刚性高功率和高速激光网格结构制造技术

本文公开了更坚固和更强大的高速激光器阵列的各种实施例。例如，公开了一种设备，该设备包括：(1)单个激光发射外延结构，单个激光发射外延结构包括多个激光区域，单个激光发射外延结构的每个激光区域在单个激光发射外延结构本身内相对于单个激光发射外延结构的其它激光区域被电隔离；以及(2)电波导，电波导配置为向激光区域提供电流。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】刚性高功率和高速激光网格结构相关专利申请的交叉引用和优先权要求本专利申请要求于2015年7月30日提交的美国临时专利申请序列号62/199,117的优先权，该申请的全部公开内容通过引用并入本文。本专利申请还要求于2015年12月29日提交的美国临时专利申请序列号62/272,242的优先权，该申请的全部公开内容通过引用并入本文。
技术介绍
因为与单个的激光器、光纤激光器、二极管泵浦固态(DPSS)激光器、和发光二极管(LED)相比，激光器阵列更高的操作光功率和高频操作，激光器阵列在通信、光检测和测距(LiDaR)、和材料处理领域中变得重要。激光器阵列通常用于印刷和通信，但是在具有到阵列中的每个激光器装置的单个独立连接以用于并行通信的配置中，其中因为每个激光器具有独立于阵列中的其它装置的触点，所以每个激光器可以具有独立的信号。当阵列元件连结在一起并且用单个信号驱动时，结构具有太多的电容或电感。这种高电容/电感特性减慢了激光器阵列的频率响应，从而在这样的激光器阵列增加更多元件时，使得它们更慢。这在Yoshikawa等人的参考工作(“HighPowerVCSELDevicesforFreeSpaceOpticalCommunications”,Proc.ofElectronicComponentsandTechnologyConference,2005,pp.1353-58Vol.2)和美国专利第5,978,408号中得到了证明。在专利技术人先前的工作(美国专利申请公开2011/0176567)中描述了基于多台面结构的高速激光器阵列。美国专利申请公开2011/0176567描述了多台面的半导体激光器阵列以及它们与用于高频操作的高速电波导的连接。然而，在美国专利申请公开2011/0176567中描述的多台面结构存在一些缺点。在美国专利申请公开2011/0176567中描述的台面结构的一个问题是：它们通常是脆性的。如果在形成台面之后存在结合到或者触碰激光器的任何机械程序，则这是一个问题。台面结构的直径可以小至5至10微米，并且由非常易碎的材料(诸如GaAs或者AlGas)或者其它类似的结晶材料组成。这些台面在处理之后必须被结合，并且在加热下施加压力，使得激光器台面的基台和顶部与焊料电结合。当结合背面发射装置阵列时，结合处的典型故障机理是破裂的台面，破裂的台面致使激光器无用并且可以导致整个装置废弃。如果在芯片上存在30个激光器并且在结合之后2个坏了，这2个装置将不会亮起。测试仍然必须进行，造成昂贵的处理来去除故障。另一个问题是：由于存在于激光器芯片上的多个台面的间隔要求，所以多台面结构产出作为芯片有效面积的函数的相对较低的激光功率。由台面隔离产生的多个台面阵列的另一个问题是：由于频率响应相关的设计参数偏好信号穿过接触焊盘行进的较短距离，所以激光器被分开一定距离，这限制了阵列的总体尺寸。之后，使用具有增加功率的元件的阵列，诸如，用于红外(IR)照明的多垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列。然而，这些IR源不支持高频操作，所以它们的脉冲宽度限于照明，而不是需要快速脉冲宽度的LIDAR。
技术实现思路
为了满足本领域对更坚固和更强大的高速激光器阵列的需要，专利技术人在本文中公开了一些专利技术实施例。例如，下文描述的本专利技术的实施例包含高频电波导，以将阵列的激光器连接在一起，同时通过在采用电波导的基板上形成信号焊盘来减小电容。本专利技术的实施例还包括：在单个结构中使用多导电电流限制技术来产生多个区域，与结构的非导电部分相比，该多个区域是导电的。在不在激光点的整个结构周围进行蚀刻的情况下，导电部分形成激光区域或者激光网格，从而形成激光器。不同于在上文引用的美国专利第5,978,408号中描述的设计，本文公开的本专利技术的实施例被设计并处理为使得激光器阵列与高速电波导集成在一起以实现高频率操作。本专利技术的实施例通过展示高频操作和刚性结构两者，来支持设计高功率高速光源中的新的且独特的机会，从而相对于本领域已知的其它设计增强了性能和可靠性。在本文公开的一个示例实施例中，从垂直腔面发射激光器(VCSEL)外延材料处理的独特结构形成来自单个刚性结构的激光点网格，与在VCSEL阵列中形成的典型台面结构(诸如，在美国专利申请公开2011/0176567中提到的那些台面结构)相比，通过减小电容、增加结构完整性并且减少填充因子，该激光点网格有利于高速操作。应该理解，VCSEL实施例仅是示例，并且这种设计可以与其它激光器类型一起工作，诸如，谐振腔发光二极管(RCLED)、LED、或者垂直扩展(或者外部)腔面发射激光器(VECSEL)。使用离子注入或者通过微结构或孔的非导电氧化区域，本文描述的单个连续结构形成孔隙的电隔离区域，同时保持通常被蚀刻掉的材料的结构完整性。新结构的形成还允许在不同的隔离的激光传导点或者网格之间分布高速信号。激光网格的所有P接触区域可以并联连接至地-信号-地(GSG)集成电波导的信号部分。在波导中打开和关闭的信号或者电流被分布在形成激光器的所有导电路径之间。应该理解，可以使用其它类型的电波导，诸如，微带波导。单个连续结构具有其它益处，诸如，用于在更大的电镀结构内的热分布的更大基部。比起阵列结构，激光网格彼此更靠近在一起。由于信号必须行进一段距离到阵列中的每个单点，所以激光器分开得越远，频率响应或者限制装置的最终带宽的速度越慢。因此，来自本专利技术的实施例的优点的示例包括：1.刚性结构在芯片结合处理中具有更高的可靠性。2.刚性结构具有更高的填充因子可能性。3.刚性结构具有更高可靠性的金属触点。4.刚性结构更容易处理。5.刚性结构的触点之间的距离更短，从而实现更高频大功率光束。6.刚性结构是用于要附接的单个透镜或者透镜阵列的更好的表面拓扑。7.刚性台面结构为与电位分离的引线和触点产生另一个区域，从而降低电容。8.由于触点的3D性质，所以刚性结构允许与基台更高的集成度。此外，利用一个示例实施例，通过将电流限制到与非导电离子注入区域相比存在导电性的结构中的隔离区域而实现的多于一个的激光区域，来形成激光网格。导电区域和非导电区域形成光网格，该光网格在单个固体结构上具有用于有源正接触的单个金属触点，并且在周围的接地结构上具有单个N触点，周围的接地结构在隔离两个区域的沟槽的底部处短接到N接触区域。举例来说，图7C示出了框架中的开口将如何帮助提高速度。然后将这些P和N触点结合到高速电触点。2个基板和激光器芯片通过结合器被对准，然后施加热量和压力以结合已经沉积在一个芯片或者另一个芯片上的焊料。因为通过镀层和焊料高度来将p焊盘与n晶片接地分离，但是主要是通过将其从激光器基板移除并且将其放置在电波导基板上来与n晶片接地分离，所以实现高速。物理分离显著地降低了电容，增加了受电路的电容限制的频率响应。这使激光网格能够实现高频操作。在基板的背面上形成的单个透镜或者附接或结合到网格结构的背面的单个透镜可以从会聚点引导每个激光点或者将每个激光点引导至会聚点。这对于使光束输出准直来说是理想的，就好像它来自单个源。本专利技术的这些和其它特征和优点会在下文中向本领域的普通技术人员描述。附图说明图1至5示出了示例顶部发射注入实施例的各种视图。图6示出了示例底部发射注入实施例的视图。图7示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种设备，包括：单个激光发射外延结构，所述单个激光发射外延结构包括多个激光区域，所述单个激光发射外延结构的每个激光区域在所述单个激光发射外延结构本身内相对于所述单个激光发射外延结构的其它激光区域被电隔离；以及电波导，被配置为向所述激光区域提供电流。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.07.30 US 62/199,117;2015.12.29 US 62/272,2421.一种设备，包括：单个激光发射外延结构，所述单个激光发射外延结构包括多个激光区域，所述单个激光发射外延结构的每个激光区域在所述单个激光发射外延结构本身内相对于所述单个激光发射外延结构的其它激光区域被电隔离；以及电波导，被配置为向所述激光区域提供电流。2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电波导包括位于第二平台或者芯片上的多个电触点。3.根据权利要求1至2中任一权利要求所述的设备，其中，所述单个激光发射外延结构包括单个垂直腔面发射激光器(VCSEL)外延结构。4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述单个VCSEL外延结构不包括多个台面。5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的设备，其中，所述单个激光发射外延结构进一步包括延伸穿过其中的多个孔，每个孔具有围绕所述孔的氧化层，所述孔和所述氧化层被定位为限定并且电隔离所述激光区域。6.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的设备，其中，所述单个激光发射外延结构进一步包括通过离子注入形成的多个导电区域，所述离子注入被定位为限定并且电隔离所述激光区域。7.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的设备，进一步包括：芯片，所述单个激光发射外延结构位于所述芯片上；以及所述芯片上的接地区域，其中，所述接地区域包围或者几乎包围所述单个激光发射外延结构，并且通过隔离间隙与所述单个激光发射外延结构分离。8.根据权利要求6所述的设备，进一步包括：第一导电触点，所述第一导电触点并联地接触多个所述激光区域；以及第二导电触点，所述第二导电触点接触所述接地区域。9.根据权利要求1至8中任一权利要求所述的设备，其中，所述电波导被定位为将所述单个激光发射外延结构连接至位于所述电波导上的信号焊盘，并且将接地台面连接至位于所述电波导上的接地焊盘。10.根据权利要求1至9中任一权利要求所述的设备，进一步包括：微透镜阵列，被设置为将光束引导至单个位置或者引导来自单个位置的光束。11.根据权利要求1至9中任一权利要求所述的设备，其中，单个透镜连接至激光发射网格结构，使得激光发射的位置指向单个或多个位置或者从单个或多个位置被引导。12.根据权利要求1至9中任一权利要求所述的设备，其中，衍射光学元件被设置为引导来自所述激光区域的激光束，使得激光发射的位置指向单个或多个位置或者从单个或多个位置被引导。13.根据权利要求1至12中任一权利要求所述的设备，进一步包括：芯片，所述单个激光发射外延结构位于所述芯片上；以及在所述芯片上限定接地区域的多个接地结构，其中，所述接地区域包围或者几乎包围所述单个激光发射外延结构，并且通过隔离间隙与所述单个激光发射外延结构分离。14.根据权利要求1至13中任一权利要求所述的设备，进一步包括：多个所述单个结构，各自具有多个激光器，所述多个激...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·R·约瑟夫，
申请(专利权)人：奥普蒂脉冲公司，
类型：发明
国别省市：美国,US