CN107466431B - 用于光学传感应用的安全激光设备 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种激光设备(100)，其包括设置在一个半导体芯片(110)上的两个到六个之间的台面(120)，其中台面(120)并联电连接。激光设备(100)被适配以使当以限定的电输入功率驱动时，至少一个台面(120)的退化导致由激光设备(100)在限定的立体角中发射的降低的激光功率。激光设备(100)被适配以使在激光设备(100)的寿命期间保证激光设备(100)的眼睛安全。可以通过设计半导体结构或更一般的激光设备(100)的台面(120)的层结构来保证眼睛的安全，使得层结构的一层或多层的退化导致在限定的立体角中发射的最大光功率的降低。备选地或附加地，可以根据发射的光功率来控制和适配提供给激光设备(100)的电输入功率，以使不超过安全限制。本发明还涉及包括这种激光设备(100)的激光模块和光学传感器(300)，和包括这种光学传感器(300)的移动通信设备(400)。本发明还涉及一种制造这种激光设备(100)的方法。

Description

用于光学传感应用的安全激光设备
技术领域
本发明涉及一种激光设备，其中激光设备特别适用于传感应用。本发明还涉及包括这种激光设备的激光模块和光学传感器，以及包括这种光学传感器的移动通信设备。本发明还涉及一种制造这种激光设备的方法。
背景技术
激光设备可以在如智能电话的移动通信设备中用于传感应用。这种传感应用可以是用于距离检测、相机自动对焦、场景的3-D成像或基于手势的用户界面的飞行时间测量。这种激光设备的眼睛安全性可能是广泛接受这种传感应用的主要问题。
US 2013/0266326 A1公开了一种称为VCSEL阵列设备的多光束光电子设备，该设备具有高功率和高频响应以及可在该设备上形成的各种微透镜结构，并且公开了各种利用该设备的方法。VCSEL阵列设备是由两个或更多个VCSEL和短路台面设备阵列组成的VCSEL的单片阵列。VCSEL阵列中的VCSEL可以对称地或不对称地间隔开，根据用于改进功率或速度特性的数学函数间隔开，或者在电并联电路中定位成彼此靠近的相位关系。VCSEL阵列中的VCSEL电连接到第一金属接触焊盘，该第一金属接触焊盘形成在散热衬底或载体上。
US 2002/0075911 A1公开了一种衍射光学装置(DOA)，该装置配置成衍射平行通道光学阵列中的每个垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的输入光束的一部分，以使所有VCSEL可以被同时监测。对于阵列中的每个通道，都有用于监测相关VCSEL的光功率输出的检测器和用于调整输入电流的反馈系统。DOA包括在一侧的准直光束输入区域、在相对侧的光束输出区域、以及检测输出区域。DOA配置成将光束的第一部分从准直光束输入区域传递到光束输出区域以用于数据传输，并且将第二部分从准直光束输入区域衍射到检测输出区域以用于监测。准直光束输入区域包括衍射特征，该衍射特征可以是计算机生成全息图(CGH)的衍射特征，或者可以是光栅。
US 6,618,414 B1公开了一种垂直腔激光器，该激光器包括与第一反射镜相邻的光学腔，该光学腔具有半导体部分和电介质间隔层。电介质DBR沉积为与电介质间隔层相邻。光学腔的半导体部分和电介质间隔层之间的界面有利地位于垂直腔激光器的光学驻波强度图案的零位处或零位附近，以减少与该界面相关的损耗或散射。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种具有改进的激光安全性的激光设备。
根据第一方面，提出了一种激光设备。该激光设备包括设置在一个半导体芯片上的两个到六个之间的台面。台面并联电连接，以使如果向台面提供限定的电输入功率，则台面适配为同时发射激光。激光设备进一步被适配以使当以限定的电输入功率驱动时，至少一个台面的退化导致激光设备在限定的立体角中发射降低的激光功率，从而保持激光设备的眼睛安全。
激光设备的激光腔包括夹在两个反射镜(诸如分布式布拉格反射器(DBR))之间的有源层。第一个反射镜是高反射性的(>99％)，而第二个反射镜具有稍小的反射率(>95％)，以便使能激光发射。例如，第二反射镜的反射率影响激光阈值和激光功率相对于电输入功率的斜率。第二反射镜的降低的反射率增加了激光阈值并增加了斜率，反之亦然。增加的激光阈值降低了在给定电输入功率下发射的光功率，其中增加的斜率增加了给定电输入功率下的光功率。例如，实验结果已表明，包括生产过程中的典型扩散，似乎有许多因素影响给定电输入功率下的发射光功率，以使当第二反射镜的反射率降低时(例如通过退化)，发射光功率增加的可能性很高。此外，需要更大的传感距离和良好区分环境光以用于如飞行时间测量的传感应用，增加了对尽可能高的发射激光功率的期望。后者导致：只要激光功率低于激光安全阈值或安全限制，激光设备的设计提供尽可能多的激光功率。因此，第二反射镜的反射率的退化可能导致违反在激光的发射锥体的某些立体角中的安全限制。此外，激光设备台面的层中的一个层的退化可能影响相应激光腔内的模式选择，以使某些立体角中发射的激光的亮度可能增加。
所以，激光设备被适配以使当以限定的电输入功率驱动时，至少一个台面的退化导致激光设备在限定的立体角中发射降低的激光功率，并且导致整体减小的激光功率。限定的立体角是其中发射最大激光功率的立体角，其中立体角的大小是鉴于激光设备的眼睛安全性来确定的。可能的是：在该限定的立体角中发射的激光功率减少(例如由于在激光腔之一内的模式选择改变)。在这种情况下，可能不会超过安全限制，因为人的眼睛只能接收有限立体角中发射的光。因此，激光设备的眼睛安全性得以保持。例如，激光设备可能必须满足如下条件：在直径为7mm的孔径后测量的70mm距离处的最大光功率低于在该距离处的孔径的任何位置处限定的阈值。归因于激光器(作为例如垂直腔表面发射激光器(VCSEL))的多模性质，最大功率可能不会沿着激光器的光轴发射。因此，必须在70mm的距离处、利用7mm的孔径、借助于扫描来确定所限定的立体角。这样的测量符合标准IEC/EN：60825-1:2007，其通过引用并入。
激光设备的每个台面可以包括半导体空气界面。半导体空气界面可以是DBR的上层，激光穿过该层被发射。半导体空气界面也可以是借助于另一层覆盖的半导体层的表面，以使最初在该半导体层和空气之间不存在直接接触。在这种情况下，半导体空气界面可能是覆盖该半导体层的层的缺陷的结果。激光设备被适配以使当以限定的电输入功率驱动时，一个台面的至少一个半导体空气界面的退化导致激光设备发射降低的激光功率。
例如，当以限定的电输入功率驱动时，半导体空气界面可以布置在驻波图案的节点中。激光设备(作为例如垂直腔表面发射激光器(VCSEL))被设计成：半导体空气界面处于波腹中，以便对反射率有最大的贡献，并且因此具有较少的DBR层。将半导体空气界面设计成处于激光腔中的光场的驻波图案的节点中或至少足够远离波腹，导致当以限定的电输入功率驱动时，激光设备在限定的立体角中发射降低的激光功率。在这种情况下，空气界面的退化将增加反射率，即减少耦出，并且将发射较少的激光功率。此外，归因于反射率和入射角之间的函数关系，半导体空气界面的“节点－位置”使具有小发射角的低阶模式的耦出最大化。所以，这种层的退化将增加发射角，这是有利的，以便通过减少在限定的立体角中发射的激光功率来保持激光设备的安全性。
根据一个实施例，提供了一种激光设备，其包括设置在一个半导体芯片上的两个到六个之间的台面，所述台面中的每个台面使垂直腔表面发射激光器的光学谐振器嵌入，所述垂直腔表面发射激光器被布置成当以限定的电输入功率驱动时，发射具有发射波长的激光，其中所述台面并联电连接，其中所述激光设备被适配以使当以所述限定的电输入功率驱动时，至少一个台面的退化导致由所述激光设备在限定的立体角中发射的降低的激光功率，以使保持所述激光设备的眼睛安全，每个台面包括半导体空气界面，所述激光设备被适配以使当以所述限定的电输入功率驱动时，至少一个半导体空气界面的退化导致由所述激光设备发射的降低的激光功率，其中所述半导体空气界面被布置成当以所述限定的电输入功率驱动时，远离激光腔中的光场的驻波图案的波腹，以使当以所述限定的电输入功率驱动时，通过增加所述激光设备的反射率，所述至少一个半导体空气界面的退化减少激光的耦出。
根据一个备选实施例，每个台面包括保护涂层，其中保护涂层被适配以使一个台面的至少一个保护涂层的退化导致：当以限定的电输入功率驱动时，激光设备发射降低的激光功率。
保护涂层可以包括一层或多层氧化硅或氮化硅(优选两者的组合)，以便确保一种成分可能发生的针孔缺陷不会转移到外部。厚度通常为几十nm至100nm，优选地为明确限定的波长分数，例如半个λ或四分之一λ。备选地或附加地，可以使用其他材料(像例如钛、钽或铌)的氧化物，作为保护涂层。保护涂层可以包括厚的二色性多层涂层，该涂层不仅用作保护性封装，而且增加半导体DBR的反射率，转而半导体DBR可以设计得更薄。保护涂层是水密的，以便抑制所覆盖的半导体层的退化。
例如，保护涂层可以被布置以使半导体层(例如耦出DBR的上层)被布置为：如上所述，当以限定的电输入功率驱动时，处于光场的驻波图案的节点位置或靠近该节点位置。在这种情况下，保护涂层将优选具有发射波长的一半的厚度，以使保护涂层和涂层退化不影响反射率。
备选地，保护涂层可以被布置以使借助于保护涂层覆盖的反射镜的反射率至少略微降低。保护涂层的退化将导致反射率增加，以使在限定的电输入功率下发射的耦出激光减少。当以限定的电输入功率驱动时，半导体层(例如耦出DBR的上层)布置在光场的驻波图案的波腹位置或靠近该波腹位置，并且保护涂层被布置为：耦出DBR的反射率降低。于是，保护涂层的退化将会增加反射率并且降低激光输出。保护涂层还可以包括空间结构(例如规则图案)，空间结构支持激光腔内的限定模式选择。通过保护涂层抑制的激光模式被布置以使保护涂层和对应空间结构的退化改变激光模式，以使激光设备在限定的立体角内发射的峰值激光功率减小。
激光设备可以进一步被适配以使当以限定的电输入功率驱动时，在至少一个台面退化的情况下，激光设备发射的激光的发射锥体增加。例如，台面可以被布置以使当以限定的电输入功率驱动时，在台面退化的情况下支持环形激光模式。例如，台面的半导体层结构可以被布置以使当以限定的电输入功率驱动时，在台面退化的情况下支持环形电流注入。环形激光模式减少了限定的立体角中发射的光功率。
根据另一实施例的激光设备(其尚未被要求保护)包括设置在一个半导体芯片上的两个到六个之间的台面。台面并联电连接，以使如果向台面提供限定的电输入功率，则台面适配为同时发射激光。激光设备进一步被适配以使当以限定的电输入功率驱动时，至少一个台面的退化导致激光设备在限定的立体角中发射降低的激光功率，从而保持激光设备的眼睛安全。激光设备可以可选地被适配以使当以限定的电输入功率驱动时，在至少一个台面退化的情况下，激光设备发射的激光的发射锥体增加。备选地或附加地，台面可以被布置以使当以限定的电输入功率驱动时，支持环形激光模式。台面的半导体层结构可以可选地被布置以使当以限定的电输入功率驱动时，存在环形电流注入。备选地或附加地，每个台面可以包括空间结构化的保护涂层，其中空间结构化的保护涂层当以限定的电输入功率驱动时，支持环形激光模式。
根据第二方面(其尚未被要求保护)，提出了一种激光设备。该激光设备包括设置在一个半导体芯片上的两个到六个之间的台面。台面并联电连接，以使如果向台面提供限定的电输入功率，则台面适配为同时发射激光。台面包括掺杂浓度约为1E18的低掺杂p-DBR、或者与二色镜组合的短DBR，两者与相对低掺杂的盖/子盖结构(<1E19)的组合导致环形电流注入。这有利于环形模式，并因此扩大了发射。台面的结构可以与上面关于第一方面所述的每个措施组合。
根据第三方面(其尚未被要求保护)，提出了一种激光设备。该激光设备包括设置在一个半导体芯片上的两个到六个之间的台面。台面并联电连接，以使如果向台面提供限定的电输入功率，则台面适配为同时发射激光。每个台面可以包括空间结构化的保护涂层，其中空间结构化的保护涂层当以限定的电输入功率驱动时支持环形激光模式。空间结构化的保护涂层或盖层可以选择期望的模式。几十nm的高度差足以改变耦出反射镜的相位条件、以及因此与结构化部分具有或多或少的重叠的个体模式的反射率。作为一个示例，几十nm量级的盖层的环形浅蚀刻可以区分基本模式(如果相位条件对于中心部分是最佳的)或环模式(为了最大反射率，对于外部部分为最佳的)中的优选操作。台面的空间结构化的保护涂层可以与上面关于第一或第二方面所述的每个措施组合。
通常特别地，上述空间结构化的保护层和环形电流注入通过设计来限定激光腔内的模式选择。这种设计使得激光设备对生产中小的波动或寿命期间的变化较不敏感。这可以通过对激光发射有贡献的n模数目来定量描述，其中附加模式由最小值来抑制(模式抑制中的dB值或激光阈值的差异)。例如，激光设备的特征可以在于：在激光阈值下发射3、4、5或更多个模式。至少在激光设备的典型工作电流的1.2倍至1.5倍之间的电流下，抑制的模式开始发出激光。
根据第四方面，提出了一种激光设备(其尚未被要求保护)。该激光设备包括设置在一个半导体芯片上的两个到六个之间的台面。台面并联电连接，以使如果向台面提供限定的电输入功率，则台面适配为同时发射激光。每个台面被沟槽围绕，以使超过沟槽的半导体芯片的水平高度至少与台面的激光出口窗口一样高。沟槽可以与上面关于第一、第二或第三方面所述的每个措施组合。大部分半导体芯片区域保持未蚀刻，并因此保持在原来的水平高度。钝化和接触沉积可以导致半导体芯片的大区域在与激光设备台面的敏感激光小面相同或甚至更高的水平高度上。
除了激光设备的较高的机械稳健性之外，在生产中这种芯片设计存在另一个优点。更少量的蚀刻材料允许更恒定的蚀刻过程，其中蚀刻废产物的影响降低。台面可以优选地被布置以使去除的材料最小化。例如，三个台面的情况下，台面可以布置成等边三角形。可以选择台面之间的距离以使相邻台面的沟槽重叠。
根据第五方面，提出了一种激光模块。该激光模块包括如上所述的激光设备。该激光设备还包括用于电驱动台面的驱动电路，其中驱动电路适配为向台面提供限定的电输入功率。
根据第六方面，提出了一种光学传感器。该光学传感器包括如上所述的激光模块。该光学传感器可以包括至少一个光电检测器，该至少一个光电检测器适配为接收由激光设备发射的对应激光脉冲的反射激光。光学传感器还可以包括评估器，评估器适配于识别对应激光脉冲的反射激光。评估器还可以适配于确定反射激光的接收时间与对应激光脉冲的发射时间之间的飞行时间。
用于飞行时间(ToF)测量的光学传感器可用于移动设备(例如智能电话)，以用于如距离检测、相机自动对焦、场景的3D成像或基于手势的用户界面的许多目的。有利的系统使用与光电二极管(例如雪崩光电二极管)和电子器件组合的VCSEL，以测量光从VCSEL到场景并回到传感器的行进时间。与LED或EEL相比，使用VCSEL是有利的，这是由于它的稳定和窄光谱发射(允许在雪崩光电二极管处对环境光的强过滤)，并且由于合适的发射图案(以20-30°FWl/e2旋转对称)。附加的光学元件可用于进一步调整发射锥体。多个通道(即几个VCSEL和/或光电二极管的阵列)特别是与光学元件组合使能良好的角度覆盖。结合链接来自不同通道的信号的算法，可以以最小的努力实现高的角度分辨率，并且特别是没有任何移动的机械部分(如扫描仪)。如上所述的激光设备可以使能在增加的激光安全性的情况下的远程距离检测。
评估器还可以适配于例如基于由激光设备发射的控制信号来确定所接收的平均光功率，以使电输入功率可以减小以便改进激光安全性。激光设备发射的光功率可以借助于具有已知反射率的反馈结构进行校准，该反馈结构布置在光电检测器附近并且反射发射激光的较小部分。例如，反馈结构可以是透明盖玻璃或片材的表面，透明盖玻璃或片材保护光学传感器的激光设备以及例如光电检测器。激光设备、反馈结构和光电检测器两两之间的小距离可以使能使用由激光设备发出的检测信号作为控制信号。发射和接收之间的短时间使得可能区分校准和测量信号。备选地，还可以的是：可能使用在两个测量脉冲之间提供的附加控制信号。控制信号的接收信号强度可以借助于评估器与在激光设备的任何退化之前确定的初始信号强度进行比较。评估器可以包括处理器、微处理器等、以及对应的存储器设备。校准信号的接收信号强度一超过与初始信号强度相关的阈值，就可以减小提供给激光设备的电功率。
根据另一方面，提供了一种制造激光设备的方法。该方法包括以下步骤：
在一个半导体芯片上提供两个到六个之间的台面；
并联电连接台面，以使如果向台面提供限定的电输入功率，则台面同时发射激光，台面中的每个台面使垂直腔表面发射激光器的光学谐振器嵌入，垂直腔表面发射激光器被布置成当以限定的电输入功率驱动时，发射具有发射波长的激光，每个台面包括半导体空气界面；
适配激光设备，以使当以限定的电输入功率驱动时，至少一个半导体空气界面的退化导致由激光设备在限定的立体角中发射降低的激光功率，以使保持激光设备的眼睛安全，其中限定的立体角是发射最大激光功率的立体角；
将半导体空气界面布置成当以限定的电输入功率驱动时，远离激光腔中的光场的驻波图案的波腹，以使当以限定的电输入功率驱动时，通过增加激光设备的反射率，至少一个半导体空气界面的退化减少了激光的耦出。
根据另一方面，提供了另一种制造激光设备的方法。该方法包括以下步骤：
在一个半导体芯片上设置两个到六个之间的台面；
并联电连接台面，以使如果向台面提供限定的电输入功率，则台面同时发射激光，台面中的每个台面使垂直腔表面发射激光器的光学谐振器嵌入，垂直腔表面发射激光器被布置成当以限定的电输入功率驱动时，发射具有发射波长的激光，每个台面包括保护涂层；
适配激光设备以使当以限定的电输入功率驱动时，至少保护涂层的退化导致由激光设备在限定的立体角中发射的降低的激光功率，以使保持激光设备的眼睛安全，其中限定的立体角是发射最大激光功率的立体角，
将在垂直腔表面发射激光器的耦出电介质布拉格反射器的上层与保护涂层之间的界面布置成：当以限定的电输入功率驱动时，远离激光腔中的光场的驻波图案的波腹，以使当以限定的电输入功率驱动时，通过增加激光设备的反射率，至少一个保护涂层的退化减少激光的耦出。
方法步骤不一定按照所呈现的顺序来执行。例如，考虑到上面关于激光设备描述的技术措施，激光设备可以根据步骤3在生产台面层期间来适配。
应当理解，激光设备和制造激光设备的方法具有类似和/或相同的实施例，特别是如从属权利要求中所限定的实施例。
应当理解，本发明的优选实施例也可以是从属权利要求与相应的独立权利要求的任何组合。
其他有利的实施例被限定在下面。
附图说明
参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将会显而易见并且得以阐明。
现在将参考附图基于实施例，以示例的方式来描述本发明。
在图中：
图1示出了包括三个台面的半导体芯片的原理图；
图2示出了包括四个台面的半导体芯片的原理图；
图3示出了图2所示的半导体芯片的横截面；
图4示出了根据第一实施例的VCSEL的横截面，示出了光学谐振器嵌入在台面中；
图5示出了根据第二实施例的VCSEL的横截面，示出了光学谐振器嵌入在台面中；
图6示出了根据第一实施例的光学传感器的横截面；
图7示出了包括光学传感器的移动设备的原理图；
图8示出了制造激光设备的方法的原理图。
在附图中，相同的附图标记始终指代相同的对象。附图中的对象不一定按比例绘制。
具体实施方式
现在将借助于附图描述本发明的各种实施例。
图1示出了激光设备的第一实施例的原理图，该激光设备包括半导体芯片110，该半导体芯片110包括三个台面120。每个台面包括光学谐振器。这种光学谐振器的原理图示出在图4和图5中。金属化层130被构造以使提供结合区域160以用于电接触层设备的半导体芯片110。
图2示出了激光设备的第二实施例的原理图，该激光设备包括半导体芯片110，该半导体芯片110包括四个台面120。台面被布置成正方形图案。每个台面120由半导体芯片110的层结构中的沟槽140围绕。选择台面120之间的节距和沟槽140的宽度，以使相邻台面120之间的沟槽140重叠。要蚀刻的材料被最小化。更少量的蚀刻材料允许更恒定的蚀刻过程，其中蚀刻废产物的影响降低。半导体芯片110还包括设置在半导体芯片110底部的结合区域160和电接触，以用于将激光设备与驱动电路(参见例如图6)电接触，驱动电路用于提供限定的电输入功率。
图3示出了沿着线A-A的图2所示的半导体芯片110的横截面，示出了台面120周围设置的沟槽140的细节。沟槽140填充有电绝缘材料。在电绝缘材料的顶部上设置有结构化的导电材料，从而构建用于电接触激光设备100的第一接触区域131和第二接触区域132。第一接触区域131电连接到台面120的p掺杂层，并且第二接触区域电连接到台面120的n掺杂层。台面120以及特别是相当敏感的激光小面125被处于比激光小面125的表面更高的水平高度的表面(第一电接触区域131和第二电接触区域132的表面顶部)围绕。处于更高水平高度的该围绕表面简化了半导体芯片110的处理，因为接触台面120中的一个以及特别是激光小面125的表面的可能性被减小。
图4示出了根据第一实施例的VCSEL的横截面，示出了光学谐振器嵌入在台面120中。光学谐振器包括底部DBR 230和顶部DBR240以及有源层260，有源层260夹在底部DBR230和顶部DBR 240之间。底部DBR 230是高反射性的(>99％)，并且顶部DBR 240具有稍微小的反射率(>95％)，以便使能经由顶部DBR 240的激光发射。因此，VCSEL是所谓的顶部发射器。有源层260包括构建量子阱结构的多个层。底部DBR 230布置在如GaAs衬底的衬底上。借助于底部电极210和环形电极220来接触VCSEL。底部电极210设置在与底部DBR 230相反的衬底侧。环形电极220设置在顶部DBR240的顶部上。图2和图3所示的第一接触区域131可以用于接触环形电极220，并且第二接触区域132可以用于接触底部电极210(例如借助于过孔)。约束层250用于将通过有源区域的电流流动限制到有源层的限定的(在这种情况下)圆形区域。约束层250包括具有圆形孔的基本上不导电的氧化物区域，其是在蚀刻台面之后通过约束层250的侧向氧化而处理得到的。在这种情况下，约束层250布置在有源层260的顶部上。约束层也可以位于底部DBR 230或顶部DBR 240内。不影响层功能的层布置的变化是本领域技术人员公知的。激光设备100被设计成以使：当以限定的电输入功率驱动时，半导体空气界面242(顶部DBR 240的顶层的表面)布置在驻波图案的节点中。将半导体空气界面242设计成处于激光腔中的光场的驻波图案的节点中、或者至少与波腹充分远离导致：在半导体空气界面242退化的情况下，当以限定的电输入功率驱动时，激光设备以限定的立体角发射降低的激光功率。半导体空气界面242的退化将增加顶部DBR 240的反射率，以使发射较少的激光功率。
此外，归因于反射率和入射角之间的函数关系，半导体空气界面的“节点－位置”最大化具有小发射角的低阶模式的耦出。这种层的退化增加了发射角，并因此降低了在限定的立体角中发射的最大光功率。
图5示出了根据第二实施例的VCSEL的横截面，示出了光学谐振器嵌入在台面120中。半导体层结构与图4所示的第一实施例非常相似。顶部DBR 240是掺杂浓度约为1E18的低掺杂p-DBR。低掺杂p-DBR与相对低掺杂的盖/子盖结构(<1E19)(未示出)组合导致环形电流注入。这有利于环形模式，并因此扩大了发射。此外，保护涂层280设置在顶部DBR 240的顶层的顶部上，保护涂层280包括氧化硅层和氮化硅层的层序列。保护涂层280抑制台面120的半导体层结构的退化。此外，如图4所描述的，顶部DBR 240的顶层的表面布置在驻波图案的节点位置。因此，厚度为发射波长一半的保护涂层280的损坏和“新的”半导体空气界面242的随后的退化，将降低限定的立体角中发射的最大光功率。
图6示出了根据第一实施例的光学传感器300的横截面。光学传感器300包括激光设备100、透射窗口310和用于电驱动激光设备100的驱动电路320。驱动电路320电连接到激光设备100，以便以限定的方式向激光设备100供电。驱动电路320包括用于存储用以操作驱动电路320的数据和指令的存储器设备、以及用于执行用以操作驱动电路320的数据和指令的处理单元。光学传感器300还包括光电检测器350和评估器360。在这种情况下，光电检测器350是光电二极管，但可以是其可以被用于检测由激光设备发射的激光的任何优选的半导体器件。对于由激光器发射的光子，光电检测器350应尽可能敏感，并且应具有快速的测量时间。优选的技术是例如雪崩光电二极管或甚至更多地所谓的SPAD(单光子雪崩二极管)、以及雪崩光电二极管或SPAD的阵列。评估器360包括至少一个存储器设备(如存储器芯片)以及至少一个处理设备(如微处理器)。评估器360被适配为从驱动电路320接收数据，并且可选地从激光设备100接收数据，以便确定时间t1，在该时间发射的激光315以激光脉冲的形式离开扩展腔。进一步，评估器360基于该时间t1和借助于驱动电路320提供的重复率，来确定由光电二极管检测的反射激光317是否源于在时间t1发射的激光脉冲。如果反射激光317源于激光脉冲，则记录时间t2，并且借助于飞行时间Δt＝t2-t1和激光脉冲的速度c来计算反射激光脉冲的对象的距离。发射激光315的一小部分在透射窗口310处被反射并且用作控制信号319。控制信号319借助于光电检测器350比反射的激光317早得多接收到。所以，评估器360能够区分控制信号319和反射激光317的接收。接收的控制信号319的信号强度借助于评估器360与存储在评估器360的存储器设备中的参考信号强度进行比较。接收的控制信号319的信号强度一超过基于参考信号强度的阈值，评估器360就向驱动电路320发送功率降低信号，以便保证光学传感器300的眼睛安全。
接收控制信号319和反射激光317之间的时间可能相当短。因此，可以有利的是使用独立于发射的激光315的单独的控制信号319。单独的控制信号319可以是在发射的激光315的两个激光脉冲之间发射的非常短的激光脉冲。此外，可以有利的是在透射窗口310中实施反馈结构，以使控制信号319的信号强度足够高。反馈结构可以例如是透射窗口310表面的一小块，其相对于透射窗口310的表面的其余部分倾斜。选择位置和倾斜角度以使控制信号319被引导向光电检测器350。
图7示出了包括光学传感器300的移动通信设备400的原理图。光学传感器300例如可以与在移动通信设备400上运行的软件应用组合使用。软件应用可以使用光学传感器300以用于传感应用。这种传感应用可以是飞行时间测量，用于距离检测、相机自动对焦、场景的3-D成像或基于手势的用户界面。
图8示出了制造激光设备100的方法的原理图。在步骤510中，两个到六个之间的台面被设置在一个半导体芯片110上。台面120在步骤520中并联电连接，以使如果向台面120提供限定的电输入功率，台面120同时发射激光。在步骤530中，激光设备100适配成以使至少一个台面120的退化导致当以限定的电输入功率驱动时，由激光设备发射降低的激光功率，从而保持激光设备的眼睛安全。例如，当以限定的电输入功率驱动时，激光设备100可以通过在光学谐振器中的驻波图案的节点中提供半导体空气界面242来适配。
本发明的基本思想是提供一种激光设备100，该激光设备100包括两个到六个之间的台面120，其中该激光设备100适配成以使在激光设备100的寿命期间保证激光设备100的眼睛安全。可以通过设计半导体结构或更一般的激光设备100的台面120的层结构来保证眼睛安全，使得层结构的一层或多层的退化导致限定的立体角中发射的最大光功率的降低。备选地或附加地，可以根据发射的光功率来控制和适配提供给激光设备100的电输入功率，以使不超过安全限制。
虽然已经在附图和前述描述中详细地示出和描述了本发明，但是这样的说明和描述要被认为是说明性的或示例性的而不是限制性的。
通过阅读本公开内容，其他修改对于本领域技术人员将是显而易见的。这样的修改可以涉及本领域已知的、并且可以代替或补充本文已经描述的特征而使用的其他特征。
所公开的实施例的变化可以由本领域技术人员从附图、公开内容和所附权利要求的研究中理解和实现。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个元件或步骤。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的简单事实并不表示这些措施的组合不能有利地使用。
权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制其范围。
附图标记列表
100 激光设备
110 半导体芯片
120 台面
125 激光小面
131 第一接触区域
132 第二接触区域
135 隔离层
140 沟槽
160 结合区域
210 底部电极
220 环形电极
230 底部DBR
240 顶部DBR
250 约束层
260 有源层
270 衬底
280 保护涂层
300 光学传感器
310 透射窗口
315 发射激光
317 反射激光
319 控制信号
320 驱动电路
350 光电检测器
360 评估器
400 移动通信设备
510 提供台面的步骤
520 电连接台面的步骤
530 适配激光设备的步骤

Claims (13)

1.一种激光设备(100)，包括设置在一个半导体芯片(110)上的两个到六个之间的台面(120)，所述台面(120)中的每个台面使垂直腔表面发射激光器的光学谐振器嵌入，所述垂直腔表面发射激光器被布置成当以限定的电输入功率驱动时，发射具有发射波长的激光，其中所述台面(120)并联电连接，其中所述激光设备(100)被适配以使当以所述限定的电输入功率驱动时，至少一个台面(120)的退化导致由所述激光设备(100)在限定的立体角中发射的降低的激光功率，以使保持所述激光设备(100)的眼睛安全，其中所述限定的立体角是发射最大激光功率的立体角，每个台面(120)包括半导体空气界面(242)，其特征在于，所述激光设备被适配以使当以所述限定的电输入功率驱动时，至少一个半导体空气界面(242)的退化导致由所述激光设备发射的降低的激光功率，其中所述半导体空气界面(242)被布置成当以所述限定的电输入功率驱动时，远离激光腔中的光场的驻波图案的波腹，以使得所述至少一个半导体空气界面(242)的退化通过增加所述激光设备的反射率，来减少当以所述限定的电输入功率驱动时激光的耦出。
2.一种激光设备(100)，包括设置在一个半导体芯片(110)上的两个到六个之间的台面(120)，所述台面(120)中的每个台面使垂直腔表面发射激光器的光学谐振器嵌入，所述垂直腔表面发射激光器被布置成当以限定的电输入功率驱动时，发射具有发射波长的激光，其中所述台面(120)并联电连接，其中所述激光设备(100)被适配以使当以所述限定的电输入功率驱动时，至少一个台面(120)的退化导致由所述激光设备(100)在限定的立体角中发射的降低的激光功率，以使保持所述激光设备(100)的眼睛安全，其中所述限定的立体角是发射最大激光功率的立体角，每个台面(120)包括保护涂层(280)，其特征在于，所述保护涂层(280)被适配以使当以所述限定的电输入功率驱动时，至少一个保护涂层(280)的退化导致由所述激光设备发射的降低的激光功率，其中在所述垂直腔表面发射激光器的耦出电介质布拉格反射器的上层与所述保护涂层(280)之间的界面被布置成：当以所述限定的电输入功率驱动时，远离激光腔中的光场的驻波图案的波腹，以使得所述保护涂层(280)的退化通过增加所述激光设备的反射率，来减少当以所述限定的电输入功率驱动时激光的耦出。
3.根据权利要求1所述的激光设备(100)，其中所述半导体空气界面(242)被布置成当以所述限定的电输入功率驱动时，处于驻波图案的节点中。
4.根据权利要求1所述的激光设备(100)，其中所述台面(120)被布置以使当以所述限定的电输入功率驱动时，支持环形激光模式。
5.根据权利要求4所述的激光设备(100)，其中所述台面(120)的半导体层结构被布置以使当以所述限定的电输入功率驱动时，存在环形电流注入。
6.根据权利要求2所述的激光设备(100)，其中所述保护涂层(280)是空间结构化的保护涂层，其中当以所述限定的电输入功率驱动时，所述空间结构化的保护涂层支持环形激光模式。
7.根据权利要求1所述的激光设备(100)，其中每个台面(120)被沟槽(140)围绕，以使超过所述沟槽(140)的所述半导体芯片(110)的水平高度至少与所述台面(120)的激光出口窗口一样高。
8.一种激光模块，包括根据权利要求1-7中任一项所述的激光设备(100)，所述激光设备还包括用于电驱动所述台面的驱动电路(320)，其中所述驱动电路(320)适配为提供所述限定的电输入功率给所述台面(120)。
9.一种光学传感器(300)，包括根据权利要求8所述的激光模块。
10.根据权利要求9所述的光学传感器(300)，包括至少一个光电检测器(350)，所述至少一个光电检测器(350)适配为接收由所述激光设备(100)发射的对应激光脉冲的反射激光，所述光学传感器还包括评估器(360)，所述评估器(360)适配为识别所述对应激光脉冲的所述反射激光，并且所述评估器(360)还适配为确定所述反射激光的接收时间与所述对应激光脉冲的发射时间之间的飞行时间。
11.一种移动通信设备(400)，所述移动通信设备(400)包括至少一个根据权利要求9或10所述的光学传感器(300)。
12.一种制造激光设备(100)的方法，所述方法包括以下步骤：
在一个半导体芯片(110)上设置两个到六个之间的台面(120)；
并联电连接所述台面(120)，所述台面(120)中的每个台面使垂直腔表面发射激光器的光学谐振器嵌入，所述垂直腔表面发射激光器被布置成当以限定的电输入功率驱动时，发射具有发射波长的激光，每个台面(120)包括半导体空气界面(242)；
适配所述激光设备(100)以使当以所述限定的电输入功率驱动时，至少一个台面(120)的退化导致由所述激光设备(100)在限定的立体角中发射的降低的激光功率，以使保持所述激光设备(100)的眼睛安全，其中所述限定的立体角是发射最大激光功率的立体角，
其中所述方法的特征在于以下步骤：
将所述半导体空气界面(242)布置成当以所述限定的电输入功率驱动时，远离激光腔中的光场的驻波图案的波腹，以使得至少一个半导体空气界面(242)的退化通过增加所述激光设备的反射率，来减少当以所述限定的电输入功率驱动时激光的耦出。
13.一种制造激光设备(100)的方法，所述方法包括以下步骤：
在一个半导体芯片(110)上设置两个到六个之间的台面(120)；
并联电连接所述台面(120)，所述台面(120)中的每个台面使垂直腔表面发射激光器的光学谐振器嵌入，所述垂直腔表面发射激光器被布置成当以限定的电输入功率驱动时，发射具有发射波长的激光，每个台面(120)包括保护涂层(280)；
适配所述激光设备(100)以使当以所述限定的电输入功率驱动时，至少一个台面(120)的退化导致由所述激光设备(100)在限定的立体角中发射的降低的激光功率，以使保持所述激光设备(100)的眼睛安全，其中所述限定的立体角是发射最大激光功率的立体角，
其中所述方法的特征在于以下步骤：
将在所述垂直腔表面发射激光器的耦出电介质布拉格反射器的上层与所述保护涂层(280)之间的界面布置成：当以所述限定的电输入功率驱动时，远离激光腔中的光场的驻波图案的波腹，以使得所述保护涂层(280)的退化通过增加所述激光设备的反射率，来减少当以所述限定的电输入功率驱动时激光的耦出。
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