CN112567580A - 低发散垂直腔表面发射激光器及结合其的模块和主机装置 - Google Patents

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Abstract

本公开描述一种可操作以产生非常窄发散光束的VCSEL。可部分通过结合额外外延层以增加VCSEL的腔长度来获得窄发散光束。增加的腔长度可导致更高的功率、更少的较大直径横向模式，其可显著减少输出光束发散。额外外延层可结合至(例如)顶部发射VCSEL或底部发射VCSEL中。

Description

低发散垂直腔表面发射激光器及结合其的模块和主机装置
技术领域
本公开涉及包括非常低发散垂直腔表面发射激光器(vertical cavity surfaceemitting laser，VCSEL)的光学照明源。
背景技术
VCSEL可提供用于各种照明应用的小而紧凑的强力激光源。在快速增长的应用领域中应用使用VCSEL作为结构化光成像系统、光检测及测距(light detection andranging，LIDAR)系统及其他类型的3D感测及成像系统的照明源。
例如，用于物体的接近度或距离检测的典型方法涉及使用光源(诸如LED)来照射物体及测量反射回位于源附近的检测器的光的强度。随着物体进一步移动远离光源及检测器，检测器处的反射光强度减小。该方法依靠来自强良好准直光学源的良好物体照明及物体的已知反射。物体的反射及甚至形状的差异会改变检测到的光，从而导致距离测量的误差。当前可用的一些光源以合理成本产生具有相对较低强度和/或高度发散的光束，其限制可准确测量的距离，因为反射强度在较大距离处较低且变得低于检测器的检测极限或无法与周围光水平区分。
VCSEL一般可产生低于(例如)发光二极管或其他非相干源的发散光束，且已利用VCSEL输出光束的减少的发散的优点开发了一些模块(例如接近度传感器)。然而，标准VCSEL的半高全宽(full-width half-maximum)发散度通常为约15度，这会限制这样的接近度传感器的灵敏度。
移动电话及类似的平板计算机的出现产生了对相机自动对焦应用及其他类似系统的准确距离感测的需求。传感器必须小型化以可与移动电话的紧凑性兼容。此导致一些问题，因为其将光学检测器放置为靠近光学源。就发散光源而言，来自保护窗的反射可传播回检测器以由此严格限制传感器的物体距离检测极限。移动电话相机系统的增加复杂性需要更准确的接近度传感器，同时维持或甚至进一步减少微小占用面积(footprint)。
发明内容
本公开描述了可在一些情况中操作以产生非常窄发散光束的VCSEL。根据一些实施方案，本公开描述了一种光学源，其包括可操作以生成具有(例如)不超过10度的半高全宽光束发散度的窄发散源光束的VCSEL。一些实施方案甚至提供0.5度至5度范围内的更窄发散光束。
广义而言，可部分通过结合额外外延层以增加VCSEL的腔长度来获得更窄发散光束。增加的腔长度可导致更高的功率及更少的较大直径横向模式，其可显著减少输出光束发散。额外外延层可结合至(例如)顶部发射VCSEL或底部发射VCSEL中。
例如，在一个方面，本公开描述了一种垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，其包括基板及该基板上的外延VCSEL结构。该外延VCSEL结构包括布置在底部镜与部分反射中间镜之间的谐振腔，该谐振腔包括增益区域，该部分反射中间镜比该底部镜更远离该基板。该外延VCSEL结构还包括布置在该部分反射中间镜与顶部镜之间的额外外延层，该顶部镜比该部分反射中间镜更远离该基板，且该额外外延层具有5μm至100μm的范围内的厚度。
在另一方面，本公开描述了一种垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，其包括基板及该基板上的外延VCSEL结构。该外延VCSEL结构包括布置在顶部镜与部分反射中间镜之间的谐振腔，该谐振腔包括增益区域，该顶部镜比该部分反射中间镜更远离该基板。该外延VCSEL结构还包括布置在该部分反射中间镜与底部镜之间的额外外延层，该部分反射中间镜比该底部镜更远离该基板，且该额外外延层具有5μm至100μm的范围内的厚度。
一些实施方案包括以下特征的一个或多个。例如，在一些情况中，该顶部镜是部分反射的，且该VCSEL可操作为顶部发射VCSEL以产生通过该顶部镜所发射的输出光束。在其他情况中，该底部镜是部分反射的，且该VCSEL可操作为底部发射VCSEL以产生通过该底部镜所发射的输出光束。
一些实施方案包括以下特征的一个或多个。例如，在一些实施方案中，该额外外延层具有5μm至50μm的范围内的厚度。在一些实例中，该VCSEL可操作以产生从该VCSEL发射的光束，该光束具有不超过10度的半高全宽光束发散度。在一些情况中，该光束具有0.5度至5度的范围内的半高全宽光束发散度。该VCSEL可包括用于使电流集中于该增益区域的特定部分中的孔隙，其中该部分反射中间镜布置在该增益区域与该额外外延层之间。
在一些实例中，该VCSEL可操作以产生从该VCSEL发射的光束，该额外外延层对于该光束的波长是透明的，且该基板对于该光束的该波长是不透明的。该额外外延层可由(例如)AlGaAs组成，且该基板可由(例如)GaAs组成。在一些实施方案(其中该基板由GaAs组成)中，该额外外延层对于小于950nm的波长是透明的。
多个VCSEL(其中每一个VCSEL具有该额外外延层)可集成至VCSEL阵列中。
本公开还描述了一种光学传感器模块，其包括光学源，该光学源包括可操作以生成通过窗引导朝向物体的窄发散源光束的VCSEL。该模块还包括用于感测从由该窄发散源光束照射的该物体反射回的光的光学检测器。计算装置可操作以至少部分基于来自该光学检测器的信号来确定至该物体的距离或该物体的物理特性。
本公开进一步描述了一种主机装置，其包括光学传感器模块，该光学传感器模块包括光学源，该光学源包括可操作以产生窄发散源光束的VCSEL。该主机装置可操作以将由该光学传感器模块的该光学检测器获得的数据用于由该主机装置执行的一或多个功能。
通过以下具体实施方式、附图以及权利要求，其他方面、特征和优点将是显而易见的。
附图说明
图1示出顶部发射VCSEL结构。
图2示出另一顶部发射VCSEL结构。
图3示出又一顶部发射结构。
图4示出底部发射VCSEL结构。
图5示出另一底部发射VCSEL结构。
图6A及图6B示出VCSEL阵列的示例。
图7示出包括低光束发散VCSEL的接近度传感器模块的示例。
图8示出包括低光束发散VCSEL的主机装置的示例。
具体实施方式
如图1中所示，顶部发射VCSEL装置20包括外延生长在基板22上的VCSEL结构。VCSEL谐振腔形成在第一下镜24与第二上镜26之间。底部镜24可实施为(例如)高反射率分布式布拉格反射器(DBR)。顶部镜26(其可实施为(例如)DBR或多层介电涂层)具有较低反射率，使得其仅部分反射以由此允许输出光束36通过VCSEL的顶部(即，通过最远离基板22的VCSEL20的一端)离开。包括多个量子阱的堆栈或组的激光增益区域28布置在镜24、26之间。增益(即，有源)区域28由流动于顶部触点(例如电极)30与底部触点(例如电极)32之间的电流激活。在一些设计中，通过使激光束照射增益区域28中的量子阱以光学泵激载流子来激活该量子阱。在由电流激活的VCSEL中，孔隙34可用于使电流集中于中心区域中。可通过(例如)氧化来形成此孔隙34，但可使用诸如离子注入的其他技术来形成围绕孔隙的电绝缘区域。高增益导致镜24、26之间的激光振荡。
VCSEL装置20优选地可以包括布置在增益区域28与顶部镜26之间的第三(中间)镜27。因此，VCSEL腔是3镜腔。中间镜27可实施为(例如)DBR。中间镜27的反射率应经设计使得中间镜本身(即，无顶部镜26)不足以实现激光发光，中间镜27及顶部镜26的组合反射率允许VCSEL 20实现激光发光。
外延层38布置在中间镜27与顶部镜26之间，使得中间镜27及外延层38两者布置在增益区域28与顶部镜26之间。如图1的示例中所示出，外延层38可夹置在中间镜27与顶部镜26之间，使得外延层38与中间镜27及顶部镜26两者直接接触。添加外延层38可有助于减少输出光束36的发散。优选地，使外延层38相对较厚(例如5μm至25μm；且在一些情况中，甚至更厚，诸如高达50μm或甚至高达100μm)。在一些实例中，外延层38具有约25μm的厚度。其他厚度可适合于一些实施方案。
在一些实施方案中，外延层38由对至少一些波长透明的半导体材料组成，对于这些波长，基板22是不透明的。例如，在一些实施方案中，基板22由砷化镓(GaAs)组成，且外延层38由砷化铝镓(AlGaAs)组成。在这些情况中，可以控制外延层38的合金成分(例如铝的百分比)以使得AlGaAs层具有特定带隙，该特定带隙使得AlGaAs层对于由VCSEL产生的光的(多个)波长是透明的。这允许VCSEL经调适以发射相对较短波长光(例如小于950nm)，即使GaAs基板22对于这样的波长是不透明的。
本技术可应用于(例如)顶部发射VCSEL且如上文所提及，可有利地用于可操作以发射较短波长光(例如<950nm)的VCSEL。在一些实施方案中，外延层38由基本上与(多个)相邻半导体材料晶格匹配的其他半导体化合物组成。例如，在一些情况中，外延层38由包括ZnSe的InGaAsP、GaN或GaAsP组成。
图2示出VCSEL装置20A的另一实施例，除厚外延层38生长为更靠近VCSEL腔的底侧之外，VCSEL装置20A类似于图1。如图2中所示，外延层38布置在底部镜24与中间镜27之间且与底部镜24及中间镜27接触，其中这些所有布置在基板22与增益区域28之间。图2的外延层28可具有类似于上文结合图1的VCSEL装置所描述的厚度及组合物的厚度及成分。在一些情况中，可有利地将增益区域28放置成更靠近VCSEL装置的顶部(即，发光)表面。例如，输出光束36可具有较小直径。
用于减少VCSEL输出光束的发散的本技术可与有助于减少发散的其他技术组合。例如，在一些实例中，可通过使用多个增益区段而不只是多个量子阱的单个增益区段组来增加增益区域28的长度。增益区段可通过(多个)隧穿结来彼此分离，其中各增益区段放置在谐振腔驻波的最大强度点处，使得腔长度按半波长增加所添加的增益区段的数量。所得VCSEL装置可由于较长腔而具有较低发散光束，且还可由于来自多个增益区段的较高增益而具有较高强度。图3中示出示例，其示出类似于图1的VCSEL装置的VCSEL装置20B，但其增益区域28包括由隧穿结42分离的多个量子阱组40。在一些情况中，这些堆叠的增益区域可产生较高增益以产生较高输出功率及效率，且可减小较高调制频率的电容。具有多个堆叠的增益区段的增益区域的上述特征可结合至本公开中所描述的任何实施方案(其包括下文将描述的实施方案)中。
此外，在一些情况中，可通过增加底部镜24(或顶部镜26)的堆栈中的DBR镜的数目而延伸腔长度。例如，在GaAs/GaAlAs DBR中，减小Al浓度将需要特定反射率的较大数目的镜对以由此增加腔长度。腔长度的增加将减少较高阶模式的数目且将因此减小发散角。在一些实例中，DBR镜堆栈包括由具有1％至7％的范围内的折射率差的不同材料的交替层组成的多个DBR镜对。上述特征可结合至本公开中所描述的任何实施方案(其包括下文将描述的实施方案)中。
添加相对较厚外延层还可结合至底部发射VCSEL结构中。图4及图5示出这些VCSEL装置的示例。在图4及图5中，底部镜24及中间镜27的每个是部分反射的，且光束36自VCSEL装置发射通过GaAs或其他基板22。如图4中所示，VCSEL装置20D包括布置在中间镜27与顶部镜26之间的外延层38。中间镜27及外延层38两者布置在增益区域28与顶部镜26之间。另一方面，如图5中所示，VCSEL装置20E包括布置在底部镜24与中间镜27之间的外延层38。在此实施方案中，底部镜24及中间镜27两者及外延层38布置在基板22与增益区域28之间。图4及图5的外延层28可具有与上文结合图1的VCSEL装置所描述的厚度及成分类似的厚度及成分。
底部发射VCSEL有时操作以发射较长波长，相对于该波长而言基板22是透明的。可在一些实例(例如图4的VCSEL装置20D)中实现的优点是更好的冷却，因为散热器可放置在更靠近VCSEL结构的顶部触点30上。此外，在图5的示例中，厚外延层38生长在VCSEL腔的底侧上，使得增益区域38更靠近VCSEL装置的顶面。在一些情境中，这可导致增益区域38的甚至更好的冷却。
在上述各实施方案中，额外外延层38由其成分不同于相邻镜结构的成分的半导体材料(例如半导体化合物)组成。
多个VCSEL(其中每个具有上文所描述的额外外延生长层)可集成至VCSEL阵列中。例如，阵列中的VCSEL 50可规则地间隔开使得这些VCSEL以规则图案(图6A)布置，或随机间隔开使得这些VCSEL呈随机布置(图6B)。VCSEL 50可通过相应电连接54来连接至相应电触点52使得VCSEL可寻址，且可被单独或按组激活或去激活。
图7示出包括低光束发散VCSEL源(诸如上述VCSEL源中的一个(例如图1、图2、图3、图4或图5))的接近度传感器模块的示例。VCSEL 150及光检测器(例如光电检测器)151一起紧密安装在共同基板153上。VCSEL光束通过窗107传播出去且反射并散射离开模块外的物体。反向散射辐射108的一部分通过窗107返回且由检测器151捕获。来自检测器的信号强度由处理电路用于确定物体与传感器的距离。在所示出的示例中，VCSEL光束发散足够小，使得来自窗107的镜面反射152返回至VCSEL附近且不落在检测器151上。因此，此反射152不添加噪声信号而修改由检测器151接收的反向散射信号且因此不降级距离确定。
因此，所示出的光学传感器模块包括VCSEL装置作为光学源，VCSEL装置可操作以产生通过窗引导朝向物体的窄发散源光束，在一些情况中，窄发散源光束具有不超过10度的半高全宽光束发散度。模块进一步包括：光学检测器，其感测从由窄发散源光束照射的物体反射回的光；以及计算装置160，其包括可操作以至少部分基于来自光学检测器的信号来确定至物体的距离或物体的物理特性的处理电路。处理电路可实施为(例如)具有适当数字逻辑和/或其他硬件组件(例如读出缓存器、放大器、模拟转数字转换器、时钟驱动器、时序逻辑、信号处理电路和/或微处理器)的一或多个半导体芯片中的一或多个集成电路。因此，处理电路被配置为实施与此电路相关联的各种功能。
一些实施方案提供(例如)0.5度至5度范围内的较窄发散光束以在较小占用面积组件中提供高很多的接近度感测准确度。
可通过使用来自VCSEL的低发散光束来获得额外益处。照射到物体上的光束相对小以由此导致较高入射功率密度。因此，散射及反射功率成比例地更高。这些特征可导致具有较短脉冲的改良距离测量分辨率及测量较长距离的能力。由于可维持VCSEL与检测器之间的小距离，所以可在小占用面积中实现这些益处。
以上描述是关于用于诸如相机自聚焦之类的应用及其他运动检测应用的物体接近度感测进行的。然而，该技术的其他应用将显而易见。例如，非常低发散VCSEL源光束还可通过测量(例如)血流量、心率和/或化学成分来用于健康监测。在这些应用中，将源光束引导至样本或物体处，且检测器测量依一个或多个波长的反射光的量或与来自心跳的脉冲效应有关的反射光的波动。在这些其他应用中，VCSEL具有与上述相同的非常低发散性质也同样重要。还可通过结合本公开的技术来提高这些应用的灵敏度。本技术还可用于(例如)其他光学感测模块，诸如用于手势感测或识别。
上述VCSEL或结合一或多个这些VCSEL的模块可集成至各种主机装置(诸如智能电话、膝上型计算机、可穿戴装置、其他计算机及汽车)中。主机装置可包括处理器及其他电子组件及配置为收集数据的其他补充模块(诸如相机、飞行时间成像器)。可包括诸如环境照明、显示屏幕、汽车车前灯等的其他补充模块。主机装置可进一步包括其中存储用于操作光电子模块及在一些实例中操作补充模块的指令的非易失性存储器。
图8示出作为主机装置的示例的智能电话270，其包括用于三维光学成像和/或感测的模块。该模块可操作以发射光及检测入射光束。该模块包括如上所述可操作以产生非常低发散光束的VCSEL光源274。该模块进一步包括可操作以感测入射光束的传感器276。VCSEL光源274及传感器276可安装在(例如)印刷电路板或其他基板278上。该模块还可包括投影光学器件279A和/或收集光学器件279B，光学器件可实施为(例如)透镜或其他无源光学元件。信号处理电路可操作以处理由传感器276检测的信号和确定(例如)至智能电话270外的物体(其将一些光反射回智能电话)的距离和/或用于手势识别。
由于在一些情况中，使用上述VCSEL的模块可获得更准确数据，且该数据可用于由智能电话执行的功能(例如对用户接近度的屏幕响应)，所以可更准确执行这些功能及其他功能以由此给智能电话或其他主机装置本身带来实质优势。
在一些情况中，多个上述VCSEL可结合成VCSEL阵列。在一些实施方案中，一或多个VCSEL布置在可操作以产生结构化光的模块中。
尽管已参考一些优选实施例来描述本公开的广泛框架，但可通过应用本公开中所描述的元件的组合及子组合来配置其他实施方案。因此，其他实施方案包括在在权利要求的范畴内。

Claims (27)

1.一种垂直腔表面发射激光器VCSEL，其包括：
基板；
外延VCSEL结构，其位于该基板上，其中该外延VCSEL结构包括：
谐振腔，其包括增益区域，该谐振腔布置在底部镜与部分反射中间镜之间，该部分反射中间镜比该底部镜更远离该基板；以及
额外外延层，其布置在该部分反射中间镜与顶部镜之间，该顶部镜比该部分反射中间镜更远离该基板，且该额外外延层具有5μm至100μm的范围内的厚度。
2.如权利要求1所述的VCSEL，其中该额外外延层具有5μm至50μm的范围内的厚度。
3.如权利要求1或2中任一项所述的VCSEL，其中该顶部镜是部分反射的，且该VCSEL能够操作为顶部发射VCSEL以产生通过该顶部镜所发射的输出光束。
4.如权利要求1或2中任一项所述的VCSEL，其中该底部镜是部分反射的，且该VCSEL能够操作为底部发射VCSEL以产生通过该底部镜所发射的输出光束。
5.如权利要求1至4中任一项所述的VCSEL，其中该VCSEL能够操作以产生从该VCSEL发射的光束，该光束具有不超过10度的半高全宽光束发散度。
6.如权利要求5所述的VCSEL，其中该VCSEL能够操作以产生从该VCSEL发射的光束，该光束具有0.5度至5度的范围内的半高全宽光束发散度。
7.如权利要求1至4中任一项所述的VCSEL，其包括用于使电流集中于该增益区域的特定部分中的孔隙，其中该部分反射中间镜布置在该增益区域与该额外外延层之间。
8.如权利要求3所述的VCSEL，其中该VCSEL能够操作以产生从该VCSEL发射的光束，该额外外延层对于该光束的波长是透明的，且该基板对于该光束的该波长是不透明的。
9.如权利要求8所述的VCSEL，其中该额外外延层由AlGaAs组成，且该基板由GaAs组成。
10.如权利要求8所述的VCSEL，其中该基板由GaAs组成，且该额外外延层对于小于950nm的波长是不透明的。
11.一种垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，其包括：
基板；
外延VCSEL结构，其位于该基板上，其中该外延VCSEL结构包括：
谐振腔，其包括增益区域，该谐振腔布置在顶部镜与部分反射中间镜之间，该顶部镜比该部分反射中间镜更远离该基板；及
额外外延层，其布置在该部分反射中间镜与底部镜之间，该部分反射中间镜比该底部镜更远离该基板，且该额外外延层具有5μm至100μm的范围内的厚度。
12.如权利要求11所述的VCSEL，其中该额外外延层具有5μm至50μm的范围内的厚度。
13.如权利要求11或12中任一项所述的VCSEL，其中该顶部镜是部分反射的，且该VCSEL能够操作为顶部发射VCSEL以产生通过该顶部镜所发射的输出光束。
14.如权利要求11或12中任一项所述的VCSEL，其中该底部镜是部分反射的，且该VCSEL能够操作为底部发射VCSEL以产生通过该底部镜所发射的输出光束。
15.如权利要求11至14中任一项所述的VCSEL，其中该VCSEL能够操作以产生从该VCSEL发射的光束，该光束具有不超过10度的半高全宽光束发散度。
16.如权利要求15所述的VCSEL，其中该VCSEL能够操作以产生从该VCSEL发射的光束，该光束具有0.5度至5度的范围内的半高全宽光束发散度。
17.如权利要求11至14中任一项所述的VCSEL，其包括用于使电流集中于该增益区域的特定部分中的孔隙，其中该部分反射中间镜布置在该额外外延层与该增益区域之间。
18.如权利要求13所述的VCSEL，其中该VCSEL能够操作以产生从该VCSEL发射的光束，该额外外延层对于该光束的波长是透明的，且该基板对于该光束的该波长是不透明的。
19.如权利要求18所述的VCSEL，其中该额外外延层由AlGaAs组成，且该基板由GaAs组成。
20.如权利要求18所述的VCSEL，其中该基板由GaAs组成，且该额外外延层对于小于950nm的波长是不透明的。
21.如权利要求1至20中任一项的VCSEL，其中该增益区域包括通过一或多个隧穿结来彼此分离的多个堆叠的量子阱组。
22.一种VCSEL阵列，其包括：
多个如权利要求1至21中任一项所述的VCSEL；以及
多个触点，每个触点电连接至所述VCSEL中的一或多个。
23.如权利要求22所述的VCSEL阵列，其中所述VCSEL以规则图案布置。
24.如权利要求22所述的VCSEL阵列，其中所述VCSEL呈随机布置。
25.一种光学传感器模块，其包括：
光学源，其包括如权利要求1至21中任一项所述的VCSEL，该VCSEL能够操作以产生通过窗引导朝向物体的窄发散源光束；
光学检测器，其感测从由该窄发散源光束照射的该物体反射回的光；以及
计算装置，其能够操作以至少部分基于来自该光学检测器的信号来确定至该物体的距离或该物体的物理特性。
26.一种主机装置，其包括如权利要求25所述的光学传感器模块，其中该主机装置能够操作以将由该光学传感器模块的该光学检测器获得的数据用于由该主机装置执行的一或多个功能。
27.如权利要求26所述的主机装置，其中该主机装置是智能电话。
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