ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК H01L33/00 

Изобретение относится к оптоэлектронике и может быть использовано для изготовления полупроводниковых излучателей со встроенным фотодиодом для осуществления автоматической регулировки мощности излучения.

Для работы полупроводниковых излучателей в режиме постоянной излучаемой мощности в корпусе излучателя размещают фотодиод, который принимает определенную долю излучаемой светоизлучающим элементом мощности и формирует сигнал для управления мощностью излучения. При этом в случае лазера фотодиод располагают, как правило, со стороны заднего зеркала лазерного элемента. Это, в свою очередь, при возникновении несоответствия между мощностью, излучаемой с переднего и заднего зеркал, может приводить к нестабильности работы системы автоматической регулировки мощности излучения. В случае светодиода для осуществления регулировки мощности излучения возможно использовать излучение только с рабочей стороны излучателя.

Известна конструкция полупроводникового излучателя с фотоэлектрическим преобразователем, прикрепленным к верхней части проводящего герметичного корпуса и формирующим сигнал для автоматической регулировки мощности [1]
Устройство содержит корпус с закрепленными на нем излучающим кристаллом и фотодиодом и крышку с выходным окном. Фотодиод крепится на крышке корпуса с внутренней стороны в плоскости выходного окна.

Недостатком данной конструкции является ее сложность, так как размещение фотодиода на крышке создает проблему осуществления в конструкции электрического контакта к фотодиоду при одновременной герметизации крышки с корпусом, что в свою очередь снижает эффективность системы автоматической регулировки мощности излучения прибора.

Этот недостаток частично устранен в конструкции излучателя [2]
Устройство содержит корпус с закрепленными на нем излучающим кристаллом и фотодиодом и крышку с выходным окном. Фотодиод закреплен на корпусе излучателя таким образом, что поверхность его активной площадки расположена параллельно направлению излучения светодиода.

Однако, данное устройство имеет низкую эффективность системы автоматической регулировки мощности излучения вследствие того, что в данной конструкции световой поток падает на поверхность фотодиода под малым углом, и поэтому лишь незначительная часть светового потока преобразуется фотодиодом в полезный электрический сигнал.

Наиболее близким к предлагаемому является конструкция [3] в которой фотодиод закреплен на корпусе излучателя позади излучающего кристалла, а выходное окно расположено под углом к рабочей поверхности фотодиода и выходной грани излучающего кристалла таким образом, что часть излученного светового пучка, отражаясь от выходного окна, попадает на рабочую площадку фотодиода. Причем, задняя грань излучающего кристалла имеет увеличенный коэффициент отражения.

Основным недостатком данной конструкции является сравнительно низкая эффективность системы автоматической регулировки мощности излучения. Это обусловлено следующим: выходное окно в данной конструкции является одновременно и отражателем, предназначенным для получения фотодиодом части излученного светового потока для осуществления автоматической регулировки мощности излучения. Это приводит, кроме того, к необходимости иметь на задней (нижней) стороне излучающего кристалла отражающее покрытие, что, в свою очередь, ограничивает номенклатуру используемых в конструкции излучающих кристаллов; выходное окно расположено под углом к оси излучателя, что, помимо всего, усложняет и конструкцию и технологию изготовления крышки с выходным окном.

Целью изобретения является увеличение эффективности системы автоматической регулировки мощности излучения устройства и упрощение его конструкции.

Цель достигается тем, что предлагаемая конструкция полупроводникового излучателя содержит корпус излучателя с закрепленными на нем светоизлучающим кристаллом и фотоприемным кристаллом и крышку с выходным окном.

Новым в предлагаемом устройстве является то, что фотоприемный кристалл расположен между светоизлучающим кристаллом и выходным окном; выходное окно расположено параллельно излучающей поверхности светоизлучающего кристалла и рабочей поверхности фотоприемного кристалла; одна часть выходного окна имеет просветляющее покрытие, а другая часть выходного окна имеет отражающее покрытие; эти две части расположены таким образом, что одна часть светового потока, отражаемая от части выходного окна с отражающим покрытием, попадает на фотоприемный кристалл, а другая часть светового потока выходит через часть выходного окна с просветляющим покрытием.

На фиг. 1 представлено предлагаемое устройство; на фиг.2 схема устройства, поясняющая взаимосвязь между элементами устройства.

Устройство в соответствии с фиг.1 содержит корпус 1, крышку 2 с выходным окном 3. На корпусе 1 закреплены светоизлучающий кристалл 4, излучающая поверхность которого параллельна выходному окну 3, и фотоприемный кристалл 5, рабочая поверхность которого также параллельна выходному окну 3. Фотоприемный кристалл 5 пространственно расположен между плоскостью выходного 3 и плоскостью излучающей поверхности светоизлучающего кристалла 4. На часть 7 выходного окна 3 (согласно фиг.1) предварительно нанесено отражающее покрытие, а на другую часть 6 выходного окна 3 нанесено просветляющее покрытие. Из фиг. 1 видно, что части выходного окна 3 с просветляющим и отражающим покрытиями расположены относительно светоизлучающего кристалла 4 и фотоприемного кристалла 5 таким образом, что часть светового потока, отражаемая от части 7, попадает на фотоприемный кристалл 5, а другая часть светового потока выходит через часть 6 выходного окна 3. Соотношение размеров частей 6 и 7 определяется теми параметрами излучателя, которые необходимо иметь в том или ином его применении. Чтобы получить общий вид этого соотношения и соотношений, определяющих взаимосвязь между другими элементами конструкции, а также для простоты пояснения рассмотрим двумерный случай и примем условия:
1) диаметр выходного окна соответствует телесному углу, в котором распространяется полная мощность излучения;
2) фотоприемный кристалл находится в наихудшем положении, когда на дальний от светоизлучающего кристалла край его рабочей поверхности попадает крайний луч полного телесного угла;
3) часть выходного окна с отражающим покрытием имеет форму сегмента.

Величину фототока I_m, пропорционально меняющуюся в зависимости от величины попадающего на фотоприемный кристалл 5 светового потока, рассчитывают следующим образом:

где S чувствительность фотоприемного кристалла 5;
P_x распределение мощности излучения в дальней зоне;
h высота сегмента выходного окна 3 с отражающим покрытием 7.

Положение верхней границы (фиг. 2) рабочей поверхности фотоприемного кристалла описывается уравнением:

а положение нижней границы:

где L расстояние от светоизлучающего кристалла до выходного окна,
l расстояние от фотоприемного кристалла до выходного окна,
d линейный размер рабочей поверхности фотоприемного кристалла,
H координата положения нижней границы рабочей поверхности фотоприемного кристалла,
α₁ угол падения луча, попадающего на ближний от светоизлучающего кристалла край рабочей поверхности фотоприемного кристалла,
α₂ угол падения луча, попадающего на дальний от светоизлучающего кристалла край рабочей поверхности фотоприемного кристалла.

Высота по оси X сегмента выходного окна с отражающим покрытием определяется соотношением:

Из фиг.2 видно, что
где D диаметр выходного окна.

Проведя несложные алгебраические операции с приведенными выше соотношениями, поучаем:

Соотношения (1) и (2) определяют взаимосвязь основных параметров конструкции для любой зависимости P(х) распределения мощности излучения в дальней зоне.

Таким образом, в каждом конкретном случае в зависимости от применения и выходных параметров излучателя может быть определено конкретное положение элементов конструкции и их размеры.

Устройство работает следующим образом.

Излучение, выходящее из светоизлучающего кристалла 4, попадает на выходное окно 3. Та часть излучения, которая попала на часть 6 выходного окна 3 с просветляющим покрытием, выходит из корпуса излучателя, а та часть излучения, которая попала на часть 7 выходного окна 3 с отражающим покрытием, отражается и попадает на фотоприемный кристалл 5, который, в свою очередь, формирует электрический сигнал для осуществления обратной связи.

Предлагаемое изобретение позволяет повысить эффективность системы автоматической регулировки мощности излучения, упростить конструкцию излучателей, расширить номенклатуру используемых светоизлучающих кристаллов.

Были проведены эксперименты по изучению параметров излучателей (I_н ток накачки светоизлучающего кристалла, P мощность излучения, I_ос - ток фотоприемного кристалла для осуществления обратной связи) в соответствии с предлагаемым изобретением и излучателей по прототипу.

Параметры излучателей, изготовленных в соответствии с предложенным решением, приведены в табл. 1.

В табл. 2 приведены измеренные при той же мощности излучения значения тока фотоприемного кристалла для осуществления обратной связи I_ос, с помощью которого осуществляется автоматическая регулировка мощности излучения в известной конструкции. Из сравнения параметров, приведенных в табл. 1 и 2, видно, что значения тока I_ос в случае предложенного решения в несколько раз превышают аналогичные значения конструкции прототипа, что свидетельствует о повышении эффективности системы автоматической регулировки мощности излучения, т.е. о преимуществах предложенного технического решения.

Использование: оптоэлектроника, полупроводниковые излучатели для осуществления автоматической регулировки мощности излучения. Сущность изобретения: полупроводниковый излучатель содержит корпус с закрепленными на нем светоизлучающим и фотоприемным кристаллами и крышку с выходным окном. Фотоприемный кристалл расположен между светоизлучающим кристаллом и выходным окном, а выходное окно расположено параллельно излучающей поверхности светоизлучающего кристалла и рабочей поверхности фотоприемного кристалла, при этом одна часть выходного окна имеет просветляющее покрытие, а другая часть выходного окна имеет отражающее покрытие, и эти части расположены таким образом, что одна часть светового потока, отражаемая от части выходного окна с отражающим покрытием, попадает на фотоприемный кристалл, а другая часть светового потока выходит через часть выходного окна с просветляющим покрытием. 2 ил., 2 табл.

Полупроводниковый излучатель, содержащий корпус с закрепленными на нем светоизлучающим и фотоприемным кристаллами и крышку с выходным окном, отличающийся тем, что фотоприемный кристалл расположен между светоизлучающим кристаллом и выходным окном, а выходное окно расположено параллельно излучающей поверхности светоизлучающего кристалла и рабочей поверхности фотоприемного кристалла, при этом одна часть выходного окна имеет просветляющее покрытие, а другая часть выходного окна имеет отражающее покрытие, эти части расположены таким образом, что одна часть светового потока, отражаемая от части выходного окна с отражающим покрытием, попадает на фотоприемный кристалл, а другая часть светового потока выходит через часть выходного окна с просветляющим покрытием.