CN102833660B - 光学麦克风 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学麦克风。一些实施例涉及一种根据示例性实施例的光学麦克风。该光学麦克风包括半导体激光器。该半导体激光器包括在空腔内的p‑n结。该光学麦克风进一步包括声学膜，其接收从该半导体激光器发射的相干光，并引导反射光朝向该半导体激光器回退。在该光学麦克风的操作期间，该声学膜响应于压力波而弯曲。该反射光的相位取决于该声学膜与该半导体激光器的距离。

Description

光学麦克风

技术领域

实施例涉及麦克风。更具体地，实施例涉及光学麦克风。

背景技术

许多现有的商业MEMs麦克风通过使用电容传感技术测量电容来感测柔性膜片上的声压力波。为了获得可测量的电容，大多数MEMs麦克风典型地需要尺寸至少为1.5mm×1.5mm×1mm的膜片。

此外，为了容纳内部放大器，通常大多数MEMs麦克风需要额外的面积。用于容纳内部放大器所需的额外面积的量典型地取决于内部放大器的复杂性。

从MEMs麦克风正常输出的电压信号电平通常需要被增强，以便达到在与环境噪声相关联的电压信号电平之上的足够高的电平(例如，毫伏)。

发明内容

本发明公开了一种光学麦克风，包括：半导体激光器，其包括在空腔内的p-n结；声学膜，其接收从该半导体激光器发射的相干光，并引导反射光朝向该空腔回退，该反射光的相位取决于该声学膜与该空腔的距离，其中该声学膜响应于压力波而弯曲；以及接合线，为所述半导体激光器供电，并通过直接输出在所述光学麦克风操作期间波动的电压电平来监视所述半导体激光器的p-n结电压。

本发明还公开了一种将声压力波转化为电压的方法，该方法包括：使用半导体激光器引导相干光朝向声学膜；使用该声学膜来引导反射光朝向该半导体激光器回退，以在该半导体激光器的空腔内将反射光与该相干光混合，以使得该半导体激光器内的p-n结的电压电平发生变化；并且使用接合线为所述半导体激光器供电，并监视所述半导体激光器的p-n结电压。

附图说明

在附图中通过举例而非限制的方式描述了一些实施例。

图1为图示根据示例实施例的光学麦克风的图。

图2为图1所示的光学麦克风沿线2-2所取的剖面图。

图3是图示图2中所示的光学麦克风的一部分的放大示意剖面图，其中声学膜到半导体激光器的孔(aperture)距离为一个波长。

图4示出了图3的放大示意剖面图，其中声学膜由于暴露于声学压力波而波动。

具体实施方式

下面的详细描述包括对附图的参考，这形成了该详细描述的一部分。所述附图以说明的方式，示出了可以实践本发明的具体实施例。这里称作“例子”的这些实施例被足够详细地描述，以使得本领域技术人员能够实践本发明。这些实施例可以被组合，其他实施例可以被利用，或者可以在不偏离本发明的范围的情况下做出结构上或逻辑上的改变。因此，下面的详细描述不是用作限制，并且本发明的范围由所附权利要求及其等同物来限定。

在本文中，除非有其他说明，词语“一”或“一个”用于包括一个或多于一个，并且词语“或者”用于指非排他性的“或者”。此外，可以理解的是，这里使用的措辞或术语没有其他定义，只是用于描述而非限制的目的。此外，在本文中引用的所有出版物、专利及专利文件通过引用将其全部内容合并于此，如同分别通过引用合并。在出现本文和那些通过引用合并的文件之间不一致的用法的情况下，在合并的参考文件中的用法应该认为是对本文件的用法的补充；对于不能调和的不一致，以本文中的用法为准。

在一些实施例中，可以通过在紧密接近半导体激光器(例如，垂直腔面发射激光器(VCSEL)或分布式反馈激光器(DFB))的孔的位置放置反射柔性膜来构造光学麦克风。该光学麦克风使用激光器自身的p-n结来监视来自反射柔性膜的光学反馈并直接输出电压电平，所述电压电平可能在光学麦克风的操作期间有毫伏级的波动。

p-n结电压的变化与从声学压力波对反射柔性膜引起的弯曲(flexure)相对应。这种结构可以实现超小麦克风(例如，0.35mm×0.35mm×0.35mm)的生产，并且不需要内部放大电子器件。

在一些实施例中，光学麦克风可以包括相对较少的电子器件及复杂性较低的MEMs结构，由此使得该光学麦克风构造起来相对简单。

图1和图2是图示根据示例实施例的光学麦克风10的图。该光学麦克风10包括半导体激光器12。该半导体激光器12包括在半导体激光器12的空腔15内的p-n结14(参见图2)。该光学麦克风10进一步包括声学膜16，其接收从半导体激光器12发射的相干光18并引导反射光20朝向半导体激光器12回退。

在该光学麦克风10的操作期间，该声学膜16响应于声学压力波而弯曲。反射光20的相位取决于声学膜16与半导体激光器12的孔26的距离L。

应用在光学麦克风10中的半导体激光器12的类型可以部分地基于应用需要来确定。例如，低功率应用将选择使用在低阈值电流和电压下起作用的半导体激光器12。一些示例性激光器包括二极管激光器和垂直腔面发射激光器(除了现在已知的和未来开发出来的其他类型的激光器)。

作为一个例子，声学膜16可以由二氧化硅形成，并且可以包括由金构成的反射层。此外，声学膜16可以包括孔以促进在暴露于声学压力波期间产生适当的弯曲量。

在一个示例实施例中，声学膜16可以作为具有刚性硅壁的MEMs盒的一部分来制造，其中柔性声学膜16是该盒的盖。作为一个例子，该MEMs盒可以直接在半导体激光器12之上加工，以使得声学膜16可以位于激光孔26上方近似几微米的位置(即，图中的距离L)。

该声学膜16在由半导体激光器12发射的相干光18的波长处可以是至少中等地(或显著地)反射。光学膜16的模数(modulus)对于在宽动态范围的声级下制造低失真麦克风是关键的。

在图1和图2中所示的示例实施例中，半导体激光器12被部分地或全部地表面安装在形成在衬底22上的接地板(ground pad)21上。半导体激光器12也可以经由接合线23线接合到衬底22上的接合板25。该接合线23能够为半导体激光器12提供来自电流源的电流以为半导体激光器12供电并还实现p-n结14电压的监视。

在一些实施例中，电流源为半导体激光器12供电直到半导体激光器12在激光阈值(lasing threshold)之上，并且在半导体激光器12的p-n结14处产生电压。在阈值电流处操作半导体激光器12可能是最优的，因为光学反馈产生p-n结电压的最大变化(△V)。

与半导体激光器12的空腔15内发射光18重叠的反射光20的相干性取决于反射光20因往返于声学膜16的来回传播而引入的相移。在光学麦克风10的操作期间，在声学膜16由于作用于声学膜16的声压力波而波动时，反射光20经历相位变化。在反射光20在空腔15内与相干光18混合时，p-n结14处的电压电平发生变化。

如图3所示，相干光18是正弦光波30，其包括最大值31、最小值32和最大值31与最小值32之间的中点33。声学膜16位于到孔26的距离为L的位置，以使得正弦光波30在该正弦光波30的中点33处到达声学膜16。图3示出了在距离孔26一个波长距离处的声学膜16。应该注意到，声学膜16可以放置为与孔26相距该正弦光波30的任何整数长度距离。

图4示出了图3的声学膜16，其中该声学膜16由于压力波而波动。声学膜16的这种波动改变了从孔26到声学膜16的距离L，以使得正弦波30的中点33不再到达相应的声学膜16。

因此，进入半导体激光器12的回流(reentrant)光子的相位取决于到声学膜16的距离L。在下面的等式中，τ是来回传播时间，c是光速，λ是波长，且η是与激光器空腔参数相关的耦合系数。

在声学膜16由于声压力的变化而波动时，到声学膜16的距离L由此引起p-n结电压的相应波动。在声学膜16位于与孔26相距正弦光波30的任意整数长度距离的实施例中，p-n结14处的电压与声学膜偏转16成比例地线性变化。

在一个示例实施例中，在光学麦克风10在声音为70dBSPL级下操作期间，没有内部放大的、使用商业1330nmVCSELs的光学麦克风10的输出在大约毫伏级。

其他示例实施例涉及将声压力转化为电压的方法。该方法包括使用半导体激光器12引导相干光18朝向声学膜16。该方法进一步包括使用声学膜16来引导反射光20朝向半导体激光器12回退以在半导体激光器12内与相干光18混合。这种混合使得在半导体激光器12内的p-n结14的电压电平变化。如上述讨论的，在光学麦克风10的操作期间，在声学膜16由于作用于声学膜16的声压力波而波动时，反射光20经历相位变化。

该方法可以进一步包括使用电流源为半导体激光器12供电，以使得当半导体激光器12在激光阈值之上时，在p-n结14处产生电压。在一些实施例中，使用电流源为半导体激光器12供电可以包括为半导体激光器12提供直流(DC)功率。

尽管在此已经描述了本申请的原理，但是本领域技术人员可以理解这种描述只是通过举例的方式，而不是作为对本发明范围的限制。因此，所附的权利要求意在覆盖落入本申请的真实精神和范围内的本申请的所有修改。

Claims (8)

1.一种光学麦克风，包括：

半导体激光器，其包括在空腔内的p-n结；以及

声学膜，其接收从该半导体激光器发射的相干光，并引导反射光朝向该空腔回退，该反射光的相位取决于该声学膜与该空腔的距离，其中该声学膜响应于压力波而弯曲，以及

接合线，为所述半导体激光器供电，并通过直接输出在所述光学麦克风操作期间波动的电压电平来监视所述半导体激光器的p-n结电压。

2.如权利要求1所述的光学麦克风，其中该半导体激光器是垂直腔面发射激光器。

3.如权利要求1所述的光学麦克风，进一步包括电流源，用于为该半导体激光器供电，以使得当该半导体激光器在激光阈值之上时，在p-n结处产生电压。

4.如权利要求3所述的光学麦克风，其中在该声学膜由于作用于该声学膜的声压力波而波动时，该反射光经历相位变化，并且其中在该反射光在该空腔内与该相干光混合时，该p-n结处的电压发生变化。

5.如权利要求1所述的光学麦克风，其中该相干光是正弦光波，其包括最大值、最小值和最大值与最小值之间的中点，该声学膜位于距孔一定距离处，以使得该正弦光波在该正弦光波的中点处到达声学膜，其中该p-n结处的电压与该声学膜偏转成比例地线性变化。

6.一种将声压力波转化为电压的方法，该方法包括：

使用半导体激光器引导相干光朝向声学膜；

使用该声学膜来引导反射光朝向该半导体激光器回退，以在该半导体激光器的空腔内将反射光与该相干光混合，以使得该半导体激光器内的p-n结的电压电平发生变化；并且

使用接合线为所述半导体激光器供电，并监视所述半导体激光器的p-n结电压。

7.如权利要求6所述的方法，进一步包括使用电流源为该半导体激光器供电，以使得当该半导体激光器在激光阈值之上时，在该p-n结处产生电压。

8.如权利要求6所述的方法，其中在该声学膜由于作用于该声学膜的声压力波而波动时，该反射光经历相位变化。