DE4235768A1 - Modifizierte Halbleiterlaserdiode mit integriertem Temperaturregelungsteil - Google Patents

Modifizierte Halbleiterlaserdiode mit integriertem Temperaturregelungsteil

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Description

Die Erfindung betrifft eine betriebstemperatur- bzw. wellenlängenstabilisierte Halbleiterlaserdiode mit integriertem Temperaturregelungsteil.
Bekannt ist die herkömmliche Halbleiterlaserdiode bereits seit dem Jahre 1962, als zwei Forschergruppen unabhängig voneinander und nahe zu gleichzeitig GaAs- Laserdioden demonstrierten. Es brauchte jedoch noch eine lange Zeit, um die ersten Laserdioden, die noch Stickstoffkühlung verlangten, in Geräte zu verwandeln, die die einfach erscheinende Aufgabe, bei Zimmertem­ peratur einen kontinuierlichen Laserstrahl auszusenden, lösen konnten.
Das Entwicklungstempo der Diodenlaser wurde in den vergangenen 15 Jahren stark beschleunigt und Laser­ dioden wurden eine der sich schnellstentwickelnden Lasertechnologien. Die Technologie wurde einerseits angeregt durch die Verbreitung der "fiber-optic communication", welche Halbleiterlichtquellen erfor­ dert, andererseits durch den Bedarf an kompakten, preisgünstigen Lichtquellen für eine Vielzahl von informationsverarbeitenden Anwendungen. Das Ergebnis war nicht nur ein sehr grobes Anwachsen der Qualität der angebotenen Laserdioden, sondern auch der Nachfrage danach.
Die Wellenlänge (Peakwellenlänge), die von einer Laser­ diode ausgesendet wird, hängt neben dem Betriebsstrom auch sehr stark von der Betriebstemperatur ab. (Wenn nicht ausdrücklich anders definiert, ist im folgenden Text mit "Temperatur" immer die Betriebstemperatur der Laserdiode bzw. des Laserchips gemeint.) Typische Werte für die Temperaturdrift sind etwa 0,25 nm/°C bei GaAlAs- und etwa 0,5 nm/°C bei InGaAsP-Laserdioden.
Der Sachverhalt wird kompizierter durch die Tatsache, daß viele Diodenlaser gleichzeitig in mehreren ver­ schiedenen Moden schwingen können, jede mit einer unterschiedlichen Wellenlänge. Wenn sich die Temperatur verändert, kann der Laser z. B. von einer longitudinalen Mode in eine andere springen ("mode-hopping") und dabei abrupt seine (Peak-)Wellenlänge ändern. Dies kann erfolgen, wenn die Pulslänge sich im gepulsten Betrieb änderte oder wenn Betriebsstrom und Ausgangsleistung sich während des Dauerbetriebs ändern.
Anwachsen des Betriebsstromes kann Dauerstrich-Laser­ dioden vom Multimode-Zustand in einen Zustand verset­ zen, der sehr stark von einer single-mode dominiert wird. Das Gesamtbild wird dadurch sehr kompiziert, daß die emittierte Wellenlänge sich allmählich ändern, dann abrupt zu einem anderen Wert springen kann. Dieses Verhalten kann Frequenzinstabilitäten und/oder Tempera­ turveränderungen verursachen, ebenso wie einen Anstieg des Rauschens an den mode-hopping-Punkten.
Bei Anwendungen in denen Wellenlängenstabilität gefor­ dert wird, kann daher eine aktive Temperaturregelung, welche die Laserdiode auf einer festen Temperatur hält, dazu beitragen, viele der oben genannten Probleme zu minimieren.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, zum Zwecke der Wellenlängenstabilisierung und/oder Lei­ stungsstabilisierung eine Laserdiode zu konstruieren, deren Betriebstemperatur durch eine aktive Temperatur­ regelung auf einem festen, vom Benutzer einstellbaren Wert gehalten wird.
Da der Vorzug der kompakten Bauweise herkömmlicher Laserdioden auf jeden Fall aufrechterhalten werden soll, hat die vorliegende Erfindung u. a. die Aufgabe, alle zur Temperaturregelung benötigten Bauteile zu verkleinern bzw. zu miniaturisieren und neben dem Laserchip in ein Gehäuse üblicher Baugröße zu integrie­ ren.
Entsprechend dem Stande der Technik wird heute meist versuchte die Temperaturstabilisierung von Laserdioden durch geeignete Kühlung zu erzielen. Als Beispiele wären hier
  • - Luftkühlung bei gleichzeitiger Verwendung von Kühlkörpern ("heat-sink") grober Oberfläche (ggf. unterstützt durch Ventilatoren),
  • - Kühlung durch flüssigen Stickstoff, oder
  • - (die heute überwiegend angewendete) Kühlung durch Peltierelemente
zu nennen.
Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zu­ grunde, daß eine geeignete Temperaturregelung der Laserdiode, oder besser gesagt des Laserchips, auch durch Verwendung von Thermistoren ermöglicht wird. Insbesondere geschieht das durch Verwendung von Kaltleitern ("PTC-Widerstände" oder kurz "PTCs" ge­ nannt), welche als Heiz- und/oder Regelelemente einge­ setzt werden.
Bei Verwendung der PTCs als Heizelement wird die Tempe­ ratur des Laserchips auf einen Wert oberhalb der Umge­ bungstemperatur "hochgeheizt". Dieser Temperaturwert kann i.a. nicht allein durch Erhitzung des Laserchips durch Fliegen des Betriebsstromes erreicht werden.
Aufgrund ihrer speziellen bekannten Kennlinie können PTCs auch als Regelelemente eingesetzt werden. In diesem Falle heizt der Laserchip den PTC auf seine Betriebstemperatur, während der PTC nur zur Regelung dieser Temperatur dient.
Erfindungsgemäß wird ein miniaturisierter PTC mit dem Laserchip in thermischen Kontakt gebracht. Der PTC tritt dabei, gegenüber herkömmlichen Laserdioden, an die Stelle der verwendeten "Befestigungssäule", auf der der Laserchip normalerweise befestigt ist und die üblicherweise auch als heat-sink wirkt.
Gegebenenfalls wird zusätzlich zum Zwecke der Tempera­ turmessung auch ein Heißleiter ("NTC-Widerstand" oder kurz "NTC" genannt) oder ein geeignetes Thermoelement (z. B. NiCr-Ni) in den Bereich des Laserchips gebracht oder direkt an diesem befestigt.
Gegebenenfalls wird ein geeigneter Puffer zwischen PTC und Laserchip angeordnet. Als Puffer kann z. B. eine Scheibe aus Metall dienen, deren Größe i.a. zwischen der Größe des PTCs und des Laserchips liegt.
Zusätzlich kann ein geeigneter Detektor (z. B. Pindiode) im Bereich der rückwärtig aus dem Laserchip austreten­ den Strahlung montiert werden. Dieser ist jedoch - im Gegensatz zu herkömmlichen Laserdioden - im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht unbedingt zur Kontrolle der optischen Ausgangsleistung erforderlich, da hier der Laserchip selbst sowohl als Strahlungsdetektor als auch als Temperatursensor benutzt werden kann.
Weiterhin kann die erfindungsgemäße Vorrichtung je nach Anwendung Fenster, Filter oder spezielle Lin­ sen(systeme) wie z. B. Gradient-Index-Linsen enthalten.
Alle vorstehend genannten Komponenten werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung in einem Gehäuse unterge­ bracht, dessen Größe den heute verwendeten Standard­ gehäusen entspricht. Bei Verwendung der vorstehend genannten Fenster, Filter oder Linsen wird das Gehäuse gleichzeitig durch diese hermetisch abgeriegelt.
Gegebenenfalls kann das Gehäuse zum Schutze des Laser­ chips vor ungewünschter Oxidation auch Inertgas enthal­ ten.
Für spezielle Anwendungen können auch mehrere Laser­ chips auf einem PTC bzw. ein Laserchip zwischen zwei oder mehr PTCs und miniaturisierten Peltierelementen ist denkbar.
Die erfindungsgemäße Laserdiode kann in allen Bereichen in denen heute Laserdioden benutzt werden zur Anwendung gelangen. Zahlreiche neue Anwendungsmöglichkeiten öffnen sich dadurch, daß Laserchip und Temperaturrege­ lungsteil zu einem einzigen höchstintegrierten Baustein zusammengefaßt wurden.
Insbesondere wird die erfindungsgemäße Laserdiode dort Verwendung finden, wo ein Höchstmaß an Wellenlängen­ stabilität verlangt wird. Dies ist u. a. beim Einsatz von Laserdioden für bestimmte Analyseaufgaben der Fall, wie z. B. der Einsatz in der Analyse menschlichen Gewe­ bes, insbesondere bei der in-vivo Untersuchung von Körperflüssigkeiten sowie ganz speziell bei der noninvasiven Bestimmung von Bestandteilen des mensch­ lichen Blutes (Blutglucose, Cholesterin, Alkohol, etc.).

Claims (11)

1. Laserdiode mit integriertem Temperaturregelungsteil, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
  • - es ist mindestens ein Laserchip vorgesehen,
  • - welcher durch mindestens einen PTC-Widerstand beheizt und/oder dessen Betriebstemperatur durch diesen PTC- Widerstand geregelt wird und mit dem Laserchip eine Einheit bildet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich mindestens ein miniaturisiertes Peltierelement vorhanden ist, welches in thermischem Kontakt mit dem Laserchip steht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen Laserchip und PTC-Widerstand und/oder zwischen Laserchip und Peltier­ element ein Puffer aus einem Material mit geeigneter Wärmeleitzahl befindet.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Betriebste­ mperatur des Laserchips mindestens ein NTC-Widerstand oder ein Thermoelement im Bereich des Laserchips oder auf diesem angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserchip selbst als Temperatursensor dient. Dabei wird der während einer Temperaturänderung auftretende Spannungsabfall am Laserchip gemessen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der rückwärtig aus dem Laserchip austretenden Strahlung mindestens ein Strahlungsdetektor im Bereich des Laser­ chips angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserchip selbst als Strahlungsdetektor dient.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß alle zur Temperaturregelung bzw. Temperaturstabilisierung benötigten Bauteile miniaturisiert sind und zusammen mit dem Laserchip in einem einzigen Gehäuse untergebracht werden.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse etwa in der Größenordnung eines Standardgehäuses vom Typ ø 9 mm "standard package" oder vom Typ ø 5,6 mm T.O. 18 liegt oder kleiner ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse Fenster, Fil­ ter, Linsen, Linsensysteme oder Gradientindex-Linsen enthält.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse hermetisch abgedichtet ist.
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