CN102575925B - 具有波导结构的自混合干涉设备 - Google Patents
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Abstract
所提出的自混合干涉设备包括：基板(1)，其具有集成的光波导结构(3)；半导体激光源(2)，其布置于基板(1)表面上且朝向所述表面发射激光辐射；以及，光电探测器，其布置成检测激光辐射的强度变化。波导结构(3)光学地连接到激光源(2)且被设计成将激光源发射的激光辐射引导至基板(1)表面处的向外耦合区且引导从基板(1)外部的目标物体(4)散射回来的激光辐射的一部分再次进入激光源(2)。与已知的自混合干涉设备相比，这个自混合干涉设备可以以较低总高度来实现。
Description
技术领域
本发明涉及基于半导体激光源和光电探测器的自混合干涉设备，所述光电探测器被布置成检测由所述半导体激光源所发射的激光辐射的强度变化。
背景技术
这样的基于自混合干涉量度学(SMI)的激光传感器允许测量速度、振动和距离，涵盖广泛的应用范围。自混合干涉设备使用以下效应：从目标物体散射回来且再次进入激光腔的激光与谐振辐射干涉且因此影响设备的输出性质。当激光器在合适状况下操作时，往回耦合的光的响应为线性的，且所造成的输出功率的变化包含关于目标物体相对于设备的移动或距离的可追踪信息。测量输出功率的这些变化的频率。为此目的，通常利用光电二极管或光电晶体管来收集激光输出信号。在目标物体与激光腔之间的距离决定了往回散射的光在重新进入激光腔时的相位和因此是否存在相消或相长干涉。当物体移动时，该距离和因此相位以与物体速度成比例的速率变化。因此，相长干涉和相消干涉以与此速度成比例的频率发生。因为这个所谓的多普勒频率仅给出关于速度的大小而非关于其方向的信息，所以必须使用调制技术来确定该方向。当使用半导体激光器作为激光源时，特别地VCSEL(竖直腔表面发射激光器)，激光器能以限定的电流形状操作，例如，周期性锯齿或三角形电流，使得输出频率几乎即刻遵循这些电流变化，这归因于同时变化的光学谐振器长度。谐振器长度的这个变化是温度引起的，这源于激光器电流的消耗性加热。最后得到的谐振光和往回散射的光之间的频率差异可在合适的电子器件中评估且可转化回为关于目标物体的位置和其移动方向的信息。
WO02/37410Al公开了用于测量物体移动的方法和设备。该方法和设备使用自混合干涉效果以便测量物体移动，其在优选的应用中为手指在输入设备上的移动。利用这样的也被称为Twin-Eye激光传感器的设备，可以测量物体的准3D移位，特别地用于如PC鼠标这样的输入设备中。
这样的已知传感器的总高度不能自由减小，因为需要特定往返长度以便实现在正确状况下的多普勒频率。目前，这导致激光源输出表面(通常VCSEL)到所测量物体表面大约5mm的最小距离，和传感器底部到顶部6mm的总高度。尽管这个高度对于用于PC鼠标中并不施加限制，但其禁止用于诸如移动电话或mp3播放器这样的输入设备中。而且对于用于例如遥控器或笔记本的跟踪球，传感器高度优选地等于球的大小。在激光源的输出与所测量物体之间的大距离也造成了信号强度的显著减小，使得需要聚焦元件来使得光聚焦且再次获得信号强度。为了在两个方向上测量，使用彼此间隔开的两个激光源且需要光学元件来偏转束且使得激光聚焦。这个光学元件必须相对于VCSEL高度准确地放置以满足传感器准确度公差。
发明内容
本发明的目的在于提供自混合干涉设备，特别地用于输入设备中，与上文已知的自混合干涉设备相比，该自混合干涉设备可利用较低的高度和较低成本来实现。
利用根据权利要求1所述的自混合干涉设备来实现这个目的。这个设备的有利实施例是从属权利要求的主题且在说明书的随后部分中公开。
所提出的自混合干涉设备包括：基板，其具有集成的光波导结构；半导体激光源，特别是VCSEL，其布置于基板表面上且朝向所述表面发射激光辐射；以及，光电探测器，其布置成检测激光辐射的强度变化。波导结构光学地连接到激光源且被设计成将激光源发射的激光辐射引导至基板表面的向外耦合区并引导从基板外部的目标物体往回散射的激光辐射的一部分再次进入激光源。在该设备的有利实施例中，两个集成的光波导结构、两个半导体激光源和两个光电探测器布置于基板上使得目标物体的移动在两个独立轴中同时测量，如在上文所述的Twin-Eye激光传感器中。为此目的，两个激光源的激光辐射必须在彼此正交的方向中向外耦合。
通过使用集成的光波导结构来传送从激光源发射和往回反射到激光源的光，克服了该设备的总高度的上述限制。为了执行所期望的测量在激光源的发射表面与目标物体之间的光所需的距离由在激光源与向外耦合区之间的波导结构的长度来提供。由于波导结构在基板平面中平行于其表面延伸，这不会影响到整个设备的高度。因此可以调谐在激光源与向外耦合结构之间的波导结构的长度来实现所用信号处理机制的最佳多普勒频率。在激光源与向外耦合区之间的波导结构的光学长度可例如在0.2mm与100mm之间，优选地在2mm与20mm之间的范围。特别地对于在输入设备中的应用，波导结构可成形为将传感区，即向内耦合和向外耦合结构，放置于基板表面上的任何期望的位置。而且，通过排除对聚焦元件的需要且同时排除对于此元件的高度准确放置的需要，可以以更低成本来生产该设备。
通过在一个晶片（特别是GaAs晶片）中提供两个有源VCSEL台面，可以针对每个个体VCSEL使用单独的波导通道来测量两个独立方向。利用单片集成的两个激光器，需要最小的晶片面积且激光器能由单个抓放动作来放置。在单片集成的情况下两个VCSEL所需的总晶片面积类似于一个单个VCSEL所需的晶片面积。与单独晶片上两个VCSEL相比减小的晶片面积和在组装中更少量的抓放动作导致制造成本的显著节省。已经在上文中指出的波导通道具有用于正交方向的向外耦合结构，例如，具有适当的折射或衍射(detractive)光学元件以在正交方向上实现向外耦合。可以利用这样的具有仅一个VCSEL晶片的设备来感测物体的2D运动。
在该设备的有利实施例中，波导结构为平行于基板表面延伸的硅嵌入波导结构。硅嵌入波导的硅通道由具有大折射率对比的材料包围。
这样的波导结构能以标准CMOS兼容的硅技术制成，导致低成本生产。与当前的Twin-Eye设计相比，排除了对透镜和两个单独VCSEL的需要，从而成本可以显著地减小到与用于光学鼠标的其它传感器竞争的水平。
基板或波导结构优选地包括：第一耦合结构，其在表面的第一位置将激光辐射耦合到波导结构内；以及，第二耦合结构，其在表面的第二位置将激光辐射耦合到波导结构外。第二耦合结构优选地被设计成以相对于所述表面法线的≠0°的角度将述激光辐射向外耦合。这是为了实现在物体移动的方向上激光向外耦合分量，其通常平行于基板表面。向外耦合结构例如可包括凸面镜，其具有附加偏转元件或折射光栅。
附图说明
在下文中结合附图以举例说明的方式描述了所提出的设备，不限制权利要求限定的保护范围。附图示出：
图1根据本发明的所提出的设备的示意性设置的实例；
图2所提出的设备的更详细的示意图；
图3所提出的设备的另一实例的顶视图；以及
图4用于偏转的折射光学元件的实例。
具体实施方式
图1示意性地示出了所提出的自混合干涉设备的实施例。单模式硅嵌入波导3嵌入于基板1中。在此基板1上，安装具有集成光电二极管的VCSEL2，其在基板方向上发射激光辐射。单模式硅嵌入波导3和VCSEL2被布置成使得由VCSEL2发射的激光被耦合进入到波导3内。在此图中未具体地指示向外耦合区，激光离开波导，由在此向外耦合表面附近移动的物体4往回散射。
激光通常从移动的物体散射回来。在现有技术传感器中，其中透镜与移动物体间隔开，仅在该空间角度中散射回来由透镜捕获的激光可以对自混合信号有贡献，导致信号强度的显著减小。在本发明的设备中，由于提供波导结构，移动物体靠近向外耦合结构。这导致捕获扩散地往回散射的光的大得多的空间角度，并因此导致提高的信号强度。
VCSEL2和集成的光电二极管经由基板上的金属垫7通过电线连接8连接到ASIC5(ASIC：专用集成电路)，其被设计成控制VCSEL2且评估光电二极管的信号以便确定物体4的移动。基板1和ASIC5安装于PCB或底座6上。
图2示出该设备的更详细的截面图。具有集成光电二极管(VIP)的VCSEL2在向内耦合和向外耦合结构附近以倒装芯片方式安装于基板1上，例如通过使用所谓的焊料凸点，其将VCSEL上的焊盘13机械地以及电气地连接到基板上的焊盘7。在此实例中，向内耦合结构由基板1中的凹面镜10形成。通过此镜10，从VCSEL发射的激光辐射9耦合进入到硅嵌入波导3内。向外耦合结构也由形成于基板1中的凹面镜11形成且附加地包括偏转光学元件14，如从图2所看到的。此偏转光学元件14使由镜11反射的光偏转以实现不垂直于基板1的表面的向外耦合方向。图4示出了这样的偏转光学元件14的两个实例。
从VCSEL2发射的光因此以较低损失行进到需要测量移动检测的点。为此目的，向内耦合结构和向外耦合结构允许光投射于移动物体4（在此实例中为手指）上，并允许往回散射的光行进回到VCSEL2，在那里其对自混合干涉有贡献。如果波导3在向内耦合结构10和向外耦合结构11处的损失足够低，那么自混合干涉信号的强度类似于在物体4与VCSEL2之间零距离处的强度。
可用于所提出的设备中的典型VCSEL以几毫瓦的典型功率发出大约1μm波长的红外辐射。激光腔由分布式布拉格反射器(DBR)的两个堆叠构成，分布式布拉格反射器(DBR)的两个堆叠外延地生长于合适基板（特别是GaAs基板）上，且其封闭谐振器，该谐振器包含由若干量子阱制成的增益区域。DBR-层也接管馈送电流到增益区域内的任务，因此一个通常为n掺杂的且另一个为p掺杂的。一个DBR被设计为高度反射性的，通常具有>99.8%的反射率，而另一个允许更高度向外耦合和因此到激光腔的反馈。光电探测器，其在此实例中单片集成于VCSEL芯片中，测量从高度反射性DBR镜泄漏出来的少量辐射且因此监视激光器输出功率的变化。单片集成允许使用低于920nm的波长(使用850nm)，其中VCSEL的GaAs基板是不透明的。
图3示出所提出的设备的另一实施例的顶视图，其中带有两个波导结构的两个激光源布置成使得在向外耦合区发射的激光被导向至正交方向。在此实施例中，两个有源VCSEL台面12设于一个单个晶片中。两个波导通道3引导由两个VCSEL发射的激光辐射到具有向外耦合结构11的紧密间隔开的向外耦合区域。向外耦合结构被设计成具有正交方向。因此，在此实施例中利用一个单个VCSEL晶片能实现输入设备的2D运动感测。
尽管在此实例中向外耦合区域紧密地间隔开。在所提出的设备中，向外耦合区也可宽地间隔开。这允许从一个具有若干VCSEL孔的VCSEL晶片馈送的多个通道针对例如不同于输入设备的其他应用测量在不同位置的移动。其例如还允许通过使两个或更多VCSEL耦合到紧密间隔开的向外耦合区来引入冗余，例如以改善传感器的平均无故障时间。通过提供优选地共用一个单个晶片的多于一个激光源，特别是VCSEL，其中对应的波导通道和向外耦合结构分布于基板的2D平面的至少一部分上，该设备的不同应用是可能的。举例而言，在一个应用中，该设备可用于定位物体，或者在另一应用中，该设备可用于同时测量若干物体的移动。
到整个VIP的地接触中的VCSEL台面12的电接触通过在硅基板上在金属垫7上以倒装芯片方式安装来实现。通过焊线（wirebonding），这些可连接到ASIC，如在图1中已经示出的那样。在此实例中如下来建置VCSEL结构：n-基板(PD-阴极)、固有和p层(PD阳极)一起形成反偏光电二极管(PD)；然后电连接到PD阳极且共同接地的n镜(VCSEL阴极)，具有量子阱的谐振器和最后正偏的p镜(VCSEL阳极)。VCSEL阳极和连接的VCSEL阴极和PD阳极由在VCSEL前侧上的焊盘连接，其通过焊料凸点连接到在硅基板上的焊盘7。PD阴极直接线焊接到ASIC。
虽然在附图和前文的描述中详细地示出和描述了本发明，这样的说明和描述被认为是说明性的或示例性的而不是限制性的；本发明并不限于所公开的实施例。也可组合上文所述和权利要求中的不同实施例。所公开的实施例的另外的变型可由本领域技术人员在实践所要求保护的本发明时，通过研究附图、公开内容和所附权利要求书而理解和实现。
在权利要求中词语“包括”不排除其它元件或步骤，且不定冠词“一”不排除为多个。在互不相同的从属权利要求中陈述措施的这一起码事实不表示不能使用这些措施的组合来取得益处。在权利要求书中的任何附图标记不应被理解为限制这些权利要求的范围。
附图标记清单
1硅基板
2具有集成光电二极管的VCSEL
3硅嵌入波导通道
4物体
5ASIC
6PCB或基座
7金属垫
8电线连接
9激光辐射
10凹面镜
11凹面镜
12VCSEL台面
13金属焊盘
14偏转元件
Claims (12)
1.一种自混合干涉设备，包括：
-基板(1)，其具有集成的光波导结构(3)；
-半导体激光源(2)，其布置于所述基板(1)的表面上且朝向所述表面(1)发射激光辐射；以及
-光电探测器，其布置成检测所述激光辐射的强度变化，
-其中所述波导结构(3)光学地连接到所述激光源(2)且被设计成将所述激光源(2)发射的所述激光辐射引导至所述基板(1)的所述表面处的向外耦合区且引导从所述基板(1)的外部的目标物体(4)散射回来的所述激光辐射的一部分再次进入所述激光源(2)。
2.根据权利要求1所述的设备，
其中所述半导体激光源为VCSEL。
3.根据权利要求1或2所述的设备，
其中所述波导结构(3)为硅嵌入波导结构。
4.根据权利要求1或2所述的设备，
其中所述基板(1)或波导结构(3)包括：第一耦合结构(10)，其在所述表面的第一位置将所述激光辐射耦合进入到所述波导结构(3)内；和第二耦合结构(11)，其在所述表面的第二位置将所述激光辐射耦合到所述波导结构(3)的外部。
5.根据权利要求4所述的设备，
其中所述第二耦合结构(11)被设计成以相对于所述表面法线的不等于0°的角度将所述激光辐射向外耦合。
6.根据权利要求4所述的设备，
其中所述第一耦合结构和第二耦合结构(10,11)包括由所述表面形成的凹面镜或者形成于所述波导结构(3)中的衍射光栅。
7.根据权利要求5所述的设备，
其中所述第一耦合结构和第二耦合结构(10,11)包括由所述表面形成的凹面镜，所述第二耦合结构还包括光学元件，该光学元件偏转所述激光辐射使之以相对于所述表面法线的≠0°的所述角度向外耦合。
8.根据权利要求1或2所述的设备，
其中，控制和评估单元(5)电连接到所述激光源(2)和光电探测器，所述控制和评估单元(5)被设计成控制所述激光源(2)发射所述激光辐射并评估所述光电探测器的信号来确定所述目标物体(4)的距离和/或移动。
9.根据权利要求1或2所述的设备，
其中，所述激光源(2)和所述向外耦合区之间的所述波导结构(3)的光学长度被选择处于2mm与20mm之间的范围。
10.根据权利要求1或2所述的设备，
其还包括：
-一个或若干另外的集成光学波导结构(3)，
-一个或若干另外的半导体激光源(2)，其布置于所述基板(1)的所述表面上且朝向所述表面发射另外的激光辐射，以及
-一个或若干另外的光电探测器，其布置成检测所述另外的激光辐射的强度变化，
-所述另外的波导结构(3)光学地连接到所述另外的激光源(2)且被设计成将所述另外的激光源(2)发射的所述另外的激光辐射引导至所述基板(1)的所述表面处一个或若干另外的向外耦合区，且引导从所述目标物体(4)或从所述基板（1）的外部的其他目标物体散射回来的所述另外的激光辐射的一部分再次进入所述另外的激光源(2)。
11.根据权利要求10所述的设备，
其中所述波导结构(3)和所述另外的波导结构(3)和相对应的向外耦合结构被设计成利用沿着平行于所述基板(1)的所述表面的平面且彼此正交的构件将所述激光辐射和所述另外的激光辐射向外耦合。
12.根据权利要求10所述的设备，其中所述激光源(2)的两个或更多由在一个共同半导体晶片上的两个或更多VCSEL台面(12)形成。
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