用于集成光子设备的焦平面光学调节制造技术

光学设备(20A、20B、100、200、800)包括设置在半导体基板(218)上并且被配置为发射相应的光辐射束的发射器(28A、28B)的第一阵列。微光学器件(34A、34B、226、802)的第二阵列(36A、36B、224、808)定位成与光发射器的相应的光束对准，并且被布置成调节光束的相位，使得光束中的不同光束以不同的相位质量进行传输。中的不同光束以不同的相位质量进行传输。中的不同光束以不同的相位质量进行传输。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于集成光子设备的焦平面光学调节


[0001]本专利技术整体涉及集成光子设备，具体地讲，涉及用于产生光束阵列的设备和方法。

技术介绍

[0002]集成光子设备是将光电、光学和电子部件组合在一起的设备，通常位于半导体基板上。(如本说明书和权利要求中所用，术语“光学”和“光”是指光谱的任何可见光、红外和紫外范围内的电磁辐射。)

技术实现思路

[0003]本文描述的本专利技术的实施方案提供改进了光学质量的集成光子设备。
[0004]因此，根据本专利技术的一个实施方案，提供了一种光学设备，该光学设备包括发射器的第一阵列，该发射器的第一阵列设置在半导体基板上并被配置为发射相应的光辐射束。微光学器件的第二阵列被定位成与光发射器的相应光束对准，并且被布置成调节光束的相位，使得不同光束以不同的相位质量进行传输。
[0005]在一些实施方案中，发射器和微光学器件被配置为使得光束中的不同光束聚焦在距半导体基板边缘的不同相应距离处。在这些实施方案中的一些实施方案中，光束聚焦到沿着具有预定曲率的轨迹的相应点上。在所公开的实施方案中，该设备包括准直光学器件，该准直光学器件具有与轨迹重合的弯曲物平面。
[0006]附加地或另选地，第一阵列中的发射器包括相应的光斑尺寸转换器。在一些实施方案中，光斑尺寸转换器包括锥形波导。在所公开的实施方案中，光斑尺寸转换器中的不同光斑尺寸转换器选择具有不同的相应锥形，以便形成具有不同的相应光斑尺寸的光斑。附加地或另选地，锥形波导具有相应的输出端，该输出端相对于所选择的半导体基板的输出面偏移，使得输出端沿着曲线设置。在一个实施方案中，光斑尺寸转换器彼此不平行，以便在相应的非平行方向上发射相应光束。
[0007]在一些实施方案中，第二阵列中的微光学器件包括相应的微透镜。在公开的实施方案中，微透镜中的至少一些微透镜相对于相应光束偏移，以便以不同的相应角度引导光束。附加地或另选地，微透镜中的至少一些微透镜具有不同的相应焦距。
[0008]在公开的实施方案中，该设备包括一个或多个折叠镜，该折叠镜设置在半导体基板上，以便引导光束远离半导体基板的平面。
[0009]根据本专利技术的一个实施方案，还提供了一种光探测和测距(LiDAR)系统，其包括：发射器，该发射器包括设置在半导体基板上并且被配置为发射相应的光辐射束；和微光学器件的第二阵列，该微光学器件的第二阵列被定位成与光发射器的相应光束对准并且被布置成调节光束的相位，使得不同光束以不同的相位质量进行传输。准直光学器件被配置为将微光学器件传输的光束在不同的相应方向上朝LiDAR系统的视场的不同的相应部分导向。接收器被配置为从视场的不同部分接收光束的反射，并且处理反射以便找到到视场中对象的距离。
[0010]在所公开的实施方案中，第一阵列中的发射器被配置为输出具有不同的相应光斑尺寸的相应光束，选择这些光斑尺寸使得朝向视场的不同部分的光束具有不同的相应发散度。
[0011]根据本专利技术的实施方案，另外提供了一种用于制造光学设备的方法。该方法包括在半导体基板上布置发射器的第一阵列，以便发射相应的光辐射束。微光学器件的第二阵列被定位成与光发射器的相应光束对准，以便调节光束的相位，使得不同光束以不同的相位质量进行传输。
[0012]在一些实施方案中，定位第二阵列包括布置微光学器件以便将光束中的不同的光束聚焦在距半导体基板边缘的不同相应距离处，其中布置微光学器件包括将光束聚焦到沿着具有预定曲率的轨迹的相应点上。提供了准直光学器件，该准直光学器件具有与轨迹重合的弯曲物平面，并且该方法包括利用发射器和微光学器件的光学特性联合优化准直光学器件的光学设计。
[0013]结合附图，从下文中对本专利技术的实施方案的详细描述将更全面地理解本专利技术，在附图中：
附图说明
[0014]图1A和图1B是根据本专利技术的两个实施方案的边缘耦合光子集成电路和相应微透镜阵列的相应示意性俯视图；
[0015]图2是根据本专利技术的另一实施方案的光子集成电路的示意性俯视图；
[0016]图3A是根据本专利技术的另一实施方案的具有垂直耦合的光子集成电路的示意性俯视图；
[0017]图3B和3C是图3A的光子集成电路的示意性截面图；
[0018]图4A、图4B和图4C是根据本专利技术的实施方案的准直光学器件的示意性侧视图；
[0019]图5A、5B、5C、5D、5E、5F、5G、5H和5I是根据本专利技术的实施方案的各种设计的光斑尺寸转换器发射的红外光辐射的远场角曲线的示意图表；
[0020]图6是根据本专利技术的一个实施方案的光子集成电路和相关联的微透镜阵列的示意性俯视图；
[0021]图7A和7B分别是根据本专利技术的一个实施方案的在使用微透镜成像之前和之后的光束输出的辐射率的图形表示；
[0022]图8是根据本专利技术的一个实施方案的安装在车辆中的LiDAR系统的示意性侧视图；并且
[0023]图9是根据本专利技术的一个实施方案的用于图8的系统中的光子集成电路和微透镜阵列的示意性俯视图。
具体实施方式
[0024]概述
[0025]半导体基板上的典型激光发射器阵列，诸如一维或二维VCSEL阵列，在垂直于阵列的基板表面的方向上发射光束。光束调节或成像透镜的设计，例如用作准直光学器件以实现所需的远场照明模式，必须捕获所有阵列元件发射的每个阵列元件(NA，数值孔径)的角
发射，同时还执行用于远场光斑位置的成像功能。此类设计通常需要从以远心配置布置在物体空间中的源发射的光束。在这种情况下，透镜被设计用于垂直于表面的阵列元件发射，随后是焦点或无焦图像空间，其中透镜被设计成将每个激光源准直到无穷大(无焦)或有限的工作距离。为了实现所需的光束质量，可能需要昂贵且复杂的透镜系统。边缘发射激光器或光子集成电路结构的线性(1D)阵列也遇到了类似的限制。
[0026]在本专利技术的实施方案中，集成光子设备通过集成光子元件和准直光子器件的共同设计为光学设计者提供额外的优化。这些实施方案提供了一种光学设备，该光学设备包括设置在半导体基板上并且被配置为发射相应光辐射束的发射器阵列。微光学器件的阵列(诸如微透镜)被定位成与光发射器的相应光束对准。该微光学器件调节光束的相位，使得不同光束以不同的相位质量进行传输。在本说明书的上下文和权利要求中使用的术语“相位质量”是指光束的焦点和方向质量，诸如光斑尺寸、发散度、数值孔径和主光线方向。
[0027]在下面描述的实施方案中，光子集成电路包括在半导体基板上形成的发射孔径阵列，该基板上具有波导阵列以将光导向其他光子电路元件中或者从其他光子电路元件中导出。发射孔径形成在光子集成电路的输入/输出表面处，并且可以是双向的，例如使用偏振来分离、传输和接收光。这些输出光束的光斑尺寸可以由各种类型的微光学和光子部件控制，诸如光子集成电路上的光斑尺寸转换器或被定位与相应输出光束对准的微透镜阵列，或光斑尺寸转换器和微透镜阵列的组合。然而，在本领域已知的系统中，当需要良好的光束质量时，跟随光本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种光学设备，所述光学设备包括：发射器的第一阵列，所述发射器的第一阵列设置在半导体基板上并且被配置为发射相应的光辐射束；以及微光学器件的第二阵列，所述微光学器件的第二阵列定位成与光发射器的相应的光束对准并且被布置成调节所述光束的相位，使得所述光束中的不同光束以不同的相位质量进行传输。2.根据权利要求1所述的光学设备，其中所述发射器和所述微光学器件被配置为使得所述光束中的所述不同光束聚焦在距所述半导体基板的边缘的不同的相应距离处。3.根据权利要求2所述的光学设备，其中所述光束聚焦到沿着具有预定曲率的轨迹的相应点上。4.根据权利要求3所述的光学设备，所述光学设备包括准直光学器件，所述准直光学器件具有与所述轨迹重合的弯曲物平面。5.根据权利要求1至4中任一项所述的光学设备，其中所述第一阵列中的所述发射器包括相应的光斑尺寸转换器。6.根据权利要求5所述的光学设备，其中所述光斑尺寸转化器包括锥形波导。7.根据权利要求6所述的光学设备，其中所述光斑尺寸转换器中的不同光斑尺寸转换器具有不同的相应锥形，所述不同的相应锥形被选择以便形成具有不同的相应光斑尺寸的光斑。8.根据权利要求6所述的光学设备，其中所述锥形波导具有相应的输出端，所述相应的输出端相对于所选择的所述半导体基板的输出面偏移，使得所述输出端沿曲线设置。9.根据权利要求5所述的光学设备，其中所述光斑尺寸转换器彼此不平行，以便在相应的非平行方向上发射所述相应的光束。10.根据权利要求1至4中任一项所述的光学设备，其中所述第二阵列中的所述微光学器件包括相应的微透镜。11.根据权利要求10所述的光学设备，其中所述微透镜中的至少一些微透镜相对于所述相应的光束偏移，以便以不同的相应角度引导所述光束。12.根据权利要求10所述的光学设备，其中所述微透镜中的至少一些微透镜具有不同的相应焦距。13.根据权利要求1至4中任一项所述的光学设备，所述光学设备包括一个或多个折叠镜，所述一个或多个折叠镜设置在所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：A，
申请(专利权)人：苹果公司，
类型：发明
国别省市：