OPTISCHE SENSORANORDNUNG

Die folgende Beschreibung betri f ft eine optische Sensoranordnung, beispielsweise für ein LiDAR-System .

Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 102021120638 . 3 , deren Of fenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird .

Einleitung

Optische Sensoren werden zunehmend als Module mit einer Lichtquelle und einem optischen Empfänger ausgestaltet . Beispielsweise ist „Light detection and ranging" ( kurz LiDAR) eine Technologie , mit der Entfernungen zu entfernten Zielen gemessen werden können . Typischerweise umfasst ein LiDAR-System eine Lichtquelle und einen optischen Empfänger . Die Lichtquelle kann zum Beispiel ein Laser sein, der Licht mit einer bestimmten Betriebswellenlänge emittiert . Die Betriebswellenlänge eines LiDAR-Systems kann zum Beispiel im infraroten, sichtbaren oder ultravioletten Bereich des elektromagnetischen Spektrums liegen . Die Lichtquelle emittiert Licht in Richtung eines Ziels , welches das Licht dann streuen oder reflektieren kann . Ein Teil des gestreuten oder reflektierten Lichts kann am Empfänger wieder empfangen werden . Aus Sensorsignalen kann die Entfernung zum Ziel bestimmt werden, wobei dazu ein oder mehrere Merkmale , die mit dem zurückgeworfenen Licht verbunden sind, ausgewertet werden . Diese Merkmale können j e nach verwendetem LiDAR-Typ unterschiedlich sein . Zum Beispiel kann das System die Entfernung zum Ziel auf der Grundlage der Lauf zeit ( englisch : Time-Of-Flight , kurz : ToF) eines zurückgesendeten Lichtimpulses bestimmen .

ToF-LiDAR, wie beispielsweise scannende Systeme , sind in ihrer Wiederholrate oder Bildrate , d . h . der Scangeschwindigkeit , durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt . Insbesondere bei direkten ToF-LiDAR-Systemen wird ein j eweils ausgesendeter Laserpuls von einem Ziel reflektiert und vom Detektor erfasst , bevor ein nächster Laserpuls zu einer anderen Winkelposition ausgesendet werden kann . Grund dafür ist , dass eine Eindeutigkeit zwischen den emittierten Pulsen und den Pulsantworten bzw . Abstrahlrichtungen gegeben sei sollte . Für eine maximale Entfernung d und Lichtgeschwindigkeit c beträgt die minimale Zeit zwischen zwei Pulsen dt=2 *d/c . Das bedeutet , dass bei einer Entfernung von 150 m das Licht ca . 1 ps für den Hin- und Rückweg benötigt wird und somit die Abtastrate für dieses Beispiel nicht höher als 1 MHz sein kann .

Eine Möglichkeit , diese Grenze zu überwinden, besteht darin, mehrere Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen zu verwenden . Diese Wellenlängen müssen weit genug voneinander getrennt sein, so dass j ede Wellenlänge von einem separaten Detektor erfasst werden kann . Das heißt , für j ede Wellenlänge wird ein anderer Laser und ein anderer Detektor benötigt . Für den Detektor wird dies durch spezi fische Wellenlängen- Bandpass f ilter realisiert , die breit genug sind, um eventuelle Abweichungen, zum Beispiel durch Temperatur oder Strom, von der gewünschten Wellenlänge zu berücksichtigen, aber auch klein genug, um die anderen Wellenlängen nicht zu detektie- ren .

Für zwei Wellenlängen reduziert sich dadurch die Mindestzeit zwischen zwei Pulsen auf dt=d/c, für drei Wellenlängen auf dt=2 *d/ ( 3* c ) , usw . Bei den Emittern muss j eder Laser mit einer anderen Emissionswellenlänge hergestellt werden, was komplett getrennte Produktions zyklen bedeutet . Diese sind komplex und teuer . Ferner müssen die Laser als optische Komponenten in Bezug auf die übrigen Laser und optischen Bauteile im LiDAR-System ausgerichtet werden, um beispielsweise die Strahl führungsoptik anzupassen . Auch dies ist schwierig und teuer . Schließlich werden für die einzelnen Laser eigene Anoden- und Kathodenkontakte benötigt , was eine komplexe Treibergeometrie und große Abmessungen und damit Herstellungskosten nach sich zieht .

Es ist Aufgabe der vorgelegten Beschreibung, eine optische Sensoranordnung vorzuschlagen, welche eine verbesserte Messung ermöglicht mit kompakten Abmessungen und kostengünstiger Herstellung ermöglicht .

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs erreicht . Weitere Entwicklungen und Aus führungs formen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben und gehen aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor .

Zusammenfassung

Dem Folgenden wird zugrunde gelegt , dass j edes in Bezug auf eine beliebige Aus führungs form beschriebene Merkmal allein oder in Kombination mit anderen im Weiteren beschriebenen Merkmalen verwendet werden kann und auch in Kombination mit einem oder mehreren Merkmalen einer beliebigen anderen Ausführungs form oder einer beliebigen Kombination einer anderen Aus führungs form verwendet werden kann, sofern dies nicht als Alternative beschrieben ist . Darüber hinaus können auch Äquivalente und Modi fikationen, die nachstehend nicht beschrieben sind, verwendet werden, ohne vom Anwendungsbereich des vorgeschlagenen optoelektronischen Bauelements und des Verfahrens zum Herstellen eines optoelektronischen Bauelements abzuweichen, die in den begleitenden Ansprüchen definiert sind .

Im Folgenden wird ein verbessertes Konzept auf dem Gebiet optischer Sensoren, beispielsweise optischer Sensoren für LiDAR-Systeme , vorgestellt . Ein Aspekt besteht darin, eine optische Sensoranordnung vorzuschlagen, die einen Halbleiterlaser als Lichtquelle aufweist , die mit zwei oder mehreren Wellenlängen elektromagnetische Strahlung emittieren kann . Ein Anwendungsbeispiel stellen unterschiedliche LiDAR-Systeme , wie etwa scannende LiDAR-Systeme , dar . Anstatt für die j eweilige Wellenlänge einen entsprechenden Halbleiterlaser vorzusehen, kann ein einzelner Halbleiterlaser ( oder ein Laserbarren, englisch laser bar ) mit unterschiedlichen Kanälen, entsprechend unterschiedlicher Emissionswellenlängen, verwendet werden .

In einem Anwendungsbeispiel kann eine Trennung von Wellenlängen für j eden Emitter auf demselben Chip bei der Frontend-Bearbeitung durch Quantentopf-Mischung, englisch „Quanten-Well- Intermixing" ( kurz QWI ) erreicht werden . Für verunreinigungsfreies QWI wird beispielsweise eine Schicht aus SiO2 auf einer epitaktisch auf gewachsenen Oberfläche des Lasers abgeschieden . Wenn die Temperatur hoch genug erhöht wird, führt die entstehende Dehnung dazu, dass Ga-Atome die Oberflächenschicht verlassen und in die dielektrische Schicht eindringen . Die verbleibenden Punktdefekte di f fundieren in den Halbleiter und führen zu einem Positionsaustausch der Atome , an denen die Punktdefekte vorbeidi f fundieren . Durch diesen Materialaustausch vermischen sich die Atome der Quantentöpfe , englisch Quantum Wells ( kurz QWs ) und der Barrieren, was zu einer Vergrößerung der Bandlücke und damit zu einer Änderung der Emissionswellenlänge führt . Es wurde festgestellt , dass mit unterschiedlichen Dicken der SiCg-Schicht der Grad der Durchmischung gesteuert werden kann, so dass eine Bearbeitung von Lasern mit unterschiedlichen Wellenlängen auf einem Chip möglich ist .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form umfasst eine optische Sensoranordnung insbesondere eine Emittereinheit und eine Empfängereinheit .

Die Emittereinheit umfasst einen Halbleiterlaser, der eingerichtet ist , kohärente elektromagnetische Strahlung mit wenigstens zwei Wellenlängen zu emittieren . Die Emittereinheit ist ferner eingerichtet , die emittierte elektromagnetische Strahlung auf ein entferntes Ziel zu richten .

Die Empfängereinheit umfasst wenigstens einen optischen Sensor, der eingerichtet ist , elektromagnetische Strahlung in Abhängigkeit der wenigstens zwei Wellenlängen selektiv zu de- tektieren . Die Empfängereinheit ist so zur Emittereinheit angeordnet und eingerichtet , dass von dem entfernten Ziel gestreute und reflektierte elektromagnetische Strahlung auf den optischen Sensor detektierbar ist .

Die optische Sensoranordnung kann mehrere Wellenlängen verwenden, wobei der Halbleiterlaser auf demselben Chip realisiert wird . Dadurch ist beispielsweise nur ein Laser-Fertigungs zyklus nötig . Es können individuelle Kathoden für j eden Laserkanal bereitgestellt werden, aber die Kanäle können über eine gemeinsame Anode angetrieben werden . Der Halbleiterlaser stellt gewissermaßen eine einzelne Lichtquelle dar . Dadurch ist eine optische Justage zwischen mehreren Lichtquellen, wie mehreren Lasern nicht notwendig . Dies vereinfacht nicht nur die Herstellung der optischen Sensoranordnung, sondern vereinfacht auch die Justage . Dadurch wird die optische Sensoranordnung robuster, kompakter und kostengünstiger . LiDAR Systeme können vom Einsatz von zwei unterschiedlichen Wellenlängen profitieren, um eine schnelle Puls folge spektral trennen zu können . Dies reduziert die Mindestzeit zwischen zwei Pulsen, so dass eine bessere zeitliche Auflösung erreicht werden kann .

Hier und im Folgenden kann Licht oder elektromagnetische Strahlung gleichermaßen elektromagnetische Strahlung mit zumindest einer Wellenlänge oder einem Wellenlängenbereich aus dem Infraroten bis Ultravioletten bedeuten . Insbesondere können die zwei ( oder mehr ) vom Halbleiter emittierbare Wellenlängen aus dem ultravioletten, infraroten und/oder sichtbaren Spektrum, beispielsweise einen roten bis blauen Wellenlängenbereich mit einer oder mehreren Wellenlängen zwischen etwa 350 nm und etwa 700 nm oder etwa dem nahen Infrarot , entstammen .

Die kohärente elektromagnetische Strahlung kann dabei insbesondere durch ein Spektrum mit einer spektralen Breite von weniger als 10 nm und bevorzugt weniger als 5 nm charakterisiert sein und eine große Kohärenzlänge aufweisen . Das kann bedeuten, dass die kohärente elektromagnetische Strahlung eine Kohärenzlänge in einer Größenordnung von Metern bis zu einer Größenordnung von hundert Metern oder mehr aufweist . Dadurch kann es möglich sein, dass die kohärente elektromagnetische Strahlung in einen Strahl mit geringer Divergenz und geringem Strahlquerschnitt kollimierbar und/oder fokussierbar ist . Dazu kann eine Strahlungsauskoppel fläche beispielsweise einer Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterlasers eine Kol- limations- oder Fokussierungsoptik wie etwa eine anamorphotische Linse , etwa eine Zylinderlinse , nachgeordnet sein, mit der die kohärente elektromagnetische Strahlung zu einem Strahlenbündel kollimiert und/oder fokussiert werden kann, dass Strahleigenschaft ähnlich einem idealen Gaußschen Strahlenbündel aufweisen kann . Die kohärente elektromagnetische Strahlung kann in einem aktiven Bereich im Betrieb des Halbleiterlasers durch stimulierte Emission mit einer festen Phasenbeziehung und einem eng begrenzten Raumwinkelbereich erzeugt werden .

Der Halbleiterlaser stellt gewissermaßen ein einzelnes Bauteil mit unterschiedlichen Laserbereichen dar . Das Bauteil ist beispielsweise durch eine gemeinsame Struktur in einem gemeinsamen Halbleiterkörper (wie etwa eine Halbleiterschichtenfolge ) bestimmt , die eingerichtet ist , mehrere Wellenlängen zu erzeugen . Daran ist dann auch der Rest dieser Beschreibung orientiert . Alternativ kann das Bauteil auch als ein Bauteil mit mehreren Lasern angesehen werden, weil die Laserbereiche , bzw . die Strukturen, die die kohärente elektromagnetische Strahlung mit wenigstens zwei Wellenlängen emittieren, gewissermaßen eigene Laser darstellen .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist der Halbleiterlaser eine Halbleiterschichtenfolge auf . Die Halbleiterschichtenfolge umfasst wenigstens eine erste aktive Schicht und eine zweite aktive Schicht . Die erste aktive Schicht weist einen oder mehrere erste aktive Bereiche auf , die j eweils als Quantentopfstruktur ausgebildet sind . Die zweite aktive Schicht weist einen oder mehrere zweite aktive Bereiche auf , die j eweils als Quantentopfstruktur ausgebildet sind . Im Betrieb kann die Quantentopfstruktur kohärente elektromagnetische Strahlung generieren . Dabei ist die Quantentopfstruktur der ersten aktiven Schicht eingerichtet , kohärente elektromagnetische Strahlung mit einer ersten Wellenlänge zu emittieren . Die Quantentopfstruktur der zweiten aktiven Schicht ist eingerichtet , kohärente elektromagnetische Strahlung mit einer zweiten Wellenlänge zu emittieren .

Quantentopfstruktur bedeutet insbesondere , dass der aktive Bereich einen oder auch mehrere Quantentöpfe umfassen kann . Die Quantentopfstrukturen können in einer gemeinsamen Halbleiterschichtenfolge und damit auf einem einzelnen Chip implementiert werden . Der Halbleiterlaser kann als ein Quantentopf-Laser aufgefasst werden . Ein solcher Quantentopf-Laser stellt insbesondere eine Laserdiode dar, bei der der aktive Bereich des Bauelements so dimensioniert ist , dass ein Quanteneinschluss stattfindet . Quantentopf-Laser werden beispielsweise aus Verbundhalbleitermaterialien gebildet , die Licht ef fi zient emittieren können . Die Wellenlänge des von einem Quantentopf-Laser emittierten Lichts kann neben der Bandlücke des Materials durch die Breite des aktiven Bereichs bestimmt sein . So bietet eine Quantentopfstruktur mit mehreren Quantentöpfen ( englisch : multi-quantum well ) eine Laserstruktur mit einer sehr dünnen ( ca . 10 nm dicken) Schicht aus Bulk-Halbleitermaterial , die beispielsweise zwischen Barrierebereichen eines Halbleitermaterials mit höherer Bandlücke liegt . Dies schränkt die Bewegung der Elektronen und Löcher ein und quantisiert die Bewegungsenergien .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist die Halbleiterschichtenfolge eine oder mehrere weitere aktive Schichten mit als Quantentopfstruktur ausgebildeten aktiven Bereichen auf . Die Quantentopfstruktur, oder die Quantentopfstrukturen, sind j eweils eingerichtet , kohärente elektromagnetische Strahlung mit einer weiteren Wellenlänge zu emittieren .

Die Halbleiterschichtenfolge kann mehrere aktive Schichten und entsprechende Quantentopfstrukturen als aktive Bereiche aufweisen . Dies ist in einem gewissen Rahmen nur durch die j eweilige Anwendung der optischen Sensoranordnung begrenzt . So können LiDAR Systeme vom Einsatz von zwei unterschiedlichen Wellenlängen profitieren, um eine schnelle Puls folge spektral trennen zu können . Weitere Wellenlängen reduzieren die Mindestzeit zwischen zwei Pulsen weiter, so dass eine bessere zeitliche Auflösung erreicht werden kann . Auch andere Anwendungen können von einer Mehrf arben-Laserquelle profitieren, um beispielsweise mehrere Messungen bei unterschiedlichen Wellenlängen aus zunutzen .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form sind die weiteren Wellenlängen von der ersten und zweiten Wellenlänge unterschiedlich . Alternativ, oder ergänzend, können eine oder mehrere der anderen Wellenlängen einer weiteren Wellenlänge , beispielsweise der ersten und zweiten Wellenlänge , entsprechen .

Die weiteren Wellenlängen können zur spektralen Trennung auf Seiten des optischen Sensors verwendet werden . Beispielsweise kann in LiDAR Systemen die Mindestzeit zwischen aufeinander folgenden Pulsen reduziert werden, wenn die Pulse mit unterschiedlichen Wellenlängen emittiert werden . Es kann j edoch auch sinnvoll sein, manche Wellenlängen durch zwei oder mehr aktive Bereiche zu emittieren . So kann die Intensität der Emission gesteigert werden .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form weisen eine oder mehrere der aktiven Schichten eine gemischte Quantentopfstruktur ( englisch : quantum well intermixing, oder QWI ) als Quantentopfstruktur auf .

QWI ist eine Integrationstechnologie , bei der Eigenschaften Quantentopfstruktur nach dem Wachstum modi fi ziert werden können . Der Prozess kann beispielsweise aktive und passive Komponenten auf demselben Chip kombinieren . Eine Durchmischung der Potentialtöpf e und Barrieren von Quantentopfstrukturen führt im Allgemeinen zu einer Vergrößerung der Bandlücke und geht mit Änderungen des Brechungsindex einher . Eine Reihe von Techniken, die auf Störstellendi f fusion, dielektrischem Capping und Laser-Tempern basieren, wurde entwickelt , um die Durchmischungsrate von Quantentöpfen in ausgewählten Bereichen eines Wafers zu erhöhen . Auf diese Weise lassen sich im Halbleiterlaser Wellenlängen der emittierten kohärenten elektromagnetischen Strahlung im Rahmen der Prozessparameter einstellen .

Das vorgeschlagene Prinzip lässt sich auf unterschiedliche Typen von Halbleiterlasern anwenden . Gemäß zumindest einer Aus führungs form ist die Halbleiterschichtenfolge als Distributed- Feedback-Laser , als Edge-Emitting Laser oder als Horizontal Cavity Surface Emitting Laser ausgebildet .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist der Halbleiterlaser eine Strahlungsauskoppel fläche mit einem ersten Teilbereich und einem vom ersten Teilbereich verschiedenen zweiten Teilbereich auf . Die kohärente elektromagnetische Strahlung mit der ersten Wellenlänge wird entlang einer Abstrahlrichtung vom ersten Teilbereich abgestrahlt . Die kohärente elektromagnetische Strahlung mit der zweiten Wellenlänge wird vom zweiten Teilbereich entlang derselben Abstrahlrichtung abgestrahlt . Die Strahlungsauskoppel fläche definiert die Abstrahlrichtung des Halbleiterlasers . Diese ist , beispielsweise durch die Halbleiterschichtenfolge , so eingestellt , dass die kohärente elektromagnetische Strahlung mit den verschiedenen Wellenlängen entlang derselben Abstrahlrichtung erfolgen kann . So kann der Halbleiterlaser als einzelnes Bauelement verwendet werden und die Justage in Bezug auf die übrigen Komponenten der optischen Sensoranordnung vereinfachen .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist die Strahlungsauskoppel fläche einen oder mehrere weitere , vom ersten und zweiten Teilbereich verschiedene weitere Teilbereiche auf . Die von aktiven Bereichen weiterer aktiver Schichten emittierte kohärente elektromagnetische Strahlung wird von den weiteren Teilbereichen entlang derselben Abstrahlrichtung abgestrahlt . Die Abstrahlung entlang der gemeinsamen Abstrahlrichtung kann verallgemeinert werden in dem Sinne , dass die kohärente elektromagnetische Strahlung mit den verschiedenen Wellenlängen entlang derselben Abstrahlrichtung erfolgen kann .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form umfasst die Emittereinheit eine Treiberschaltung zum Betreiben des Halbleiterlasers . Die Treiberschaltung ist eingerichtet , den Halbleiterlaser so anzusteuern, dass die kohärente elektromagnetische Strahlung mit einer der emittierten Wellenlängen mit einem zeitlichen Versatz zur kohärenten elektromagnetischen Strahlung wenigstens einer anderen emittierten Wellenlänge abgestrahlt wird .

Beispielsweise kann die Treiberschaltung den Halbleiterlaser so ansteuern, dass dieser die kohärente elektromagnetische Strahlung in Form von Laserpulsen emittiert . Auf diese Weise folgt auf einen ersten Puls entsprechend der ersten Wellenlänge mit dem zeitlichen Versatz ein zweiter Puls entsprechend der zweiten Wellenlänge . Die Puls folge kann beliebig auf die verwendete Zahl von Wellenlängen verallgemeinert werden . Da die Pulse wellenlängen-selektiv durch den optischen Sensor detektiert werden können, können mit dem zeitlichen Versatz die Pulse in schnellerer Abfolge auf einander! olgen . Dies ist beispielsweise für LiDAR-Systeme vorteilhaft , wo die die Mindestzeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen im Wesentlichen durch Abstand und Lichtlauf zeit begrenzt ist .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form umfasst die Empfängereinheit eine Messschaltung . Die Messschaltung ist eingerichtet , vom optischen Sensor detektierte elektromagnetische Strahlung als Sensorsignale aus zulesen . Die Sensorsignale können in Abhängigkeit des zeitlichen Versatzes einer der Wellenlängen der emittierten kohärenten elektromagnetischen Strahlung durch die Messschaltung zugeordnet werden .

Im Betrieb kann der optische Sensor elektromagnetische Strahlung in Abhängigkeit ihrer Wellenlängen selektiv detektieren . Dazu kann der optische Sensor beispielsweise ein erstes Sensorsignal generieren, welches elektromagnetische Strahlung mit der ersten Wellenlänge anzeigt . Zudem kann der optische Sensor beispielsweise ein zweites Sensorsignal generieren, welches elektromagnetische Strahlung mit der zweiten Wellenlänge anzeigt . Dies lässt sich auf alle verwendeten bzw . vom Halbleiterlaser emittierbaren Wellenlängen verallgemeinern . Dazu kann der optische Sensor, beispielsweise durch Filter, eingerichtet sein, die Wellenlängen selektiv zu detektieren, so dass etwa verschiedene Kanäle des Sensors die j eweiligen Sensorsignale bereitstellen . Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass mehrere optische Sensoren verwendet werden . So können beispielsweise ein erster optischer Sensor für die Detektion der ersten Wellenlänge und ein zweiter optischer Sensor für die Detektion der zweiten Wellenlänge eingerichtet sein . Dies kann wiederum durch geeignete Filter erfolgen . Auch dies lässt sich auf alle verwendeten bzw . vom Halbleiterlaser emittierbaren Wellenlängen verallgemeinern, indem beispielsweise eine entsprechende Anzahl von Sensoren verwendet wird . Beispielsweise kann durch geeignete wellenlängenselektive Strahlteiler eine geeignet Strahl führung auf die einzelnen Sensoren erfolgen .

In unterschiedlichen Anwendungen kann es vorteilhaft sein, dass von einem entfernten Ziel gestreute oder reflektierte elektromagnetische Laserstrahlung auf den oder die optische Sensoren gelenkt wird . Zu diesen Anwendungen zählen Scanning LiDAR, Flash LiDAR, di f ferentielles LiDAR, aber auch Time-Of- Flight , Näherungssensorik ( Proximity Sensing) , spektrale Sensorik und andere . Diese Anwendungen können insbesondere davon profitieren, dass der Halbleiterlaser eine Mehrzahl von Wellenlänge bereitstellt , so dass die entsprechenden Messungen gewissenmaßen auf Mehrfarben erweitert werden kann .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form umfasst die Emittereinheit einen bewegbaren Spiegel . Der bewegbare Spiegel , oder Abtastspiegel , ist eingerichtet , die emittierte kohärente elektromagnetische Strahlung auf das entfernte Ziel zu lenken . Alternativ, oder ergänzend, ist der bewegbare Spiegel eingerichtet , die emittierte kohärente elektromagnetische Strahlung über einen Winkelbereich, der ein Sichtfeld definiert , zu lenken . Ferner ist die Messschaltung eingerichtet , die Sensorsignale einer Stellung des bewegbaren Spiegels zuzuordnen . Mit dem bewegbaren Spiegel kann die optische Sensoranordnung als ein scanning LiDAR System verwendet werden . Aufgrund der verschiedenen Wellenlängen der emittierten kohärenten elektromagnetischen Strahlung können beispielsweise die Zeitdauern von aufeinanderfolgenden Pulse reduziert werden .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form ist die Messschaltung eingerichtet , für die emittierte kohärente elektromagnetische Strahlung eine Startzeit der Emission zu messen . Ferner ist die Messschaltung eingerichtet , für vom optischen Sensor de- tektierte elektromagnetische Strahlung eine Endzeit zu messen . Aus der Start- und Endzeit kann die Messschaltung ein Ausgangssignal generieren, das ein Maß des Abstandes des entfernten Ziels zur optischen Sensoranordnung darstellt .

Die Di f ferenz der Start- und Endzeit ist eine Maß für die Lichtlauf zeit ( englisch : time-of- f light , TOF) , die ein Lichtpuls benötigt , um zu dem entfernten Obj ekt zu kommen und nach Reflektion oder Streuung wieder zur optischen Sensoranordnung zurückzukehren . Mit Hil fe der Lichtgeschwindigkeit kann aus Start- und Endzeit ein Abstand bestimmt werden . Die optische Sensoranordnung lässt sich so zur Entfernungsbestimmung oder zur Aufnahme von abstandsaufgelösten Bildern verwenden . Dabei kann die vorgestellte schnelle Puls folge ebenfalls von Vorteil sein .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form ist die Messschaltung eingerichtet , aus Sensorsignalen die entsprechend dem zeitlichen Versatz auf einanderf olgen, ein Di f ferenzsignal zu generieren . Mit Hil fe des Di f ferenzsignals auf Basis von unterschiedlichen Wellenlängen können unterschiedliche Anwendungen ermöglicht werden . Beispielsweise kann die optische Sensoranordnung als ein di fferentielles LiDAR-Spektrometer verwendet werden . Di f feren- tial-Absorptions-LiDAR ( englisch : di f ferential absorption Li- DAR, DIAL ) ist eine Laser-Fernerkundungstechnik, die für entfernungsaufgelöste ( Prof il- ) Messungen von atmosphärischen Gaskonzentrationen eingesetzt werden kann . DIAL nutzt beispielsweise die Gasabsorptionseigenschaften in zwei Wellenlängen und benötigt daher einen Mehrf arben-Laser , um einen Peak einer Absorptionslinie des interessierenden Gases und eine zweite Wellenlänge in einem Bereich mit geringer Absorption zu erzeugen . Das von der optischen Sensoreinrichtung generierte Di f ferenzsignal , oder auch die einzelnen Sensorsignale , können für DIAL Messungen verwendet werden . Zudem können andere Aspekte anderer Aus führungs formen ergänzend verwendet werden, um beispielsweise das Di f ferenzsignal mit einer Entfernungsinformation zu kombinieren .

Es kann zudem von Vorteil sein, unterschiedliche Sensorsignale entsprechend den verschiedenen Wellenlängen zu verwenden, um zusätzliche Informationen über die Umgebung der optischen Sensoranordnung aus zuwerten und ggf . für eine Messung zu berücksichtigen .

Beispielsweise , sollen Laser in einem LiDAR-System das Umgebungslicht , meist durch Sonnenlicht dominiert , überwinden, um Hindernisse detektierbar zu machen . Aus diesem Grund werden oft Betriebswellenlängen in Regionen mit geringem solaren Flussindex gewählt , um weniger Sonnenlicht zu detektieren . Ein Diagramm des solaren Photonenf lusses in Abhängigkeit von der Wellenlänge am Boden ( die Menge des auf die Erde tref fenden Sonnenlichts in Abhängigkeit von der Wellenlänge ) zeigt beispielsweise , dass bei 850 nm fast 2x mehr Sonnenlicht als bei 905 nm, bis zu l Ox mehr Sonnenlicht als bei 940 nm und bis zu 3x mehr Sonnenlicht als bei 1550 nm vorhanden ist . Indem der Halbleiterlaser durch sein Design auf solche Emissionswellenlängen abgestimmt wird, kann gerade solches Licht emittiert werden, bei dem die relativen Intensitäten aus dem solaren Photonenf luss bekannt sind . Ein Di f ferenzsignal wie oben eingeführt , kann dann als Maß für das Umgebungslicht dienen und beispielsweise die Messsignale der optischen Sensoranordnung kompensieren . Dabei ist zu beachten, dass beispielsweise die erreichbaren Emissionswellenlängen bedingt durch das Quantum Well Intermixing bis zu ca . 50 nm auseinanderliegen .

Weiterhin kann es von Vorteil sein, die Emissionswellenlänge auf die folgenden Sachverhalte abzustimmen . Wasserdampf in der oberen Atmosphäre absorbiert im Sonnenspektrum bei 905 , 940 und 1550 nm . Diese Absorption tritt j edoch ebenfalls bei feuchten und nebligen Bedingungen am Boden auf , wenn Laserpulse durch die Luft übertragen werden . Das führt dazu, dass der optische Sensor weniger Laserlicht erfasst . Im Gegensatz dazu weist das 850 nm - Spektrum zumeist eine geringere Absorption von atmosphärischem Wasserdampf auf , insbesondere mehrere Größenordnungen besser als andere Betriebswellenlängen wie 1550 nm . Mit Hil fe des Halbleiterlasers können feuchten Bedingungen abgeschätzt werden, indem Sensorsignale bei den verschiedenen Wellenlängen verglichen werden .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form ist der Halbleiterlaser auf einem Chip implementiert . Der Halbleiterlaser lässt sich ein einzelnes Bauteil realisieren, was beispielsweise die optische Justage erleichtert . Die optische Sensoranordnung kann dadurch kompakter und robuster ausgeführt werden . Gemäß zumindest einer Aus führungs form sind die Emittereinheit und die Empfängereinheit in einem gemeinsamen Gehäuse oder in einem gemeinsamen Modul zueinander angeordnet . Die optische Sensoranordnung kann besonders kompakt in einem Gehäuse oder sogar in einem Sensormodul , beispielsweise als Flash-LiDAR System realisiert werden .

Weitere Vorteile und vorteilhafte Aus führungs formen sowie Weiterbildungen der vorgestellten Beschreibung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit Figuren beschriebenen Aus führungs formen .

In den Aus führungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Bestandteile j eweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein . Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente , wie zum Beispiel Schichten, Bauteile , Bauelemente und Bereiche , zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein .

Zusammenfassung der Figuren

Es zeigen :

Figur 1 ein Aus führungsbeispiel einer optischen Sensoranordnung,

Figur 2 zeigt ein Aus führungsbeispiel eines Halbleiterlasers ,

Figur 3 zeigt ein weiteres Aus führungsbeispiel eines Halbleiterlasers ,

Figur 4 zeigt ein weiteres Aus führungsbeispiel eines Halbleiterlasers ,

Figur 5 zeigt ein Aus führungsbeispiel eines Verfahrens zur Quan ten topf vermis chung,

Figur 6 zeigt ein Aus führungsbeispiel des Verfahrens zur Quan ten topf vermis chung,

Figur 7 zeigt ein Aus führungsbeispiel des Verfahrens zur Quantentopfvermischung, und

Figur 8 zeigt ein weiteres Aus führungsbeispiel eines Halbleiterlasers .

Detaillierte Beschreibung

Figur 1 zeigt ein Aus führungsbeispiel einer optischen Sensoranordnung . Diese Sensoranordnung kann beispielsweise für ein scannendes LiDAR-System verwendet werden . LiDAR (Abkürzung für Englisch Light detection and ranging oder Light imaging, detection and ranging) , ermöglicht optische Abstands- und Ge- schwindigkeitsmessung sowie eine Fernmessung atmosphärischer Parameter . Das hier vorgestellte Konzept lässt sich für verschiedene LiDAR-Systeme einsetzen . Im Folgenden wird zunächst ein Beispiel für mehrdimensionales Laserscanning LiDAR gezeigt .

Die Komponenten der optischen Sensoranordnung sind in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet . Die Sensoranordnung umfasst eine Emittereinheit 1 und eine Empfängereinheit 3 . Die Emittereinheit und die Empfängereinheit sind optisch voneinander getrennt bzw . isoliert , beispielsweise in zwei Häl ften eines Gehäuses oder durch eine optische Barriere getrennt angeordnet . Das Gehäuse dient ferner dazu, die Komponenten der optischen Sensoranordnung zueinander aus zurichten und zu j ustieren bzw . optisch voneinander zu trennen, um ein Übersprechen bzw . crosstalk zu verhindern .

Die Emittereinheit 1 umfasst einen Halbleiterlaser . Der Halbleiterlaser weist eine Halbleiterschichtenfolge 11 mit einem Substrat auf , auf dem eine Mehrzahl von funktionellen, epitaktisch auf gewachsenen Schichten aufgebracht ist . So weist der Halbleiterlaser mehrere aktive Schichten mit aktiven Bereichen auf , die im Betrieb kohärente elektromagnetische Strahlung emittieren können . In diesem Beispiel umfasst der Halbleiterlaser zwei aktive Bereiche , die j eweils in einer aktiven Schicht angeordnet sind . Diese Anzahl ist als Beispiel zu verstehen und dient lediglich der vereinfachten Darstellung . Es kann j e nach Anwendung j ede andere Anzahl aktiver Bereiche vorhanden sein . Die aktiven Schichten basieren auf derselben Halbleiterschichtenfolge . Die aktiven Schichten umfassen j edoch gemischte Quantentopfstrukturen, die durch ein Quantum Well Intermixing Verfahren hergestellt wurden .

Die aktiven Bereiche emittieren im Betrieb kohärente elektromagnetische Strahlung mit unterschiedlichen Wellenlängen .

Dies kann durch gemischte Quantentopfstrukturen erreicht werden, wie weiter unten noch erläutert wird . In diesem Beispiel mit zwei aktiven Bereiche kann der Halbleiterlaser zwei Wellenlängen emittieren . Die zwei Wellenlängen sind verschieden und durch wenigstens eine Halbwertsbreite voneinander getrennt . Bevorzugt sind die beiden Wellenlängen mindestens 5 nm oder mehr als 10 nm voneinander getrennt . Als Maß kann hier dienen, wie selektiv ebenfalls in der optischen Sensoranordnung vorhandene optische Sensoren 31 , 32 detektieren kann .

Die Emittereinheit 1 umfasst eine optische Strahl führungsanordnung 12 und einen Abtastspiegel 13 ( englisch scanning mirror ) . Die optische Strahl führungsanordnung ist so zum Halbleiterlaser 10 angeordnet , dass ein Strahl mit der ersten Wellenlänge und ein weiterer Strahl mit der zweiten Wellenlänge auf eine gemeinsame optische Achse umgelenkt werden . Die optische Achse ist auf den Abtastspiegel gerichtet , so dass beide Strahlen auf den Spiegel j ustiert werden können . Auf diese Weise wird der Halbleiterlaser, der als einzelnes Bauelement bzw . Lichtquelle Strahlen unterschiedlicher Wellenlänge emittiert , auf den Abtastspiegel gerichtet . Der Abtastspiegel ist rotierbar und kann im Betrieb der Sensoranordnung fortwährend ausgerichtet werden, so dass die emittierte elektromagnetische Strahlung auf ein entferntes Ziel 5 gerichtet ist . Auf diese Weise emittiert der Halbleiterlaser Licht der ersten und/oder zweiten Wellenlänge in Richtung auf das entfernte Ziel , welches das Licht dann streuen oder reflektieren kann . Ein Teil des gestreuten oder reflektierten Lichts kann an der Empfängereinheit 3 wieder empfangen werden .

Die Empfängereinheit 3 weist wenigstens einen optischen Sensor auf . In diesem Beispiel sind zwei optische Sensoren 31 , 32 in der Empfängereinheit angeordnet . Die optischen Sensoren sind beispielsweise vom selben Typ . Typischerweise werden einzelne oder mehrere Photodioden, wie Einzelphoton-Avalan- che-Dioden ( kurz SPAD für Englisch single-photon Avalanche Diode ) verwendet . Die optischen Sensoren können selektiv elektromagnetische Strahlung gemäß der ersten und zweiten Wellenlängen detektieren . Dazu ist etwa der erste optische Sensor 31 mit ersten einem Filter ausgestattet , der einen Bandpass für die erste Wellenlänge aufweist . Entsprechend kann der zweite optische Sensor 32 einen zweiten Filter mit einem Bandpass für die zweite Wellenlänge aufweisen . Bevorzugt sind die beiden Bänder der Filter so gewählt , dass sie keinen spektralen Überlapp haben, d . h . die j eweils andere der beiden Wellenlänge nicht durchgelassen wird bzw . eine Transmission von nahe oder gleich Null aufweist .

Alternativ, oder ergänzend, kann ein wellenlängenselektiver Strahlteiler 33 in der Emittereinheit vorgesehen sein, der einen einfallenden Strahl in Anteile der ersten bzw . der zweiten Wellenlänge aufteilt . So wird j eweils nur Licht der ersten Wellenlänge auf den ersten optischen Sensor 31 oder Licht der weiten Wellenlänge auf den zweiten optischen Sensor 32 gelenkt . Eine Kombination aus Filtern und Strahlteiler kann die Selektivität erhöhen und ein optisches Übersprechen reduzieren . Die Empfängereinheit weist zudem eine Empfängeroptik 34 auf , die von dem entfernten Ziel 5 gestreutes oder reflektiertes Licht zunächst auf den Strahlteiler 33 und somit auf die optischen Sensoren 31 , 32 richtet .

Die optische Sensoranordnung umfasst zudem elektronische Komponenten, um den Betrieb als LiDAR-System zu implementieren . Beispielsweise umfasst die Emittereinheit 1 eine Treiberschaltung 11 zum Betreiben des Halbleiterlasers und die Empfängereinheit 3 eine Messschaltung 35 .

Die Treiberschaltung 11 steuert den Halbleiterlaser 10 an und bestimmt so , wann welche der zwei implementierten Wellenlängen emittiert wird . Beispielsweise kann der Halbleiterlaser in einem Pulsbetrieb verwendet werden, wobei Pulse der unterschiedlichen Wellenlängen mit einem zeitlichen Versatz emittiert werden . Der zeitliche Versatz dt ist mit der Treiberschaltung einstellbar .

Die Messschaltung 35 liest die vom optischen Sensor detek- tierte elektromagnetische Strahlung in Form von Sensorsignalen aus . Die Messschaltung ist dabei derart mit der Treiberschaltung 11 synchronisiert , dass die Sensorsignale j eweils einer der Wellenlängen der emittierten kohärenten elektromagnetischen Strahlung durch die Messschaltung 35 zugeordnet werden . Beispielsweise bestimmt die Messschaltung eine Startzeit , wenn ein Puls emittiert wird und eine Endzeit , wenn der entsprechende Puls von einem der optischen Sensoren 31 , 32 wellenlängenselektiv detektiert wird . Aufgrund des zeitlichen Versatzes und der unterschiedlichen Wellenlänge aufeinanderfolgender Pulse kann die Detektion somit eindeutig sein . Zudem kann die Messschaltung aus den bestimmten Start- und Stopzeiten ein Ausgangssignal generieren, welches ein Maß der Pulslauf zeit und damit des Abstandes zu einem entfernten Ziels darstellen kann . Zusammen mit der Drehstellung des Abtastspiegels 13 kann ein mehrdimensionales Bild mit Abstandsinformation generiert werden .

In einer weiteren nicht gezeigten Aus führungs form kann ein Empfängerpfad auch über den Abtastspiegel realisiert werden, was die Detektorgröße reduziert und Umgebungslicht auf den optischen Sensor reduziert , j edoch die Optik komplexer macht . In diesem Fall sollte das Sichtfeld der Empfängereinheit 3 größer sein als das Sendefeld der Emittereinheit 1 .

In einer weiteren nicht gezeigten Aus führungs form kann ein Sendepfad ohne eine Strahlkombination ausgeführt sein, wodurch die Abstrahlung beispielsweise der beiden unterschiedlichen Wellenlängen in zumindest leicht unterschiedliche Raumrichtungen erfolgt . Wenn die Optik des Empfängerpfades ausreichend tolerant ausgelegt ist , so dass hier beide Raumrichtungen erfasst werden, bzw . wenn die beiden für die j eweilige Wellenlänge ausgelegten (beispielsweise befilter- ten) optischen Sensoren einen etwa identischen Versatz im Akzeptanzwinkel aufweisen wie der Winkel zwischen den Abstrahlrichtungen der beiden Laser, so ermöglicht diese Anordnung die zeitgleiche Emission beider Wellenlängen und damit die parallele Entfernungsmessung in zwei Raumrichtungen . Gerade bei eng benachbarten Abstrahlwinkeln ist die Verwendung von zwei Wellenlängen vorteilhaft , da eine vollständige Trennung der Empfangsbereiche der Sensoren optisch in diesem Fall schwierig ist . Auch dadurch kann die Gesamtauflösung der Sensoranordnung verdoppelt werden .

Figur 2 zeigt ein Aus führungsbeispiel eines Halbleiterlasers . Die schematische Darstellung zeigt den Laser 10 mit einer Halbleiterschichtenfolge 20 in Draufsicht . Dargestellt als Strei fen sind eine erste aktive Schicht 21 und eine zweite aktive Schicht 22 , die j eweils Quantentopfstrukturen als aktive Bereiche umfassen . Die Halbleiterschichtenfolge ist durch ein Quantentopfmischverfahren ( Quantum Well Intermixing) prozessiert , so dass die erste aktive Schicht eine erste Wellenlänge und die zweite aktive Schicht eine zweite Wellenlänge kohärenter elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise in Form von Pulsen, abstrahlt . Die Quantentopfmischung wird durch die Materialdicke einer Deckschicht 24 , beispielsweise aus SiO2 , beeinflusst . Im Herstellungsprozess kann durch geeignete Wahl der Materialdicke die j eweilige Emissionswellenlänge eingestellt werden . Die einzelnen Streifen sind durch eine Trennschicht 25 voneinander getrennt . Die beiden aktiven Schichten 21 , 22 können durch die Treiberschaltung 11 sequentiell bzw . gemäß eines Zeitversatzes dt getrennt nacheinander angesteuert werden . Der Zeitversatz dt kann bei einem maximalen Abstand dmax zu dt = 2 - dmax/2 - c gesetzt werden, wobei c die Lichtgeschwindigkeit bezeichnet . In herkömmlichen scanning oder Flash LiDAR-Systemen ist mit nur einer Wellenlänge pro Laser lediglich ein Zeitversatz von dt = 2 - dmax/c möglich . Mit anderen Worten lässt sich durch einen der vorgeschlagenen Halbleiterlaser mit zwei Wellenlängen ein Faktor 2 erzielen . Im Rahmen des verbesserten Zeitversatzes ist es nicht nötig, auf die Detektion der Rückstreuung bzw . Reflexion eines ausgesandten Pulses zu warten, bis der nächste Puls folgen kann . Stattdessen kann ein Puls mit der zweiten bzw . einer der anderen Wellenlängen des Halbleiterlasers emittiert werden noch bevor ein rückkehrender Puls der ersten Wellenlänge detektiert wurde . Voraussetzung ist lediglich ein optischer Sensor, der die zwei Wellenlängen selektiv detektieren kann bzw . eine entsprechende Anzahl von optischen Sensoren, die j eweils für eine der verwendeten Wellenlängen sensitiv sind .

Figur 3 zeigt ein weiteres Aus führungsbeispiel eines Halbleiterlasers . Die schematische Darstellung zeigt den Laser ebenfalls mit einer Halbleiterschichtenfolge 20 in Draufsicht . Dargestellt sind als Strei fen eine erste , zweite und dritte aktive Schicht 21 , 22 , 23 , die j eweils Quantentopfstrukturen als aktive Bereiche umfassen . Die Halbleiterschichtenfolge ist durch ein Quantentopfmischverfahren ( Quantum Well Intermixing) prozessiert , so dass die erste aktive Schicht 21 eine erste Wellenlänge , die zweite aktive Schicht 22 eine zweite Wellenlänge und die dritte aktive Schicht 23 eine dritte Wellenlänge kohärenter elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise in Form von Pulsen, abstrahlt . Die Quantentopfmischung wird durch die Materialdicke einer Deckschicht 24 , beispielsweise aus SiO2 , beeinflusst . Im Herstellungsprozess kann durch geeignete Wahl der Materialdicke die j eweilige Emissionswellenlänge eingestellt werden . Die einzelnen Strei fen sind durch eine Trennschicht 25 voneinander getrennt .

Die drei aktiven Schichten können durch die Treiberschaltung sequentiell bzw . gemäß des Zeitversatzes dt getrennt nacheinander angesteuert werden . Der Zeitversatz dt kann bei einem maximalen Abstand dmax zu dt = 2 - dmax/ 3 - c gesetzt werden, wobei c die Lichtgeschwindigkeit bezeichnet . Somit lässt sich mit drei Wellenlängen ein Faktor 3 gegenüber Lösungen aus dem Stand der Technik erzielen . Voraussetzung ist lediglich ein optischer Sensor, der die drei Wellenlängen selektiv detek- tieren kann bzw . eine entsprechende Anzahl von optischen Sensoren, die j eweils für eine der verwendeten Wellenlängen sensitiv sind .

Basierend auf der Annahme , dass die Temperaturdri ft bei ca . um ~ 0 , 3nm/K liegt (wie beispielsweise bei kantenemittierenden Lasern) und den technologischen Grenzen, die setzt , sind Halbleiterlaser mit 2 bis 3 Wellenlängen für LiDAR-Anwendun- gen möglich, sofern keine aktive Temperaturstabilisierung im LiDAR-System oder der optischen Sensoranordnung implementiert ist . Mit einer solchen aktiven Temperaturstabilisierung können auch mehr als drei Wellenlänge , beispielsweise 5 bis 6 Wellenlängen für LiDAR sinnvoll sein . Im Allgemeinen sind n Wellenlängen möglich und der Zeitversatz kann weiter reduziert werden zu dt = 2 - dmax/n - c . Figur 4 zeigt ein weiteres Aus führungsbeispiel eines Halbleiterlasers . Die schematische Darstellung zeigt den Laser 10 ebenfalls mit einer Halbleiterschichtenfolge 20 in Draufsicht . Dargestellt sind j e zwei Strei fen einer ersten aktiven Schicht 21 und j e zwei Strei fen einer zweiten aktiven Schicht 22 , die j eweils Quantentopfstrukturen als aktive Bereiche umfassen . Die Halbleiterschichtenfolge ist durch ein Quantentopfmischverfahren ( Quantum Well Intermixing) prozessiert , so dass die ersten aktiven Schichten eine erste Wellenlänge und die zweiten aktiven Schichten eine zweite Wellenlänge kohärenter elektromagnetischer Strahlung j eweils in Form eines Pulses abstrahlt . Die Quantentopfmischung wird durch die Materialdicke einer Deckschicht 24 , beispielsweise aus SiO2 , beeinflusst . Im Herstellungsprozess kann durch geeignete Wahl der Materialdicke die j eweilige Emissionswellenlänge eingestellt werden . Die einzelnen Strei fen sind durch eine Trennschicht 25 voneinander getrennt .

Eine solche Halbleiterschichtenfolge kann beispielsweise implementiert werden, wenn mehr Leistung pro Wellenlänge benötigt wird . Die aktiven Schichten gleicher Wellenlänge bzw . Kanäle der gleichen Farbe können parallel geschaltet (beispielsweise über Stromerhöhung) und so gemeinsame durch die Treiberschaltung angesteuert werden . Verschiedene Farben werden getrennt und zu unterschiedlichen Zeiten betrieben, wie es im Zusammenhang mit den übrigen Aus führungs formen schon beschrieben wurde . Lediglich die Strahl führungsoptik kann optimiert werden, beispielsweise um eine dunkel fleckfreie Fernfeldproj ektion zu gewährleisten .

Figur 5 zeigt ein Aus führungsbeispiel eines Verfahrens zur Quantentopfvermischung . Das Beispiel zielt auf zwei Wellenlängen in zwei Kanälen ab . Die schematische Darstellung zeigt den Laser mit einer Halbleiterschichtenfolge 11 in Draufsicht j eweils vor ( links ) und nach dem Verfahren ( rechts ) . QWI ist eine Integrationstechnologie , bei der Eigenschaften von Quantentopfstruktur nach dem Wachstum modi fi ziert werden können . Eine Durchmischung der Potentialtöpf e und Barrieren von Quantentopfstrukturen führt im Allgemeinen zu einer Vergrößerung der Bandlücke und geht mit Änderungen des Brechungsindex einher .

Auf einem Wafer oder Substrat wird eine Halbleiterschichtenfolge 20 aufgebracht , deren Schichten eine Mehrzahl von funktionellen, epitaktisch auf gewachsenen Schichten darstellen . In der Zeichnung ist ein Strei fen einer erste aktiven Schicht 21 und einer zweiten aktiven Schicht 22 mit j eweils einer Quantentopfstruktur als aktivem Bereich dargestellt . Die Quantentopfmischung wird durch die Materialdicke eine Deckschicht , beispielsweise aus SiO2 - Im Herstellungsprozess bestimmt die Materialdicke dieser Schicht die Emissionswellenlänge der j eweiligen Quantentopfstruktur und damit die mögliche Emissionswellenlänge im Betreib als Laser . Die einzelnen Strei fen sind durch eine Trennschicht 25 voneinander getrennt . Eine mögliche Halbleiterschichtenfolge ist in IEEE Journal of the Electron Devices Society (Volume : 5 , I ssue : 2 , March 2017 ) . Der Inhalt dieser Veröf fentlichung wird durch Bezug in diese Beschreibung aufgenommen . Die Halbleiterschichtenfolge bildet im gezeigten Aus führungsbeispiel eine Quantum Well Intermixing Struktur auf Basis einer InGaAs/GaAs/AlGaAs Quantentopf-Komplettstruktur ( englisch : quantum well QW complete structure ) im infraroten Wellenlängenbereich aus einem einzigen Chip mit SiO2 in einfacher Stöchiometrie als Deckschicht 24 . Figur 6 zeigt ein Aus führungsbeispiel des Verfahrens zur Quantentopfvermischung . Dieses Beispiel zeigt einen möglichen Prozess , wie er zur Herstellung eines Halbleiterlasers für die optische Sensoranordnung verwendet werden kann . Für verunreinigungs freies QWI wird beispielsweise eine Deckschicht aus SiO2 auf einer epitaktisch auf gewachsenen GaAs Oberfläche des Lasers abgeschieden . In dieser Schicht ist eine Quantentopfstruktur angeordnet . In der Zeichnung sind die thermischen Ausdehnungskoef fi zienten p in Einheiten von pm/ °K angegeben .

Durch Tempern bei einer geeignet hohen Temperatur, beispielsweise 900 ° C, führt die entstehende Dehnung dazu, dass Ga- Atome ( als weiße Punkte dargestellt ) die GaAs Oberflächenschicht verlassen und in die dielektrische Schicht bzw . die Deckschicht eindringen . Die verbleibenden Punktdefekte di ffundieren in den Halbleiter und führen zu einem Positionsaustausch der Atome , an denen die Punktdefekte vorbei di f fundieren . Durch diesen Materialaustausch vermischen sich die Atome der Quantentöpfe und der Barrieren, was zu einer Vergrößerung der Bandlücke und damit zu einer Änderung der Emissionswellenlänge führt . Es wurde festgestellt , dass mit unterschiedlichen Dicken der SiO2-Schicht der Grad der Durchmischung gesteuert werden kann, so dass eine Bearbeitung von Lasern mit unterschiedlichen Wellenlängen auf einem Chip möglich ist .

Zu beachten ist bei dem Verfahren, dass QWI bei Single-Stack- Epis funktioniert . Anstatt Leistung aus einem Multi-Stack zu gewinnen, kann dies kompensiert werden durch Vergrößerung der aktiven Region, z . B . durch längere Resonatoren . Mehrere Kanäle ( auch mit gleicher Wellenlänge ) können kombiniert werden . Figur 7 zeigt ein Aus führungsbeispiel des Verfahrens zur Quantentopfvermischung . Der aus dem Verfahren aus Figur 6 resultierende Wafer mit der Halbleiterschicht folge kann in einem weiteren Schritt in einzelne Halbleiterlaser vereinzelt werden . Auf diese Weise kann eine Viel zahl von Halbleiterlaser auf einem Wafer hergestellt werden .

Figur 8 zeigt ein weiteres Aus führungsbeispiel eines Halbleiterlasers . Weiter oben wurde beschrieben, wie einzelne aktive Schichten bzw . Kanäle kombiniert werden können, um die Ausgangsleistung des Halbleiterlasers zu erhöhen . Dies ist beispielsweise eine geeignete Lösung für Kantenemittierende Laser . Für andere Lasertypen sind auch Implementierungen möglich, die statt mit einem erhöhten Strom, mit einer höheren Spannung eine erhöhte Ausgangsleistung ermöglichen .

Ein Beispiel stellen Hori zontal Cavity Surface Emitting Laser, HCSEL, dar . Quantentopf durchmischung ist auch bei diesem Typ nach dem oben vorgestellten Konzept möglich . Abweichend können j edoch beispielsweise zwei Halbleiterlaser 10 mit denselben Wellenlängen erreicht werden, die j eweils die beiden Wellenlängen aus dem j eweiligen aktiven Schichten emittieren, die in der Zeichnung auf derselben Höhe nebeneinander darstellt sind ( siehe linke Seite der Zeichnung, Draufsicht ) . Die Emissionsbereiche 26 sind als Ellipsen dargestellt . Auf diese Weise kann die doppelte Leistung über gleichen Spot und gleichen Strom möglich, wenn in die beiden Halbleiterlaser in Reihe geschaltet werden und von der Treiberschaltung angesteuert werden (wie vergleichsweise ein auf geklappter zweiteiliger Kantenemittierender Laser ) . Die Reihenschaltung ist beispielsweise durch ein Li ft-Of f-Verfahren möglich, was bei Standard-Kantenemittierenden Lasern nicht möglich ist . Verschiedene Wellenlängenkanäle können wiederum separat betrieben werden .

Die rechte Seite der Zeichnung zeigt die aktiven Bereiche bzw . Quantentopfstrukturen des HCSEL in einer Seitenansicht . Gezeigt sind j eweils zwei Kanäle entsprechend einer ersten und zweiten Emissionswellenlänge von zwei HCSEL in Reihe . Die Reihenschaltung ist durch eine Sinuskurve der Spannung angedeutet . Die aktiven Schichten sind als hori zontale Resonatoren ausgeführt und weisen an den einander gegenüberliegenden Enden j eweils eine eingeätzte Prismenstruktur auf . Auf diese Weise kann die Emission des HCSEL als Oberflächenemission von beiden Lasern in eine gemeinsame Abstrahlrichtung ausgekoppelt werden . Der Konzept der Reihenschaltung von HCSELs und gemeinsame Auskopplung über Prismenstrukturen kann auf mehr als zwei Laser verallgemeinert werden indem zwei in der Reihe nebeneinanderliegende Laser j eweils wie oben beschrieben gekoppelt werden .

Die vorstehende Beschreibung erläutert viele Merkmale in konkreten Einzelheiten . Diese sollen nicht als Beschränkungen des Umfangs des verbesserten Konzepts oder dessen, was beansprucht werden kann, ausgelegt werden, sondern vielmehr als beispielhafte Beschreibungen von Merkmalen, die lediglich für bestimmte Aus führungs formen des verbesserten Konzepts spezifisch sind . Bestimmte Merkmale , die in dieser Beschreibung im Zusammenhang mit einzelnen Aus führungs formen beschrieben werden, können auch in Kombination in einer einzigen Aus führungs form realisiert werden . Umgekehrt können verschiedene Merkmale , die im Zusammenhang mit einer einzelnen Aus führungs form beschrieben sind, auch in mehreren Aus führungs for- men separat oder in j eder geeigneten Unterkombination implementiert werden . Darüber hinaus können, obwohl Merkmale oben als in bestimmten Kombinationen als zusammen wirkend beschrieben und sogar ursprünglich als solche beansprucht werden, ein oder mehrere Merkmale aus einer beanspruchten Kombination in einigen Fällen aus der Kombination herausgenommen werden, und die beanspruchte Kombination kann auf eine Unterkombination oder Variation einer Unterkombination gerichtet sein .

Auch wenn in den Zeichnungen Vorgänge in einer bestimmten Reihenfolge dargestellt sind, ist dies nicht so zu verstehen, dass diese Vorgänge in der gezeigten Reihenfolge oder in sequenzieller Reihenfolge ausgeführt werden müssen, oder dass alle dargestellten Vorgänge ausgeführt werden müssen, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen . Unter bestimmten Umständen können abweichende Reihenfolgen oder eine Parallelverarbeitung vorteilhaft sein .

Es wurde eine Reihe von Implementierungen beschrieben . Nichtsdestotrotz können verschiedene Modi fikationen vorgenommen werden, ohne von Geist und Umfang des verbesserten Konzepts abzuweichen . Dementsprechend fallen auch andere Implementierungen in den Anwendungsbereich der Ansprüche .

Bezugs zeichenliste

I Emittereinheit

3 Empfängereinheit

5 entferntes Ziel

10 Halbleiterlaser

I I Treiberschaltung

12 optische Strahl führungsanordnung

13 Abtastspiegel

20 Halbleiterschichtenfolge

21 erste aktive Schicht

22 zweite aktive Schicht

23 dritte aktive Schicht

24 Deckschicht

25 Trennschicht

26 Emissionsbereich

27 eingeätzte Prismenstruktur

31 optischer Sensor

32 optischer Sensor

33 wellenlängenselektiver Strahlteiler

34 Empfängeroptik

35 Messschaltung