CN112117640B - 一种衬底型衍射光学元件vcsel分光结构及制备方法 - Google Patents

一种衬底型衍射光学元件vcsel分光结构及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种衬底型衍射光学元件VCSEL分光结构及制备方法，自下而上依次包括：热沉、底发射VCSEL阵列芯片、带有二元衍射光栅的衬底层、超表面结构层、保护层和增透膜层；所述衬底层的底部设有所述底发射VCSEL阵列芯片，所述衬底层的顶部设有二元衍射光栅，所述超表面结构层的组成微元呈正方形网格结构排布。本发明在底发射VCSEL芯片上键合衍射光学元件，将VCSEL芯片每个发光单元发射的激光分束，使输出激光束数量级增大；以及在衍射光学元件之上键合超表面结构层，用于激光分束后聚焦。本发明设计的衬底型衍射光学元件的VCSEL分光结构可以在半导体工艺下一步制成，且不需要外部光学元件，易实现器件小型化、芯片化。

Description

一种衬底型衍射光学元件VCSEL分光结构及制备方法
技术领域
本发明涉及激光分束技术领域，具体涉及一种衬底型衍射光学元件VCSEL分光结构及制备方法。
背景技术
结构光技术在现代生活、生产中具有广阔的发展前景和广泛的应用领域。结构光技术和ToF相比，计算量相对少，且功耗低，在近距离识别范围内精度更高，所以在人脸识别、手势识别方面极具优势。
结构光技术的关键在于衍射光学元件(Diffractive Optical Elements，DOE)对于激光束的整型分束。采用结构光技术的相关光学设备，通过红外激光器，将具有一定结构特征的光线投射到被拍摄物体上，再由专门的红外摄像头进行采集反射的结构光图案，根据三角测量原理进行深度信息的计算。而采用ToF技术的相关光学设备通过红外发射器发射调制过的光脉冲，遇到物体反射后，用接收器接收反射回来的光脉冲，并根据光脉冲的往返时间计算与物体之间的距离，或者调制成脉冲波(一般采用正弦波)，当遇到障碍物发生漫反射，再通过特制的CMOS传感器接收反射的正弦波，波形已经产生了相位偏移，通过相位偏移可以计算物体到深度相机的距离。所以ToF这种方式，对发射器和接收器的要求较高，对于时间的测量有极高的精度要求，并且将发射、接收等模块小型化并不容易。
本发明在顶发射VCSEL芯片上键合衍射光学元件，将VCSEL芯片每个发光单元发射的激光分束，将VCSEL阵列芯片输出激光束数量级增大。以及在衍射光学元件之上键合超表面结构，用于激光分束后聚焦。本发明设计的衬底型衍射光学元件的VCSEL分光结构可以在半导体工艺下一步制成，且不需要外部光学元件，易实现器件小型化、芯片化。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种衬底型衍射光学元件VCSEL分光结构及制备方法。
本发明公开了一种衬底型衍射光学元件VCSEL分光结构，自下而上依次包括：热沉、底发射VCSEL阵列芯片、带有二元衍射光栅的衬底层、超表面结构层、保护层和增透膜层；
所述衬底层的底部设有所述底发射VCSEL阵列芯片，所述衬底层的顶部设有二元衍射光栅，所述超表面结构层的组成微元结构排布。
作为本发明的进一步改进，所述二元衍射光栅在所述衬底层通过光刻工艺刻蚀出，将VCSEL阵列激光均匀光强分束为一百到一百万个子光束的阵列。
作为本发明的进一步改进，所述二元衍射光栅可经过G-A迭代算法、G-S迭代算法、Y-S优化算法，使得输出子光束强度不随衍射级次变化而变化，使衍射率、分束比、均匀率得到优化，输出均匀光强的子光束阵列。
作为本发明的进一步改进，所述衬底层包括GaAs、GaN和InP衬底中的一种，厚度为200-1000μm。
作为本发明的进一步改进，所述超表面结构层由不同长宽比的亚波长尺度的纳米微柱周期排布构成，可实现对经过二元衍射光栅分束后的激光进行聚焦。
作为本发明的进一步改进，所述保护层采用氮化硅材料，填充在超表面结构上，并经过磨薄、抛光处理。
作为本发明的进一步改进，所述增透膜的透过率为70％-100％。
本发明还公开了一种VCSEL分光结构的制备方法，包括：
S1、制备底发射VCSEL阵列芯片；
S2、在未刻蚀的衬底层的上表面刻蚀二元衍射光栅；
S3、在衬底层上方制备超表面结构层；
S4、在超表面结构层的上表面键合磨薄后的保护层；
S5、在保护层上制作一层增透膜层。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明在底发射VCSEL芯片上键合衍射光学元件，将VCSEL芯片每个发光单元发射的激光分束，使输出激光束数量级增大；以及在衍射光学元件之上键合超表面结构层，用于激光分束后聚焦。本发明设计的衬底型衍射光学元件的VCSEL分光结构可以在半导体工艺下一步制成，且不需要外部光学元件，易实现器件小型化、芯片化。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的衬底型衍射光学元件VCSEL分光结构的示意图；
图2为图1中二元衍射光栅的示意图。
图中：
1、热沉；2、底发射VCSEL阵列芯片；3、衬底层；4、二元衍射光栅；5、超表面结构层；6、保护层；7、增透膜层。
具体实施方式
为使本发明具体实施例的目的、技术方案及其优点表达更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。所描述的具体实施案例是本发明的部分具体体现，而非全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他具体实施方式，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
针对上述背景中ToF技术的一定局限和结构光技术用于近距离识别中的优势及其相关原理，本发明提供一种衬底型衍射光学元件VCSEL分光结构及制备方法。
如图1所示，本发明提供一种衬底型衍射光学元件VCSEL分光结构，自下而上依次包括：热沉1、底发射VCSEL阵列芯片2、带有二元衍射光栅4的衬底层3、超表面结构层5、保护层6和增透膜层7；具体为：
底发射VCSEL阵列芯片2的底部焊接在热沉1上，底发射VCSEL阵列芯片2的顶部设有衬底层3，衬底层3的上表面通过光刻工艺刻蚀有二元衍射光栅4，带有二元衍射光栅4的衬底层3的上表面设有超表面结构层5，超表面结构层5上设有保护层6，保护层6上设有增透膜层7。其中，
本发明的衬底层3包括GaAs、GaN和InP衬底中的一种，厚度为200-1000μm。
如图2所示，本发明的二元衍射光栅4用于将VCSEL阵列激光均匀光强分束为一百到一百万个子光束的阵列。二元衍射光栅4可经过G-A迭代算法、G-S迭代算法、Y-S优化等算法，使得输出子光束强度不随衍射级次变化而变化，使衍射率、分束比、均匀率得到优化，输出均匀光强的子光束阵列。
本发明的超表面结构层5的组成微元呈正方形网格结构排布，优选超表面结构层5由不同长宽比的亚波长尺度的纳米微柱周期排布构成，可实现对经过二元衍射光栅分束后的激光进行聚焦。
本发明的所述保护层6采用氮化硅材料，填充在超表面结构上，并经过磨薄、抛光处理。
本发明的增透膜7的透过率为70％-100％。
本发明提供一种VCSEL分光结构的制备方法，包括：
S1、制备底发射VCSEL阵列芯片；
S2、在未刻蚀的衬底层的上表面刻蚀二元衍射光栅；
S3、在衬底层上方制备超表面结构层；
S4、在超表面结构层的上表面键合磨薄后的保护层；
S5、在保护层上制作一层增透膜层。
实施例
具体实施1
本发明提供一种衬底型衍射光学元件VCSEL分光结构，自下而上依次包括：热沉1、底发射VCSEL阵列芯片2、带有二元衍射光栅4的衬底层3、超表面结构层5、保护层6和增透膜层7；
在底发射VCSEL芯片衬底层3材料上表面刻蚀二元衍射光栅4结构(图2)，具体为将用去离子水预处理后的基片在烘箱内烘烤十分钟；取出后使用自旋匀胶机涂布正光刻胶，进行曝光前烘烤后直写曝光，室温条件下利用稀KOH溶液显影处理40s；再将其使用去离子水清洁后放入烘箱坚膜处理约10分钟。最后进行干法刻蚀(如使用ICP刻蚀系统，CHF3流量为60sccm、氩气流量40sccm)以及利用丙酮、去离子水进行相关去胶处理。该二元衍射光栅结构将每单元激光分为10000单位的子光束。
在所述刻蚀二元衍射光栅衬底层刻蚀面填充SiO2，具体为利用热氧化，在刻蚀沟槽壁、槽底淀积生长SiO2层，再使用HDPCVD技术以电子回旋共振ECR形式的高密度等离子源将SiH4、O2、Ar等气体反应，在槽壁、槽底淀积SiO2层上生长SiO2直至将刻蚀的沟槽填平、覆盖。
超表面结构层5为SiO2组成，由不同长宽比的亚波长尺度的SiO2纳米微柱周期排布构成，其微元呈正方形网格结构排布，通过键合位于所述二元衍射光栅的衬底层填充物层表面，其对所述VCSEL阵列所发出激光在分束后聚焦。
所述保护层6为氮化硅薄保护层，采用PECVD的方法在超表面结构上沉积氮化硅，反应气体为SiH4、NH3。其中，沉积时采用高频功率，硅烷的流量范围为90-110sccm，氨气的流量范围为1500-1700sccm。需做磨薄、抛光处理。
所述增透膜7镀于所述氮化硅保护层上。
具体实施2
本发明提供一种衬底型衍射光学元件VCSEL分光结构，自下而上依次包括：热沉1、底发射VCSEL阵列芯片2、带有二元衍射光栅4的衬底层3、超表面结构层5、保护层6和增透膜层7；
在底发射VCSEL芯片采用纳米压印技术在衬底层材料上表面刻蚀二元衍射光栅结构(图2)，具体利用电子束加工具有二元衍射光栅凹凸结构的模具，将其压制在涂有光刻胶的GaAs衬底层材料上，退模，将残膜最小厚度控制在10nm以内，用紫外光使光刻胶固化，用刻蚀液将未完全去除的光刻胶刻蚀掉，露出待加工衬底层材料表面，然后使用化学刻蚀的方法进行加工，完成后去除全部光刻胶，最终得到带二元衍射光栅结构的衬底层。所述刻蚀该二元衍射光栅结构将每单元激光分为10000单位的子光束。
在所述刻蚀二元衍射光栅衬底层刻蚀面填充SiO2，具体为利用热氧化，在刻蚀沟槽壁、槽底淀积生长SiO2层，再使用HDPCVD技术以电子回旋共振ECR形式的高密度等离子源将SiH4、O2、Ar等气体反应，在槽壁、槽底淀积SiO2层上生长SiO2直至将刻蚀的沟槽填平、覆盖。
超表面结构层5为SiO2组成，由不同长宽比的亚波长尺度的SiO2纳米微柱周期排布构成，其微元呈正方形网格结构排布，通过键合位于所述二元衍射光栅的衬底层填充物层表面，其对所述VCSEL阵列所发出激光在分束后聚焦。
所述保护层6为氮化硅薄保护层，采用PECVD的方法在超表面结构上沉积氮化硅，反应气体为SiH4、NH3。其中，沉积时采用高频功率，硅烷的流量范围为90-110sccm，氨气的流量范围为1500-1700sccm。氮化硅薄保护层需做磨薄、抛光处理。
所述增透膜7镀于所述氮化硅保护层6上。
本发明的优点为：
本发明采用了二元衍射光栅结构和超表面结构实现上万个激光分束和聚焦，并所述二元衍射光栅结构和超表面结构直接在衬底上制备，不需要外部的光学元件，可通过半导体芯片工艺一步完成，可以大大减小激光器体积，并提高系统可靠性。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种衬底型衍射光学元件VCSEL分光结构，其特征在于，自下而上依次包括：热沉、底发射VCSEL阵列芯片、带有二元衍射光栅的衬底层、超表面结构层、保护层和增透膜层；
所述衬底层的底部设有所述底发射VCSEL阵列芯片，所述衬底层的顶部设有二元衍射光栅，所述超表面结构层的组成微元结构排布，微元呈正方形网格结构排布；
其中，所述衬底层为GaAs、GaN和InP衬底中的一种，所述二元衍射光栅在所述衬底层通过光刻工艺刻蚀出，将VCSEL阵列激光均匀光强分束为一百到一百万个子光束的阵列，在所述二元衍射光栅的衬底层刻蚀面填充SiO2；所述二元衍射光栅可经过G-A迭代算法、G-S迭代算法、Y-S优化算法，使得输出子光束强度不随衍射级次变化而变化，使衍射率、分束比、均匀率得到优化，输出均匀光强的子光束阵列；
超表面结构层由不同长宽比的亚波长尺度的SiO2纳米微柱周期排布构成，超表面结构层通过键合位于所述二元衍射光栅的衬底层的SiO2填充层表面，对所述VCSEL阵列所发出激光在分束后聚焦。
2.如权利要求1所述的VCSEL分光结构，其特征在于，所述衬底层的厚度为200-1000μm。
3.如权利要求1所述的VCSEL分光结构，其特征在于，所述保护层采用氮化硅材料，填充在超表面结构上，并经过磨薄、抛光处理。
4.如权利要求1所述的VCSEL分光结构，其特征在于，所述增透膜的透过率为70％-100％。
5.一种如权利要求1～4中任一项所述的VCSEL分光结构的制备方法，其特征在于，包括：
S1、制备底发射VCSEL阵列芯片；
S2、在未刻蚀的衬底层的上表面刻蚀二元衍射光栅；
S3、在衬底层上方制备超表面结构层；
S4、在超表面结构层的上表面键合磨薄后的保护层；
S5、在保护层上制作一层增透膜层。
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