VCSEL空间模式和输出光束的控制制造技术

一种VCSEL器件，其具有形成在VCSEL结构的一个或多个层中的彼此非同轴孔和/或旋转不对称孔，以在该器件的操作中限定一个以上的光输出空间模式。这种VCSEL器件的阵列被配置为在不同组成的VCSEL器件的输出处具有不同的空间模式。组成VCSEL器件以及因此VCSEL器件阵列的结构的空间不对称性导致整个光输出形成不规则的光输出点网格。当VCSEL阵列配备合适的透镜阵列时，使VCSEL阵列的光输出的空间分量以多空间(和光谱)模式的方式在远场或成像平面上重叠，从而减少成像应用中的散斑。从而减少成像应用中的散斑。从而减少成像应用中的散斑。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】VCSEL空间模式和输出光束的控制
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本国际申请要求于2019年1月17日提交的第62/793,557号美国临时专利申请的优先权和权益，其公开内容通过引用整体并入本文。


[0003]本专利技术涉及垂直腔半导体激光器(VCSEL)和VCSEL阵列。更具体地，本公开涉及具有空间(也称为横向)模式的受控分布的VCSEL和VCSEL阵列。采用配置为控制输出光分布的结构特征的VCSEL在包括照明、传感和通信在内的应用中具有改进的性能。

技术介绍

[0004]垂直腔面发射激光器(VCSEL)是一类具有许多应用的半导体激光器，并且与边缘发射激光器相比具有多种优势。这些器件的平面结构被配置为沿横向于半导体结构层的轴线提供光发射，允许晶圆上测试(在单个器件或阵列的切割和封装之前)；形成一维和二维阵列的能力；低发散输出光束，促进与光纤、波导和其他光学元件的有效耦合；采用传统的低成本发光二极管(LED)封装技术；以及与电子、光电和光学元件的集成，高可靠性和高效率。
[0005]VCSEL和VCSEL阵列的成功使用已经在基于光纤的数据和电信应用中得到证明(通常在大约1英里或更短的较短距离上，例如在局域网和数据中心中)，但它们现在正被用于各种其他应用，包括自由空间光学互连、传感器、用于3D相机或手势识别系统等系统的照明源、用于结构光源的点阵投影仪和汽车LIDAR。这些器件通常在大约850nm的波长下工作(该光是使用砷化镓(GaAs)量子阱(QW)有源区产生的)，波长在大约940nm至980nm之间(当使用砷化铟镓(InGaAs)QW有源区时)，并且最近地，波长在大约1250nm至1600nm之间(当器件被构造为利用稀氮化物QW有源区时)。
[0006]对于一些应用，例如数据通信或感测，通常希望提供一种VCSEL器件，其特征在于基本单模操作，输出光束具有基本圆形横截面。然而，这种单模操作的输出功率可能受到限制，并且需要特殊控制来增强可用的单模功率输出。其他应用(例如3D成像、照明、物体或手势识别、LIDAR、光学相干断层扫描和干涉显微镜)也可以从改进的模式控制中受益，其中输出光束的辐照度具有不同形状的横截面分布，例如环形或哑铃形，或存在多种横向模式。由于此类应用需要更高水平的光功率(范围从几十毫瓦到约10W)，因此可能优选使用激光器阵列而非单个激光器器件。为确保器件以所需特性运行，通常将模式控制技术应用于VCSEL器件。
[0007]VCSEL中单模发射的改进是通过控制反射率和光损耗的空间分布中的至少一个来实现的。(例如，已证明使用无源反导区可以提高单模性能。)另一种方法是在空间上修改来自VCSEL结构中包括的至少一个反射镜的反射反馈，或具有不同空间分布的不同模式的光损耗。然而，这两种技术的局限性在于可实现的最大单(空间)模式输出功率相对较低。
[0008]在环形模式器件的情况下，工业标准需要对激光反射器进行适当的图案化(这可
以暴露含铝层，从而影响激光器结构的操作可靠性，并且很可能需要电流注入)或复杂且涉及多个孔的形成。
[0009]技术人员容易理解，仍然需要控制VCSEL器件的空间模式性能，以确保多模式操作或环形模式操作。此外，在成像或照明等应用中，器件的空间输出图案应在远场中重叠，以减少由激光源的相干性引起的散斑对比度。当相干光从漫射表面反射时，就好像表面的每个点都在发射光波。通常，所有反射光波具有相同的频率，但是从表面不同部分反射的光的相位和幅度会有所不同。光将建设性地和破坏性地干涉，产生看似随机的光斑和暗斑的图案。在VCSEL阵列中，虽然单个器件可以相干，但激光器阵列中的单个VCSEL彼此不相干，如果VCSEL的发射重叠，例如，在远场中，则阵列的散斑对比度随着阵列中器件数量的平方根而减少。
[0010]类似地，散斑对比度是单个激光器的散斑对比度的函数，并且可以在以多个空间输出光斑、细丝和横向模式操作的器件中降低单独的VCSEL散斑对比度。虽然器件孔内的单个空间细丝或模式可以完全相干，但器件孔内所有横向模式或细丝的叠加的相干程度降低，这降低了器件产生的散斑对比度。不同的空间模式或细丝也可以表现出不同的波长，因此多模VCSEL的线宽可以大于0.5nm或1nm或1.5nm。

技术实现思路

[0011]本专利技术的实施例提供了一种包括第一反射器和第二反射器的垂直腔面发射激光器(VCSEL)结构；这些反射器之间的增益介质；外围材料层，在该层具有输出孔；至少一个限制材料层，在第一和第二反射器之间横跨VCSEL结构的纵向轴线设置。这种限制材料层中具有至少一个限制孔。(在特定情况下，输出孔和至少一个限制孔中的至少一者的尺寸可被确定为在3微米至50微米之间。)此外，第一轴和第二轴(第一轴是输出孔的轴并且横向于输出孔的平面，第二轴是至少一个限制孔的轴并且横向于至少一个限制孔的平面)彼此不重合。在一种实施方式中，VCSEL结构被配置为满足以下条件中的至少一项：a)输出孔的尺寸被确定为在输出孔的平面内具有不超过两个对称轴；在横向于纵向轴线的第一平面中考虑的(外围材料层和至少一个限制材料层中的至少一者的)横向范围小于在平行于第一平面的第二平面中的有源区的横向范围；以及c)至少一个限制层包括第一和第二限制层，第一和第二限制层中的每个限制层都设置在第一和第二反射器之间，而第一和第二限制层位于增益介质的相对侧。替代地或额外地，VCSEL结构可以仅具有一个对称轴。在基本上任何实施方式中，可以满足以下条件中的至少一项：i)第一轴和第二轴之间的横向偏移(在平行于至少一个限制孔的平面的平面中测量)值为至少1微米；ii)该横向偏移值不超过手边现成的至少一个限制孔的尺寸的40％。替代地或额外地，外围材料层可以被配置为提供VCSEL结构的电接触层的金属层，和/或其尺寸被确定为包括第一外围部分和由第一外围部分围绕的第二部分。(在这种情况下，第一外围部分的尺寸可以被确定为限定环形材料条带，并且第二部分的尺寸可以被确定为满足以下条件之一：(i)第二部分被配置为径向延伸的材料条带，以及(ii)第二部分被配置为连接多边形第一外围部分的两个不同侧边的条带，并且第一和第二部分在至少一个点处电连接。可替代地，在外围材料层的尺寸被确定为包括第一外围部分和由第一外围部分包围的第二部分的基本上任何实施方式中，第一外围部分的尺寸可以被确定为限定具有闭合内周边和闭合外周边的自身闭合材料条带，并且第二部分的
尺寸可以被确定为覆盖第一外围部分的几何中心。)
[0012]在一些情况下，本专利技术的VCSEL结构的实现方式可以被配置为产生光输出，该光输出在操作中提供以下形式之一的辐照度空间分布：a)环形辐照度分布，和b)哑铃形辐照度分布(如在与横向于光输出的轴的平面中限定的)和/或满足以下条件中的至少一项：i)存在于该结构中的至少一个限制层包括第一和第二限制层(第一限制层具有在其中的第一限制孔，第二限制层具有在其中的第二限制孔)；ii)这些第一和第二限制层位于增益介质的相对侧。(替代地或额外地，VCSEL结构可以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种垂直腔面发射激光器(VCSEL)结构，所述VCSEL结构具有纵轴并且包括：第一反射器和第二反射器；增益介质，所述增益介质在所述第一反射器和第二反射器之间；外围材料层，所述外围材料层限定在所述外围材料层中的输出孔，以及至少一个限制材料层，在所述第一反射器和所述第二反射器之间横跨所述纵轴设置，所述限制材料层限定在所述限制材料层中的至少一个限制孔，其中第一轴和第二轴彼此不重合，其中所述第一轴是所述输出孔的轴并且横向于所述输出孔的平面，其中所述第二轴是所述至少一个限制孔的轴并且横向于所述至少一个限制孔的平面。2.根据权利要求1所述的VCSEL结构，其中，所述VCSEL结构仅具有一个对称轴。3.根据权利要求1所述的VCSEL结构，其中，满足以下条件中的至少一项：a)在平行于所述至少一个限制孔的平面的平面中，在所述第一轴和所述第二轴之间的横向偏移值为至少1μm；以及b)所述横向偏移值不超过所述至少一个限制孔的尺寸的40％。4.根据权利要求1所述的VCSEL结构，其中，满足以下条件中的至少一项：a)所述输出孔的尺寸确定为在所述输出孔的平面内具有不超过所述输出孔的两个对称轴；b)其中，所述外围材料层和所述至少一个限制材料层中的至少一者在第一平面中的横向范围小于所述有源区在第二平面中的横向范围，并且其中，所述第一平面横向于所述纵轴，且所述第二平面平行于所述第一平面；以及c)其中，所述至少一个限制层包括第一限制层和第二限制层，所述限制层中的每个限制层都设置在所述第一反射器和所述第二反射器之间，并且其中，所述第一限制层和所述第二限制层位于所述增益介质的相对侧。5.根据权利要求1所述的VCSEL结构，其中，所述外围材料层是金属层，所述金属层配置为所述VCSEL结构的电接触层，以及其中，所述外围材料层的尺寸确定为包括第一外围部分和由所述第一外围部分围绕的第二部分。6.根据权利要求5所述的VCSEL结构，其中，所述第一外围部分的尺寸确定为限定环形材料条带，并且所述第二部分的尺寸确定为满足以下条件之一：(i)所述第二部分配置为径向延伸的材料条带，并且(ii)所述第二部分配置为连接多边形形状的第一外围部分的两个不同侧边的条带；并且其中，所述第二部分在至少一点处电连接。7.根据权利要求1所述的VCSEL结构，其中，所述外围材料层是金属层，所述金属层配置为所述VCSEL结构的电接触层，以及其中，所述外围材料层的尺寸确定为包括第一外围部分和由所述第一外围部分围绕的第二部分，
其中，所述第一外围部分的尺寸确定为限定具有闭合内周边和闭合外周边的自身闭合材料条带，并且其中，所述第二部分的尺寸确定为覆盖所述第一外围部分的中心。8.根据权利要求1所述的VCSEL结构，配置为产生具有以下形式之一的辐照度空间分布的光输出：如在横向于所述光输出的轴的平面中限定的a)环形辐照度分布，以及b)哑铃形辐照度分布。9.根据权利要求1所述的VCSEL结构，其中，满足以下条件中的至少一项：i)所述至少一个限制层包括第一限制层和第二限制层，所述第一限制层具有在所述第一限制层中的第一限制孔，并且所述第二限制层具有在所述第二限制层中的第二限制孔；并且ii)其中所述第一限制层和第二限制层位于所述增益介质的相对侧。10.根据权利要求9所述的VCSEL结构，其中，满足以下条件中的至少一项：a)所述第一限制层和所述第二限制层中的至少一个的第一部分具有的氧分子密度低于所述第一限制层和所述第二限制层中的至少一个的第二部分的氧分子密度，并且b)所述第一限制层和所述第二限制层中的至少一个的第一部分具有的电阻率低于所述第一限制层和所述第二限制层中的至少一个的第二部分的电阻率；并且其中，所述第一部分限定所述第一限制孔和所述第二限制孔中的选定限制孔，并且所述第二部分位于所述第一限制孔和所述第二限制孔中的所述选定限制孔的外部。11.根据权利要求9所述的VCSEL结构，其中，所述第一限制孔的轴和所述第二限制孔的轴彼此不重合，使得在所述第一限制孔的中心与所述第二限制孔的中心的在与所述至少一个限制材料层的平面基本平行的平面上的投影之间存在非零横向偏移。12.根据权利要求9所述的VCSEL结构，其中所述第一反射器和所述第二反射器中的至少一个是分布式布拉格反射器(DBR)，并且其中所述第一限制层和所述第二限制层中的至少一个设置在所述DBR的边界内。13.一种VCSEL阵列，包括多个VCSEL结构，每个VCSEL结构都根据权利要求1配置。14.根据权利要求13所述的VCSEL阵列，其中，满足以下条件中的至少一项：a)所述多个VCSEL结构中的第一VCSEL结构不同于所述多个VCSEL结构中的第二VCSEL结构；b)所述多个VCSEL结构中的至少第一VCSEL结构和第二VCSEL结构中的每一个都具有彼此不同轴的相应输出孔和限制孔；c)所述多个VCSEL结构中的VCSEL结构具有旋转对称的输出孔，以及与所述多个VCSEL结构中的所述VCSEL结构的所述输出孔不同轴的限制孔，以及d)至少两个输出孔，分别对应于所述多个VCSEL结构中的两个VCSEL结构，每个具有不超过两个对称轴，其中这样的对称轴限定在对应孔的平面中。15.根据权利要求14所述的VCSEL阵列，还包括分别对应于所述多个VCSEL结构并与所
述多个VCSEL结构可操作地协作的多个透镜元件，其中i)限定在分别对应的第一VCSEL结构和第二VCSEL结构的第一输出孔和第二输出孔的边界内的第一位置和第二位置，以及ii)所述多个透镜元件中的分别对应的第一透镜元件和第二透镜元件的第一轴和第二轴在平行于所述多个VCSEL结构中的VCSEL结构的层的平面中相互偏移。16.根据权利要求15所述的VCSEL阵列，其中，满足以下条件中的至少一项：a)所述阵列的组成VCSEL结构的纵轴形成第一空间不规则轴网格，并且b)所述多个透镜元件中的透镜元件的光轴形成第二空间不规则轴网格。17.根据权利要求15所述的VCSEL阵列，其中，所述多个透镜元件形成在同一衬底上并配置为独立的光学部件。18.根据权利要求17所述的VCSEL阵列，其中，所述多个透镜元件通过所述衬底与所述多个VCSEL结构分开。19.根据权利要求1所述的VCSEL结构，其中，以下a)输出孔；以及b)至少一个限制孔中的至少一者的尺寸介于3μm至50μm之间。20.根据权利要求5所述的VCSEL结构，其中，所述第二部分的最小尺寸为至少0.5μm且小于所述输出孔尺寸的25％。21.根据权利要求1所述的VCSEL结构，配置为产生具有光谱带宽的光，所述光谱带宽的值满足以下条件中的至少一项：i)所述值大于0.5nm；b)所述值大于1.0nm；c)所述值大于1.5nm。22.一种垂直腔面发射激光器(VCSEL)结构，所述VCSEL结构具有纵轴并且包括：第一反射器和第二反射器；增益介质，所述增益介质在所述第一反射器和所述第二反射器之间；至少一个限制材料层，在所述第一反射器和所述第二反射器之间横跨所述纵轴设置，所述限制材料层具有在所述限制材料层中的至少一个限制孔；以及外围材料层，所述外围材料层限定在所述外围材料层中的输出孔，所述输出孔的尺寸确定为具有不超过所述输出孔的两个对称轴。23.根据权利要求22所述的VCSEL结构，其中，所述输出孔仅具有一个对称轴。24.根据权利要求22所述的VCSEL结构，其中，所述外围材料层是金属层，所述金属层配置为所述VC...

【专利技术属性】
技术研发人员：R，
申请(专利权)人：阵列光子学公司，
类型：发明
国别省市：