CN111837301B - 包括至少一个vcsel和扩散透镜的发光器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发光器件，包括：垂直腔表面发射激光源(10)，其谐振腔(11)是横向多模式的，支持围绕主光轴(Δ)具有二阶旋转对称性的横向模式；折射率对比光栅，其包括多个凸块，上述多个凸块包括：‑中心凸块(22)；‑多个外围凸块(25⁽ⁱ⁾)，其相对于中心凸块(22)沿着一条或更多条同心线(24⁽ⁱ⁾)周期性布置，并且布置成使得光栅(20)相对于主光轴(Δ)具有大于或等于三的奇数阶的旋转对称性。

Description

包括至少一个VCSEL和扩散透镜的发光器件

技术领域

本发明的领域是包括至少一个垂直腔表面发激光源(VCSEL)的发光器件，其可以适合于发射具有在可见光或近红外范围(例如900nm左右)中高光功率的光辐射。这样的发光器件尤其可以在汽车领域或便携式电话的领域中、甚至在虚拟/增强现实的领域中被用于场景的照明或激光测距(LiDAR)。

背景技术

基于VCSEL的发光器件可以包括与扩散透镜相关联的至少一个VCSEL激光源，该扩散透镜适于确保由VCSEL产生的光束形成期望的发射图案。特别是在三维扫描仪中就是这种情况，三维扫描仪可以包括VCSEL矩阵，其中每个VCSEL与由聚合物制成的平凸型微透镜相关联，这些微透镜可以通过在VCSEL上一个接一个的取放微透镜的步骤以VCSEL矩阵来组装。

然而，制造这种发光器件的方法特别需要能够精确地控制相对于相应的VCSEL的每个微透镜的相对位置的六个调整轴，定位误差容易使发射图案退化。

Moench等人题目为“VCSEL based sensors for distance and velocity”的出版物,2016，Proc.of SPIE，9766卷，97660A描述了包括VCSEL矩阵的发光器件的示例，其上附接有由同一层聚合物(晶片级方法)制成的平凸型微透镜矩阵。由于微透镜通过单个移取步骤固定，因此这种制造方法表现出更好的性能。从而减少了微透镜定位不正确的风险。

然而，需要提供一种包括至少一个与扩散透镜相关联的VCSEL的发光器件，该VCSEL能够发射具有高光功率的光束，其制造方法具有更好的性能，特别是在简单性、成本和/或对扩散透镜的定位的精度方面，以获得所需的发射图案。

发明内容

本发明的目的是至少部分地弥补现有技术的缺点，并且更具体地提供一种发光器件，其包括与扩散透镜相关联的VCSEL激光源，该VCSEL能够提供高的光功率，其制造方法能够实现高性能。

本发明的一个目的还在于提供一种发光器件，其激光源VCSEL适于能够提供高的光功率，并且其扩散透镜适于透射由激光源VCSEL根据期望的发射图案而产生的光束，该器件的光强度的角度分布基本上是均匀的，并且可能具有旋转对称性。然后，由发光器件发射的光束可以表现出很少的或没有像散。

为此，本发明的一个主题是一种用于发射光束的发光器件，其包括垂直腔表面发射激光源，所述垂直腔表面发射激光源包括沿主光轴延伸的谐振腔，该谐振腔由两个反射镜界定，其中顶部反射镜限定发射表面，该谐振腔适于支持多种横向光学模式，包括基本横向模式和围绕主光轴具有二阶旋转对称性的高阶横向模式。

根据本发明，发光器件还包括折射率对比光栅，其形成扩散透镜，所述光栅布置在发射表面上，并包括彼此分隔开的、由至少一种具有第一折射率的材料制成的多个凸块，所述多个凸块被具有不同于所述第一折射率的第二折射率的介质包围，所述多个凸块包括：

·以主光轴为中心的中心凸块，以及

·多个外围凸块，其相对于中心凸块沿着一条或更多条同心线周期性布置，并且布置成使得该光栅相对于主光轴具有大于或等于三的奇数阶的旋转对称性。

以下是该发光器件的某些优选但非限制性的方面。

对于与中心凸块相对布置的被认为处于第1行的同心线，径向周期被定义为外围凸块的外部径向边缘与中心凸块的径向边缘之间沿径向轴的距离。方位角周期可以被定义为外围凸块沿第1行的所述同心线周期性布置的周期。所述径向周期和方位角周期大于或等于λ_e/n_eff'，其中λ_e是由激光源产生的光束的波长，并且n_eff'为由光栅引导的且波长为λ_e的纵向模式的有效折射率。

发光器件可以包括被布置为使其围绕第1行的同心线的被认为处于第2行的同心线。第1行和第2行的同心线彼此分隔开。径向周期可以被定义为第2行的同心线的外围凸块的外部径向边缘相对于第1行的同心线的外围凸块的外部径向边缘之间沿径向轴的距离。方位角周期可以被定义为外围凸块沿第2行的所述同心线周期性布置的周期。与第2行的同心线相关联的径向周期和方位角周期可以分别大于或等于与第1行的同心线相关联的径向周期和方位角周期。

与第i行的同心线相关联的径向周期和方位角周期可以大于或等于波长λ_e。

光栅可以包括被认为处于第1行和第2行的至少两个不同的同心线，第2行的同心线的外围凸块被布置为使其相对于第1行的同心线的外围凸块呈现方位角偏移。

第2行的同心线的外围凸块可以与第1行的同心线的外围凸块反相布置。

谐振腔可以包括限定光学开口的膜片，其横向尺寸大于或等于由激光源产生的光束的波长λ_e。

中心凸块的横向尺寸可以大于或等于光学开口的横向尺寸的一半，容差为10％以内。

中心凸块和光学开口可以具有圆形形状。激光源可以具有横截面为圆形的台面形状。

第一折射率与第二折射率之间的折射率对比可以小于或等于1。

凸块的厚度可以等于λ_e/(4.n_H)的奇数倍，其中λ_e是由激光源产生的光束的波长，并且n_H是凸块的折射率。折射率对比光栅有利地具有等于λ_e/(4.n_H)的奇数倍的局部厚度。因此，顶部反射镜的反射率不会因折射率对比光栅的存在而显着改变。因此，光栅对光学腔中存在的横向模式几乎没有影响。

本发明还涉及一种用于制造根据特征中任一项所述的发光器件的方法，包括：以晶片级生成彼此相同的激光源的矩阵的步骤；在激光源的发射表面上共形地沉积钝化层的步骤，然后通过局部蚀刻所述钝化层来以晶片级生成折射率对比光栅的步骤。

附图说明

阅读以下作为非限制性示例提供并且参照附图做出的对本发明的优选实施例的详细说明，本发明的其它方面、目的、优点和特征将更好地显现，在附图中：

图1是根据一个实施例的发光器件的局部横截面示意图，该器件包括VCSEL和形成平面扩散透镜的折射率对比光栅；

图2A是图1所示的发光器件的一部分的横截面示意图，其在光学开口处示出了基本横向模式和高阶横向模式，并且图2B示出了由VCSEL的谐振腔支持的横向模式的光强度的空间分布；

图3A和图3B是根据一个实施例的发光器件的形成了平面扩散透镜的折射率对比光栅的俯视示意图，图3B是图3A所示光栅的局部视图；并且图3C是折射率对比光栅的变型的俯视示意图。

具体实施方式

在附图和说明书的其余部分中，相同的附图标记表示相同或相似的元素。另外，为了附图的清晰，各种元素没有按比例显示。此外，不同的实施例和变型不是互相排斥的，并且可以彼此组合。除非另有说明，否则术语“基本上”、“大约”、“约”是指在10％以内。此外，除非另有说明，否则表达“包括”应理解为“包括至少一个”。

本发明总体上涉及一种发光器件，其包括垂直腔表面发射激光源(VCSEL)和平面扩散透镜，该平面扩散透镜确保由VCSEL产生的光束形成预定的发射图案。首字母缩略词VCSEL将在本说明的其余部分中使用。

VCSEL适于能够提供高光功率。如稍后将详细描述的，这体现为其谐振腔支持多种横向光学模式，换言之，支持基本横向模式以及高阶的横向模式。

从扩散透镜是由折射率对比光栅形成的意义上来说，该扩散透镜被认为是平面的。光栅的尺寸被确定以获得由发光器件发射的光束所期望的发射图案。更确切地说，尽管谐振腔适于支持多种横向光学模式，在发射图案几乎没有或没有光学像散的意义上来说，其具有基本均匀的旋转对称性，所述多种横向光学模式可能附加地具有TE(横向电)偏振和/或TM(横向磁)偏振。

激光源优选地适于发射以发射波长λ_e为中心的光束，该发射波长被包括在可见光或近红外光中，例如大约900nm。此外，发射图案或扩散锥表示由发光器件发射的光束的强度围绕主扩散轴的角度分布。

图1是根据一个实施例的发光器件1的局部横截面示意图。发光器件1包括至少一个垂直腔表面发射激光源10(VCSEL)和至少一个形成平面扩散透镜的折射率对比光栅20。

在这里和本说明书的其余部分，定义了正交的三维直角坐标系(X,Y,Z)，其中X和Y轴形成平行于光栅20主平面并平行于VCSEL的发射表面14的平面，并且Z轴朝向发光方向。在说明书的其余部分中，术语“底部”和“顶部”应理解为与在+Z方向上的增加高度位置有关。

VCSEL 10包括法布里-佩罗特(Fabry-Pérot)谐振腔11和位于谐振腔11中的增益介质15，所述谐振腔由两个反射器、这里是两个布拉格镜12、13界定。它适于产生具有发射波长λ_e的光束，所述发射波长在一阶中由谐振腔11的尺寸和形成它的一种或更多种半导体化合物的折射率来定义。举例来说，发射波长λ_e可以位于可见光或近红外光中，例如可以等于大约940nm。

布拉格反射镜12、13分别由交替的具有高折射率和低折射率的四分之一波半导体层形成。仅出于说明目的，可以由GaAs和AlAs半导体化合物及其合金制成四分之一波半导体层。因此，四分之一波半导体层可以由GaAs和AlGaAs制成。在近红外范围内，AlAs的折射率为2.9，并且GaAs的折射率为3.5。因此，取决于铝含量x，Al_xGa_1-xAs半导体化合物具有2.9至3.5的折射率。

四分之一波半导体层的数量足以在发射波长λ_e处获得布拉格反射镜12、13的高反射率，例如约为99.9％。该反射率比带状激光源的情况高得多，这是因为在VCSEL 10中，由于光束垂直穿过增益介质15，因此增益介质15的增益低。

在该示例中，VCSEL 10包括：底部布拉格反射镜12，其由GaAs/AlGaAs制成并且置于衬底2上，这里的衬底由GaAs制成；谐振腔11，在此由AlGaAs制成并且包括由InGaAs制成的多个量子阱所形成的增益介质15；以及顶部布拉格镜13，其由GaAs/AlGaAs制成。此外，这里根据第一导电类型、例如n型掺杂衬底2和底部布拉格镜12。根据与第一类型相反的第二类型导电类型、在此为p型掺杂顶部布拉格反射镜13。

电接触部被实现为使得VCSEL 10能够被电偏置。因此，底部电接触部(未示出)可以与衬底2以欧姆接触的方式沉积，例如在衬底2的底面上。顶部电接触部16沉积在顶部布拉格镜13的顶面上。每个电接触部可以由一个或更多个金属层形成、例如金层，并且包括铂、钛或镍的层，以改善电接触部在布拉格镜13上的附着力和/或以形成扩散阻挡层。

顶部电接触部16在布拉格镜13的顶面上具有环形形状，例如圆形，以便允许将在谐振腔11中产生的光束从VCSEL 10透射出去。因此，顶面的没有被电接触部覆盖的区域形成发射表面14并限定了VCSEL 10的电开口17。

为了降低VCSEL 10的阈值电流，可以在谐振腔11中形成环形介电层18，该环形介电层例如位于量子阱与顶部反射镜13之间。环形介电层18由电绝缘材料制成，例如氧化铝AlO_x。由环形介电层18界定的内部区域限定了VCSEL 10的光学开口19。环形介电层18使得可以集中电流线并因此增加电流密度，从而降低VCSEL 10的操作阈值。它还形成了通过折射率的改变来提供光学限制的膜片18或波导。

常规地，在蚀刻顶部反射镜13和谐振腔11的侧面以获得图1所示的VCSEL 10的台面形状之后，可以通过氧化具有高铝含量的AlGaAs的外延生长层来形成环形介电层18。然后将如此获得的结构置于氧化气氛下的烘箱中，以使具有高铝含量的AlGaAs层从台面结构的侧面逐渐氧化。由于湿氧化反应的速率是已知的，所以当环形介电层18限定所需的光学开口19时，停止所述湿氧化反应。

光学开口19和电开口17基本上是同轴的，并且以VCSEL 10的主光轴Δ为中心，由VCSEL 10产生的光束沿该主光轴Δ发射。在该示例中，VCSEL 10具有圆形截面台面形状，并且光学开口和电开口也是圆形的。然而，VCSEL 10可以具有以主光轴Δ为中心的台面的其他横截面形状，例如正方形或更宽的多边形。

可替代地，光学开口19可以不是由环形介电层限定，而是由通过离子(H+、O+、N+或F+)的局部离子注入形成的环形区域限定，以便一方面通过增益引导进行光学限制，并且另一方面通过电流线的曲率来降低阈值电流。

如前所述，VCSEL 10适于能够提供高光功率，例如大于或等于4mW的功率。现在，光功率与XY平面中的光学开口19的尺寸成正比。因此，光学开口19与发射波长λ_e相比具有大的尺寸，因此，VCSEL 10是如下所述的横向多模式的。VCSEL 10的谐振腔11因此适于支持多种横向光学模式。

首先回想一下，VCSEL 10仅支持单个纵向光学模式。实际上，它的自由光谱范围比增益介质15的增益曲线的宽度大得多。相对而言，当已知在XY平面中的光学开口19的尺寸大于发射波长λ_e时，它可以支持多种横向光学模式。举例来说，对于940nm的波长λ_e，光学开口19具有大于或等于2μm，或者甚至2.5μm，并且优选地大于或等于4μm，或者甚至5μm的尺寸。因此，在谐振腔11中支持的光学模式包括平行于传播轴(因此平行于主光轴Δ)的分量以及与光学限制相关的横向分量，在此通过光学开口19来提确保该横向分量。

图2A是图1所示的VCSEL 10的一部分的横截面示意图。其示出了谐振腔11以及底部反射镜12和顶部反射镜13的一部分。光学开口19由环形介电层18的内周界定。

只要光学开口19在XY平面中的尺寸(例如，此处的直径)与发射波长λ_e相比是大的，(例如其等于大约6μm，而λ_e等于大约940nm)谐振腔11支持多种横向光学模式。在该示例中，示出了基本横向模式以及一个高阶的横向模式。

此外，由于光学开口19的尺寸沿X轴和Y轴两者均具有相对于波长λ_e来说大的尺寸，特别是在此处光学开口19具有直径约为几微米的圆形，横向光学模式可以在TE(横向电)模式和TM(横向磁)模式两者中均被偏振。

图2B是具有诸如图1所示的圆形台面的VCSEL 10能够支持的各种横向模式的光学场的俯视图。看来它们的强度空间分布可以通过拉盖尔-高斯(Laguerre-Gauss)多项式(如图2B所示)或埃尔米-高斯(Hermite-Gauss)多项式来建模。在本说明书的其余部分中，将它们表示为(l,p)，l表示径向阶，并且p表示方位角阶，它们分别对应于沿径向轴ρ和方位角轴Φ的强度节点数。

因此，横向模式(0,0)是基本模式。它在沿径向轴ρ和方位角轴Φ上没有强度节点。其空间强度分布基本上是高斯(Gaussian)形状，因此围绕主光轴Δ呈现基本轴向对称性。由VCSEL 10产生的光束的光功率主要通过基本横向模式来传递。

此外，由VCSEL 10产生的光束的光功率还通过等于1的方位角阶p的横向模式传递：即模式(0,1)、(1,1)和(2,1)。然而，如图2B所示，这些p＝1阶的横向模式具有围绕主光轴Δ的2阶的旋转对称性。n阶的旋转对称性是指绕Δ轴以360°/n的角度对称。因此，在绕角360°/2＝180°的主光轴Δ旋转之后，横向模式(0,1)、(1,1)和(2,1)中的每一个的强度空间分布与其自身相同。

这些横向模式可以存在于VCSEL 10中，该VCSEL 10的谐振腔11在与主光轴Δ正交的XY平面中具有特别是圆形、甚至多边形的横截面，例如正方形横截面。

发光器件1具有预定的发射图案，换言之，由器件1发射的光束的远场强度具有围绕主扩散轴的预定角度分布。该主扩散轴与VCSEL 10的主光轴Δ大致重合。强度峰值以主扩散轴为中心，并且半最大光强度形成预定的非零扩散角。

另外，发射图案具有基本均匀的角度光强度分布。此外，由于光学开口和电开口的对准缺陷，角度光强度分布可能不会表现出任何旋转不对称性，这体现为发射的光束的像散很小或几乎没有。换言之，光强度的角度分布特别是当VCSEL是具有圆形横截面的台面形状时，并且当光学开口是圆形时，具有基本均匀的旋转对称性。为此，发光器件1包括平面扩散透镜20，其适于形成由VCSEL 10产生的具有这种发射图案的光束。

图3A和图3C是根据图1所示的实施例的发光器件1的平面扩散透镜的两个变型的示意性俯视图，图3B是图3A所示的光栅20的局部图。

平面扩散透镜由折射率对比光栅20形成，使得可以形成由VCSEL 10产生的光束以获得上述发射图案，同时考虑到由VCSEL 10产生的光束以横向光学模式传递，诸如基本横向模式和方位角阶p＝1的横向模式，并且这些横向光学模式可以具有TE和/或TM偏振。

光栅20包括多个凸块22、25，所述多个凸块由至少一种具有第一折射率(在此为高折射率n_H)的材料制成，并且被具有不同于第一折射率的第二折射率(在此为低折射率n_L)的介质包围。同样，在该示例中，第一折射率大于第二折射率，但是作为变型，第一折射率可以小于第二折射率。具有低折射率n_L的介质可以由一种或更多种材料和/或由气体或真空形成。可以选择形成凸块的一种或更多种高折射率n_H的材料和围绕凸块的低折射率n_L的介质，以使折射率对比相对地低，例如小于或等于大约1，或甚至等于0.5，从而限制由VCSEL 10产生的光束在透射过程中的光学损耗。因此，举例来说，凸块22、25可以由氮化硅SiN_x制成，并通过空气或氧化硅SiO_x彼此隔开，或者甚至由氧化硅SiO_x制成并被空气隔开。可以使用其他高折射率材料，例如采用交替的子层形式的介电材料，诸如CaF₂和ZnS。

另外，光栅20包括优选地以主光轴Δ为中心的中心凸块22，以及多个外围凸块25⁽ⁱ⁾，所述多个外围凸块沿着相对于中心凸块22同心的至少一条线24⁽ⁱ⁾周期性地布置，并且被布置为使得光栅20相对于主光轴Δ具有大于或等于三的奇数阶的旋转对称性。“i”是同心线的行数，其中i＝1代表最靠近中心凸块22的同心线，并且i＝2、3…对应于远离中心凸块22的同心线。同心线24⁽ⁱ⁾是围绕中心凸块22的线，其与中心凸块22具有相同的中心。优选地，同心线24⁽ⁱ⁾平行于中心凸块22的径向边缘23延伸。此外，在垂直于XY平面并由主光轴Δ经过的平面中，每条同心线24⁽ⁱ⁾经过相关联的外围凸块25⁽ⁱ⁾的横截面的重心。

凸块22、25彼此分隔开。它们可选地通过具有小于凸块的厚度的高折射率材料的连续薄层互连。换言之，它们可以通过蚀刻由至少一种高折射率材料制成的同一层的部分或全部来形成。因此，沿着给定同心线24⁽ⁱ⁾周期性地布置的凸块25⁽ⁱ⁾彼此分隔开。这些外围凸块25⁽ⁱ⁾一方面也与中心凸块22分隔开，并且与沿另一条同心线周期性地布置的外围凸块25^(i-1)、25⁽ⁱ⁺¹⁾分隔开。因此，光栅20的高折射率材料沿着径向轴ρ和沿着方位角轴Φ呈现离散化。

光栅20布置在发射表面14上，并且位于由顶部电接触部16界定的电开口17中。因此，凸块22、25可以直接与顶部布拉格反射镜13的四分之一波半导体层接触，或与中间层接触，该中间层由与顶部反射镜13的材料不同的材料制成。

中心凸块22优选地在主光轴Δ上居中，并且垂直于光学开口19布置，优选地在电开口17的中心。其沿Z轴的尺寸或厚度基本恒定，优选等于λ_e/(4.n_H)的奇数倍，以表现出光学防反射功能。如图3A和图3B所示，它在XY平面上具有圆形的横截面，但是其他形状也是可以的，例如正方形或多边形。中心凸块22在XY平面中的形状尤其取决于光学开口19的形状以及VCSEL 10的台面形状。当光学开口19为圆形并且当VCSEL 10的台面形状为圆形时，中心凸块22优选为圆形。当光学开口19和VCSEL10的台面形状是正方形时，中心凸块22可以是正方形。横截面的尺寸、这里是直径，最好大于或等于光学开口19的横截面的尺寸的一半。因此，对于直径等于大约6μm的光学开口19，中心凸块22的直径可以大约为2.5μm至3.5μm。因此，中心凸块22在由光栅20透射的光束的扩散来获得期望的发射图案中具有主要作用。

外围凸块25⁽ⁱ⁾沿着一条或更多条同心线24⁽ⁱ⁾周期性地布置。在图3A和图3B中，光栅20包括彼此分隔开的两条同心线24⁽¹⁾、24⁽²⁾，它们围绕中心凸块22延伸。但是，光栅20可以包括单条同心线、或更多条同心线。同心线24⁽ⁱ⁾可以根据中心凸块22的形状以圆形、多边形的方式，例如以正方形的方式围绕中心凸块22纵向延伸。因此，当中心凸块22在XY平面上的形状分别为圆形或正方形时，同心线可以以圆形或正方形的方式延伸。

每个外围凸块25⁽ⁱ⁾具有方位角尺寸s⁽ⁱ⁾或长度，以及径向尺寸l⁽ⁱ⁾或宽度。长度s⁽ⁱ⁾定义为沿同心线24⁽ⁱ⁾测得的将方位角边缘28彼此分开的距离。宽度l⁽ⁱ⁾被定义为将内侧的径向边缘26和外侧的径向边缘27分开的距离。长度s⁽ⁱ⁾优选大于宽度l⁽ⁱ⁾，以使每个外围凸块25⁽ⁱ⁾的纵向轴沿着相应的同心线24⁽ⁱ⁾定向。另外，由于这里的外围凸块25⁽ⁱ⁾是围绕圆形形状的中心凸块22延伸的圆弧，因此长度s⁽ⁱ⁾是曲线长度。

此外，每个外围凸块25⁽ⁱ⁾的厚度优选地对于所有凸块22、25⁽ⁱ⁾是相同的，并且优选地与中心凸块22的厚度相同。外围凸块25⁽ⁱ⁾的厚度优选等于λ_e/4.n_H的奇数倍，以确保光学防反射功能。因此，光栅20形成平面扩散透镜，就其意义而言，它由多个分隔开的凸块22、25⁽ⁱ⁾形成，所述凸块的厚度优选地对于所有凸块都是相同的，因此不同于前面提到的平凸型透镜。因此，由于光栅20的局部厚度等于奇数倍λ_e/4.n_H，所以它不会引起顶部反射镜13的局部反射率的任何扰动。换言之，与由顶部反射镜13和光栅20形成的与等效反射器相关联的局部反射率基本上等于顶部反射镜13的局部反射率，并且在空间上保持均匀。因此，这导致光栅20对光学腔中存在的横向模式没有或几乎没有影响。因此，横向模式基本上全部透射到光学腔之外，在LiDAR或3D检测应用的情况下尤其需要这种模式。

外围凸块25⁽ⁱ⁾被布置成使得光栅20围绕主光轴Δ表现出大于或等于三的奇数n阶的旋转对称性。因此，光栅20由多个基本特征21形成，这些基本特征21由凸块25⁽ⁱ⁾和凸块25⁽ⁱ⁾之间的间隔形成，这些基本特征在绕主光轴Δ旋转等于360°/n的角度之后彼此相同。n阶大于或等于3，并且优选地等于5或7，或甚至更大。

因此，图3A示出了示例性光栅20，其外围凸块25⁽ⁱ⁾沿着两条同心线24⁽¹⁾、24⁽²⁾周期性地布置，使得光栅20具有绕主光轴Δ的三阶的旋转对称性。光栅20因此包括三个基本特征21，该三个基本特征彼此分隔开并且围绕主光轴Δ具有大约360°/3＝120°的角度的旋转对称性。

此外，图3B示出了另一个示例性光栅20，其外围凸块沿着两条同心线24⁽¹⁾、24⁽²⁾周期性地布置，使得光栅20绕主光轴Δ具有7阶的旋转对称性。因此，光栅20包括七个基本特征21，这七个基本特征彼此分隔开并且围绕主光轴Δ具有大约360°/7＝51°的角度的旋转对称性。

因此，由于光栅20一方面沿径向轴ρ和沿方位角轴Φ是离散的，另一方面相对于主光轴Δ具有至少等于三的奇数阶的旋转对称性，发光器件1具有发射图案，使得光束的角度分布大致均匀。光束的像散然后被特别地减小或甚至几乎不存在。随着光栅20的旋转对称的奇数阶升高，例如等于5或者甚至等于7、或者甚至更高，光束的角度分布更加均匀。实际上，通过光栅20的这种结构和高折射率凸块22、25的布置，与由VCSEL 10产生的光束的各种横向光学模式(即基本横向模式和方向角阶p＝1的横向模式(0,1)、(1,1)和(2,1))相关联的有效折射率的角分布的均匀性得到提高，这与这些横向模式的偏振状态TE和/或TM无关。有效折射率的角度分布的这种均匀性的增加有助于使发射图案的角度分布基本上均匀，并且特别是使得发射图案的旋转对称性基本上均匀，特别是当光栅20、光学开口19和VCSEL的台面形状是圆形时，因此限制了由发光器件1发射的光束的像散的存在。

通常，将VCSEL的波长为λ_e的横向光学模式的有效折射率n_eff定义为传播常数β与λ_e/2π的乘积。传播常数β取决于光学模式波长λ_e以及VCSEL的光学几何特性。横向光学模式的有效折射率在某种程度上对应于通过光学模式“可见”的波导的折射率。

另外，有利的是，当光栅20包括多条同心线24⁽ⁱ⁾、24⁽ⁱ⁺¹⁾时，两条相邻的同心线的外围凸块25⁽ⁱ⁾、25⁽ⁱ⁺¹⁾周期地布置成使得同心线24⁽ⁱ⁾的外围凸块25⁽ⁱ⁾相对于另一条同心线24⁽ⁱ⁺¹⁾的外围凸块25⁽ⁱ⁺¹⁾具有方位角偏移，并且优选地如图3A和图3B所示以反相方式布置。这意味着，经过第i+1行的外围凸块25⁽ⁱ⁺¹⁾的重心的径向轴ρ⁽ⁱ⁺¹⁾不与经过第i行的外围凸块25⁽ⁱ⁾的重心的径向轴ρ⁽ⁱ⁾共线。在外围凸块25⁽ⁱ⁾、25⁽ⁱ⁺¹⁾以反相方式布置的情况下，这意味着，径向轴ρ⁽ⁱ⁺¹⁾形成与第i行的两个相邻外围凸块的径向轴ρ⁽ⁱ⁾相同的角度。不同同心线的外围凸块的这种相对布置还趋于使与不同横向模式(0,0)、(0,1)、(1,1)和(2,1)相关的有效折射率的角度分布均匀性增加，从而使发射图案的角度分布基本上均匀。此外，减少或甚至防止了发射图案的光学像散像差的存在。

此外，定义了与外围凸块25⁽ⁱ⁾相关联的径向周期Λρ⁽ⁱ⁾和方位角Λ⁽ⁱ⁾。与第一同心线24⁽¹⁾相关联的径向周期Λρ⁽¹⁾被定义为将中心凸块22的径向边缘23相对于第一外围凸块25⁽¹⁾的外部径向边缘27径向地隔开的距离。每个外围凸块25⁽ⁱ⁾由朝向中心凸块22定向的内部径向边缘26以及与边缘26相对的外部径向边缘27径向地界定。另外，与第二同心线24⁽²⁾相关联的径向周期Λp⁽²⁾被定义为将第1行的同心线的外围凸块25⁽¹⁾的外部径向边缘27相对于第2行的同心线的外围凸块25⁽²⁾的外部径向边缘27径向地隔开的距离。此外，与第i行的同心线24⁽ⁱ⁾相关联的方位角周期Λ⁽ⁱ⁾被定义为沿着同心线24⁽ⁱ⁾周期性地重复的特征的长度，该特征由外围凸块25⁽ⁱ⁾和将其与相邻的外围凸块25⁽ⁱ⁾隔开的间隔形成。

径向周期Λρ⁽ⁱ⁾和方位角Λ⁽ⁱ⁾优选大于或等于λ_e/n_eff′，其中λ_e是由发光器件1发射的光束的波长，并且n_eff'在这里是在光栅20的平面内传播的波长为λ_e的引导纵向模式的有效折射率。对于第一近似，有效折射率n_eff'可以等于高折射率n_H和低折射率n_L的平均值。因此，光栅20在发射波长λ_e处具有高透射率，使得由于光栅20的存在导致VCSEL外部的透射率不会显著降低。如在Chang-Hasnain和Yang的出版物“High-contrast gratings forintegrated optoelectronics”,Adv.Opt.Photonics 4,379-440(2012)所示出的，在波长为λ_e的入射波向由以周期Λ平行布置的高折射率直线带形成的折射率对比光栅20传播的情况下，当比率λ_e/Λ由于引导模式的有效折射率而小于约1时，光栅20表现出衍射状态，这导致光栅20在发射波长λ_e处的反射率急剧下降，因此光栅20的入射波透射增加。

因此，与第i行的同心线24⁽ⁱ⁾相关联的径向周期Λρ⁽ⁱ⁾大于或等于λ_e/n_eff′。优选地，第i+1行的同心线24⁽ⁱ⁺¹⁾的周期Λρ⁽ⁱ⁺¹⁾大于或等于第i行的同心线24⁽ⁱ⁾的周期Λρ⁽ⁱ⁾。举例来说，在发光器件1以等于大约940nm的波长λ_e发射的情况下，径向周期Λρ⁽¹⁾可以等于大约1μm，并且径向周期Λρ⁽²⁾等于大约1.25μm。

此外，与第i行的同心线24⁽ⁱ⁾相关联的方位角周期Λ_φ ⁽ⁱ⁾大于或等于λ_e/n_eff′。优选地，其大于或等于径向周期Λp⁽ⁱ⁾。优选地，第i+1行的同心线24⁽ⁱ⁺¹⁾的方位角周期Λ_φ ⁽ⁱ⁺¹⁾大于或等于第i行的同心线24⁽ⁱ⁾的Λi⁽ⁱ⁾。举例来说，对于等于大约940nm的波长λ_e，方位角周期Λ_φ ⁽¹⁾可以等于大约2μm，并且方位角周期Λ_φ ⁽²⁾可以等于大约2.5μm。

此外，外围凸块25⁽ⁱ⁾的布置和尺寸优选使得光栅20的填充率径向减小。填充率与给定的径向周期Λρ⁽ⁱ⁾相关联，并且对于与所考虑的径向周期Λρ⁽ⁱ⁾相关联的区域来说，该填充率对应于对于Φ为0°至360°的折射率的方位角平均值。举例来说，对于由中心凸块22的径向边缘23和第1行的同心线的外围凸块25⁽¹⁾的外部径向边缘27径向界定的环形区域，与径向周期Λρ⁽¹⁾相关联的填充率是光栅20的折射率的平均值。因此，填充率在中心凸块22处最大，然后对于径向周期Λρ⁽¹⁾减小，并且对于径向周期Λρ⁽²⁾进一步减小。填充率的径向减小有助于控制光束的传输，使其具有所需的发射图案。

举例来说，发光器件1可以包括至少一个VCSEL 10，其谐振腔11由两个布拉格反射镜12、13界定，所述两个布拉格反射镜由GaAs和AlGaAs制成的四分之一波半导体层交替制成。增益介质15包括由InGaAs制成的量子阱，并且VCSEL 10在此适于产生以940nm为中心的波长λ_e的光束。光学开口19由位于增益介质15与顶部反射镜13之间的氧化铝膜片形成。光学开口19在此具有直径等于大约6μm的圆形形状。基于金制成的电接触部16放置在布拉格镜13的顶面上，并且具有圆形形状，以限定VCSEL10的发射表面14所位于的电开口17。

折射率对比光栅20位于电开口17中，并且放置在发射表面14上。它由多个分隔开的凸块22、25形成，所述多个凸块由氮化硅制成并且由空气彼此横向隔开。光栅20包括以主光轴Δ为中心的中心凸块盘22，该中心凸块形状为圆形，并且直径等于光学开口19的直径的一半，在此等于大约3μm。光栅20包括外围凸块25⁽¹⁾、25⁽²⁾，其相对于中心凸块22沿着两条同心线24⁽¹⁾、24⁽²⁾周期性地延伸。同心线24⁽¹⁾、24⁽²⁾具有圆形形状，并且外围凸块25⁽¹⁾、25⁽²⁾具有圆弧形状。外围凸块25⁽¹⁾、25⁽²⁾被布置为使得光栅20在这里相对于主光轴Δ具有7阶的旋转对称性。

因此，光栅20包括第1行的同心线24⁽¹⁾，沿着该同心线24⁽¹⁾布置有七个外围凸块25⁽¹⁾，在这里，方位角周期Λ_φ ⁽¹⁾等于大约2μm。外围凸块25⁽¹⁾具有等于大约1μm的曲线长度s⁽¹⁾，并且以大约1μm的曲线距离被两两隔开。它们的宽度l⁽¹⁾大约等于500nm，并且径向周期Λρ⁽¹⁾大约等于1μm。因此，外围凸块25⁽¹⁾的内部径向边缘26与中心凸块22的径向边缘23间隔开约500nm的距离。

另外，光栅20包括第2行的同心线24⁽²⁾，沿着该同心线24⁽²⁾在此布置有七个外围凸块25⁽²⁾，在这里，方位角周期Λ_φ ⁽²⁾等于大约2.5μm。外围凸块25⁽²⁾具有等于大约750nm的曲线长度s⁽²⁾，并且对于等于大约1.25μm的径向周期Λp⁽²⁾，其具有等于大约500nm的宽度l⁽²⁾。因此，外围凸块25⁽²⁾的内部径向边缘26与外围凸块25⁽¹⁾的外部径向边缘27间隔开大约750nm的距离。另外，第2行的同心线24⁽²⁾的外围凸块25⁽²⁾被布置为与第1行的同心线24⁽¹⁾的外围凸块25⁽¹⁾呈现方位角偏移，更确切地说是与其反相。

因此，由于光栅20具有大于等于三(在这里等于七)的奇数阶的旋转对称性，光栅20使得可以有效地透射基本的横向模式以及方位角阶数p＝1的横向模式，并获得所需的基本不具有任何像散的发射图案，无论横向光学模式的TE和/或TM偏振态如何。因此，发射图案表现出基本上均匀的旋转对称性。另外，第2行的外围凸块25⁽²⁾相对于第1行的外围凸块25⁽¹⁾反相布置使得可以改善有效折射率围绕主光轴Δ的角度分布，因此，有助于提高发射图案的角度分布均匀性，或者甚至限制了诸如像散的光学像差的存在。此外，在径向周期和方位角周期大于或等于λ_e/n_eff'的情况下，透射光栅20在发射波长λ_e处表现出良好的透射。

使用由Synopsys公司开发和出售的RSoft-FullWave软件进行的数值模拟研究，使得可以将与上述扩散透镜相关联的VCSEL 10的光学性能与不包含此相同的扩散透镜的VCSEL 10的光学性能进行比较。由此得出，包括光栅20的发光器件1的发射图案具有基本上均匀的旋转对称性和等于约20°的半最大扩散角，在没有光栅20的情况下，该角度等于大约10°。因此，根据实施例的发光器件1使得可以获得期望的发射图案。而且，所产生的光束的波长λ_e不会因光栅20的存在而改变，具有光栅20的发光器件1的波长λ_e为941.6nm，当光栅20不存在时，波长λ_e为941.3nm。另外，对于具有光栅20的发光器件1，质量因子是1500，而对于没有光栅20的发光器件来说，质量因子是1300。此外，形成扩散透镜的这种光栅20的存在不改变发射波长λ_e，并且还有助于降低光损耗，所述光损耗与由VCSEL 10产生的光束的透射相关联。

发光器件1可以包括VCSEL 10矩阵，其中的每个VCSEL 10覆有形成平面扩散透镜的折射率对比光栅20。制造这种器件的方法有利地包括：以晶片级生产VCSEL 10的步骤，然后是在布拉格镜13的顶面上共形沉积具有高折射率的层3的步骤。高折射率的层3优选是例如由氮化硅SiNx制成的钝化层，其通常用于使顶部电接触部16彼此电绝缘并为顶部反射镜13提供保护。然后，制造方法可以包括通过光刻和局部蚀刻的常规微电子技术，以晶片级生产与VCSEL 10相关联的光栅20的步骤。该局部蚀刻优选干法蚀刻钝化层3的部分或全部。

因此，相比于与上述现有技术实例相关联的方法相比，该制造方法具有更好的性能，这是因为其不包括定位和组装预先由一层聚合物制成的微透镜矩阵阵列的步骤。该方法因此降低了成本，并且降低了透镜相对于VCSEL 10未对准的风险。此外，在与外围凸块25相关联的径向周期和方位角周期大于或等于λ_e/n_eff'的情况下(此处大于或等于大约1μm)，该方法是简化的，因为其不需要采用允许局部蚀刻到特别小的尺寸(例如大约十纳米)的蚀刻技术。另外，可以使用折射率对比n_H-n_L为1或甚至小于1的材料。

已经对特定实施例进行了描述。不同的变型和修改对本领域技术人员将是显而易见的。因此，发光器件1可以包括多个相同、但是具有不同的具体发射图案的VCSEL 10。为此，与VCSEL 10相关联的折射率对比光栅20具有彼此不同的尺寸和/或外围凸块25的布置。

Claims (12)

1.一种发射光束的器件(1)，包括：

垂直腔表面发射激光源(10)，包括沿主光轴(Δ)延伸的谐振腔(11)，并且所述谐振腔由两个反射镜界定，其中顶部反射镜(13)限定发射表面(14)；

所述谐振腔(11)适于支持多种横向光学模式，包括基本横向模式和围绕所述主光轴(Δ)具有二阶旋转对称性的高阶横向模式；

其特征在于所述器件还包括：

折射率对比光栅(20)，其形成扩散透镜，所述折射率对比光栅布置在发射表面(14)上，并包括彼此分隔开的、由具有第一折射率(n_H)的至少一种材料制成的多个凸块，所述多个凸块被具有不同于所述第一折射率的第二折射率(n_L)的介质包围，所述多个凸块包括：

以所述主光轴(Δ)为中心的中心凸块(22)，以及

多个外围凸块(25⁽ⁱ⁾)，其相对于所述中心凸块(22)沿着一条或更多条同心线(24⁽ⁱ⁾)周期性布置，并且布置成使得所述折射率对比光栅(20)相对于主光轴(Δ)具有大于或等于三的奇数阶的旋转对称性。

2.根据权利要求1所述的器件(1)，其中，对于围绕中心凸块(22)布置的被认为处于第1行的第一同心线(24⁽¹⁾)，径向周期(Λρ⁽¹⁾)被定义为第一外围凸块(25⁽¹⁾)的外部径向边缘(27)与中心凸块(22)的径向边缘(23)之间沿径向轴(ρ)的距离，并且方位角周期(Λ_φ ⁽¹⁾)被定义为第一外围凸块(25⁽¹⁾)沿所述第一同心线(24⁽¹⁾)周期性布置的周期，径向周期(Λρ⁽¹⁾)和方位角周期(Λ_φ ⁽¹⁾)大于或等于λ_e/n_eff'，其中λ_e是由激光源(10)产生的光束的波长，并且n_eff'是由所述折射率对比光栅(20)引导的且波长为λ_e的纵向模式的有效折射率。

3.根据权利要求2所述的器件(1)，其中所述器件包括被布置为使其围绕第一同心线(24⁽¹⁾)的被认为处于第2行的第二同心线(24⁽²⁾)，对于所述第二同心线，径向周期(Λρ⁽²⁾)被定义为第2行的第二同心线(24⁽²⁾)的第二外围凸块(25⁽²⁾)的外部径向边缘(27)相对于第1行的第一同心线(24⁽¹⁾)的第一外围凸块(25⁽¹⁾)的外部径向边缘(27)之间沿径向轴(ρ)的距离，并且方位角周期(Λ_φ ⁽²⁾)被定义为第二外围凸块(25⁽²⁾)沿所述第2行的第二同心线(24⁽²⁾)周期性布置的周期，与第2行的第二同心线(24⁽²⁾)相关联的径向周期(Λρ⁽²⁾)和方位角周期(Λ_φ ⁽²⁾)分别大于或等于与第一同心线(24⁽¹⁾)相关联的径向周期(Λρ⁽¹⁾)和方位角周期(Λ_φ ⁽¹⁾)。

4.根据权利要求2所述的器件(1)，其中，与第i行的同心线(24⁽ⁱ⁾)相关联的径向周期(Λρ⁽ⁱ⁾)和方位角周期(Λ_φ ⁽ⁱ⁾)大于或等于波长λ_e。

5.根据权利要求1所述的器件(1)，其中，所述折射率对比光栅(20)至少包括被认为处于第1行和第2行的第一同心线(24⁽¹⁾)和第二同心线(24⁽²⁾)，第2行的第二同心线(24⁽²⁾)的第二外围凸块(25⁽²⁾)被布置为使其相对于第一同心线(24⁽¹⁾)的第一外围凸块(25⁽¹⁾)呈现方位角偏移。

6.根据权利要求5所述的器件(1)，其中，所述第2行的第二同心线(24⁽²⁾)的第二外围凸块(25⁽²⁾)与第1行的第一同心线(24⁽¹⁾)的第一外围凸块(25⁽¹⁾)反相布置。

7.根据权利要求1所述的器件(1)，其中，所述谐振腔(11)包括限定光学开口(19)的膜片(18)，其横向尺寸大于或等于由激光源(10)产生的光束的波长λ_e。

8.根据权利要求7所述的器件(1)，其中，所述中心凸块(22)的横向尺寸大于或等于光学开口(19)的横向尺寸的一半，容差为10％以内。

9.根据权利要求7所述的器件(1)，其中，所述中心凸块(22)和所述光学开口(19)具有圆形形状。

10.根据权利要求1所述的器件(1)，其中，所述第一折射率(n_H)与所述第二折射率(n_L)之间的折射率对比小于或等于1。

11.根据权利要求1所述的器件(1)，其中，所述凸块的厚度等于λ_e/(4.n_H)的奇数倍，其中λ_e是由激光源(10)产生的光束的波长，并且n_H是凸块的折射率。

12.一种用于制造根据权利要求1所述的发射光束的器件(1)的方法，所述方法包括：以晶片级生成彼此相同的激光源(10)的矩阵的步骤；在激光源(10)的发射表面(14)上共形地沉积钝化层(3)的步骤，然后通过局部蚀刻所述钝化层(3)来以晶片级生成折射率对比光栅(20)的步骤。