一种面向多线激光雷达的VCSEL线性阵列制造技术

本发明专利技术涉及激光探测和半导体光电子器件技术领域，具体是一种面向多线激光雷达的VCSEL线性阵列；具体包括半导体衬底，m元呈线性阵列的垂直腔面发射激光器VCSEL，以及m元光学微透镜；m元呈线性阵列的VCSEL制备在半导体衬底正面，m元光学微透镜呈阵列设置在半导体衬底背面；m元VCSEL彼此独立且输出m路互不相干的激光信号；VCSEL与光学微透镜一一对应，光学微透镜用于将与其相对应的VCSEL发散的激光进行准直并调控出光方向，形成多线激光束；本发明专利技术实现对VCSEL输出激光束的准直和光束方向调控；能够简化激光雷达的光学扫描结构、降低激光雷达的成本。激光雷达的成本。激光雷达的成本。

【技术实现步骤摘要】
一种面向多线激光雷达的VCSEL线性阵列


[0001]本专利技术涉及激光探测和半导体光电子器件
，具体是一种面向多线激光雷达的垂直腔面发射激光器(VCSEL)线性阵列。

技术介绍

[0002]无人驾驶技术是即将改变人类生活的前沿科技，激光雷达在发展无人驾驶技术的过程中起到不可替代的作用。近几年来，多家企业和科研院校在激光雷达的多线工作、光束扫描以及减重方面进行了大量工作，不断满足了无人驾驶对激光雷达的各项要求。尤其是多线工作方面，已有64线甚至更多线的商品化激光雷达问世，无人驾驶激光雷达的线数已经成为衡量其性能的一个重要指标。
[0003]目前，广泛采用的实现激光雷达多线工作的方法是：采用多个激光器同时工作，分别以不同的垂直角度发射激光信号，结合水平旋转，从而实现多线工作。多激光器工作的方法将大大增加激光雷达的体积和重量，并提高了器件成本，这对于激光雷达的实际应用十分不利。采用集成化激光器线性阵列芯片，能够降低激光器本身造成的体积增大和成本提高。然而，普通的边发射半导体激光器线性阵列的光束调控是一大难题，不仅调控难度大，成本高，而且不够稳定，因此，激光器阵列在激光雷达方面的应用仍处于研究阶段。
[0004]垂直腔面发射激光器VCSEL具有大功率光束质量好的优势，不仅可制作线性阵列，还可以制作二维面阵，因而在激光雷达方面具有重大应用潜力，但是VCSEL阵列同样存在光束调控的难题。不同于边发射激光器，VCSEL的出光方向垂直外延平面，便于集成光学元件，进而实现对输出激光束的调控。最为常见的光学元件即为透镜，已有工作通过集成微透镜的方式来对VCSEL进行光束准直和聚焦（专利公开号：CN 107453201 A），微透镜加工技术也发展较为成熟。但对于多线激光雷达的应用，VCSEL的阵列光束仍需外部光束调控，从而增加了多线激光雷达的体积、重量和成本。

技术实现思路

[0005]本专利技术克服了现有技术的不足，针对VCSEL阵列光束调控的难题，提出一种面向多线激光雷达的VCSEL线性阵列，实现对VCSEL输出激光束的准直和光束方向调控。进而面向多线激光雷达的应用，实现无需外部光束调控的VCSEL线性阵列。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术是通过如下技术方案实现的。
[0007]一种面向多线激光雷达的VCSEL线性阵列，包括半导体衬底，m元呈线性阵列的垂直腔面发射激光器VCSEL，以及m元光学微透镜；m元呈线性阵列的VCSEL制备在半导体衬底正面，m元光学微透镜呈阵列设置在半导体衬底背面；m元VCSEL彼此独立且输出m路互不相干的激光信号；VCSEL与光学微透镜一一对应，光学微透镜用于将与其相对应的VCSEL发散的激光进行准直并调控出光方向，形成多线激光束。
[0008]进一步的，所述光学微透镜直接制备在半导体衬底的背面。
[0009]进一步的，所述光学微透镜是折射透镜或是衍射透镜。
[0010]进一步的，所述半导体衬底的材质为GaAs、InP、GaSb中的一种。
[0011]进一步的，所述垂直腔面发射激光器VCSEL包括垂直腔谐振结构，所述垂直腔谐振结构由两侧的分布布拉格反射器DBR，和设置在两侧DBR之间的激光器有源区组成，制备在半导体衬底上的DBR的光反射率小于远离半导体衬底一侧的DBR的光反射率。
[0012]本专利技术相对于现有技术所产生的有益效果为：1. 所述VCSEL线性阵列可通过集成更多数量的VCSEL增加输出激光的线数，同时通过衬底微透镜的设计调整，可以调控输出多线激光束的角度覆盖范围和分布，进而实现激光雷达的线数增加、垂直扫描范围改变和垂直分辨率控制；对光束方向的调控作用不仅适用于线性阵列，也适用于二维面阵，进一步提高芯片集成度；本专利技术能够输出多路相互独立的、准直的、具有不同出射方向的多线激光束，满足多线激光雷达的应用需求。
[0013]2. 所述VCSEL线性阵列应用于激光雷达，仅通过更换VCSEL线性阵列芯片便可以实现激光雷达线数调整，无需对激光雷达进行整机的重新设计和调整。
[0014]3. 所述VCSEL线性阵列所需的制备工艺均为现有较为成熟的工艺技术，且不涉及复杂的工艺过程，因此本专利技术实际应用的实现将降低多线激光雷达的器件成本。
附图说明
[0015]图1是本专利技术所述一种面向多线激光雷达的VCSEL线性阵列的整体结构示意图；图中：1是半导体衬底，2是VCSEL，3是光学微透镜，4是多线激光束。
[0016]图2是本专利技术具体实施例：16线激光输出VCSEL线性阵列的具体器件结构截面示意图；图中：101是GaAs半导体衬底，102是变组份AlGaAs构成的分布布拉格反射器（DBR），反射率84%，103是激光器有源区，104是变组份AlGaAs超晶格构成的分布布拉格反射器，反射率大于99.5%，105是GaAs二次外延层，106是SiO2绝缘层，107和108分别是外延面和衬底面电极层，109是微透镜阵列。
[0017]图3是本专利技术具体实施例中VCSEL线性阵列的16线激光输出效果图；图中：201是VCSEL线性阵列，202是输出16线激光束。
具体实施方式
[0018]为了使本专利技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。下面结合实施例和附图详细说明本专利技术的技术方案，但保护范围不被此限制。
[0019]面向无人驾驶激光雷达的应用，旨在进一步提高激光雷达的集成度，降低激光雷达成本，本专利技术的技术方案是提供一种面向多线激光雷达的VCSEL线性阵列。
[0020]图1是一种面向多线激光雷达的VCSEL线性阵列的整体结构示意图。如图1所示，面向多线激光雷达的VCSEL线性阵列包括：半导体衬底1，m元线性阵列的VCSEL 2，m元光学微透镜3。半导体衬底1材质可以是GaAs、InP、GaSb，视VCSEL的材料体系而不同。m即为相应能够实现激光雷达的线数，阵列中的每个激光器都是相互独立的，没有模式耦合、相位同步及功率叠加等相互作用，从而阵列能够输出m路完全互不相干的激光信号。
[0021]半导体衬底1是制备VCSEL的基底；m元VCSEL 2中的每个激光器都是相互独立的，没有模式耦合、相位同步及功率叠加等相互作用，从而阵列能够输出m路完全互不相干的激光信号；光学微透镜3直接制备在半导体衬底1的背面，每一个独立的VCSEL 2都有一个光学微透镜3与之相对应，VCSEL发射的激光在衬底中发散、传播至背面微透镜处，透镜的作用在于将发散的激光进行准直并调控出光方向。m路完全互不相干的激光，经微透镜阵列准直、调控后，每一路激光束都具有不同的光束方向，且分布在一定的角度范围内，从而形成满足激光雷达应用的多线激光束4。
[0022]以下采用具体实施例进行说明，本实施例为一个面向16线无人汽车激光雷达的16元VCSEL线性阵列，VCSEL采用GaAs衬底基的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向多线激光雷达的VCSEL线性阵列，其特征在于，包括半导体衬底（1），m元呈线性阵列的垂直腔面发射激光器VCSEL（2），以及m元光学微透镜（3）；m元呈线性阵列的VCSEL（2）制备在半导体衬底（1）正面，m元光学微透镜（3）呈阵列设置在半导体衬底（1）背面；m元VCSEL（2）彼此独立且输出m路互不相干的激光信号；VCSEL（2）与光学微透镜（3）一一对应，光学微透镜（3）用于将与其相对应的VCSEL（2）发散的激光进行准直并调控出光方向，形成多线激光束（4）。2.根据权利要求1所述的一种面向多线激光雷达的VCSEL线性阵列，其特征在于，所述光学微透镜（3）直接制备在半导体衬底（1）的...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾志伟，李丽，王安帮，赵彤，李璞，王龙生，郭园园，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：