显著程度的解决方案。根据本发明，该问题由一种具有权利要求1的特征的用于气体检测的激光单元所解决。在有关的权利要求中展现了附加的有利实施例。本发明基于的思想是，防止从外部反射回的经由出射区域进入半导体激光器芯片的光学共振器的激光与要被发射的激光的强烈的相互作用。出于这个目的，影响了背反射激光的偏振方向。目标是以最大可能的角度、理论上正交地延伸的方式来将偏振面改变(即旋转)到所发射的激光束的偏振面。本发明的核心思想是以避免束路径中附加的边界面的方式来安装具有以上所描述的特性的光学元件。因此，由于背反射而引起的所发射的激光束的调制被显著地减少。在根据本发明的激光单元中，在半导体激光器芯片的输出反射镜的出射区域中，布置了减少用于自混合效应的激光单元的灵敏度的光学元件。减少自混合的光学元件对于激光在很大程度上是可透过的，并且至少在出射区域的范围中与输出反射镜重叠。减少自混合的光学兀件和输出反射镜至少在出射区域处在它们的完全表面上彼此相连接。输出反射镜可具有金属涂层和/或其它涂层，这些涂层具有用于出射区域的范围中的光发射的开□。在本发明的优选实施例中，减少自混合的光学兀件与半导体激光器芯片相材料接触，或通过光学介质与半导体激光器芯片相连接。减少自混合的光学元件因此还与半导体激光器芯片直接接触，以便建立允许温度均衡的热耦合。该光学元件可通常由光学绝缘体所组成。然而，如果减少自混合的元件仅影响偏振方向，则它也是足够的。在这种情况下，其包括光学活性材料，该光学活性材料以它旋转传递光束(激光束)的振动平面的方式被构造。振动平面的旋转的程度取决于入射光的波长，并且还取决于减少自混合的光学元件相对于该光束的对准。一些晶体由于晶体结构的不对称而使光旋转。但是还可能的是，使用自身不是光学活性的透明材料，例如通过将考虑到法拉第效应的磁场，或电场，施加到例如液晶单元，由此旋转了光束的偏振方向。优选地，减少自混合的这种光学元件采取了小的平滑且扁平的平面的形式，其具有取决于材料的结构的特定的轴，其中将激光束的电磁辐射的偏振以一定角度对所述轴被布置，以便实现最佳效应。被由激光孔径所发射的激光束所横穿，并且在相反方向上被该激光束的背反射所横穿的减少自混合的光学元件，显著地改变了背反射激光束相对于所发射的激光束的偏振方向，由此减少了由该半导体激光器芯片所生成的激光的调制。在激光束的全等偏振面在相反的方向上行进的情况下，调制是最大的，以及在正交对准的偏振面的情况下，调制是最小的。优选地，在根据本发明的激光单元中，例如小的石英玻璃片的小的延迟片被用作减少自混合的光学元件。这样的石英玻璃片具有由以对映形态(enantimorphous)结构的石英 的结晶化所确定的光学活性。优选地，该光轴被如此布置，使得其位于晶体的截面上。这样的延迟片(也称为λ /n片或波片)是能够改变传递诸如激光的电磁波的偏振和相位的光学元件。通常，η是自然数。例如，λ/4片使平行于特定于部件的轴而被偏振的光相对于垂直于该轴被偏振的光延迟了四分之一波长。利用合适的福射，其能够从线性偏振光生成圆形或椭圆偏振光，或将圆形偏振光再转换成线性偏振光。偏振改变由如下环境所实现，其中穿过的激光被分成以不同速度穿过λ/4片的两个垂直的偏振方向，并且它们的相位相对彼此移位。通常，这样的片由合适厚度和对准的双重反射晶体，或由此制造的箔片所组成。例如，根据本发明的激光单元的这样的λ/4片生成发射束和背反射束之间的激光辐射的偏振的90°旋转，使得在不同方向上前进的两个激光束不在半导体激光器芯片内部干涉。这避免了，或极大减少了半导体激光器芯片中的自混合效应。出于这个目的，相对于半导体激光器芯片，λ/4片以这样的方式被优选地布置，其中λ/4片的光轴采用了与半导体激光器芯片的线性偏振激光束的偏振方向成45°的角度。代替λ/4片，还可能使用厚度为激光束的四分之一波长的奇数倍的延迟片。在根据本发明的激光单元的有利的实施例中，半导体激光器芯片的输出反射镜被安装在减少自混合的光学元件上。优选地，薄的石英玻璃片在这里被用作减少自混合的光学元件。借助于气相沉积或溅射(例如氧化硅(SiOx)和氧化钛(Ti02))，或在化学上借助于PECVD，即通过等离子增强的化学气相沉积来优选地施加反射镜涂层，其中那些层包含例如非晶硅或氧化硅。由减少自混合的光学元件和从VCSEL半激光器(semilaser)结构分离地产生的输出反射镜所组成的单元，优选地借助于已知的晶片接合过程与该半激光器结构相结合，其中该输出反射镜指向该半激光器结构的方向。例如，适合于生产传统的VCSEL半导体激光器芯片(即，不具有减少自混合的光学元件的半导体激光器芯片)的晶片接合过程在专利EP1378039B1中被公开。在已知的过程中，上衬底层和下衬底层借助于晶片接合与中央波导层确实地结合。这三层自身是多层的。上衬底层和下衬底层均包括镓亚砷酸盐衬底(砷化镓衬底)和由外延地产生的若干个半导体层所组成的反射镜层。波导层被传统地构造。在已经将两个衬底层与波导层确实地结合之后，在上衬底层上(即，在意在输出激光束的半导体激光器芯片的平面上)移除面向外的GaAs衬底，使得剩余的反射镜层可以作为用于激光束的输出反射镜。下衬底层保持未改变，其中嵌入在半导体激光器芯片中并面向输出反射镜的反射镜形成了后激光反射镜。在优选实施例中的用于根据本发明的激光单元的具有减少自混合的元件的晶片接合的半导体激光器芯片以相似的方式被生产。然而，代替上衬底层，由一块所制成的该单元被用作具有电介质产生的输出反射镜的减少自混合的光学元件。因为减少自混合的光学元件对于激光是可透过的，所以该输出反射镜能够在没有任何附加措施的情况下起作用。从输出反射镜发出的激光束穿过减少自混合的光学元件，而没有任何问题。在具有分离地生产的半导体激光器芯片和减少自混合的光学元件的根据本发明的激光单元的一个实施例中，减少自混合的光学元件优选地连接在具有光学介质的输出反射镜上，该光学介质具有与减少自混合光学元件的折射率相似或等效的折射率。该光学介质在半导体激光器芯片和减少自混合的光学元件之间形成了薄且均匀的层。该光学介质由仅在小程度上吸收激光的材料所组成。例如，该光学介质可由粘性层、凝胶层、或液体层所组成。另外，减少自混合的光学元件能以相对于输出反射镜稍微倾斜来被布置，以便防止可导致干涉的法布里拍罗(Fabry Perot)腔。当所发射的激光束从输出反射镜转到光学介质时，激光束的光波按照折射法则而被折射。通过使用折射率在理论上与延迟片的折射率相同的光学介质，消除了减少自混合的光学元件上的用于激光的可能的反射面。当转到减少自混合的光学元件时，激光束在不使激光波再次改变它们的方向的情况下穿过光学介质。在一个实施例中，减少自混合的光学元件可以在其制造期间被直接地结合到半导体激光器芯片，即被集成在该芯片中。优选地，借助于晶片接合来产生该结合。晶片接合是从半导体和微系统技术所获知的过程，其中例如两个硅、石英或类似的晶片在没有附加的粘合手段的情况下被结合。在根据本发明的激光单元的优选的实施例中，减少自混合的光学元件被附着到VCSEL激光结构。在根据本发明的激光单元的另一个优选实施例中，减少自混合的光学元件在用于激光束的出射区域处携带了光束成形元件，其中该束成形元件与半导体激光器芯片间接地连接。优选地，该束成形元件与减少自混合的光学元件确实地连接或借助于光学介质连接。可使用任何类型的元件。校准的微透镜是优选的，优选地在减少自混合的光学元件上布置球形或半球形透镜。优选地，束成形元件借助于光学介质被附着到减少自混合的光学元件，该光学介质具有与束成形元件或减少自混合的光学元件的折射率相似或等效的折射率。该光学介质形成了薄的均匀层，其在一侧是平的且在另一侧是弯曲的，由此适合于束成形元件的形状。例如，将减少自混合的光学元件与束成形元件和/或半导体激光器芯片相连接的光学介质可包括粘性剂、凝胶或液体。当激光束从减少自混合的光学元件转到束成形元件时，由于该光学介质的适应的折射率，在粘性层的边界层处激光束仅被折射单次。在根据本发明的激光单元的一个实施例中，减少自混合的光学元件借助于第一光学介质被附着到输出反射镜，以及束成形元件借助于第二光学介质被附着到减少自混合的光学元件，这两个光学介质均具有与束成形元件和减少自混合的光学元件的折射率相同的折射率。由于光学介质的、减少自混合的光学元件的、和束成形元件的一致的折射率，由半导体激光器芯片、第一粘性层、减少自混合的光学元件、第二粘性层和束成形元件所组成的复合系统被减少成这些物品之间的单折射边界面。有效的边界面位于输出反射镜和第一光学介质之间。这在减少自混合的光学元件和束成形元件上为激光消除了可能的反射面。通过光学介质为所发射的激光束而实现的优势，即适合于激光孔径和减少自混合的光学元件之间和/或减少自混合的光学元件和束成形元件之间的相应的折射率，也适用于所发射的激光束的背反射。该光学介质也可由油的薄层所组成，其中该油和减少自混合的光学元件的折射率互相匹配。优选地，光学介质的厚度应当保持很薄。该厚度应当小于100 μ m,使得也许可能形成的法布里珀罗腔导致了相对小的低频标准具，因为这些相对小的低频标准具仅被检测为背景噪声，所以它们不干扰气体检测设备的信号，该气体检测设备将根据本发明的激光单元用作发送单元。 而且，减少自混合的光学元件的相对薄的层(例如小于200 μ m的厚度)和/或它的相对小的质量，有利于束成形元件针对激光器芯片的温度的非常好的热适应。本发明的一个实施例被优选，其中半导体激光器芯片被封装在具有用于激光束的出射开口的外壳中，优选地是具有出射窗的封闭的密封外壳。借助于根据本发明的激光单元，可能明显地减少由半导体激光器芯片所生成的激光束的干涉现象。由于减少自混合的光学元件在空间上旋转激光束的背反射的偏振方向，反射回到激光孔径中的激光与要被发射的激光的相互作用被最小化。另外，由于借助于具有相同折射率的光学介质来将减少自混合的光学元件附着到激光孔径，并且可选地将束成形元件附着到减少自混合的光学元件，在激光束的束路径中面对激光孔径的反射面的数量被减少到最小。此外，这将减少自混合的光学元件和束成形元件与半导体激光器芯片进行热耦合，以便减少对激光单元的外壳中的光程长度的热影响。作为激光源，可使用表面发射源(VCSEL)以及边缘发射器。因为可消除减少自混合的光学元件的减反射(dereflection)，所以仅需要为基于石英的延迟片投入小的总额，这使产生小尺寸的非常有成本效益的激光器模块成为可能。
在下面，参照附图中所示的三个实施例来详细解释本发明。结合权利要求和附图在本发明的实施例的下面的描述中给出了本发明的附加特性。在本发明的不同的实施例中，本发明的各个特性可以由它们自身所个别地实现或以若干的组合所实现。图1示出了根据本发明的激光单元，具有与半导体激光器芯片确实地连接或借助于光学介质连接的减少自混合的光学元件；
图2示出了图1中的激光单元，其具有确实地连接或借助于光学介质连接的束成形元件；以及
图3示出了具有减少自混合的光学元件的晶片接合的半导体激光器芯片。
具体实施例方式图1示出了激光单元1，优选地用于气体检测，具有封闭的密封外壳(未在图中示出)，该外壳具有用于激光束的出射窗，在该外壳中布置了半导体激光器芯片2。在用于激光束9的出射区域10的范围中，半导体激光器芯片2携带了 λ/4片3，该λ/4片3借助于作为由粘合剂所制成的光学介质的粘性层5与半导体激光器芯片2的输出反射镜6相连接。该λ /4片3是平的，与粘性层5 —样，λ/4片3通过粘性层5被附着到包括出射区域10的半导体激光器芯片2的平面7。粘性层5在整个出射区域10上延伸。连接输出反射镜6和减少自混合的光学元件3的粘性层5具有与减少自混合的光学元件3的折射率相同的折射率。在离λ/4片3—段距离处，布置了可选的微透镜4，其被附着到从激光单元的外壳延伸的固定器(未不出)。图2示出了图1中所示的实施例的变形，其中微透镜4以球面透镜的形式被布置在减少自混合的光学元件3上。连接微透镜4和λ /4片3的第二粘性层8在λ /4片3和微透镜4之间延伸。第二粘性层8在与λ /4片3相关联的侧面上是平的，以及在面对微透 镜4的侧面上是凹的。第二粘性层8的弯月面(meniscus)的形状与微透镜4的半径相对应。布置在半导体激光器芯片2和减少自混合的光学元件之间的第一粘性层5，和第二粘性层(优选地两者均比λ /4片3更薄)，具有与λ /4片3和微透镜4的材料的折射率在很大程度上相同的折射率。在出射区域10处来自输出反射镜6的发散的激光束9延伸到微透镜4中而不改变方向。该微透镜4校准在第二粘性层8后面的激光束9。图3示出了具有减少自混合的光学元件3的晶片接合的半导体激光器芯片2的结构。在晶片接合之前示出了半导体激光器芯片2。借助于晶片接合，上衬底层11从上面与波导层15相连接，并且下衬底层12从下面与波导层15相连接。上衬底层11包括具有输出反射镜6的减少自混合的光学元件3。下衬底层12包括下面的GaAs衬底13和布置在其上的后激光反射镜14。该图未按比例。
权利要求
1.激光单元(1)，优选地用于气体检测，具有包括输出反射镜的半导体激光器芯片(2)，该输出反射镜具有用于激光束(9)的出射区域(10)，其特征在于，在该出射区域(10) 处布置了减少自混合的光学元件(3)，其中该减少自混合的光学元件(3)和激光器芯片至少在出射区域(10)中在整个表面上彼此相连接。
2.根据权利要求1的激光单元，其特征在于，该减少自混合的光学元件(3)与该激光器芯片确实地连接或借助于光学介质连接。
3.根据权利要求1或2的激光单元，其特征在于，该减少自混合的光学元件(3)被设计为光学绝缘体。
4.根据权利要求1或2的激光单元，其特征在于，该减少自混合的光学元件(3)是延迟片，优选地是石英片，并且具有生成与激光束(9)的四分之一波长的偶数或奇数倍相对应的延迟的厚度。
5.根据前述权利要求中的任何一个的激光单兀，其特征在于，输出反射镜(6)被安装在该减少自混合的光学元件(3)上，并借助于晶片接合作为一个单元被附着到由VCSEL半激光器结构所组成的激光器芯片。
6.根据前述权利要求1-4之一的激光单元，其特征在于，该减少自混合的光学元件(3)借助于晶片接合被附着到VCSEL激光器结构。
7.根据前述权利要求之一的激光单元，其特征在于，在该减少自混合的光学元件(3) 上布置光束成形元件(4)，该光束成形元件(4)优选地是以微透镜形式的球形或半球形透镜。
8.根据权利要求7的激光单元，其特征在于，该减少自混合的光学元件(3)与束成形元件(4 )确实地连接或借助于光学介质连接。
9.根据权利要求2和/或8的激光单元，其特征在于，在该减少自混合的光学元件(3) 和该半导体激光器芯片(2)之间的光学介质(5)具有与该减少自混合的光学元件(3)的折射率相似或相同的折射率，和/或在该减少自混合的光学元件(3)和该束成形元件(4)之间的光学介质具有与该减少自混合的光学元件(3)的折射率或该束成形元件(4)的折射率相似或相同的折射率。
10.根据权利要求9的激光单元，其特征在于，该光学介质(5)是粘合剂、凝胶和/或液体。
11.根据前述权利要求之一的激光单元，其特征在于，半导体激光器芯片(2)被封装在具有用于该激光束(9)的出射开口的外壳中,优选地被封装在具有出射窗的封闭的密封外壳中。
全文摘要
激光单元1，优选地用于气体检测，具有半导体激光器芯片2，并可选地具有对在半导体激光器芯片2处所发射的激光束9进行成形的束成形元件4，全部优选地被封装在具有用于激光束9的出射窗的封闭的密封外壳中。根据本发明，布置了减少自混合的光学元件3在半导体激光器芯片2的出射区域10处直接物理接触，并且至少在出射区域10中与激光器芯片确实地连接或借助于光学介质连接。在替代的实施例中，输出反射镜6可以首先被应用于减少自混合的光学元件3，并且然后，在随后的步骤中，优选地借助于晶片接合来与VCSEL半激光器芯片相连接。
文档编号G01N21/39GK102998281SQ201210340418
公开日2013年3月27日 申请日期2012年9月14日 优先权日2011年9月15日
发明者A.威特曼, M.施图德, R.普罗塔西奥, C.弗拉希纳 申请人:阿克塞特里斯股份公司