CN114096779A - 光纤传送的激光诱导白光系统 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种用于生成光纤传送的激光诱导白光的设备。该设备包括：封装壳体，其利用通过盖构件的电连接器封闭板构件；以及激光模块，被配置到封装壳体内部的板构件。该激光模块包括支撑构件、被配置为发射第一波长的激光的至少一个激光二极管装置、用于将激光朝向输出端口引导的一组光学器件。此外，该设备包括：光纤组件，被配置为接收来自输出端口的激光，以进一步传送到设置在远程目的地中的光头部构件。设置在光头部构件中的荧光体材料接收从光纤组件出射的激光，以诱导第二波长的荧光体发射，从而产生用于各种应用的基本上从其反射的白光发射。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年12月21日提交的美国专利申请第16/230,158号的优先权，出于所有目的将其公开内容通过引用全部并入本文。
背景技术
19世纪后期，托马斯爱迪生发明了灯泡。常规灯泡(通常被称为“爱迪生灯泡”)已经用于包括照明和显示器的各种应用超过一百年。常规灯泡使用封闭在玻璃灯泡中的钨丝，该玻璃灯泡密封在底座中，该底座拧入插座中。插座耦合到交流电源或直流电源。常规灯泡通常可以在房屋、建筑物和室外照明以及其他需要照明或显示器的区域中找到。不幸的是，常规灯泡存在缺点：
·常规灯泡消耗90％以上的用作热能的能量。
·常规灯泡通常由于灯丝元件的热膨胀和收缩而故障。
·常规灯泡在广返光谱上发射光，其中大部分不被人眼感知。
·常规灯泡沿所有方向发射，这对于需要强方向性或聚焦的应用(例如，投影显示器、光学数据存储等)是不期望的。
为了克服常规灯泡的一些缺点，已经开发了几种替代方案，包括荧光灯、汞蒸气灯、钠蒸气灯、其他高强度放电(HID)灯、气体放电灯(诸如，氖灯)等。这些灯技术通常遭受与爱迪生灯类似的问题以及具有其独特的缺点。例如，荧光灯需要高电压来启动，对于大型灯，高电压可能在一千伏的范围内，并且还发射由光谱线主导的非理想的光谱。
在过去的十年中，固态照明由于其优于常规照明技术的几个关键优点而变得越来越重要。固态照明是源自半导体装置(诸如，二极管)的照明，该半导体装置被设计和优化以发射光子。由于由固态照明技术提供的高效率、长寿命、低成本和无毒性，发光二极管(LED)已经迅速成为首选照明技术。LED是一种通常基于p-i-n结二极管的双引线半导体光源，当激活时发射电磁辐射。LED的发射是自发的，并且通常是朗伯模式。当向引线施加合适的电压时，电子和空穴在装置内重组，从而以光子的形式释放能量。这种效应被称为电致发光，并且光的颜色由半导体的能带隙决定。
在1962年，发射低强度红外光的最早的LED作为实际的电子部件出现。红外LED仍然经常被用作远程控制电路中的发射元件，诸如用于各种消费电子产品的远程控制中的发射元件。第一个可见光LED也是低强度的，并且仅限于红色。现代LED可用于可见光、紫外线和红外线波长，具有非常高的亮度。
由于缺少p型GaN，最早的蓝色和紫色氮化镓(GaN)基LED是使用金属-绝缘体-半导体结构制造的。1989年，天野(Amano)等人使用LEEBI处理获得p型GaN证明了第一个p-n结GaN LED。他们获得了LED的电流-电压(I-V)曲线和电致发光，但没有记录LED的输出功率或效率。1991年，中村(Nakamura)等人使用低温GaN缓冲器和LEEBI处理证明了p-n结GaN LED，在20mA时输出功率为42μW。1993年，中村等人证明了第一个p-GaN/n-InGaN/n-GaN DH蓝色LED。在正向偏置条件下，LED在蓝色波长区域中示出InGaN的强带边发射，发射波长为440nm。在20mA的正向电流下，输出功率和EQE分别为125μW和0.22％。1994年，中村等人证明了商用蓝色LED，其输出功率为1.5mW，EQE为2.7％，并且发射波长为450nm。2014年10月7日，诺贝尔物理学奖被授予赤崎勇(Isamu Akasaki)、天野浩(Hiroshi Amano)和中村修二(Shuji Nakamura)，以表彰“发明了实现明亮和节能的白光源的高效蓝色发光二极管”，或者不太正式地，LED灯。
通过将GaN基LED与诸如荧光体的波长转换材料组合，实现了固态白光源。利用GaN基LED和荧光体材料来产生白光的这种技术现在由于与白炽光源相比的许多优点(包括更低的能耗、更长的寿命、改进的物理稳健性、更小的尺寸和更快的切换)而照亮了我们的全世界。LED现在用于多种应用中，如航空照明、汽车前照灯、广告、普通照明、交通信号和相机闪光灯。LED已经允许开发新的文本、视频显示器和传感器，而它们的高切换速率在通信技术中可能非常有用。然而，LED不是唯一的固态光源，并且对于某些照明应用可能不是优选的光源。利用受激发射的替代固态光源(诸如激光二极管(LD)或超辐射发光二极管(SLED))提供了优于LED的许多独特特征。
1960年，马利布休斯研究实验室的西奥多·H·迈曼(Theodore H.Maiman)证明了这种激光器。该激光器利用固态闪光灯泵浦合成红宝石晶体以产生694nm的红色激光。早期可见的激光技术包括使用具有非线性光学特性的特殊晶体将输出波长转换为可见的灯泵浦红外固态激光器。例如，绿灯泵浦固态激光器具有3个阶段：电功率灯、灯激发在1064nm处激光的增益晶体、1064nm进入转换为可见的532nm的频率转换晶体。所得绿色和蓝色激光器被称为“具有二次谐波生成的灯泵浦固态激光器”(具有SHG的LPSS)，其壁塞效率约为1％，并且比氩离子气体激光器更有效，但是对于专业科学和医学应用之外的广泛部署仍然太低效、大、昂贵、易碎。为了提高这些可见的激光器的效率，使用高功率二极管(或半导体)激光器。这些“具有SHG的二极管泵浦固态激光器”(具有SHG的DPSS)具有3个阶段：电功率808nm二极管激光器、808nm激发在1064nm处激光的增益晶体、1064nm进入转换为可见的532nm的频率转换晶体。随着高功率激光二极管的发展和新的特殊SHG晶体的开发，可以直接转换红外二极管激光器的输出以产生蓝色和绿色激光输出。这种“直接倍频二极管激光器”或SHG二极管激光器具有2个阶段：电功率1064nm半导体激光器、1064nm进入转换为可见的532nm绿光的频率转换晶体。与DPSS-SHG激光器相比，这些激光器设计旨在改进效率、成本和尺寸，但是所需的专用二极管和晶体使其在今天具有挑战性。
固态激光源，由于其光谱的窄化，与LED相比使得能够实现有效的光谱滤波、高调制率和较短的载流子寿命、较小的尺寸和更大的表面亮度，作为在包括照明灯具、照明系统、显示器、投影仪等的许多应用中以高带宽发送信息的手段，可以更优选地为可见光源。基于改进的工艺的新的GaN基蓝色激光技术的进步显著地降低了制造成本，并且为利用调制激光信号和光斑直接测量周围环境和/或与周围环境交互、将数据发送到其他电子系统以及动态地响应来自各种传感器的输入开辟了机会。这样的应用在本文中被称为“智能照明”应用，以在本文的整个说明书中公开。
发明内容
本发明提供一种光纤传送的荧光体发射白光系统及其制造方法。仅通过示例，本发明提供了来自含镓和氮的激光二极管的激光泵浦荧光体光源、与封装中的光纤附接荧光体集成的白光源以及激光泵浦光传送配置。本发明可应用于许多应用，包括在普通照明、商业照明和显示、汽车照明和通信、国防和安全、工业加工和互联网通信等应用中的静态照明装置和方法、动态照明装置和方法、LIDAR、LiFi和可见光通信装置和方法以及以上的各种组合。
本发明的具体实施例采用转移的含镓和氮的材料工艺来制造激光二极管或其他含镓和氮的装置(如本申请的发明人之一提交的美国专利申请第9,666,677号和第9,379,525号中所示)，从而实现比优于常规制造技术的优点。
在一些实施例中，采用诸如MEMS扫描反射镜的光束整形元件和由集成传感器反馈触发的通信来生成智能激光照明。智能激光照明可以与LIDAR技术组合以用于增强的系统功能和/或增强的LIDAR功能。本发明的具体实施例采用转移的含镓和氮的材料工艺(美国专利申请第9,666,677号和第9,379,525号)来制造激光二极管或其他含镓和氮的装置，从而实现优于常规制造技术的优点。
可选地，用于光纤传送的智能激光照明系统中的荧光体材料包括掺杂有Ce的陶瓷钇铝石榴石(YAG)或掺杂有Ce的单晶YAG或包含粘合剂材料的粉末YAG。荧光体的光学转换效率大于50流明/光瓦、大于100流明/光瓦、大于200流明/光瓦或大于300流明/光瓦。
可选地，波导元件用于将激光激发泵浦源传输到诸如荧光体元件的远程波长转换器元件。在优选实施例中，传输波导是光学光纤，其中，光学光纤可以由单模光纤(SMF)或多模光纤(MMF)组成，该光学光纤的芯直径范围为约1um至10um、约10um至50um、约50um至150um、约150um至500um、约500um至1mm或大于1mm。光学芯材料可以由玻璃(诸如，二氧化硅玻璃)组成，其中，二氧化硅玻璃可以掺杂有各种成分并且具有预定水平的羟基(OH)用于优化的传播损耗特性。玻璃纤维材料还可以由氟化物玻璃、磷酸盐玻璃或硫族化物玻璃组成。在替代实施例中，塑料光学光纤用于传输激光泵浦光。
可选地，荧光体材料被配置为在与接收具有第一峰值波长的第一激光束相关联的从反射模式、透射模式以及反射模式和透射模式的组合中选择的模式下操作，以激发具有第二峰值波长的发射。
可选地，集成封装包括被配置为远程泵浦荧光体的波长转换构件和用于将激光束从含镓和氮的激光二极管引导到远程泵浦荧光体的光学光纤。
可选地，至少一个含镓和氮的激光二极管包括多个激光二极管，诸如2个激光二极管、3个激光二极管或4个激光二极管，以分别生成2个激光束、3个激光束或4个激光束。多个激光束在波长转换构件上形成激发光斑。
可选地，多个激光二极管中的每一个被表征为在420nm至485nm蓝色范围内的多个第一峰值波长中的一个。多个第一峰值波长导致白光的改进的颜色质量。
可选地，波长转换构件包括被配置为由具有第一峰值波长的第一激光束激发以产生第二峰值波长的第一发射的第一荧光体材料，以及被配置为由激光束激发以产生具有第三峰值波长的第二发射的第二荧光体材料。
可选地，含镓和氮的激光二极管被表征为具有紫色范围内的第一峰值波长的第一激光束。第一荧光体材料被表征为具有蓝色范围内的第二峰值波长的第一发射。第二荧光体材料被表征为具有黄色范围内的第三波长的第二发射。白光至少由第一发射和第二发射组成。
可选地，光束投影仪包括被配置为跨远程目标对象动态地扫描感测光信号的光束的MEMS或其他微控制扫描仪或显示模块、微反射镜、微透镜。
可选地，蓝色激光被表征为在从1mW至10mW、10mW至100mW、100mW至1W和1W至10W中选择的一个范围内的高功率水平能够在相对湿度水平在以下大于25％、大于50％、大于75％以及大于100％的范围中的每一个范围内的潮湿条件下感测和映射远程目标对象。
在具体实施例中，本发明提供一种用于远程传送白光的设备。该设备包括至少一个激光二极管装置。该设备进一步包括封装构件，其具有电气馈通件，该电气馈通件被配置为将来自驱动器的功率耦合到至少一个激光二极管装置。该封装构件包括支撑构件。该至少一个激光二极管装置被配置到支撑构件并且由驱动器驱动以发射由第一波长范围为395nm至490nm表征的激光电磁辐射的光束。此外，该设备包括波导组件，该波导组件具有第一端部和波导传输构件，该第一端部耦合到封装构件以接收激光电磁辐射，该波导传输构件用于传送激光电磁辐射通过一长度以离开具有一传播方向、一光束直径和一发散度的第二端部。该设备进一步包括荧光体构件，该荧光体构件设置在光头部构件中并且配置有用于接收从第二端部出射的激光电磁辐射的表面。该荧光体构件提供第一波长的激光电磁辐射的至少一部分到第二波长的荧光体发射的波长转换。第二波长比第一波长长。此外，该设备包括机械固定件，其在光头部构件中，该机械固定件被配置为以在激光电磁辐射的主要传播方向与平行于荧光体构件的表面的方向之间的5度至90度的范围内的入射角支撑荧光体构件和波导组件的第二端部。离开波导组件的第二端部的激光电磁辐射在荧光体构件的表面上形成入射激光电磁辐射的激发光斑。该激发光斑由直径范围为25μm至5mm表征。该激发光斑生成由第一波长的激光电磁辐射和第二波长的荧光体发射的混合表征的基本上白光发射。
在另一具体实施例中，本发明提供一种用于远程传送白光的设备。该设备包括封装壳体，其利用多针连接器封闭电子板构件。该设备进一步包括激光模块，其配置在子封装中，该子封装插入到封装壳体内部的电子板构件。该子封装包括支撑构件、被配置为安装在支撑构件上的含镓和氮的至少一个激光二极管装置。含镓和氮的至少一个激光二极管装置被配置为发射由第一波长范围为395nm至490nm表征的电磁辐射的光束。此外，该设备包括准直透镜，其配置在子封装中以将电磁辐射的光束准直到子封装的输出端口。该设备还包括盖构件，其利用与电气馈通件耦合的多针连接器密封封装壳体。此外，该设备包括光纤组件，其包括光学光纤，该光学光纤的第一端耦合到输出端口以接收电磁辐射并且传送电磁辐射通过任意长度以离开具有一主要传播方向、一光束直径和一发散度的第二端。该设备进一步包括荧光体构件，其远程设置在与光学光纤的第二端耦合的光头部构件中。该荧光体构件具有被配置为接收离开光学光纤的第二端的电磁辐射的表面，并且提供第一波长的电磁辐射的至少一部分到第二波长的荧光体发射的波长转换，其中，第二波长比第一波长长。此外，该设备包括机械固定件，其在光头部构件中，该机械固定件被配置为设置荧光体构件的表面与光学光纤的第二端之间的距离，并且设置离开第二端的电磁辐射的主要传播方向与平行于荧光体构件的表面的方向之间的入射角，以在荧光体构件的表面上产生电磁辐射的直径范围为25μm至5mm的激发光斑。该激发光斑生成由第一波长的电磁辐射和第二波长的荧光体发射的混合表征的白光发射。
在又一具体实施例中，本发明提供一种用于汽车前照灯的光纤传送的激光诱导白光源。该白光源包括激光模块，其被封装在插入电路板的金属壳体中，该金属壳体封闭支撑构件；至少一个激光二极管装置，其被配置为安装在支撑构件上并且发射由波长范围为395nm至490nm表征的激光束；以及准直透镜，其被配置为将激光束引导到输出端口。此外，该白光源包括聚焦透镜，其从金属壳体外部耦合到输出端口以接收并限制激光束。此外，该白光源包括光纤组件，其嵌入光学光纤，该光学光纤具有第一端部，该第一端部以对准方式耦合到输出端口以接收来自聚焦透镜的激光束并通过光学光纤将激光束传送到第二端部。此外，该白光源包括光头部构件，其远程设置在汽车前照灯模块中，该汽车前照灯模块将光学光纤的第二端部保持在荧光体材料附近。该光头部构件被配置为以在激光束与平行于荧光体材料的表面的方向之间的5度至90度范围内的入射角将离开光学光纤的第二端部的激光束引导到荧光体材料，以产生范围为50μm至5mm的光斑。光斑中的激光束诱导荧光体激发发射，该荧光体激发发射与激光束部分地混合以产生白光发射作为汽车前照灯模块的照明和投影光源。
仅作为示例，本发明可以应用于诸如白光照明、白斑照明、闪光灯的应用，汽车应用，汽车前照灯或其他照明和通信功能，自动交通工具，全地形车辆照明，用于诸如骑自行车、冲浪、跑步、赛车、划船的休闲运动的光源，用于无人机、飞机、机器人、其他移动体或机器人应用、诸如陆地、海洋或空中交通工具的自主设备和技术、安全、国防应用中的应对措施、多色照明的光源，用于平板、医疗、计量、光束投影仪和其他显示器、高强度灯、光谱、娱乐、剧院、音乐和音乐会、分析欺诈检测和/或认证、工具、水处理、激光眩目器、瞄准、通信、LiFi、可见光通信(VLC)、感测、探测、距离探测、光检测和测距(LIDAR)、转换、运输、平整、固化和其他化学处理、加热、切割和/或烧蚀、泵送其他光学装置、其他光电子装置和相关应用的照明以及光源照明等。
附图说明
以下附图仅是根据各种公开的实施例用于说明目的的示例，并不旨在限制本发明的范围。
图1是示出激光二极管中的内部量子效率与装置的发光层中的载流子浓度的相关性的示意图。
图2是根据高功率蓝色激光二极管与高功率蓝色发光二极管相比的电流密度的外部量子效率的曲线图。
图3是根据本发明的一些实施例的形成在含镓和氮的基板上的激光二极管的简化示意图，其中，腔沿以劈裂或蚀刻的反射镜结束的方向对准。
图4是根据本发明的实施例的激光装置的截面图。
图5是示出根据本发明的实施例的基于形成在含镓和氮的基板技术上的常规激光二极管的片上基台(Chip-on-Submount，CoS)的示意图。
图6是根据本发明的一些实施例的具有选择性区域键合的管芯扩展过程的示意图。
图7是示出根据本发明的实施例的基于剥离和转移的外延含镓和氮的层的CoS的示意图。
图8A是根据本发明的实施例的包含蓝色泵浦激光器和波长转换元件的基于激光的白光源的功能框图。
图8B是根据本发明的另一实施例的包含多个蓝色泵浦激光器和波长转换元件的基于激光的白光源的功能框图。
图9A是根据本发明的实施例的基于激光的光纤传送白光源的功能框图。
图9B是根据本发明的另一实施例的基于激光的光纤传送白光源的功能框图。
图9C是根据本发明的又一实施例的基于多激光的光纤传送白光源的功能框图。
图10A是示出根据本发明的实施例的配置有光学组合器的多个激光棒的简化图。
图10B是根据本发明的具体实施例的封闭自由空间激光模块的示意图。
图10C是根据本发明的另一具体实施例的具有扩展传送光纤加荧光体转换器的封闭自由空间多芯片激光模块的示意图。
图11是根据本发明的实施例的包括经由光纤组件彼此连接的通用激光封装和光头部构件的光纤传送白光源的透视图。
图12是根据本发明的实施例的图11的通用激光封装的俯视图。
图13是根据本发明的实施例的包括安装在电路板上的蓝色激光模块的图12的通用激光封装的内部元件的俯视图。
图14是根据本发明的实施例的具有打开盖的蓝色激光模块的俯视图。
图15是根据本发明的实施例的蓝色激光模块的透视图。
图16是根据本发明的另一实施例的(A)通用激光封装的俯视图、(B)包括蓝色激光模块的通用激光封装的内部元件的俯视图以及(C)蓝色激光模块的俯视图。
图17是根据本发明的实施例的光纤组件的端部的局部截面图。
图18是根据本发明的另一实施例的光纤组件的端部的局部截面图。
图19是根据本发明的实施例的图11的光头部构件的透视图。
图20示出了根据本发明的实施例的由机械对接耦合器制成的光纤耦合接头的示例图。
图21是根据本发明的实施例的用于路灯应用(street pole light application)的光纤传送白光源的示意图。
具体实施方式
本发明提供一种光纤传送的荧光体发射白光系统及其制造方法。仅通过示例，本发明提供了来自含镓和氮的激光二极管的激光泵浦荧光体光源、与封装中的光纤附接荧光体集成的白光源以及泵浦光传送配置。本发明可应用于许多应用，包括在普通照明、商业照明和显示、汽车照明和通信、国防和安全、工业加工和互联网通信等应用中的动态照明装置和方法、LIDAR、LiFi和可见光通信装置和方法以及以上的各种组合。
作为背景，尽管基于LED的光源提供优于基于白炽灯的光源的更大优点，但仍然存在与LED装置物理学相关联的挑战和限制。第一个限制是困扰GaN基LED的所谓的“下垂”现象。随着电流密度的增加，下垂效应导致功率翻转，这迫使LED在10-200A/cm2范围内的非常低的电流密度下达到峰值外部量子效率。图1示出了发光二极管[LED]和受激发射显著的发光装置(诸如激光二极管[LD]或超辐射发光LED)的发光层中的内部量子效率[IQE]与载流子浓度之间的关系的示意图。IQE被定义为装置中辐射复合率与总复合率的比率。在低载流子浓度下，晶体缺陷处的肖克利-里德-霍尔(Shockley-Reed-Hall)复合主导复合率，因此IQE较低。在中等载流子浓度下，自发辐射复合占主导地位，因此IQE相对较高。在高载流子浓度下，非辐射俄歇复合占主导地位，使得IQE再次相对较低。在诸如LD或SLED的装置中，在非常高的载流子密度下的受激发射导致IQE相对较高的第四个区域。图2示出了典型蓝色LED和高功率蓝色激光二极管的外部量子效率[EQE]的曲线图。EQE被定义为IQE与能够离开装置的所生成的光子的部分的乘积。尽管蓝色LED在非常低的电流密度下实现非常高的EQE，但是由于在高电流密度下俄歇复合占主导地位，该蓝色LED在高电流密度下表现出非常低的EQE。然而，LD在高电流密度下受激辐射占主导地位，并且表现出非常高的EQE。在低电流密度下，由于装置中光子的再吸收，LD具有相对较差的EQE。因此，为了使基于LED的光源的效率最大化，必须将电流密度限制在光输出也受到限制的低值。结果是每单位面积的LED管芯的低输出功率，这迫使使用较大的LED管芯面积来满足大多数应用的亮度要求。例如，典型的基于LED的灯泡需要3mm2至30mm2的外延面积(epi area)。
LED的第二个限制也与其亮度有关，更具体地，与其空间亮度有关。常规高亮度LED发射每mm2的外延面积约1W。随着一些进展和突破，这可以增加到每mm2的外延面积的5-10倍，增加到每mm2的外延面积5-10W。最后，在常规c平面GaN上制作的LED遭受强烈的内部偏振场，使得电子和空穴波功能在空间上分离，并且导致较差的辐射复合效率。由于这种现象在InGaN层中随着铟含量的增加变得更加明显，从而增加波长发射，因此难以将UV或蓝色GaN基LED的性能扩展到蓝绿色或绿色区域。
基于激光二极管的令人兴奋的新型固态照明正在迅速出现。与LED一样，激光二极管是一种发射电磁辐射的双引线半导体光源。然而，与主要为自发发射的LED输出不同，激光二极管的输出主要由受激发射组成。激光二极管包含增益介质和腔区，增益介质的作用是通过电子-空穴对的复合提供发射，腔区的作用是用于从增益介质发射的谐振器。当适当的电压施加到引线以充分泵浦增益介质时，腔损耗被增益克服，并且激光二极管达到所谓的阈值条件，其中，观察到光输出相对于电流输入特性的急剧增加。在阈值条件下，载流子密度钳制，并且受激发射主导发射。由于困扰LED的下垂现象取决于载流子密度，因此激光二极管内的钳位载流子密度为下垂挑战提供了解决方案。此外，激光二极管发射高度定向和相干的光，其空间亮度比LED高几个数量级。例如，商用的边缘发射GaN基激光二极管可以可靠地在15μm宽×0.5μm高的孔径中产生约2W的功率，相当于超过250,000W/mm2。这种空间亮度比LED高5个数量级以上，或者换句话说，比LED亮10,000倍。
基于GaN LED的基本所有先验工作，基于GaN技术的可见激光二极管在过去20年已经迅速出现。目前仅可行的直接蓝色和绿色激光二极管结构是由纤锌矿AlGaInN材料系统制成的。由GaN相关材料制造发光二极管受到GaN在外来基板(诸如Si、SiC和蓝宝石)上的异质外延生长主导。激光二极管装置在如此高的电流密度下操作，使得与异质外延生长相关联的晶体缺陷是不可接受的。正因为如此，极低缺陷密度的自支撑的GaN基板已成为制造GaN激光二极管的首选基板。不幸地，这种块状GaN基板是昂贵的，并且不能广泛用于大直径。例如，2英寸直径是当今最常见的激光质量块状GaN c平面基板尺寸，最新的进展使直径达到4英寸，这与成熟基板技术的商用的6英寸和更大直径相比仍然相对较小。本发明的进一步细节可以在整个本说明书中并且更具体地在下文中找到。
使用本发明可实现优于现有技术的额外好处。具体地，本发明实现了具有成本效益的基于激光的远程传送白光源。在具体实施例中，可以以相对简单并且成本效益的方式制造本光学装置。取决于实施例，可以使用根据本领域普通技术人员的常规材料和/或方法来制造本设备和方法。在本发明的一些实施例中，含镓和氮的激光二极管源基于c平面氮化镓材料，而在其他实施例中，激光二极管基于非极性或半极性的镓和氮化镓材料。在一个实施例中，白光源由激光片上基台(CoS)配置，其中，激光通过波导传送到支撑在远程设置的基台和/或远程支撑构件上的荧光体以形成远程传送的白光源。在一些实施例中，波导是集成在与COS耦合的中间基台上的半导体波导。在一些实施例中，波导包括在空间中或以定制布局基本上自由设置的光学光纤，使得白光源成为光纤传送白光源。在一些实施例中，白光源包括光束准直和聚焦元件以将激光耦合到波导或光纤中。在一些实施例中，白光源包括独立地或共同封装在同一封装壳体中的多个激光芯片，并且荧光体构件支撑在封装在远程壳体中的单独的基台散热器中。在一些实施例中，可以包括附加的光束整形光学元件，用于整形或控制来自荧光体的白光。
在各种实施例中，激光装置和荧光体装置分别封装或安装在相应的支撑构件上，并且荧光体材料以反射模式操作以产生基于白光发射激光的光源。在另外的各种实施例中，来自激光装置的电磁辐射通过诸如自由空间耦合或与诸如光缆或其他固体波导材料的波导耦合的手段被远程耦合到荧光体装置，并且其中，荧光体材料以反射模式操作以产生基于白光发射激光的光源。仅作为示例，本发明可以应用于诸如白光照明、白斑照明、闪光灯的应用，汽车前照灯，全地形车辆照明，闪光源(诸如相机闪光)，用于诸如骑自行车、冲浪、跑步、赛车、划船的休闲运动的光源，用于无人机、飞机、机器人、其他移动体或机器人应用、诸如陆地、海洋或空中交通工具的自主设备和技术、安全、国防应用中的应对措施、多色照明的光源，用于平板、医疗、计量、光束投影仪和其他显示器、高强度灯、光谱、娱乐、剧院、音乐和音乐会、分析欺诈检测和/或认证、工具、水处理、激光眩目器、瞄准、通信、LiFi、可见光通信(VLC)、感测、探测、距离探测、光检测和测距(LIDAR)、转换、自动交通工具、运输、平整、固化和其他化学处理、加热、切割和/或烧蚀、泵送其他光学装置、其他光电子装置和相关应用的照明以及光源照明等。
激光二极管是理想的荧光体激发源。由于空间亮度(每单位面积的光强度)比常规LED高10,000倍以上，并且激光发射的极端方向性，激光二极管实现了LED和其他光源无法实现的特性。具体地，由于承载超过1W、超过5W、超过10W或甚至超过100W的激光二极管输出光束可以聚焦到直径小于1mm、直径小于500μm、直径小于100μm或者直径甚至小于50μm的非常小的光斑尺寸，因此可以实现超过1W/mm2、100W/mm2或甚至超过2,500W/mm2的功率密度。当这种非常小并且强大的激光激发光的光束入射到荧光体材料上时，可以实现白光的最终点光源。假设荧光体转换率为每光学瓦激发光发射白光200流明，则5W激发功率可以在100μm、50μm或更小的光束直径中生成1000流明。这样的点光源在诸如聚光灯或测距的应用中改变了游戏规则，其中，抛物面反射器或透镜光学器件可以与点光源组合以产生高度准直的白光斑，该白光斑可以比使用LED或灯泡技术之前的曾经可能的距离行进远得多的距离。
在本发明的一些实施例中，含镓和氮的发光装置可以不是激光装置，而是可以被配置为超辐射二极管或超辐射发光二极管(SLED)装置。出于本发明的目的，SLED装置和激光二极管装置可以互换使用。SLED类似于激光二极管，因为其基于电驱动结，当注入电流时，该结变得有光学活性并在很宽的波长范围内生成放大的自发发射(ASE)和增益。当光输出由ASE主导时，在光输出相对于电流(LI)特性中存在拐点，其中，每单位注入电流的光输出单位变得非常大。LI曲线中的这个拐点类似于激光二极管的阈值，但要软得多。SLED装置的优点在于，SLED可以将激光二极管的高光发射功率和极高空间亮度的独特性质相结合，这使它们对于高效率的长投射照明和具有宽光谱宽度(>5nm)的高亮度荧光体激发是理想的，这在某些情况下提供改进的眼睛安全性和图像质量。宽光谱宽度导致类似于LED的低相干长度。低相干长度提供了改进的安全性，诸如已经改进了眼睛安全性。此外，宽光谱宽度可以大幅减少显示或照明应用中的光学畸变。作为示例，被称为“散斑”的公知畸变图案是由表面上或观看平面中的一组波前的相互干涉所产生的强度图案的结果。通常用于量化散斑程度的一般方程与光谱宽度成反比。在本说明书中，激光二极管(LD)装置和超辐射发光二极管(SLED)装置两者有时被简称为“激光装置”。
含镓和氮的激光二极管(LD)或超辐射发光二极管(SLED)可以包括具有有源区域和腔构件的至少一个含镓和氮的装置，并且被表征为由光子的受激发射生成的发射光谱。在一些实施例中，提供了发射红色激光(即，波长在约600nm至750nm之间的光)的激光装置。这些红色激光二极管可以包括具有有源区域和腔构件的至少一个含有镓、磷和砷的装置，并且被表征为由光子的受激发射生成的发射光谱。用于显示应用的红色装置的理想波长为约635nm，绿色为约530nm，并且蓝色约为440-470nm。在使用不同波长激光的显示器渲染的颜色与显示器的亮度之间可能存在折衷，因为眼睛对某些波长比对其他波长更敏感。
在根据本发明的一些实施例中，多个激光二极管源被配置为激发相同的荧光体或荧光体网络。根据本发明，组合多个激光源可以提供许多潜在的优点。首先，可以通过光束组合来增加激发功率，以提供更强大的激发光斑，并且从而产生更亮的光源。在一些实施例中，单独的单个激光芯片被配置在激光-荧光体光源内。通过包括各自发射1W、2W、3W、4W、5W或更多功率的多个激光器，可以增加激发功率，并且从而将增加光源亮度。例如，通过包括两个3W激光器激发相同的荧光体面积，激发功率可以增加到6W，从而使白光亮度增加一倍。在每1瓦激光激发功率生成约200流明白光的示例中，白光输出将从600流明增加到1200流明。除了缩放每个单个激光二极管发射器的功率之外，可以通过继续增加激光二极管的总数来增加白光源的总光通量，该激光二极管的总数的范围可以从10s到100s，并且甚至到1000s的激光二极管发射器，从而产生10s到100s的kW的激光二极管激发功率。可以通过多种方式(诸如在共同封装中包括多个激光器、通过常规折射光学或偏振组合进行空间光束组合等)来实现缩放激光二极管发射器的数量。此外，可以利用激光二极管棒或阵列和迷你棒，其中，每个激光芯片包括许多相邻的激光二极管发射器。例如，棒可以包括间隔约10微米至约400微米的2个至100个激光二极管发射器。类似地，可以通过在较低的驱动条件下使用多个源来以实现与在更恶劣条件(诸如更高的电流和电压)下驱动的单个源相同的激发功率来增加源的可靠性。
在特定领域的光源应用是汽车前照灯。基于半导体的发光二极管(LED)前照灯光源在2004年投入使用，是第一个固态光源。这些具有高效率、可靠性和紧凑性的特征，但每个装置的光输出和亮度有限导致光学器件和散热器仍然相当大，并且汽车应用中的高温要求具有挑战性。由蓝色LED激发的黄色荧光体的颜色均匀性需要通过特殊的反射器设计来管理。单个LED故障意味着整个前照灯需要报废，从而导致维护、维修和保修的成本极具有挑战性。此外，LED部件基于自发发射，并且因此不利于诸如3D感测(LiDAR)或光通信(LiFi)的高级应用所需的高速调制。低亮度也给利用空间调制器(诸如MEMS或液晶装置)的空间动态汽车照明系统带来挑战。基于半导体激光二极管(LD)的前照灯在2014年基于激光泵浦荧光体架构开始生产，因为直接发射激光器(诸如R-G-B激光器)部署在道路上是不安全的，并且因为R-G-B光源在光谱中留下间隙，这些间隙使常见的路边目标(诸如黄色或橙色)无法充分反射回眼睛。激光泵浦荧光体是固态光源，并且因此具有与LED相同的优点，但是从更紧凑的前照灯反射器具有更高的亮度和范围。最初，由于是较新的技术，因此与LED相比，这些光源表现出较高的成本和降低的可靠性。在一些情况下，激光和荧光体组合在单个单元中，而在其他情况下，蓝色激光通过光纤传送到远程设置的荧光体模块以产生白光发射。需要特别的预防措施来确保通过被动和主动(passive and active)安全措施发生安全的白光发射。由蓝色激光激发的黄色荧光体的颜色均匀性需要通过特殊的反射器设计来管理。
在一些实施例中，本文所述的发明可以应用于光纤传送前照灯，该光纤传送前照灯由一个或多个含镓和氮的可见激光二极管组成，用于发射激光，该激光被有效耦合到波导(诸如光学光纤)中以将激光发射传送到配置在光学光纤的另一端上的远程荧光体构件。激光发射用于激发荧光体构件并生成高亮度白光。在前照灯应用中，荧光体构件和白光生成发生在最终的前照灯模块中，从那里将光准直并成形到道路上以实现期望的光图案。
本公开利用光纤将可见激光从含镓和氮的激光二极管传送到远程荧光体构件以生成具有高亮度的白光发射，并且具有优于其他方法的几个关键优点。一个优点在于在微型前照灯模块占地面积中使用模块化设计生产可控的近光或远光的光输出或光量。另一个优点在于提供高亮度和长范围的可见性。例如，基于最近的行驶速度和安全停车距离，使用光源为1000cd/mm2的尺寸<35mm的光学结构，从200流明的道路上可以达到800米到1千米的范围。使用较高亮度的光源允许对于相同的光学器件尺寸实现更长范围的可见性。光纤传送的白光前照灯的进一步优点是能够提供高对比度。使眩光最小化并且使驾驶员和其他(包括迎面而来的车辆、行人、动物和与前方车辆同向行驶的驾驶员)的安全性和可见性最大化是重要的。需要高亮度来产生汽车照明的尖锐的光梯度和特定的调节光图案。此外，使用诸如光学光纤的波导，通过重新成形和投射存在于光发射轮廓中从芯到包层的决定性光截止，可以生成极其尖锐的光梯度和超安全的眩光减少。
本发明的另一优点是提供丰富光谱的白色光。激光泵浦荧光体是宽带固态光源，并且因此具有与LED相同的优点，但具有更高的亮度。直接发射激光器(诸如R-G-B激光器)部署在道路上并不安全，由于R-G-B光源在光谱中会留下间隙，这些间隙使常见的路边目标(诸如黄色或橙色)无法充分反射回眼睛。此外，由于光源的远程特性，前照灯模块可以安装到位于车辆中任何位置的具有足够热质量的预先存在的散热器上，从而消除了对前照灯中的散热器的需要。
一个大的优点是光源的小形状因数和低成本的解决方案，用于旋转灯以减轻眩光并增强空气动力学性能。例如，可以利用前照灯模块中直径<1cm的微型光学器件来捕获来自光纤的几乎100％的光。白光可以通过微小的漫射器或简单的光学元件准直和整形，以在道路上产生期望的光束图案。期望具有极小的光学器件尺寸用于车辆的造型。使用较高亮度的光源允许对于相同的可见性范围实现较小的光学器件尺寸。这种前照灯设计允许将前照灯模块集成到格栅中、轮罩上、发动机罩与前保险杠之间的接缝中等。这种前照灯设计被表征为前照灯模块质量极低且重量极轻，并且因此使汽车前部的重量最小化，从而促进安全性、燃料经济性和速度/加速性能。对于电动车辆，这转化为增加的车辆里程。此外，解耦光纤传送架构使用车辆内已经存在的散热器热质量，进一步使汽车的重量最小化。此外，该前照灯模块基于固态光源，并且具有>10,000小时的长寿命。通过简单地更换光纤传送的激光光源，冗余和互换性是直接的。
由于光纤传送的激光诱导白光前照灯模块的设计中的光纤配置，通过将激光诱导光源定位在远离发动机和其他产热部件附近的热区域来使可靠性最大化。这允许前照灯模块在>100℃的极高温度下操作，而激光模块可以在具有充足散热的冷却点中操作。在具体实施例中，本发明利用热稳定、军用标准风格、卓讯科技(telcordia)型封装技术。仅暴露在汽车前部的元件是复杂的无源前照灯模块，其由微小的宏观光学元件组成。前照灯模块中没有直接部署的激光器，内部仅不相干白光和反射荧光体架构。直接发射激光器(诸如R-G-B激光器)在高功率下部署到道路上是不安全的，并且在本设计中不使用。在制造车辆的同时将这种光纤传送白光源组装到汽车中安全且具有成本效益。
在基于LED的前照灯中，如果一个高功率LED元件失效，则整个前照灯通常报废。光纤传送的前照灯设计实现了光源的“即插即用”更换，从而消除了由于故障部件而导致前照灯完全报废的浪费行为。即插即用可以在不对准的情况下发生，与更换电池一样，从而使保修成本最小化。这消除了过高的更换成本、客户等待时间、危险的驾驶条件和昂贵的贷款车辆。由于易于生成新的光图案和模块化的内部缩放方法，这种光纤传送的光源允许改变任何区域的流明和光束图案，而无需为全新的前照灯重新加工。这种方便的改变光束图案的能力可以通过改变微小的光学器件和/或漫射器来实现，而不是重新加工新的大型反射器。此外，光纤传送白光源可以与运输或侧面发射塑料光学光纤(POF)一起用于车内灯和日间行车灯(DRL)。
空间动态光束整形装置，诸如数字光处理(DLP)、液晶显示器(LCD)、1个或2个MEMS或振镜系统、轻质旋转、扫描光纤尖端。未来的空间动态光源可能需要更亮的光，诸如来自光源的5000-10000流明，以使用MEMS或液晶部件在道路上产生高清晰度空间光调制。当共同定位光源、电子元件、散热器、光学器件和光调制器以及次级光学器件时，这种动态照明系统是极其庞大且昂贵的。因此，它们需要光纤传送高亮度白光，从而能够以紧凑且成本效益更高的方式进行空间光调制。
组合来自多个激光二极管发射器的发射的附加优点是，通过将第一自由空间发散椭圆激光束相对于第二自由空间发散椭圆激光束旋转90度，并且将中心椭圆重叠荧光体上来形成更圆的光斑。可选地，通过将第一自由空间发散椭圆激光束相对于第二自由空间发散椭圆激光束旋转180度，并且使椭圆偏心重叠在荧光体上以增加慢轴发散方向上的光斑直径，可以实现更圆的光斑。在另一配置中，包括多于2个激光器，并且实现上述光束成形光斑几何形状成形的一些组合。第三个也是重要的优点是，发射装置中的多个彩色激光器可以通过改进可见光谱的紫/蓝和青色区域中的光谱的填充来显著改进颜色质量(CRI和CQS)。例如，可以包括具有轻微失谐波长(例如5nm、10nm、15nm等)的两个或多个蓝色激发激光器以激发黄色荧光体并产生更大的蓝色光谱。
如本文所使用的，术语GaN基板与基于III族氮化物的材料相关联，基于III族氮化物的材料包括用作起始材料的GaN、InGaN、AlGaN或其他含III族的合金或组合物。这种起始材料包括极性GaN基板(即，最大面积表面标称为(h k l)平面的基板，其中，h＝k＝0，并且l为非零)、非极性GaN基板(即，最大面积表面从上述极性取向朝向(h k l)平面以约80-100度的角度取向的基板材料，其中，l＝0，并且h和k中的至少一个非零)或半极性GaN基板(即，最大面积表面从上述极性取向朝向(h k l)平面以约+0.1-80度或110-179.9度的角度取向的基板材料，其中，l＝0，并且h和k中的至少一个非零)。当然，还可以有其他的变化、修改和替代。
激光二极管装置可以在诸如极性c平面的含镓和氮的膜或基板(例如，GaN)的常规取向上、诸如m平面的非极性取向上、或者诸如{30-31}、{20-21}、{30-32}、{11-22}、{10-11}、{30-3-1}、{20-2-1}、{30-3-2}的半极性取向上、或者这些极性、非极性和半极性平面中的任一个朝向c平面的+/-10度和/或朝向a平面的+/-10度和/或朝向m平面的+/-10度内的切线上制造。在一些实施例中，含镓和氮的激光二极管激光二极管包括含镓和氮的基板。基板构件可以具有在含有镓和氮的基板的极性{0001}平面(c平面)、非极性平面(m平面、a平面)和半极性平面({11-22}、{10-1-1}、{20-21}、{30-31})或其他平面上的表面区域。激光装置可以被配置为发射激光束，该激光束被表征为一个或多个波长从约390nm到约540nm。
图3是根据本发明的一些实施例的形成在含镓和氮的基板上的激光二极管的简化示意图，其中，腔沿以劈裂或蚀刻的反射镜结束的方向对准。在示例中，基板表面101是极性c平面，并且激光条纹区域110被表征为基本上在m方向10上的腔取向，该m方向10基本上垂直于a方向20，但是可以是其他的，诸如基本上在a方向上的腔对准。激光条纹区域110具有第一端107和第二端109，并且在m方向上形成在含有镓和氮的{0001}基板上，该基板具有一对相互面对的劈裂或蚀刻的反射镜结构。在另一示例中，基板表面101是半极性面，并且激光条纹区域110被表征为基本上在c方向10的投影上的腔取向，该c方向10基本上垂直于a方向20，但是可以是其他的，诸如基本上在a方向上的腔对准。激光条纹区域110具有第一端107和第二端109，并且形成在半极性基板(诸如{40-41}、{30-31}、{20-21}、{40-4-1}、{30-3-1}、{20-2-1}、{20-21}或这些平面的离c平面和a平面含镓和氮的基板+/-5度内的切线)上。可选地，氮化镓基板构件是块状GaN基板，其被表征为具有非极性或半极性晶体表面区域，但也可以是其他的。块状GaN基板可以具有低于105cm-2或105至107cm-2的表面位错密度。氮化物晶体或晶圆可以包括AlxInyGa1-x-yN，其中，0≤x，y，x+y≤1。在一个具体实施例中，氮化物晶体包括GaN。在一些实施例中，GaN基板在相对于表面基本正交或倾斜的方向上具有浓度在约105cm-2和约108cm-2之间的穿线位错。
图3中的示例性激光二极管装置具有一对相互面对的劈裂或蚀刻的反射镜结构109和107。第一劈裂或蚀刻的刻面109包括反射涂层，并且第二劈裂或蚀刻的刻面107不包括涂层、抗反射涂层或暴露含镓和氮的材料。第一劈裂或蚀刻的刻面109与第二劈裂或蚀刻的刻面107基本平行。通过根据实施例的划线和断裂工艺或可选地通过使用诸如反应离子蚀刻(RIE)、电感耦合等离子体蚀刻(ICP)或化学辅助离子束蚀刻(CAIBE)的蚀刻技术或其他方法的蚀刻技术来提供第一劈裂刻面109和第二劈裂刻面107。反射涂层从二氧化硅、铪和二氧化钛、五氧化二钽、氧化锆、氧化铝、氮化铝和氧氮化铝(包括组合)等中选择。根据该设计，反射镜表面还可以包括抗反射涂层。
在具体实施例中，刻面形成的方法包括使基板经受激光以形成图案。在优选实施例中，图案被配置为用于形成脊形激光器的一对刻面。在优选实施例中，该对刻面彼此面对并且彼此平行对准。在优选实施例中，该方法使用UV(355nm)激光器来划线激光棒。在具体实施例中，激光器被配置在系统上，该系统允许以不同图案和轮廓配置的精确划线。在一些实施例中，可以根据应用在背面、正面或背面和正面两者上执行激光划线。当然，还可以有其他的变化、修改和替代。
在具体实施例中，该方法使用背面激光划线等。通过背面激光划线，该方法优选地形成垂直于GaN基板背面上的激光棒的连续线激光划线。在具体实施例中，激光划线通常约为15-20μm深或其他合适的深度。优选地，背面划线可以是有利的。即，激光划线过程不依赖于激光棒或其他类似图案的间距。因此，根据优选实施例，背面激光划线可以导致每个基板上的激光棒的更高密度。然而，在具体实施例中，背面激光划线可能导致胶带在刻面上的残留物。在具体实施例中，背面激光划线通常要求基板面朝下放在胶带上。对于正面激光划线，基板的背面与胶带接触。当然，还可以有其他的变化、修改和替代。
众所周知，诸如化学辅助离子束蚀刻(CAIBE)、电感耦合等离子体蚀刻(ICP)或反应离子蚀刻(RIE)的蚀刻技术可以产生光滑并且垂直的蚀刻侧壁区域，这些区域可以用作蚀刻刻面激光二极管中的刻面。在蚀刻刻面工艺中，在晶圆的表面沉积并图案化掩模层。蚀刻掩模层可以由诸如二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SixNy)、其组合或其他介电材料的电介质组成。此外，掩模层可以由诸如Ni或Cr的金属层组成，但是可以由金属组合堆叠或包括金属和电介质的堆叠组成。在另一方法中，光刻胶掩模可以单独使用或与电介质和/或金属组合使用。使用常规的光刻和蚀刻步骤对蚀刻掩模层进行图案化。可以使用接触式对准器或步进式对准器来执行对准光刻。这种光刻定义的反射镜为设计工程师提供了高水平的控制。在蚀刻掩模顶部的光刻掩模的图案化完成之后，然后使用湿蚀刻或干蚀刻技术将其中的图案转移到蚀刻掩模上。最后，然后使用从CAIBE、ICP、RIE和/或其他技术中选择的干蚀刻技术将刻面图案蚀刻到晶圆中。蚀刻的刻面表面必须与晶圆的表面平面成约87度与约93度之间或约89度与约91度之间的高度垂直。蚀刻的刻面表面区域必须非常光滑，均方根粗糙度值小于约50nm、20nm、5nm或1nm。最后，蚀刻必须基本上没有损伤，这可以作为非辐射复合中心，并且从而降低灾难性光学镜损伤(COMD)阈值。众所周知，由于蚀刻的化学性质，CAIBE提供非常光滑和低损坏的侧壁，而由于倾斜晶圆台以补偿蚀刻中的任何固有角度的能力，CAIBE可以提供高度垂直的蚀刻。
激光条纹110被表征为长度和宽度。长度范围为约50μm至约3000μm，但优选为约10μm与约400μm之间、约400μm与约800μm之间、或约800μm与约1600μm之间，但也可以是其他长度。条纹的宽度的范围也为约0.5μm至约50μm，但对于单侧模式操作优选在约0.8μm与约2.5μm之间，或者对于多侧模式操作优选在约2.5μm与约50μm之间，但也可以是其他尺寸。在具体实施例中，本装置具有范围为约0.5μm至约1.5μm的宽度、范围为约1.5μm至约3.0μm的宽度、范围为约3.0μm至约50μm的宽度等。在具体实施例中，宽度在尺寸上基本上是恒定的，尽管可能有轻微的变化。宽度和长度通常使用本领域中常用的掩模和蚀刻工艺来形成。
通过从干蚀刻或湿蚀刻选择的蚀刻工艺提供激光条纹区域110。该装置还具有覆盖的介电区域，该介电区域暴露p型接触区域。覆盖接触区域的是接触材料，该接触材料可以是金属或导电氧化物或其组合。可以通过热蒸发、电子束蒸发、电镀、溅射或另一合适的技术来沉积p型电接触。覆盖基板的抛光区域的是第二接触材料，该第二接触材料可以是金属或导电氧化物或其组合并且包括n型电接触。可以通过热蒸发、电子束蒸发、电镀、溅射或另一合适的技术来沉积n型电接触。
在具体实施例中，激光装置可以发射中心波长在600nm与750nm之间的红光。这种装置可以包括AlxInyGa1-x-yAszP1-z的不同组成的层，其中，x+y≤1并且z≤1。红色激光装置至少包括n型包层和p型包层、折射率比n型包层高的n型SCH、折射率比p型包层高的p型SCH以及发光的有源区域。在具体实施例中，通过从干蚀刻或湿蚀刻选择的蚀刻工艺提供激光条纹。在优选实施例中，蚀刻工艺是干的，但也可以是其他的。该装置还具有覆盖的介电区域，该介电区域暴露接触区域。在具体实施例中，介电区域是诸如二氧化硅的氧化物，但也可以是其他。当然，还可以有其他变化、修改和替代。激光条纹被表征为长度和宽度。长度范围为约50μm至约3000μm，但优选为10μm与400μm之间、约400μm与800μm之间或约800μm与1600μm之间，但也可以是诸如大于1600μm的其他长度。条纹的宽度也在约0.5μm至约80μm范围内，但对于单侧模式操作优选在0.8μm与2.5μm之间，或者对于多侧模式操作优选在2.5μm与60μm之间，但也可以是其他尺寸。激光条纹区域具有第一端和第二端，其具有一对相互面对的劈裂或蚀刻的反射镜结构。第一刻面包括反射涂层，并且第二刻面不包括涂层、抗反射涂层或暴露含镓和氮的材料。第一刻面与第二劈裂或蚀刻的刻面基本平行。
鉴于含镓和氮的基板成本高、难以按比例放大含镓和氮的基板尺寸、小晶圆处理中固有的低效率以及潜在的供应限制，因此非常需要最大限度地利用可用的含镓和氮的基板和覆盖的外延材料。在侧腔激光二极管的制造中，通常的情况是，最小管芯尺寸由装置部件(诸如引线键合焊盘或机械处理考虑)确定，而不是由激光腔宽度确定。最小化管芯尺寸对于降低制造成本至关重要，因为较小的管芯尺寸允许在单个加工运行中在单个晶圆上制造更多的装置。本发明是通过经由管芯扩展工艺将外延材料展开到载体晶圆上来使可以由给定的含镓和氮的基板和覆盖的外延材料制造的装置的数量最大化的方法。
类似于边缘发射激光二极管，SLED通常被配置为边缘发射装置，其中，高亮度、高方向性的光发射从半导体芯片的侧面向外方向的波导出射。SLED被设计为对沿波导生成的自发发射具有高单程增益或放大率。然而，与激光二极管不同，SLED被设计为在腔中提供不充分的反馈，以实现增益等于波导腔中总损耗的激光条件。在典型示例中，波导端部和刻面中的至少一个被设计为提供回到波导中的非常低的反射率。可以使用多种方法来实现降低波导端部或刻面上的反射率。在一种方法中，将光学涂层施加到刻面中的至少一个，其中，光学涂层被设计为低反射率，诸如小于1％、小于0.1％、小于0.001％或小于0.0001％的反射率。在降低反射率的另一方法中，波导端部被设计为相对于光传播方向倾斜或成角度，使得反射回芯片中的光不会与腔中的光产生干涉以提供反馈。倾斜角必须在反射率与角度关系中的零值附近精心设计，以获得最佳性能。倾斜或成角度的刻面方法可以以多种方式(包括提供被设计为相对于光传播方向具有优化的角度侧向角度的蚀刻刻面)实现。倾斜的角度由光刻定义的蚀刻刻面图案预先确定。可选地，可以通过使波导相对于形成在半导体芯片中的预定晶体平面上的劈裂刻面弯曲和/或成角度来实现成角度的输出。降低反射率的另一方法是在刻面上提供粗糙或图案化的表面，以减少对腔体的反馈。可以使用化学蚀刻和/或干蚀刻或使用替代技术来实现粗糙化。当然，可以有其他方法来减少对腔体的反馈以形成SLED装置。在许多实施例中，可以组合使用多个技术(包括使用低反射率涂层与相对于光传播成角度或倾斜的输出刻面组合)以降低刻面反射率。
在非极性含Ga基板上的具体实施例中，该装置被表征为自发发射的光在基本上垂直于c方向上偏振。在优选实施例中，自发发射的光被表征为垂直于c方向的偏振比大于0.1至约1。在优选实施例中，自发发射的光被表征为波长范围为约430nm至约470nm以产生蓝色发射，或约500nm至约540nm以产生绿色发射等。例如，自发发射的光可以是紫色(例如，395nm至420nm)、蓝色(例如，420nm至470nm)、绿色(例如，500nm至540nm)等。在优选实施例中，自发发射的光是高度偏振的，并且被表征为偏振比大于0.4。在半极性{20-21}含Ga基板上的另一具体实施例中，该装置还被表征为自发发射的光在基本上平行于a方向或垂直于腔方向的方向上偏振，该腔方向在c方向的投影上取向。
在具体实施例中，本发明提供了在脊形激光器实施例中能够发射501nm和更大光的替代装置结构。该装置设置有以下外延生长元件中的一个：
n-GaN或n-AlGaN包层，厚度为100nm至3000nm，Si掺杂水平为5×1017cm-3至3×1018cm-3；
n侧SCH层，其由InGaN组成，铟的摩尔分数为2％至15％，并且厚度为20nm至250nm；
单量子阱或多量子阱有源区域，其由间隔1.5nm或更大并且可选地高达约12nm的至少两个2.0nm至8.5nm的InGaN量子阱、GaN或InGaN势垒组成；
p侧SCH层，其由InGaN或上部GaN引导层组成，铟的摩尔分数为1％与10％之间，并且厚度为15nm至250nm；
电子阻挡层，其由AlGaN组成，铝的摩尔分数为0％与22％之间，并且厚度为5nm至20nm，并且掺杂Mg；
p-GaN或p-AlGaN包层，厚度为400nm至1500nm，Mg掺杂水平为2×1017cm-3至2×1019cm-3；以及
p++-GaN接触层，厚度为20nm至40nm，Mg掺杂水平为1×1019cm-3至1×1021cm-3。
含镓和氮的激光二极管激光装置还可以包括其他结构，诸如表面脊形结构、掩埋异质结构和/或用于选择性地激发有源区域的多个金属电极。例如，有源区域可以包括第一含镓和氮的包层和第二含镓和氮的包层以及位于第一包层与第二包层之间的含铟和镓的发射层。激光装置可以进一步包括n型含镓和氮的材料和覆盖该n型含镓和氮的材料的n型包层材料。在具体实施例中，该装置还具有覆盖的n型氮化镓层、有源区域以及被构造为激光条纹区域的覆盖的p型氮化镓层。此外，该装置还可以包括n侧分离限制异质结构(SCH)、p侧引导层或SCH、p-AlGaN EBL等特征。在具体实施例中，该装置还具有p++型氮化镓材料以形成接触区域。在具体实施例中，p++型接触区域具有合适的厚度，并且可以在约10nm至50nm的范围内或其他厚度。在具体实施例中，掺杂水平可以高于p型包层区域和/或块状区域。在具体实施例中，p++型区域的掺杂浓度范围为约1019至1021Mg/am3等。p++型区域优选地在半导体区域与覆盖的金属接触区域之间引起隧穿。在具体实施例中，这些区域中的每一个至少使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)的外延沉积技术或适合于GaN生长的其他外延生长技术形成。在具体实施例中，外延层是覆盖n型氮化镓层的高质量外延层。在一些实施例中，例如，用Si或O掺杂高质量层以形成n型材料，掺杂浓度在约1016cm-3与1020cm-3之间。
图4是根据本公开的一些实施例的激光装置200的截面图。如图所示，激光装置包括氮化镓基板203，其具有下面的n型金属背接触区域201。例如，基板203可以被表征为半极性或非极性取向。该装置还具有覆盖的n型氮化镓层205、有源区域207以及被构造为激光条纹区域209的覆盖的p型氮化镓层。这些区域中的每一个至少使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)的外延沉积技术或适合于GaN生长的其他外延生长技术形成。外延层是覆盖n型氮化镓层的高质量外延层。在一些实施例中，例如，用Si或O掺杂高质量层以形成n型材料，掺杂浓度在约1016cm-3与1020cm-3之间。
在基板上沉积n型AluInvGa1-u-vN层，其中，0≤u，v，u+v≤1。载流子浓度可以在约1016cm-3与1020cm-3之间的范围内。可以使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)来执行沉积。
例如，将块状GaN基板放置在MOCVD反应器中的基座上。在关闭、抽真空和将反应器回填(或使用负载锁定配置)至大气压后，在存在含氮气体时将基座加热至约1000摄氏度与约1200摄氏度之间的温度。基座在流动的氨下被加热到约900摄氏度至1200摄氏度。在载气中以约1-50标准立方厘米/分钟(sccm)的总速率启动含镓金属有机前体(诸如，三甲基镓(TMG)或三乙基镓(TEG))的流动。载气可以包括氢、氦、氮或氩。生长期间V族前体(氨)的流速与III族前体(三甲基镓、三乙基镓、三甲基铌、三甲基铝)的流速之比在约2000与约12000之间。启动载气中的乙硅烷流动，其总流速在约0.1sccm与10sccm之间。
在一个实施例中，激光条纹区域是p型氮化镓层209。激光条纹由干蚀刻工艺提供，但也可以使用湿蚀刻。干蚀刻工艺是使用含氯物质的电感耦合工艺或使用类似化学物质的反应离子蚀刻工艺。含氯物质通常来源于氯气等。该装置还具有覆盖的介电区域，该介电区域暴露接触区域213。介电区域是诸如二氧化硅或氮化硅的氧化物，并且接触区域耦合到覆盖的金属层215。覆盖的金属层优选为包含金和铂(Pt/Au)、钯和金(Pd/Au)、或镍金(Ni/Au)或其组合的多层结构。在一些实施例中，包括势垒层和更复杂的金属堆叠。
有源区域207优选地包括用于光发射的一至十个量子阱区域或双异质结构区域。在沉积n型AluInvGa1-u-vN层以达到期望厚度之后，沉积有源层。量子阱优选为InGaN，其中，GaN、AlGaN、InAlGaN或InGaN势垒层将它们分开。在其他实施例中，阱层和势垒层分别包括AlwInxGa1-w-xN和AlyInzGa1-y-zN，其中，0≤w，x，y，z，w+x，y+z≤1，其中，w<u，y和/或x>v，z，使得阱层的带隙小于势垒层和n型层的带隙。阱层和势垒层各自具有约1nm与约20nm之间的厚度。选择有源层的组成和结构以提供预选波长的光发射。有源层可以不掺杂(或无意掺杂)或者可以是掺杂的n型或p型。
有源区域还可以包括电子阻挡区域和单独的限制异质结构。电子阻挡层可以包括AlsIntGa1-s-tN，其中，0≤s，t，s+t≤1，具有比有源层更高的带隙，并且可以是掺杂的p型。在一个具体实施例中，电子阻挡层包括AlGaN。在另一实施例中，电子阻挡层包括AlGaN/GaN超晶格结构，该超晶格结构包括AlGaN和GaN的交替层，每个层的厚度在约0.2nm与约5nm之间。
如上所述，p型氮化镓或氮化铝镓结构沉积在电子阻挡层和有源层上方。p型层可以掺杂有Mg，达到约1016cm-3与1022cm-3之间的水平，厚度在约5nm与约1000nm之间。p型层的最外面的1-50nm可以比该层的其余部分掺杂得更重，以实现改进的电接触。该装置还具有覆盖的介电区域，例如二氧化硅，其暴露接触区域213。
金属触点由合适的材料(诸如银、金、铝、镍、铂、铑、钯、铬等)制成。可以通过热蒸发、电子束蒸发、电镀、溅射或另一合适的技术来沉积触点。在优选实施例中，电触点用作光学装置的p型电极。在另一实施例中，电触点用作光学装置的n型电极。图3和图4所示以及上文所述的激光装置通常适用于低功率应用。
在各种实施例中，本发明通过将激光腔构件的一部分从1.0-3.0μm的单侧模式范围加宽到5.0-20μm的多侧模式范围实现了二极管激光器的高输出功率。在某些情况下，使用宽度为50μm或更大的腔的激光二极管。
激光条纹长度或腔长度范围为100至3000μm，并且采用生长和制造技术，诸如在2010年4月13日提交的美国专利申请第12/759,273号中描述，该专利申请通过引用并入本文。作为示例，激光二极管是在非极性或半极性含镓基板上制造的，其中，内部电场相对于极性c平面取向装置基本消除或减轻。应当理解，内部场的减小常常能够实现更高效的辐射复合。此外，预期在非极性和半极性基板上重空穴质量更轻，从而可以获得更好的激光器增益特性。
可选地，图4示出了基于镓和氮的激光二极管装置的示例性截面图。外延装置结构形成在含镓和氮的基板构件203的顶部。基板构件可以是掺杂有O和/或Si的n型掺杂。外延结构将包含n侧层205，诸如由GaN、AlGaN、AlINGaN或InGaN组成的n型缓冲层和由GaN、AlGaN或AlINGaN组成的n型包层。n型层的厚度可以在0.3μm至约3μm或约5μm的范围内，并且可以掺杂有浓度在1×1016cm-3至1×1019cm-3之间的诸如Si或O的n型载流子。覆盖在n型层上的是有源区域和波导层207。该区域可以包含n侧波导层或单独的限制异质结构(SCH)(诸如，InGaN)以帮助模式的光学引导。InGaN层由1至15％摩尔分数的InN组成，厚度范围为约30nm至约250nm，并且可以掺杂有n型物质，诸如Si。覆盖在SCH层上的是发光区域，该发光区域可以由双异质结构或量子阱有源区域组成。量子阱有源区域可以由1-10个厚度从1nm到20nm的由InGaN组成的量子阱组成。由GaN、InGaN或AlGaN组成的势垒层分离量子阱发光层。势垒的厚度范围为1nm至约25nm。覆盖的发光层可选地是AlGaN或InAlGaN电子阻挡层，该AlGaN或InAlGaN电子阻挡层具有5％至约35％的AlN并且可选地掺杂有p型物质，诸如Mg。还可选的是p侧波导层或SCH(诸如InGaN)以帮助模式的光学引导。InGaN层由1至15％摩尔分数的InN组成，厚度范围为30nm至约250nm并且可以掺杂有p型物质，诸如Mg。覆盖有源区域、可选的电子阻挡层和p侧波导层是p包层区域和p++接触层。p型包层区域由GaN、AlGaN、AlINGaN或其组合组成。p型包层的厚度在0.3μm至约2μm的范围内并且掺杂有浓度为1×1016cm-3至1×1019cm-3的Mg。使用从干蚀刻或湿蚀刻工艺中选择的蚀刻工艺在p包层区域中形成脊211以用于波导中的侧向限制。介电材料213，诸如二氧化硅或氮化硅或沉积在装置的表面区域上，并且在脊的顶部产生开口以暴露p++GaN层的一部分。p接触215沉积在装置的顶部以接触暴露的p++接触区域。p型接触可以由包含Au、Pd、Pt、Ni、Ti或Ag的金属堆叠组成，并且可以用电子束沉积、溅射沉积或热蒸发沉积。在基板构件的底部形成n触点201。p型接触可以由包含Au、Al、Pd、Pt、Ni、Ti或Ag的金属堆叠组成，并且可以用电子束沉积、溅射沉积或热蒸发沉积。
在根据本发明的多个实施例中，装置层包括超辐射发光二极管或SLED。在所有适用的实施例中，根据本发明中描述的方法和架构，SLED装置可以与激光二极管装置互换或组合。SLED在许多方面类似于边缘发射激光二极管；然而，装置的发射刻面被设计成具有非常低的反射率。SLED类似于激光二极管，因为其基于电驱动结，当注入电流时，该结变得有光学活性并在很宽的波长范围内生成放大的自发发射(ASE)和增益。当光输出由ASE主导时，在光输出相对于电流(LI)特征中存在拐点，其中，每单位注入电流的光输出单位变得非常大。LI曲线中的这个拐点类似于激光二极管的阈值，但要软得多。SLED将具有层结构，其设计成具有一个或多个发光层，该发光层在上面和下面包覆有较低光学折射率的材料，从而可以形成侧向引导的光学模式。SLED还将制造提供侧向光学限制的特征。这些侧向限制特征可由蚀刻脊组成，空气、真空、金属或介电材料围绕脊并提供低光学指数包层。侧向限制特征也可以通过成形电触点来提供，使得注入的电流被限制在装置中的有限区域。在这种“增益引导”结构中，具有注入载流子密度的发光层的光学折射率中的色散提供了提供光学模式的侧向限制所需的光学折射率对比度。
在一个实施例中，LD或SLED装置被表征为具有非均匀宽度的脊。该脊由具有均匀宽度的第一部分和具有变化宽度的第二部分组成。第一部分的长度在100与500μm之间，但可能更长。第一部分的宽度在1与2.5μm之间，优选地宽度在1与1.5μm之间。脊的第二部分具有第一端和第二端。第一端与脊的第一部分连接，并且具有与脊的第一部分相同的宽度。脊的第二部分的第二端比脊的第一部分宽，宽度在5与50μm之间，更优选地宽度在15与35μm之间。脊形波导的第二部分在其第一端与第二端之间平滑地改变宽度。在一些实施例中，脊的宽度相对于长度的二阶导数为零，使得脊的锥度是线性的。在一些实施例中，二阶导数被选择为正或负。通常，选择宽度增加的速率使得脊在宽度上的扩展不会显著快于光学模式。在具体实施例中，电注入区域被图案化，使得波导的锥形部分的仅一部分被电注入。
在实施例中，以不同波长发射的多个激光管芯被传送到彼此非常接近(优选地在彼此1毫米内，更优选地在彼此约200微米内，最优选地在彼此约50μm内)的同一载体晶圆。选择激光管芯波长以使其在波长上相隔至少两倍于其光谱半峰全宽。例如，分别在440nm、450nm和460nm发射的三个管芯被传送到单个载体芯片上，管芯之间的间距小于50μm，管芯宽度小于50μm，使得由管芯发射的激光从中心到中心的总侧向间距小于200μm。激光管芯的封闭性允许它们的发射很容易耦合到相同的光学系统或光纤波导中或者在远场投射到重叠的光斑中。在某种意义上，激光器可以作为单个激光光源有效地操作。
这样的配置提供的优点在于，每个单独的激光光源可以独立地操作以使用例如叠加在DC偏移上的RF信号的频率和相位调制来传送信息。可以通过调节每个信号的DC偏移来调节来自不同光源的光的时间平均比例。在接收器处，来自各个激光源的信号将通过在各个光电探测器上使用陷波滤波器来解复用，该光电探测器滤除白光光谱中的荧光体导出的分量以及来自除一个激光源之外的所有激光源的泵浦光两者。这样的配置将提供优于基于LED的可见光通信(VLC)源的优点，即带宽将随激光发射器的数量容易地缩放。当然，具有类似优点的类似实施例可以由SLED发射器构成。
在如上所述的激光二极管芯片制造之后，可以将激光二极管安装到基台。在一些示例中，基台由AlN、SiC、BeO、金刚石或其他材料(诸如，金属、陶瓷或复合材料)组成。可选地，基台可以是用于安装到附接有荧光体材料的公共支撑构件的中间基台。基台构件可以被表征为宽度、长度和厚度。在基台是荧光体和激光二极管芯片的公共支撑构件的示例中，基台的宽度和长度尺寸范围为约0.5mm至约5mm或约15mm，厚度范围为约150μm至约2mm。在基台是激光二极管芯片与公共支撑构件之间的中间基台的示例中，该基台被表征为宽度和长度尺寸范围为约0.5mm至约5mm，厚度范围为约50μm至约500μm。使用键合工艺、焊接工艺、胶合工艺或其组合将激光二极管附接到基台。在一个实施例中，基台是电隔离的，并且具有沉积在顶部的金属键合焊盘。激光芯片安装在这些金属垫中的至少一个上。激光芯片可以以p侧向下或p侧向上的配置安装。在键合激光芯片之后，从芯片到基台形成引线键合，使得最终的片上基台(CoS)完成并准备好集成。
图5示出了根据本发明的基于形成在含镓和氮的基板上的常规激光二极管技术的CoS的示意图。CoS由被配置为用作激光二极管芯片302与最终安装表面之间的中间材料的基台材料301组成。基台配置有电极303和305，电极303和305可以由沉积金属层(诸如，Au)形成。在一个示例中，Ti/Pt/Au用于电极。引线键合304被配置为将来自基台上的电极303和305的电功率耦合到激光二极管芯片以从激光二极管生成激光束输出306。电极303和305被配置为电连接到外部电源，诸如激光驱动器、电流源或电压源。引线键合304可以在电极上形成以将电功率耦合到激光二极管装置并激活激光器。
在另一实施例中，含镓和氮的激光二极管制造包括外延释放步骤以剥离外延生长的镓和氮层，并准备将它们转移到载体晶圆，该载体晶圆在激光制造之后可以包括基台。转移步骤需要将外延层精确地放置在载体晶圆上以使外延层随后能够加工成激光二极管装置。到载体晶圆的附接工艺可以包括晶圆键合步骤，其具有由金属-金属、半导体-半导体、玻璃-玻璃、电介质-电介质或其组合组成的键合接口。
在本实施例中，含镓和氮的外延层生长在含镓和氮的块状基板上。外延层堆叠至少包括牺牲释放层和覆盖释放层的激光二极管装置层。在含镓和氮的块状基板上生长外延层之后，通过选择性湿蚀刻工艺(诸如PEC蚀刻)将半导体装置层与基板分离，该选择性湿蚀刻工艺被配置为选择性地去除牺牲层并使得装置层能够释放到载体晶圆。在一个实施例中，键合材料沉积在覆盖半导体装置层的表面上。键合材料也以覆盖涂层的形式沉积或图案化在载体晶圆上。使用标准光刻工艺来选择性地掩模半导体装置层。然后对晶圆进行蚀刻工艺(诸如干蚀刻或湿蚀刻工艺)以限定暴露台面结构侧壁上的牺牲层的通孔结构。如本文所使用的，术语台面区域或台面用于描述在含镓和氮的基板上的图案化外延材料，并准备转移到载体晶圆。台面区域可以是任何形状或形式，包括矩形、正方形、三角形、圆形、椭圆形、多面体形状或其他形状。术语台面不应限制本发明的范围。
在定义台面之后，执行选择性蚀刻工艺以完全或部分地去除牺牲层，同时保持半导体装置层完整。所得到的结构包括由外延装置层组成的底切台面(undercut mesas)。底切台面对应于将在其上形成半导体装置的管芯。在一些实施例中，可以在台面区域的侧壁上采用保护性钝化层以防止当蚀刻选择性不完美时装置层暴露于选择性蚀刻。在其他实施例中，不需要保护性钝化，因为装置层对选择性蚀刻不敏感或者采取措施防止蚀刻敏感层，诸如使阳极和阴极短路。然后，使用键合技术将对应于装置管芯的底切台面转移到载体晶圆上，其中，覆盖在半导体装置层上的键合材料与载体晶圆上的键合材料接合。所得到的结构是载体晶圆，该载体晶圆包括覆盖键合区域的含镓和氮的外延装置层。
在优选实施例中，采用PEC蚀刻作为选择性蚀刻以去除牺牲层。PEC是可以用于蚀刻GaN及其合金的光辅助湿蚀刻技术。该工艺涉及带上间隙(above-band-gap)激发源和由半导体和电解质溶液形成的电化学电池。在这种情况下，暴露的(Al，In，Ga)N材料表面充当阳极，而沉积在半导体上的金属焊盘充当阴极。带上间隙光源在半导体中生成电子-空穴对。电子经由阴极从半导体中提取，而空穴扩散到材料表面形成氧化物。由于空穴扩散到表面需要表面处的能带弯曲以促进空穴的聚集，所以PEC蚀刻通常仅适用于n型材料，尽管已经开发了蚀刻p型材料的一些方法。然后氧化物被电解液溶解，导致半导体的湿蚀刻。包括HCl、KOH和HNO3的不同类型的电解液已被证明在GaN及其合金的PEC蚀刻中有效。选择有利的电解液可以优化蚀刻选择性和蚀刻速率。还可以在半导体与阴极之间生成外部偏置以辅助PEC蚀刻工艺。
在优选实施例中，具有下置牺牲区域的半导体装置外延材料被制造成在具有上置半导体装置层的含镓和氮的块状基板上的台面的密集阵列。使用图案化和湿或干蚀刻工艺形成台面，其中，图案化包括光刻步骤以限定台面区域的尺寸和间距。干刻蚀技术(诸如反应离子刻蚀、电感耦合等离子体刻蚀或化学辅助离子束刻蚀)是候选方法。可选地，可以使用湿蚀刻。蚀刻被配置为终止于装置层下方的牺牲区域或其下方。随后是选择性蚀刻工艺(诸如PEC)以完全或部分蚀刻暴露的牺牲区，从而底切台面。该底切台面图案间距将被称为“第一间距”。第一间距通常是适合于在基板上制造每个外延区域的设计宽度，而对于期望的完成的半导体装置设计而言不够大，其通常需要较大的非有源区域或用于接触等的区域。例如，这些台面的第一间距范围为约5μm至约500μm或约5000μm。这些台面中的每一个都是“管芯”。
在优选实施例中，使用选择性键合工艺以第二间距将这些管芯转移到载体晶圆上，使得载体晶圆上的第二间距大于含镓和氮基板上的第一间距。在该实施例中，管芯处于扩展间距上用于所谓的“管芯扩展”。在示例中，第二间距配置有管芯以允许具有载体晶圆的一部分的每个管芯是半导体装置，包括触点和其他部件。例如，第二间距将为约50μm至约1000μm或约5000μm，但在应用需要大的半导体装置芯片的情况下，第二间距可以大到约3-10mm或更大。较大的第二间距可以实现更容易的机械处理，而不需要花费昂贵的含镓和氮的基板和外延材料，允许为半导体装置芯片添加额外特征的空间，诸如不需要昂贵的含镓和氮的基板和外延材料的键合焊盘和/或允许包含外延层的较小的含镓和氮的外延晶圆填充用于后续处理的大得多的载体晶圆以降低处理成本。例如，4：1的管芯扩展比将使含镓和氮的材料的密度降低4倍，并且因此在载体晶圆上填充的区域比含镓和氮的基板大4倍。这将相当于把2英寸的镓和氮基板变成4英寸的载体晶圆。具体地，本发明通过选择性区域键合工艺来增加基板晶圆和外延材料的利用率以将外延材料的单个管芯转移到载体晶圆使得载体晶圆上的晶圆间距相对于原始外延晶圆增加。外延材料的布置允许不需要存在昂贵的含镓和含氮的基板以及通常在含镓和含氮的基板上制造的覆盖的外延材料的装置部件在较低成本的载体晶圆上制造，允许更有效地利用含镓和含氮的基板和覆盖的外延材料。
图6是根据本发明的具有选择性区域键合的管芯扩展过程的示意图。根据本发明的实施例，准备用于键合的装置晶圆。装置晶圆由基板606、缓冲层603、完全去除的牺牲层609、装置层602、键合介质601、阴极金属605和锚定材料604组成。在PEC蚀刻中去除牺牲层609，同时保留锚定材料604。在含镓和氮的外延晶圆中形成的台面区域形成外延材料的管芯和通过加工定义的释放层。以第一间距形成单个外延材料管芯。以第二间距准备由载体晶圆基板607和键合焊盘608组成的载体晶圆。基板606与载体晶圆607对准，使得含镓和氮的基板606上具有第一间距的台面的子集与载体晶圆607上具有第二间距的键合焊盘608的子集对准。由于第一间距大于第二间距，并且台面将包括装置管芯，因此建立了管芯扩展的基础。进行键合工艺，并且当基板与载体晶圆607分离时，基板606上的台面的子集被选择性地转移到载体晶圆607。然后用载体晶圆607上的第二组台面和键合焊盘608重复该过程，直到载体晶圆607完全由外延台面填充。现在可以可选地准备含镓和氮的外延基板201以供重复使用。
在图6描绘的示例中，外延晶圆606上的四分之一的外延管芯在该第一选择性键合步骤中被转移，在外延晶圆606上留下四分之三。然后重复选择性区域键合步骤以将外延管芯的第二个四分之一、第三个四分之一和第四个四分之一转移到图案化的载体晶圆607。这种选择性区域结合可以重复任何次数，并且不限于图6描绘的四个步骤。结果是载体晶圆607上的外延管芯阵列，其管芯间距比外延晶圆606上的原始管芯间距宽。外延晶圆606上的管芯间距将被称为间距1，而载体晶圆607上的管芯间距将被称为间距2，其中，间距2大于间距1。
在一个实施例中，载体晶圆与具有外延层的含镓和氮的基板之间的键合在已经施加到载体和具有外延层的含镓和氮的基板的键合层之间执行。键合层可以是多种键合对，包括金属-金属、氧化物-氧化物、焊接合金、光刻胶、聚合物、蜡等。仅与载体晶圆607上的键合焊盘608接触的外延管芯键合。亚微米对准公差在商用管芯片键合机上是可能的。然后，拉开外延晶圆606，在弱化的外延释放层609处破坏外延材料，使得所需的外延层保留在载体晶圆607上。这里，“选择性区域键合步骤”被定义为该工艺的单次迭代。
在一个实施例中，载体晶圆607被图案化，使得仅选定的台面与载体晶圆607上的金属键合焊盘608接触。当拉开外延基板606时，键合的台面在弱化的牺牲区域处断裂，而未键合的台面保持附接到外延基板606。然后可以重复该选择性区域键合工艺以将剩余的台面转移到所需配置中。该工艺可以通过任意数量的迭代重复，并且不限于图6中描述的两次迭代。载体晶圆可以是任何尺寸，包括但不限于约2英寸、3英寸、4英寸、6英寸、8英寸和12英寸。在所有所需台面已经转移之后，可以可选地使用第二带隙选择性PEC蚀刻来去除任何剩余的牺牲区域材料以产生光滑表面。此时，可以在载体晶圆上执行标准半导体装置工艺。本发明的另一实施例包含在选择性区域键合步骤之前在密集外延晶圆上制造装置部件。
在一个示例中，本发明提供了用于增加可以由给定外延表面积制造的含镓和氮的半导体装置的数量的方法；其中，含镓和氮的外延层覆盖含镓和氮的基板。将含镓和氮的外延材料图案化到具有第一管芯间距的管芯；将来自具有第一间距的含镓和氮的外延材料的管芯转移到载体晶圆上以在载体晶圆上形成第二管芯间距；第二管芯间距大于第一管芯间距。
在示例中，每个外延装置管芯是蚀刻台面，其间距在约1μm与约100μm宽之间或约100μm与约500μm宽之间或约500μm与约3000μm宽之间以及约100与约3000μm长之间。在示例中，载体晶圆上的第二管芯间距在约100μm与约200μm之间或在约200μm与约1000μm之间或在约1000μm与约3000μm之间。在示例中，载体晶圆上的第二管芯间距大于外延晶圆上的管芯间距约2倍与约50倍之间。在示例中，在外延转移后在载体晶圆上制造半导体LED装置、激光装置或电子装置。在示例中，半导体装置包含GaN、AlN、InN、InGaN、AlGaN、InAlN和/或InAlGaN。在示例中，含镓和氮的材料生长在极性、非极性或半极性平面上。在示例中，在外延材料的每个管芯上制造一个或多个半导体装置。在示例中，不需要外延材料的装置部件被放置在外延管芯之间的空间中。
在一个实施例中，装置管芯被转移到载体晶圆，使得管芯之间的距离在横向和侧向两者上被扩展。这可以通过在载体晶圆上以比基板上装置管芯的间距更大的间距间隔键合焊盘来实现。
在本发明的另一实施例中，来自多个外延晶圆的装置管芯被转移到载体晶圆，使得载体晶圆上的每个设计宽度包含来自多个外延晶圆的管芯。当从多个外延晶圆以紧密间距转移管芯时，重要的是外延晶圆上未转移的管芯不会无意接触并键合到已经转移到载体晶圆上的管芯。为了实现这一点，使用上述方法将来自第一外延晶圆的外延管芯转移到载体晶圆。然后将第二组键合焊盘沉积在载体晶圆上并使其具有使得第二焊盘的键合表面高于第一组转移管芯的顶表面的厚度。这样做是为了提供足够的间隙以便将管芯与第二外延晶圆键合。第二外延晶圆将第二组管芯转移到载体晶圆。最后，制造半导体装置并沉积钝化层，随后沉积允许单独驱动每个管芯的电接触层。从第一基板和第二基板传送的管芯以小于载体晶圆的第二间距的间距间隔开。该过程可以扩展到从任意数量的外延基板转移管芯，并且每个管芯从每个外延基板转移任意数量的装置。
图7示出了根据本发明的基于剥离和转移的外延含镓和氮的层的CoS的示意图。CoS由基台材料901组成，该基台材料901由具有转移的外延材料的载体晶圆用配置在外延902内的激光二极管配置。电极903和904电耦合到激光二极管装置的n侧和p侧，并且被配置为将来自外部电源的功率传输到激光二极管以从激光二极管生成激光束输出905。电极被配置为电连接到外部电源，诸如激光驱动器、电流源或电压源。引线键合可以在电极上形成以将功率耦合到激光二极管装置。由于低热阻，这种具有转移的外延材料的集成CoS装置提供了优于常规配置(诸如尺寸、成本和性能)的优点。
在美国专利申请第14/312,427号和美国专利申请第2015/0140710号中描述了该实施例的进一步工艺和装置描述，其描述了在从原生含镓和氮的基板转移的含镓和氮的外延层中形成的激光二极管，该专利申请通过引用并入本文。作为示例，这种GaN转移技术可以实现更低成本、更高性能和更高可制造性的工艺流程。
在基于激光的集成白光源中，荧光体选择是关键的考虑因素。荧光体必须能够承受由激光激发光斑引起的极端光强和相关联的加热而不会严重退化。荧光体选择要考虑的重要特性包括：
·光学激发功率到白光流明的高转换效率。在激发黄色荧光体的蓝色激光二极管的示例中，需要超过150流明/光瓦、或超过200流明/光瓦或超过300流明/光瓦的转换效率。
·高光学损伤阈值在直径为1mm、500μm、200μm、100μm或甚至50μm的光斑中能够承受1-20W的激光功率。
·高热损伤阈值能够承受超过150℃、超过200℃或超过300℃的温度而不会分解。
·低热淬灭特征，使得荧光体在达到超过150℃、200℃或250℃的温度时仍然有效。
·高热导率以消散热量并调节温度。期望热导率大于3W/m-K、大于5W/m-K、大于10W/m-K并且甚至大于15W/m-K。
·用于应用的适当的荧光体发射颜色。
·适当的孔隙率特性，其导致相干激发的期望散射而不会导致热导率或光学效率不可接受的降低。
·用于应用的适当的形状因素。这种形状因素包括但不限于块、板、盘、球体、圆柱体、杆或类似的几何元件。正确的选择将取决于荧光体是以透射模式还是反射模式操作以及激发光在荧光体中的吸收长度。
·为应用优化的表面条件。在示例中，可以有意地使荧光体表面粗糙化以改善光提取。
在优选实施例中，在420nm至480nm波长范围内操作的蓝色激光二极管将与提供560nm至580nm范围内的淡黄色发射的荧光体材料组合，使得当与激光二极管的蓝色发射混合时产生白光。例如，为了满足黑体线上的白色点，组合光谱的能量可以由来自蓝色激光发射的约30％和来自黄色荧光体发射的约70％组成。在其他实施例中，具有红色、绿色、黄色和甚至蓝色发射的荧光体可以与紫色、紫外线或蓝色波长范围内的激光二极管激发源组合使用以产生具有颜色混合的白光。尽管这种白光系统可能由于使用一种以上的荧光体构件而更复杂，但是可以实现诸如改进的显色性的优点。
在示例中，从激光二极管发射的光被荧光体元件部分地转换。在示例中，在荧光体元件中生成的发射的部分转换光导致色点，其外观为白色。在示例中，白光的色点位于点的普朗克黑体轨迹上。在示例中，白光的色点位于点的普朗克黑体轨迹的小于0.010的du'v'内。在示例中，白光的色点优选地位于点的普朗克黑体轨迹的小于0.03的du'v'内。
荧光体材料可以在透射模式、反射模式、或透射模式和反射模式的组合或其他模式下操作。荧光体材料被表征为转换效率、耐热损伤性、耐光损伤性、热淬灭特性、散射激发光的孔隙率和热导率。在优选实施例中，荧光体材料由掺杂有Ce的黄色发射的YAG材料组成，其转换效率大于100流明/光瓦、大于200流明/光瓦或大于300流明/光瓦，并且可以是多晶陶瓷材料或单晶材料。
在本发明的一些实施例中，荧光体的环境可以独立地定制以在很少或没有增加成本的情况下产生高效率。用于激光二极管激发的荧光体优化可以包括高透明度、散射或非散射特性以及陶瓷荧光体板的使用。温度敏感性的降低可以通过掺杂水平来确定。可以在陶瓷荧光体的背面添加反射器，从而减少损耗。荧光体可以成形为增加输入耦合、增加输出耦合和/或减少背反射。表面粗糙化是增加从固体材料提取光的公知手段。可以将涂层、反射镜或滤波器添加到荧光体以减少出射非主要发射表面的光量，促进更有效的光通过主要发射表面出射并促进更高效的激光激发光的输入耦合。当然，还可以有附加变化、修改和替代。
在一些实施例中，某些类型的荧光体将最适合于具有激光激发源的这种要求苛刻的应用。作为示例，掺杂有Ce3+离子的陶瓷钇铝石榴石(YAG)或YAG基荧光体可以是理想的候选材料。它们掺杂有诸如Ce的物质以获得适当的发射颜色，并且通常包括特性以散射激发光源的光，并很好地打破激光激发时的相干性。由于其立方晶体结构，YAG：Ce可以准备成高透明单晶或多晶块状材料。透明程度和发光程度取决于化学计量组成、掺杂剂的含量以及整个加工和烧结过程。对于蓝光和黄光的均匀混合，可以优化散射中心的透明度和程度。YAG：Ce可以被配置为发射绿色发射。在一些实施例中，YAG可以掺杂有Eu以发射红色发射。
在根据本发明的优选实施例中，白光源配置有陶瓷多晶YAG：Ce荧光体，其包括大于100流明/光激发瓦特、大于200流明/光激发瓦特、至大于300流明/光激发瓦特的光学转换效率。此外，陶瓷YAG：Ce荧光体被表征为150℃以上、200℃以上或250℃以上的温度淬火特性和5-10W/m-K的高热导率以有效地将热量散发到散热器构件并将荧光体保持在可操作的温度。
在根据本发明的另一优选实施例中，白光源配置有单晶荧光体(SCP)，诸如YAG：Ce。在一个示例中，可以通过丘克拉斯基(Czochralski)技术生长Ce：Y3Al5O12 SCP。在根据本发明的该实施例中，基于YAG：Ce的SCP被表征为大于100流明/光激发瓦特、大于200流明/光激发瓦特甚至大于300流明/光激发瓦特的光学转换效率。此外，单晶YAG：Ce荧光体被表征为150℃以上、200℃以上或300℃以上的温度淬火特性和8-20W/m-K的高热导率以有效地将热量散发到散热器构件并将荧光体保持在可操作的温度。除了高热导率、高热猝灭阈值和高转换效率外，将荧光体成形为当用激光激发时可以用作理想的“点”光源的微小形式的能力也是有吸引力的特征。
在一些实施例中，YAG：Ce可以被配置为发射黄色发射。在替代或相同的实施例中，YAG：Ce可以被配置为发射绿色发射。在又一替代或相同的实施例中，YAG可以掺杂有Eu以发射红色发射。在一些实施例中，LuAG被配置用于发射。在替代实施例中，氮化硅或氮化铝可用作红色、绿色、黄色或蓝色发射的晶体主体材料。
在替代实施例中，包括粉末单晶或陶瓷荧光体，诸如黄色荧光体或绿色荧光体。粉末荧光体可以被分配在透明构件上用于透射模式操作或者分配在固体构件上(其在荧光体的背面上或者在荧光体与固体构件之间具有反射层)以在反射模式下操作。可以使用粘合剂材料将荧光体粉末以固体结构保持在一起，其中，粘合剂材料优选为具有高光学损伤阈值和有利的热导率的无机材料。荧光体功率可以由有色荧光体组成，并且被配置为当由蓝色激光束激发并与蓝色激光束组合或者由紫色激光束激发时发射白光。粉末状荧光体可以由YAG、LuAG或其他类型的荧光体组成。
在本发明的一个实施例中，荧光体材料包含钇铝石榴石主体材料和稀土掺杂元素等。在示例中，波长转换元件是包含稀土掺杂元素的荧光体，该稀土掺杂元素选自Ce、Nd、Er、Yb、Ho、Tm、Dy和Sm及其组合等。在示例中，荧光体材料是高密度荧光体元件。在示例中，高密度荧光体元件的密度大于纯基质晶体的90％。可以使用铈(III)掺杂的YAG(YAG：Ce3+或Y3Al5O12：Ce3+)，其中，荧光体吸收来自蓝色激光二极管的光并在从绿色到红色的宽范围内发射，其中大部分输出为黄色。这种黄色发射与剩余的蓝色发射相结合产生“白色”光，可以将其调整为暖(淡黄)或冷(淡蓝)白的色温。Ce3+：YAG的黄色发射可以通过用其他稀土元素(诸如，铽和钆)取代铈来调节，并且甚至可以通过用镓取代YAG中的部分或全部铝来进一步调节。
在替代示例中，各种荧光体可应用于本发明，其包括但不限于有机染料、共轭聚合物、半导体(诸如AlInGaP或InGaN)、掺杂有Ce3+离子(Y1-aGda)3(Al1-bGab)5O12：Ce3+的钇铝石榴石(YAG)、SrGa2S4：Eu2+、SrS：Eu2+、铽铝基石榴石(TAG)(Tb3Al5O5)、含有CdTe、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdSe或CdTe的胶体量子点薄膜。
在进一步的替代示例中，一些稀土掺杂的SiAlON可以用作荧光体。铕(II)掺杂的β-SiAlON在紫外光和可见光光谱中吸收，并发出强烈的宽带可见光发射。由于温度稳定的晶体结构，其亮度和颜色不会随温度显著变化。在替代示例中，可以使用绿色和黄色SiAlON荧光体以及红色CaAlSiN3基(CASN)荧光体。
在又进一步示例中，白光源可以通过将近紫外发射激光二极管与高效率铕基红色和蓝色发射荧光体加上绿色发射铜和铝掺杂的硫化锌(ZnS：Cu，Al)的混合物组合而制成。
在示例中，荧光体或荧光体混合物可以选自以下项中的一个：(Y，Gd，Tb，Sc，Lu，La)3(Al，Ga，In)5O12：Ce3+、SrGa2S4：Eu2+、SrS：Eu2+和包含CdTe、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdSe或CdTe的胶体量子点薄膜。在示例中，荧光体能够发射基本上红光，其中，荧光体选自(Gd，Y，Lu，La)2O3：Eu3+，Bi3+；(Gd，Y，Lu，La)2O2S：Eu3+，Bi3+；(Gd，Y，Lu，La)VO4：Eu3+，Bi3+；Y2(O，S)3：Eu3+；Ca1-xMo1-ySiyO4：其中，0.05<x<0.5，0<y<0.1；(Li，Na，K)5Eu(W，Mo)O4；(Ca，Sr)S：Eu2+；SrY2S4：Eu2+；CaLa2S4：Ce3+；(Ca，Sr)S：Eu2+；3.5MgO×0.5MgF2×GeO2：Mn4+(MFG)；(Ba，Sr，Ca)MgxP2O7：Eu2+，Mn2+；(Y，Lu)2WO6：Eu3+，Mo6+；(Ba，Sr，Ca)3MgxSi2O8：Eu2+，Mn2+，其中，1<x<2；(RE1-yCey)Mg2-xLixSi3-xPxO12，其中，RE是Sc，Lu，Gd，Y和Tb中的至少一个，0.0001<x<0.1并且0.001<y<0.1；(Y，Gd，Lu，La)2-xEuxW1-yMoyO6，其中，0.5<x<1.0，0.01<y<1.0；(SrCa)1-xEuxSi5N8，其中，0.01<x<0.3；SrZnO2：Sm+3；MmOnX，其中，M选自Sc、Y、镧系元素、碱土金属及其混合物；X是卤素；1<m<3；并且1<n<4，并且其中，镧系元素掺杂水平可以在0.1-40％光谱权重的范围内；以及Eu3+活化的磷酸盐或硼酸盐荧光体；以及其混合物。其他荧光体种类和相关技术的进一步细节可以在2015年2月17日发布的Raring等人名下的美国专利申请第8,956,894中找到，其标题为“White light devices using non-polar or semipolar gallium containingmaterials and phosphors”，其为共同所有并通过引用并入本文。
在本发明的一些实施例中，陶瓷荧光体材料嵌入到粘合剂材料(诸如硅酮)中。这种配置通常不太理想，因为粘合剂材料通常具有较差的热导率，并且因此变得非常热，其中，粘合剂材料迅速降解甚至燃烧。这种“嵌入式”荧光体通常用于动态荧光体应用，诸如色轮，其中，纺丝轮冷却荧光体并以径向图案在荧光体周围散布激发光斑。
对于基于激光二极管激发的集成白光源，充分的荧光体散热是关键的设计考虑因素。具体地，光学泵浦光体系统在荧光体中具有损失源，其结果是热能，并且因此必须将其散发到散热器以获得最佳性能。损失的两个主要来源是斯托克斯(Stokes)损耗，其是将较高能量的光子转换为较低能量的光子的结果，使得能量的差异就会导致系统的损失，并以热的形式散发。另外，测量成功再发射的吸收光子的比例的量子效率或量子产率不统一，因此存在来自与未转换的光子相关的其他内部吸收过程的热产生。取决于激发波长和转换波长，斯托克斯损耗可以导致大于10％、大于20％和大于30％以及更大的入射光功率的损耗，从而导致必须散发的热功率。量子损耗可以导致额外的10％、大于20％、大于30％和更大的入射光功率，从而导致必须散发的热功率。利用1W至100W范围内的激光束功率聚焦到直径小于1mm、直径小于500μm甚至小于100μm的光斑，可以产生超过1W/mm2、100W/mm2甚至超过2500W/mm2的功率密度。作为示例，假设光谱由30％的蓝色泵浦光和70％的转换黄光组成，以及斯托克斯和量子损耗的最佳情况，我们可以计算出在0.1W/mm2、10W/mm2甚至超过250W/mm2的荧光体中10％的总损耗下以热形式散发的功率密度。因此，即使是这个最佳情况的示例，这也需要散发大量的热量。在高强度激光激发下在荧光体内产生的这种热量会限制荧光体的转换性能、颜色质量和寿命。
为了获得最佳的荧光体性能和寿命，不仅荧光体材料本身应该具有高热导率，而且还应该用高热导率接头附接到基台或公共支撑构件上以将热量从荧光体传递到散热器。在本发明中，荧光体附接到封装在单独组件中的远程基台构件。在一些实施例中，散热器可以用于支撑荧光体以释放在波长转换期间产生的热量。理想地，荧光体键合接口将具有相当大的面积，在接口的荧光体侧和支撑构件侧两者上均具有平坦的表面。
在本发明中，激光二极管输出光束必须被配置为入射到荧光体材料上以激发荧光体。在一些实施例中，激光束可以直接入射到荧光体上，并且在其他实施例中，激光束可以与光学器件、反射器、波导或其他对象相互作用以在入射到荧光体上之前操作光束。这种光学器件的示例包括但不限于球透镜、非球面准直器、非球面透镜、快轴或慢轴准直器、二向色镜、转向镜、光隔离器，但也可以是其他的。
在一些实施例中，该设备通常具有自由空间，该自由空间具有将激光束从激光装置发射到荧光体材料的非引导激光束特性。激光束光谱宽度、波长、尺寸、形状、强度和偏振被配置为激发荧光体材料。光束可以通过将其定位在与荧光体的精确距离处来配置以利用激光二极管的光束发散特性并实现期望的光斑尺寸。在一个实施例中，优化从激光器到荧光体的入射角以在荧光体上实现期望的光束形状。例如，由于激光孔径的不对称性以及光束的快轴和慢轴上不同的发散角，由垂直于荧光体配置的激光器产生的荧光体上的光斑将是椭圆形的，典型地，快轴直径大于慢轴直径。为了补偿这一点，可以优化荧光体上的激光束入射角以在慢轴方向拉伸光束，使得光束在荧光体上更圆。在其他实施例中，诸如准直透镜的自由空间光学器件可以用于在入射到荧光体上之前使光束成形。光束可以被表征为偏振纯度大于50％并且小于100％。如本文所使用的，术语“偏振纯度”表示大于50％的发射电磁辐射处于基本上类似的偏振状态，诸如横向电(TE)或横向磁(TM)偏振状态，但可以具有与普通意义一致的其他含义。
该白光设备还具有电输入接口，其被配置为将电输入功率耦合到激光二极管装置以生成激光束并激发荧光体材料。在示例中，入射到荧光体上的激光束具有小于0.1W、大于0.1W、大于0.5W、大于1W、大于5W、大于10W或大于20W的功率。白光源被配置为产生大于1流明、10流明、100流明、1000流明、10，000流明或更大的白光输出。
支撑构件被配置为将热能从至少一个激光二极管装置和荧光体材料传输到散热器。支撑构件被配置为提供表征从激光装置到散热器的热路径的热阻抗小于10摄氏度/瓦、小于5摄氏度/瓦或小于3摄氏度/瓦的耗散功率。支撑构件由导热材料(诸如导热系数约400W/(m-K)的铜、导热系数约200W/(mK)的铝、导热系数约370W/(m-K)的4H-SiC、导热系数约490W/(m-K)的6H-SiC、导热系数约230W/(m-K)的AlN、导热系数约>1000W/(m-K)的人造金刚石、蓝宝石、或其他金属、陶瓷或半导体)组成。支撑构件可以由生长工艺(诸如SiC、AlN或人造金刚石)形成，然后通过机械加工、切割、修整或模塑机械成形。可选地，支撑构件可以由诸如铜、铜钨、铝等金属通过机械加工、切割、修整或模塑形成。
目前，固态照明由利用蓝色或紫色发光二极管(LED)来激发发射更宽光谱的荧光体的系统主导。可以优化所谓的泵浦LED和荧光体的组合光谱以产生具有可控色点和良好显色指数的白光光谱。现有LED的峰值壁插头效率相当高，超过70％，使得基于LED的白灯泡现在是发光效率的领先照明技术。作为激光光源，特别是基于新型制造工艺的含镓和含氮材料制成的高功率蓝色激光二极管，在量子效率、功率密度、调制率、表面亮度等方面显示出比常规LED更优越的功能。这开辟了使用基于固态光源的照明灯具、照明系统、显示器、投影仪等作为使用可见光以高带宽传输信息的手段的机会。还能够利用调制的激光信号或直接的激光光斑操作来测量周围环境和或与周围环境相互作用，将数据传送到其他电子系统，并动态地响应来自各种传感器的输入。这种应用在本文中被称为“智能照明”应用。
在一些实施例中，本发明提供了在通信系统(诸如可见光通信系统)中含镓和氮的激光二极管的新颖用途和配置。更具体地，本发明提供与智能照明应用相关的通信系统，具有基于镓和氮的激光器光源，耦合到一个或多个传感器，该传感器具有反馈回路或控制电路，以触发光源对一个或多个预定响应做出反应，以及智能照明和可见光通信的组合。在这些系统中，使用由一个或多个激光驱动器供电的激光装置来产生光。在一些实施例中，使用单独的激光装置并且提供光学元件以将红、绿和蓝光谱组合成白光光谱。在其他实施例中，蓝色或紫色激光由激光源提供，并且由波长转换元件部分或全部转换成较长波长光的较宽光谱从而产生白光光谱。
蓝色或紫色激光装置照射波长转换元件，波长转换元件吸收部分泵浦光并重新发射较宽光谱的较长波长光。被波长转换元件吸收的光被称为“泵浦”光。光引擎被配置为使得来自波长转换元件的光和未转换的泵浦光两者的一些部分从光引擎发射。当未转换的蓝色泵浦光和由波长转换元件发射的较长波长光组合时，它们可以形成白光光谱。在示例中，在波长转换元件中产生的发射的部分转换光导致色点，其外观为白色。在示例中，白光的色点位于点的普朗克黑体轨迹上。在示例中，白光的色点位于点的普朗克黑体轨迹的小于0.010的du'v'内。在示例中，白光的色点优选地位于点的普朗克黑体轨迹的小于0.03的du'v'内。
在示例中，波长转换元件是包含石榴石主体材料和掺杂元素的荧光体。在示例中，波长转换元件是荧光体，其包含钇铝石榴石主体材料和稀土掺杂元素等。在示例中，波长转换元件是包含稀土掺杂元素的荧光体，该稀土掺杂元素选自Nd、Cr、Er、Yb、Nd、Ho、Tm、Cr、Dy、Sm、Tb和Ce中的一种或多种及其组合等。在示例中，波长转换元件是包含氧氮化物的荧光体，该氧氮化物包含掺杂或不掺杂稀土Ca、Sr、Ba、Si、Al中的一种或多种。在示例中，波长转换元件是包含碱土硅酸盐，诸如M2SiO4：Eu2+(其中，M是Ba2+、Sr2+和Ca2+中的一种或多种)的荧光体。在示例中，波长转换元件是包含Sr2LaAlO5：Ce3+、Sr3SiO5：Ce3+或Mn4+掺杂的氟化物荧光体的荧光体。在示例中，波长转换元件是高密度荧光体元件。在示例中，波长转换元件是密度大于纯基质晶体90％的高密度荧光体元件。在示例中，波长转换材料是粉末。在示例中，波长转换材料是悬浮或嵌入在玻璃、陶瓷或聚合物基质中的粉末。在示例中，波长转换材料是单晶构件。在示例中，波长转换材料是烧结到密度大于完全致密材料的75％的粉末。在示例中，波长转换材料是具有不同成分和/或折射率的粉末的烧结混合物。在示例中，波长转换元件是悬浮在玻璃或聚合物基质中的一种或多种荧光体粉末或颗粒。在示例中，波长转换元件是半导体。在示例中，波长转换元件包含半导体材料的量子点。在示例中，波长转换元件由半导体粉末或颗粒组成。
对于激光二极管，荧光体可以远离激光管芯，使得荧光体能够很好地散热，从而实现高输入功率密度。这是相对于LED的有利配置，其中，荧光体通常与LED管芯接触。虽然远程荧光体LED确实存在，但由于LED的大面积和宽发射角，用于LED的远程荧光体具有需要显著更大体积的荧光体以有效地吸收和转换所有LED光的缺点，导致具有大发射面积和低亮度的白光发射器。
对于LED，荧光体发射回LED管芯，在管芯中，来自荧光体的光可能由于吸收而丢失。对于激光二极管模块，荧光体的环境可以独立地定制，以在很少或没有增加成本的情况下产生高效率。用于激光二极管模块的荧光体优化可以包括高透明度、非散射、陶瓷荧光体板。温度敏感性的降低可以通过掺杂水平来确定。可以在陶瓷荧光体的背面增加反射器，从而减少损耗。荧光体可以成形为增加耦合并减少背反射。当然，还可以有附加变化、修改和替代。
对于激光二极管，荧光体或波长转换元件可以在透射或反射模式下操作。在透射模式下，激光通过波长转换元件显示。来自透射模式装置的白光光谱是未被荧光体吸收的激光和由波长转换元件发射的光谱的组合。在反射模式下，激光入射到波长转换元件的第一表面上。一部分激光通过镜面和漫反射的组合被从第一表面反射。一部分激光进入荧光体并被吸收和转换成较长波长的光。由反射模式装置发射的白光光谱由来自波长转换元件的光谱、从波长转换元件的第一表面漫反射的激光的部分和从波长转换元件的内部散射的任何激光组成。
在具体实施例中，激光以反射模式照射波长转换元件。即，激光入射到波长转换元件的同一侧并从该波长转换元件的同一侧收集。该元件可以散热到发射器封装或主动冷却。粗糙表面用于散射，而光滑表面用于镜面反射。在一些情况下，诸如对于单晶荧光体，提供具有或不具有波长转换元件的AR涂层的粗糙表面以将大部分激发光引入荧光体中用于转换和朗伯发射，同时以与发射的转换光相似的朗伯发射散射来自表面的一些激发光。在其他实施例中，诸如使用具有内部内置散射中心的陶瓷荧光体作为波长转换元件，提供光滑表面以允许所有激光激发光进入荧光体，其中，蓝色和波长转换光以类似的朗伯模式射出。
在具体实施例中，激光以透射模式照射波长转换元件。即，激光入射在元件的一侧，穿过荧光体，被元件部分吸收，并从荧光体的相反侧收集。
通常，波长转换元件本身可以包含散射元件。当激光被波长转换元件吸收时，由该元件发射的较长波长的光在宽范围的方向上发射。在透射和反射模式下，入射激光必须被散射成相似的角分布，以确保当从收集光学元件上的所有点观看时所得到的白光光谱基本上相同。为了确保激光被充分散射，可以在波长转换元件上添加散射元件。这种散射元件可以包括：低折射率夹杂物，诸如间隙，波长转换元件的光学折射率的空间变化，其可以作为示例通过将荧光体颗粒悬浮在不同折射率的基质中或将不同组成和折射率的颗粒烧结在一起来提供，波长转换元件的第一表面或第二表面的纹理等。
在具体实施例中，提供了激光器或SLED驱动器模块。例如，激光驱动器模块产生驱动电流，其中，驱动电流适于驱动激光二极管以传输一个或多个信号，诸如数字编码的图像帧、音频和视频记录的数字或模拟编码或二进制值的任何序列。在具体实施例中，激光器驱动器模块被配置为在约50至300MHz、300MHz至1GHz或1GHz至100GHz的频率范围产生脉冲调制信号。在另一实施例中，激光器驱动器模块被配置为在约50至300MHz、200MHz至1GHz或1GHz至100GHz的频率范围内产生多个独立的脉冲调制信号。在一个实施例中，可以通过模拟电压或电流信号来调制激光驱动器信号。
图8A是根据本发明的实施例的包含蓝色泵浦激光器和波长转换元件的基于激光的白光源的功能框图。在一些实施例中，白光源用作静态照明、动态照明、VLC或智能照明应用的“光引擎”。参照图8A，提供了发射中心点波长在390与480nm之间光谱的蓝色或紫色激光装置1202。来自蓝色激光装置1202的光入射到波长转换元件1203上，波长转换元件1203将蓝色光部分或全部转换成较长波长光的较宽光谱，从而产生白光光谱。提供激光驱动器1201，其为激光装置1202供电。在优选实施例中，激光二极管装置是在395nm到425nm波长范围、425nm到490nm波长范围或490nm到550nm范围内操作的含镓和氮的激光二极管装置。例如，激光二极管是输出功率小于1W、或约1W至约4W、或约4W至约10W的蓝色激光二极管。在一些实施例中，可以提供一个或多个光束整形光学元件1204以便对白光光谱进行整形或聚焦。可选地，一个或多个光束整形光学元件1204可以是选自慢轴准直透镜、快轴准直透镜、非球面镜、球透镜、全内反射器(TIR)光学器件、抛物面透镜光学器件、折射光学器件的一种或以上的组合。在其他实施例中，可以在激光入射到波长转换元件1203之前设置一个或多个光束整形光学元件1204。
图8B是根据本发明的另一实施例的包含多个蓝色泵浦激光器和波长转换元件的基于激光的白光源的功能框图。参考图8B，提供了激光驱动器1205，其以足够高的电压传送受控量的电流以操作三个激光二极管1206、1207和1208。在优选实施例中，激光二极管装置是在395nm到425nm波长范围、425nm到490nm波长范围或490nm到550nm范围内操作的含镓和氮的激光二极管装置。例如，三个激光二极管是聚合输出功率小于1W、或约1W至约6W、或约6W至约12W、或约12W至30W的蓝色激光二极管。三个蓝色激光装置1206、1207和1208被配置为使其发射的光以透射或反射模式入射到波长转换元件1209上。波长转换元件1209吸收部分或全部蓝色激光，并发射具有较长波长的光子。由波长转换元件1209发射的光谱和任何剩余的激光由光束整形光学元件1210(诸如透镜或反射镜)收集，其以优选的方向和光束形状引导光。可选地，波长转换元件1209基于荧光体的材料。可选地，可以使用一个以上的波长转换元件。可选地，光束整形光学元件可以是慢轴准直透镜、快轴准直透镜、非球面镜、球透镜、全内反射器(TIR)光学器件、抛物面透镜光学器件、折射光学器件等列表中的一个或多个选择的组合。可选地，光束整形光学元件在激光击中波长转换元件之前实施。
在另一实施例中，使用光纤作为波导元件，其中，在光纤的一端上，来自一个或多个激光二极管的电磁辐射被输入耦合以进入光纤，并且在光纤的另一端上，电磁辐射被输出耦合以离开光纤，其中，电磁辐射随后入射到荧光体构件上。光纤可以具有范围从100μm到约100m，或到约1km或更大的传输长度。光纤可以由单模光纤(SMF)或多模光纤(MMF)组成，芯直径范围为约1μm至10μm、约10μm至50μm、约50μm至150μm、约150μm至500μm、约500μm至1mm或大于1mm。光学核心材料可以由玻璃(诸如二氧化硅玻璃)组成，其中，二氧化硅玻璃可以掺杂各种成分并具有用于优化传播损耗特征的预定水平的羟基(OH)。玻璃纤维材料也可以由氟化物玻璃、磷酸盐玻璃或硫属化物玻璃组成。在替代实施例中，塑料光纤用于传输激光泵浦光。
图9A是根据本发明的实施例的激光诱导光纤传送白光源的功能框图。该图仅是示例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。如图所示，激光诱导光纤传送白光源具有激光驱动器1211，其被配置为提供一个或多个驱动电流或电压或调制控制信号。激光诱导的光纤传送白光源还包括至少一个蓝色激光装置1212，该蓝色激光装置1212被配置为发射具有在约385nm至约485nm范围内的蓝色波长的激光。可选地，至少一个激光二极管装置1212是LD芯片，其被配置为片上基台形式，具有含镓和氮的发射区，该发射区在395nm至425nm波长范围、425nm至490nm波长范围和490nm至550nm范围中选择的一个波长下操作。可选地，至少一个激光二极管装置1212包括一组多个激光二极管(LD)芯片。每个包括GaN基发射条，该GaN基发射条被配置为由来自激光驱动器1211的独立驱动电流或电压驱动以发射激光。从多个LD芯片发射的所有光可以组合成一束电磁辐射。可选地，多个LD芯片是聚合输出功率小于1W、或约1W至约10W、或约10W至约30W、或约30W至100W的蓝色激光二极管。可选地，每个发射的光被单独地驱动和引导。
在实施例中，激光诱导光纤传送白光源包括波导装置1214，波导装置1214被配置为将来自至少一个激光二极管装置1212的激光耦合并传送到远程目的地。可选地，波导装置1214是用于相对灵活地布置在任何定制设计的光系统中的光学光纤。该光学光纤包括单模光纤或多模光纤，芯直径在选自约1μm至10μm、约10μm至50μm、约50μm至150μm、约150μm至500μm、约500μm至1mm或大于1mm的范围内。可选地，波导装置1214是预制在半导体基板上的半导体波导，以适合任何定制设计的光系统中的相对灵活的光路。波导装置1214可以具有任意长度，以通过波导传输构件传送激光电磁辐射，该波导传输构件终止于布置在远程目的地处的光头部构件。可选地，从灯头射出的激光的特征是光束直径范围为1μm至5mm，发散度范围为0度至200度全角。
在实施例中，激光诱导光纤传送白光源还包括设置在远程目的地处的光头部构件中的波长转换元件1215。可选地，波长转换元件1215是荧光体材料，该荧光体材料被配置为设置在与激光二极管装置1212完全分离的基台材料上的单板或像素化板。可选地，用于光纤传送的激光照明系统中的荧光体材料包括掺杂有Ce的陶瓷钇铝石榴石(YAG)或掺杂有Ce的单晶YAG或包含粘合剂材料的粉末YAG。荧光体材料被配置为至少部分地将第一波长(例如，在蓝色光谱中)的输入激光电磁辐射转换为第二波长的荧光体发射。第二波长长于第一波长。可选地，第二波长在黄色光谱范围内。可选地，荧光体材料的光学转换效率大于50流明/光瓦、大于100流明/光瓦、大于200流明/光瓦或大于300流明/光瓦。
可选地，荧光体材料1215具有放置在光头部构件中的光学光纤或半导体波导的端部附近的表面以接收从波导装置1214射出的激光电磁辐射。可选地，激光电磁辐射具有主要传播方向，该主要传播方向被配置为相对于荧光体材料的表面的方向在20度至接近90度的范围内的入射角。可选地，激光电磁辐射的入射角被限制在25度至35度。可选地，激光电磁辐射的入射角被限制在35度至40度。可选地，光头部构件中的波导装置1214的端部相对于荧光体材料的表面布置得非常接近，使得激光电磁辐射可以落在该表面上以形成25μm至5mm范围内的激发光斑。可选地，激发光斑被限制在50μm至500μm范围内。激发光斑处的激光电磁辐射被荧光体材料吸收，以诱导具有比入射电磁辐射的第一波长更长波长的光谱的荧光体发射。第二波长的荧光体发射加上与第一波长的激光电磁辐射的部分混合物的组合产生白光发射。可选地，白光发射基本上从荧光体材料的表面反射，并被重定向或成形为用于各种应用的白光束。可选地，荧光体材料的白光发射可以在选自10至100lm、100至500lm、500至1000lm、1000至3000lm和大于3000lm的范围内。可选地，从作为白光源的光头部构件发出的白光具有100至500cd/mm2、500至1000cd/mm2、1000至2000cd/mm2、2000至5000cd/mm2和大于5000cd/mm2的亮度。
图9B是根据本发明的另一实施例的激光诱导光纤传送白光源的功能框图。该图仅是示例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。如图所示，激光诱导光纤传送白光源包括由激光驱动器1221驱动的蓝色激光装置1222，以发射具有蓝色发射的激光，该激光被表征为波长范围为395nm至550nm。可选地，激光装置是激光二极管(LD)芯片，其被配置为片上基台形式，具有GaN基发射区，该发射区在395nm至425nm波长范围、425nm至490nm波长范围和490nm至550nm范围中选择的一个波长下操作。激光作为发散度相对较大的电磁辐射的光束离开发射区。
可选地，激光诱导光纤传送白光源包括一个或多个光束准直和聚焦元件1223，其被配置为限制或成形电磁辐射光束。一个或多个光束准直和聚焦元件1223可以包括准直透镜、聚焦透镜、滤光器、分束器，用于将电磁辐射光束引导到具有减小的光束直径和较小发散度的特定方向。在实施例中，激光诱导光纤传送白光源还包括波导装置1224。可选地，波导装置1224基本上类似于前面部分中描述的波导装置1214。波导装置1224被配置为接收激光束，其与保持蓝色激光装置1222的激光封装的输出端口适当对准，以将激光电磁辐射耦合到大于60％或甚至大于80％的足够高的效率的狭窄光路中。波导装置1224被配置为将激光电磁辐射传送到用于各种具体应用的远程目的地。
在实施例中，激光诱导光纤传送白光源进一步包括波长转换元件1225。可选地，波长转换元件1225至少包括荧光体材料，该荧光体材料设置在与激光装置完全分离的远程位置，并且能够接收离开波导装置1224的激光电磁辐射。激光电磁辐射与激发光斑内的荧光体材料相互作用以诱导荧光体发射，该荧光体发射具有比激光电磁辐射的第一波长长的第二波长。第一波长的激光电磁辐射的一部分与第二波长的荧光体发射的混合物产生白光发射。白光发射用于许多静态和动态的照明和投影应用。可选地，荧光体材料的白光发射在10至100lm、100至500lm、500至1000lm、1000至3000lm和大于3000lm内实现。可选地，由激光诱导产生的白光发射具有100至500cd/mm2、500至1000cd/mm2、1000至2000cd/mm2、2000至5000cd/mm2和大于5000cd/mm2的亮度。
图9C是根据本发明的又一实施例的基于多激光的光纤传送白光源的功能框图。该图仅是示例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。如图所示，基于多激光的光纤传送白光源包括第一蓝色激光装置1232、第二蓝色激光装置1233和第三蓝色激光装置1234，共同由激光驱动器1231驱动。可选地，可以存在由一个或多个激光驱动器驱动的三个以上的激光装置。可选地，每个激光装置被配置为具有发射在395nm至550nm范围内的一个波长中的蓝色发射的激光。可选地，波长范围可以被限制在从395nm至425nm波长范围、425nm至490nm波长范围和490nm至550nm范围中选择的一个。可选地，每个蓝色激光装置1232、1233和1234包括以片上基台形式配置的激光二极管(LD)芯片，其具有含镓和氮的发射区以发射蓝色激光。可选地，从多个激光二极管装置发射的所有蓝色激光可以由一个或多个光束耦合元件1235组合成一个激光束。可选地，基于多激光的滤光器传送白光源的一个组合激光束被配置为提供蓝色光谱中第一波长的电磁辐射的光束，其聚合输出功率小于1W，或约1W至约10W，或约10W至约30W或更大。
在实施例中，基于多激光器的光纤传送白光源包括光纤组件1236，光纤组件1236被配置为将纤芯对准电磁辐射的组合激光束，使得电磁辐射的组合激光束的约60％或更大、或80％或更大的效率可以耦合到嵌入在光纤组件1236内的光纤中。光纤组件1236基本上类似于波导装置1214和1224，用于经由具有任意长度(例如，超过100m)的光纤中的灵活或定制光路将激光电磁辐射传送到远程目的地。在光学光纤末端，第一波长的激光电磁辐射以受限的光束直径和受限的发散度离开。
在实施例中，基于多激光器的光纤传送白光源包括波长转换元件1237，其设置在远程目的地处的光头部构件中，以接收离开光纤的端部的激光束。在具体实施例中，波长转换元件1237包括荧光体板或像素化荧光体板，该荧光体板或像素化荧光体板设置在光头部构件中靠近光纤的端部部分处，使得离开光纤的电磁辐射的光束可以落在荧光体板表面上的光斑中，光斑尺寸限制在约50μm至5mm的范围内。可选地，用于光纤传送激光照明系统中的荧光体板由掺杂有Ce的陶瓷钇铝石榴石(YAG)或掺杂有Ce的单晶YAG或包含粘合剂材料的粉末YAG组成。荧光体板的光学转换效率大于50流明/光瓦、大于100流明/光瓦、大于200流明/光瓦或大于300流明/光瓦。荧光体板吸收蓝色发射激光第一波长的电磁辐射的光束，以在黄色或紫色光谱范围内诱导第二波长的荧光体发射。可选地，第二波长的荧光体发射部分地与第一波长的电磁辐射的入射/反射光束的一部分混合，以产生白光束。可选地，光头部构件被配置为设置光纤的端部部分在倾斜体上的相对位置，使得离开的电磁辐射相对于荧光体板表面的方向的入射角在5度至90度的范围内。可选地，入射角在从25度到35度或从35度到40度的较小范围内变窄。可选地，白光发射被充分反射出荧光体板。
在实施例中，基于多激光的光纤传送白光源可选地包括一个或多个光束整形光学元件1238。在实施例中，一个或多个光束整形光学元件1238包括光头部构件，该光头部构件提供机械固定件，用于保持光纤的端部部分以输出激光电磁辐射并经由基台支撑荧光体板。可选地，机械固定件包括倾斜金属体，以相对于布置在倾斜金属体的底部区域处的荧光体板在成角度的方向上支撑光纤的端部部分。可选地，机械固定件包括与基台相关联的散热器，以支撑荧光体板，从而当具有高功率的激光束在荧光体板表面上的小激发光斑中照射时，在加热的波长转换过程期间促进从热荧光体材料到散热器的热传导。可选地，机械固定件包括反射半锥形结构，用于促进从荧光体板表面的白光发射的收集。在另一实施例中，一个或多个光束整形光学元件1238包括附加次级光学元件，用于处理由基于多个激光的光纤传送白光源产生的白光发射。这些次级光学元件包括静态自由空间光学元件、基于光纤的光学元件、基于半导体的光学元件、或一种或多种动态控制的光学元件，用于提供智能照明信息或信息投影。
图10A是示出根据本发明的实施例的配置有光学组合器的多个分立激光器的简化图。如图所示，该图包括用于多个激光二极管发光装置的封装或壳体。在优选实施例中，激光二极管发光装置是在395nm到425nm波长范围、425nm到490nm波长范围或490nm到550nm范围内操作的含镓和氮的激光二极管装置。例如，多个激光二极管发射器是聚合输出功率小于1W、或约1W至约10W、或约10W至约30W、或约30W至100W、或更大的蓝色激光二极管。每个装置配置在单个陶瓷上或者配置在陶瓷上的多个芯片上，该多个芯片布置在共同的散热器上。如图所示，该封装包括所有自由光学耦合器、准直器、反射镜、空间或偏振复用以用于自由空间输出或在光纤或其他波导介质中重新聚焦。作为示例，封装具有低轮廓并且可以包括扁平封装陶瓷多层或单层。该层可包括铜、铜钨基底(诸如蝶形封装或覆盖的CT安装件、Q安装件)等。在具体实施例中，激光装置焊接在具有低热阻的CTE匹配材料(例如，AlN、金刚石、金刚石化合物)上，并在陶瓷上形成子组装芯片。然后，例如，将子组装芯片组装在具有低热阻的第二材料(诸如铜)上，包括主动冷却(即，简单的水通道或微通道)，或者直接形成配备有所有连接封装的底座，诸如引脚。扁平封装配备有光学接口(诸如，窗口、自由空间光学器件、连接器或光纤)来引导产生的光，以及保护环境的盖。
图10B是封闭自由空间激光模块的示例。壳体1400用于组装基于自由空间反射镜的激光组合器。激光模块包括两个电源引脚1410，用于为激光二极管1430提供驱动电压。在优选实施例中，激光二极管装置是在395nm到425nm波长范围、425nm到490nm波长范围或490nm到550nm范围内操作的含镓和氮的激光二极管装置。例如，多个激光二极管发射器是聚合输出功率小于1W、或约1W至约10W、或约10W至约30W、或更大的蓝色激光二极管。壳体1400包括用于光纤1460的孔，以通过一系列反射镜1450与从所有激光二极管1430组合的光导输出耦合。检修盖1420被设计成便于检修组件中的自由空间光学元件1440。紧凑的即插即用设计提供了大量的灵活性和易用性。
图10C是根据本发明的具体实施例的具有扩展传送光纤加荧光体转换器的封闭自由空间多芯片激光模块的示意图。如图所示，封闭的自由空间多芯片激光模块基本上类似于图10A中所示的具有两个电源引脚1410的激光模块，以产生紫色或蓝光光谱的激光束。配备有自由空间光学单元1455的封装中的多个激光芯片1430为许多新应用所需的光源提供相当高的强度。另外，具有一端的延伸光纤1465与光导输出端耦合，用于进一步将激光束引导到对于某些应用高达100m或更大的期望距离。可选地，光纤也可以由构建在平面结构中的多个波导代替，以适应硅光子集成。在光纤的另一端，可以设置基于荧光体的波长转换器1470以接收激光，其中，紫色或蓝色激光被转换成白色光1475，并通过孔径或准直装置发射出去。结果，提供了具有小尺寸、远程泵浦和灵活设置的白光光源。
图11是根据本发明的实施例的包括经由光纤组件彼此连接的通用激光封装和光头部构件的光纤传送白光源的透视图。该图仅是示例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。如图所示，光纤传送白光源1500至少包括用于激光的通用激光封装1510和由光纤组件1530连接的光头部构件1520。通用激光封装1510是用于将激光模块封装在其中的金属壳体，其具有通过盖构件1511布置的电连接器1512，用于向壳体中的装置提供电力供应。底侧(不可见)用于安装到导热基座上，用于将热量从产生热量的激光装置散发出去。光头部构件1520是具有倾斜形状的金属壳体和覆盖倾斜刻面的玻璃窗1522，其内部封装荧光体材料(未示出)，用于接收由光纤组件1530传送的激光并将激光发射转换为白光发射。光头部构件1530的底侧(不可见)由金属或其他导热材料制成，用于有效地散发由其中的荧光体材料产生的热量。图11所示的光纤组件1530是可见的，其具有半柔性金属铠装，用于在从耦合到通用激光封装1510的第一端到在远程目的地与光头部构件1520耦合的第二端的整个延伸长度上保护内部的光学光纤。延伸长度可以达100米以上。
图12是根据本发明的实施例的图11的通用激光封装的俯视图。该图仅是示例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。如图所示，具有多个引脚的电连接器1512经由电气馈通件设置在通用激光封装1510的顶盖构件1511处。通用激光封装的相反侧是用于在应用中安装通用激光封装1510的底部构件。底部构件优选由金属或金属合金材料(诸如AlN、AlO、BeO、金刚石、CuW、Cu或银)或其他高导热材料制成，用于安装在散热器上以快速散发封装1510内部的激光装置产生的热量。
图13是根据本发明的实施例的包括安装在电子电路板上的蓝色激光模块的图12的通用激光封装的内部元件的俯视图。该图仅是示例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。图13的通用激光封装1510B与图12的通用激光封装1510基本相同，其中，顶盖构件1511被移除。如图所示，通用激光封装1510B包封板构件1515，电连接器1512以及多个电阻器和电容器或其他电子部件安装在板构件1515上。首先，蓝色激光模块1580布置在中心区域中，多个电引脚插入到板构件1515中。固定构件1516放置在蓝色激光模块1580的顶部，用于固定蓝色激光模块1580的安装。输出端口1587从蓝色激光模块1580的一侧耦合到蓝色激光模块1580，并且还耦合到光纤组件(其中，光学光纤的金属铠装部分可见)。在实施例中，蓝色激光模块1580被配置为产生用于光纤传送白光源1500(图11)的高功率激光。例如，蓝色激光器模块包含一个或多个具有含镓和氮的发射区的激光二极管芯片，发射区被配置为以小于1W、或约1W至约3W、或约3W至约10W、或约10W至100W、或大于100W的功率在蓝色光谱范围内产生第一波长的激光电磁辐射。
图14是根据本发明的实施例的具有打开盖的蓝色激光模块的俯视图。该图仅是示例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。如图所示，蓝色激光模块1800被配置为金属壳体1801(盖子打开)，该金属壳体1801包封支撑构件1802，该支撑构件1802用于支撑多个部件：至少一个激光二极管装置1810、准直透镜1820、热敏电阻1830、分束器1840、第一光电探测器1850、聚焦透镜1860、输出端口1870和第二光电探测器1880。可选地，激光二极管装置1810被配置为片上基台(CoS)装置，其具有含镓和氮(GaN)的有源区域，该有源区域被驱动以产生在415nm至485nm的蓝色区域中具有主发射光谱的激光。可选地，激光二极管装置1810安装在支撑构件1802上的陶瓷基座构件上。在实施例中，陶瓷基座构件是高温共烧陶瓷(HTCC)基台结构，其被配置为在其中嵌入电导体以将激光二极管与其驱动器连接，并且在操作期间为激光二极管提供足够高效的热传导。
在实施例中，由激光二极管装置1810产生的激光以大扩展进入准直透镜1820以形成光斑尺寸减小和扩展范围变窄的激光束。可选地，准直透镜1820布置在CoS芯片1810的GaN有源区域的出射刻面的前面，并通过焊接夹固定。热敏电阻1830设置在激光二极管装置1810附近作为用于在操作期间监测温度的温度传感器。可选地，包括静电放电(ESD)齐纳二极管以保护激光二极管装置免受静态电击。
在实施例中，分束器1840设置在准直激光束的路径中。可选地，分束器1840是滤波器。可选地，分束器1840是具有前刻面和背刻面的光学晶体。分束器的前刻面面对入射的激光束，并涂有抗反射薄膜以增强透射率。可选地，仍然反射少量激光。第一光电探测器1850被放置(向左)以检测反射光。可选地，光电二极管1850是第一光电探测器，其被表征为主要检测蓝色发射以用于激光二极管装置1810的安全性感测。分束器的背刻面允许激光束的主要第一部分沿第一方向离开，而蓝色发射基本上被过滤的次要第二部分被分离到偏离第一方向的第二方向。第二光电探测器1880被放置(向右)以检测黄色光谱，用于监测激光束的第二部分，其中，蓝色发射基本上被过滤。可选地，在第二光电探测器1880的前面放置额外的滤波器。
在实施例中，从分束器1840射出的激光束的主要第一部分被引导到布置在金属壳体1801内部的聚焦透镜1860。可选地，聚焦透镜1860被配置为将激光束限制为可以耦合到光纤中的小得多的尺寸。可选地，可选地，实现并保持激光束到光纤中的耦合效率大于80％。可选地，聚焦透镜1860从金属壳体1801的内部安装到输出端口1870。光学端口1870被360度激光焊接在金属壳体1801的一个侧壁处的通孔中。参照图13，光纤组件1530的第一端被配置为与表示为1587的输出端口耦合。
在实施例中，蓝色激光模块1800还包括布置在金属壳体1801的两个相对侧处的多个引脚1890。每个引脚的一端连接到嵌入陶瓷基座构件中的电连接器。每个引脚的另一端向下弯曲以插入板构件1515(参见图13)使得蓝色激光模块1800可以接收电驱动/控制信号。
图15是根据本发明的实施例的蓝色激光模块的透视图。参考图15，其示出了基本上相同的图14的蓝色激光模块，以便更好地说明本文提到的每个部件的结构布局。
图16是根据本发明的另一实施例的(A)通用激光封装的俯视图、(B)包括蓝色激光模块的通用激光封装的内部元件的俯视图以及(C)蓝色激光模块的俯视图。这些图仅是示例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。在图16所示的实施例中，在部分A中，可以看到通用激光封装2010的顶盖构件2011，其中布置有电连接器2012。输出端口2017被配置为与光纤组件耦合。在部分B中，示出了没有顶盖构件2011的通用激光封装2010B。可以看到电连接器2012安装在板构件2015上。蓝色激光模块2080是部分可见的，也安装在板构件2015上，其中，多个引脚可见地位于两个相对侧，而一大块固定夹2016放置在蓝色激光模块2080的顶部。聚焦透镜2087布置在蓝色激光器模块2080的外部，并且在输出端口2017处与光纤组件耦合(参见部分A)。在部分C中，蓝色激光模块2080被示为其盖子打开的金属壳体2081。该实施例中的蓝色激光模块2080至少包括布置在支撑构件2087上以产生激光的激光二极管装置2082、布置并对准激光二极管装置2082在激光的光路中的发射条的一个刻面的准直透镜2088、以及布置在激光的光路下游的分束器2084。可选地，可以在蓝色激光模块的金属壳体2081中铺设多个分别被配置为片上基台LD芯片的激光二极管装置，以实现更高的激光功率。可选地，可以组合来自多个LD芯片的多个激光束以达到6W、或12W、或15W的统一功率以获得更亮的白光。
在实施例中，激光二极管装置2082包括由氮化镓制成的有源区域，该有源区域具有配置为从一端刻面发射光的发射条。可选地，所发射的光基本上是波长在415nm至485nm范围内的蓝色发射。支撑构件2087可选地是高温共烧陶瓷(HTCC)基台结构，其被配置为在其中嵌入导电线。这种类型的陶瓷支撑构件提供高热导率，用于将由激光二极管2082产生的热量有效地散发到与支撑构件2087接触的散热器。陶瓷支撑构件2087还可以允许优化的导线布局，从而可以防止ESD，并且可以改善整个模块的热管理。参见图16的C部分，至少两个电引脚2089被配置为与HTTC陶瓷基台结构中的导线连接，用于为激光二极管2082提供外部驱动信号。可选地，蓝色激光模块2080包括温度传感器2083，该温度传感器2083可以布置在支撑构件上的金属壳体内并且相对远离激光二极管2082的位置。
在实施例中，由激光二极管装置2082产生的光被引导到准直透镜2088中，使得光可以被限制在较小的扩散范围内，以形成沿第一方向(x)的激光束。可选地，分束器2084布置在沿第一方向x的光路的下游，并且被配置为将激光束至少分离到主要沿第一方向x的第一部分和重定向到第二方向y的第二部分。激光束的第一部分主要保持蓝色发射。可以过滤第二部分以消除蓝色光谱，同时保留少量黄色光谱。在该实施例中，蓝色激光模块2080进一步包括布置在金属壳体2081内部的第二方向y的路径上的光电二极管2085，以检测黄色光谱。
图17是根据本发明的实施例的光纤组件的端部的局部截面图。该图仅是示例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。如图所示，在实施例中，假设光纤组件1700的端部部分与激光模块1800耦合(参见图15)。光学光纤1701嵌入在光纤组件1700中。可选地，光学光纤1701由单模光纤(SMF)或多模光纤(MMF)组成，芯直径范围为约1um至10um、约10um至50um、约50um至150um、约150um至500um、约500um至1mm或大于1mm。光学芯材料可以由玻璃(诸如二氧化硅玻璃)组成，其中，二氧化硅玻璃可以掺杂各种成分并具有用于优化传播损耗特征的预定水平的羟基(OH)。玻璃纤维材料也可以由氟化物玻璃、磷酸盐玻璃或硫属化物玻璃组成。在替代实施例中，塑料光纤用于传输激光泵浦光。可选地，光纤组件1700的中间部分中的光学光纤的大部分由光纤护套保护。图17示出了套管1702中的光纤组件的端部被端接在光纤终端适配器1710中。可选地，套管1702可以由玻璃、或陶瓷材料或金属材料制成。参见图15和图17，光纤终端适配器1710通过激光焊接与输出端口耦合。在具体实施例中，光纤终端适配器1710包括精密圆形边缘，用于在其周边与激光模块子封装1800(参见图15)的侧壁中的孔的内径进行激光焊接以用于密封。光纤终端适配器1710还具有其端面1720，该端面1720与透镜激光焊接，该透镜基本上是用于密封的聚焦透镜1870(参见图15)。可选地，聚焦透镜1730(图17)也围绕其周边密封在透镜结构1860(图15)中。可选地，在光纤耦合过程期间，执行主动对准过程以同时将聚焦透镜1730(或图15中的1860)对准光纤芯1701，使得从激光二极管通过聚焦透镜1730发射的最大量的辐射功率聚焦到光纤1701中。聚焦透镜1730和光纤1701都必须在X、Y、Z线性方向上以微米精度操作。此外，在对准过程中还必须控制各轴的角度旋转。同时，包括光纤芯、套管、光纤终端适配器的光纤组件1700除了光纤与聚焦透镜之间的良好对准之外，还需要密封的组件，使得耦合效率保持大于60％或甚至大于80％。
图18是根据本发明的另一实施例的光纤组件的端部的局部截面图。该图仅是示例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。如图所示，在替代实施例中，光纤组件1900包括端部部分，端部部分具有套管1902，套管1902将除了小部分光纤芯的光学光纤1901包围在其中。在光纤组件1900的其余部分(中间部分)上，光学光纤1901由光纤护套保护。套管1902由光纤终端适配器1910覆盖。在该实施例中，光纤终端适配器设计被制成在其末端包括透镜1930，允许透镜1930与光纤芯1901之间的几个相对位置的被动对准。在该实施例中，透镜1930可以经由机械参考布置在同心度位置，从而消除透镜的X、Y运动要求。精密间隔件(未示出)允许被动地获得Z轴位置，以足够高的耦合效率实现所需的对准。光纤终端适配器1910具有用于在其周边与激光模块2080的侧壁中的孔的内径激光焊接的精密边缘(参见图16)。可选地，光纤组件1900可以在其与激光模块2080的焊接过程中主动对准从具有宽松要求的激光二极管发射的辐射功率。例如，精度要求可以放宽到几十微米，而不局限于微米精度。
图19是根据本发明的实施例的图11的光头部构件的透视图。该图仅是示例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。如图所示，光头部构件2300的透视图包括具有倾斜体2310的半开放金属壳体2301。光纤组件1530的第二端被配置为使光纤1535穿过输入端口2320并平行于倾斜体2310弯曲。倾斜体2310进一步包括反射半锥2330，该反射半锥形成在光纤1535末端的下部处，光纤头部1538用于将激光束以一定角度引导到荧光体材料2350的表面中。可选地，反射半锥2330涂覆有用于白光的高反射材料。
在实施例中，荧光体材料2350布置在反射半锥2330的底部区域。由光纤头部1538引导的激光束的角度相对于荧光体材料2350的表面。可选地，激光束撞击荧光体表面的角度可以设置在30度至35度的范围内。当具有蓝色发射的激光束从光纤头部1538引导到荧光体材料2350表面中的小光斑2355中时，它激发荧光体材料2350以将所接收的蓝色发射转换为具有较长波长的荧光体激发发射(例如，紫色发射)。可选地，荧光体材料2350表面上的光斑尺寸被限制在500μm内甚至低至50μm。荧光体激发的发射与激光束的蓝色发射的混合形成从反射半锥2330向上离开(或基本上被反射)的白光束2340。可选地，荧光体材料安装在散热器上，以在被高功率激光发射照射时，将热量从激发的荧光体材料快速传导出去。可选地，玻璃窗材料放置在倾斜体上，并允许白光束穿过以充当白光源。可选地，白光源被配置为产生基本上纯白光，具有250、500、1000、3000和10000cd/mm2的通量的强亮度。
在实施例中，集成在光纤传送的激光诱导白光系统1500(参见图11)中的光纤组件1530可以被制成可拆卸的，使得系统的应用可以更灵活地进行维护。例如，可以在不中断整个系统的情况下容易地更换部分故障部件。可选地，参考图11，系统1500可以在与主激光封装1510耦合的光纤组件1530的输入端口处提供有可拆卸的光纤终端适配器(FTA)。可选地，可以选择光纤组件1530的中间部分中的任何地方，用于使用机械光纤到光纤耦合机构或光学再耦合机构形成光纤耦合接头。图20示出了根据本发明的实施例的由机械对接耦合器制成的光纤耦合接头的示例图。如图所示，光纤组件1530的两个可附接部分中的每一个分别用两个连接器2100和2200端接。可选地，连接器2100被表征为总长度L1，其包括连接器长度L2加上护套2130和连接器尺寸H。每个连接器(2100)经由套管结构2110与光学光纤(未明确示出)耦合，其中一端插入连接器2100中，对准以使纤芯偏移最小化，防止眼睛损伤，并且防尘。套管的另一端在插入弯曲保护套2130之前首先与套筒构件2120耦合。当两个连接器2100和2200分别插入配合适配器2010的两个入口时，它们配合在一起。耦合接头的位置可以很容易地在现有产品中实施。
在另一实施例中，用于形成耦合接头的光纤连接器组可由用于光学再耦合的透镜制成。在这种情况下，自由空间光学元件用于确保良好的光学耦合，并且基本上没有机械失准。可选地，光学再耦合设备包括窗口以方便清洁。
在又一实施例中，参考图11，系统1500可以在与光头部构件1520耦合的光纤组件1530的输出端口处提供有可拆卸的光纤终端适配器(FTA)。这个选项基本上可以像输入端口的FTA一样实现。
图21示出了根据本发明的实施例的用于街道照明的光纤传送白光源的应用。该图仅是示例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。如图所示，用于街道照明的光纤传送白光源包括激光二极管组2800(包含一个或多个含镓和氮的激光二极管芯片)，远程布置在公用设施箱中或埋在地下。在实施例中，基本上呈蓝色发射的激光束经由光学光纤2806从路灯杆2805的底部传送到其顶部，在该顶部设置有荧光体构件2810。在该实施例中，荧光体构件2810被配置为接收由光纤传送的入射激光束并产生白光束。可选地，白色光束由一个或多个光学元件成形以成为宽角度的光束2815。提供一定高度的路灯杆2805，宽角度的光束2815导致沿街道2820呈细长形状的扩展照明区域2825。这种具有100倍亮度的路灯照明区域的广角分布使得整个路灯系统的路灯杆数量减少了3-5倍。此外，由于激光二极管组被远程布置在地面上或地面下，因此无需升降机来更换灯泡。这将使照明系统的更换或维护成本大大降低。还可以降低路灯杆的成本，因为它不需要支撑所有电子装置和灯的重量。
在替代实施例中，可以开发类似的光纤传送白光源用于桥梁照明，其中，激光二极管组2800可以布置在海岸线上的桥梁的两端处以便于接入，而布置在桥梁上的所有照明元件中的每一个可以配置有包含荧光体构件2810的光头部构件，以接收由波导传输元件(诸如光学光纤2806)从激光二极管组2800传送的激光电磁辐射。可以使用多个光纤分别将激光从激光二极管组2800传送到多个不同的光头部构件。由光学光纤传送的激光到达每个光头部构件中的荧光体构件的表面，以产生用于产生照明用白光发射的荧光体发射。可选地，光学设计允许基于桥梁尺寸和曲率分别配置对应于每个荧光体构件2810的扩散照明区域2825，以通过包含荧光体构件2810的光头部构件的位置、角度、高度的最经济布置来实现最佳照明或装饰效果。
在又一实施例中，可以开发类似的白光源用于隧道照明、井下照明、体育场照明和许多其他特殊照明应用，这些特殊照明应用可以利用经由光纤传送白光源远程传送超强可见照明的优点。
在一些实施例中，光纤传送白光源可以用于从光源到被配置为接收信号的装置的数据传输。例如，基于激光的光源可以用于Li-Fi和可见光通信(VLC)应用，以大于1Gb/s、大于5Gb/s、大于10Gb/s，大于50Gb/s或大于100Gb/s的高数据速率传输。利用激光二极管的可见光谱实现的如此高的数据速率可以为诸如物联网(IOT)、智能照明、车辆到车辆通信、移动机器通信、街道照明到车辆通信等应用提供新的能力。此外，光纤传送白光源可以应用于激光雷达应用。
尽管以上是具体实施方式的完整描述，但是可以使用各种修改、替代结构和等效物。作为示例，封装装置可以包括上述元件的任何组合以及本说明书之外的元件。尽管已经根据激光二极管描述了以上实施例，但是该方法和装置结构还可以应用于其他受激发光装置。因此，以上描述和说明不应被视为限制由所附权利要求限定的本发明的范围。
Claims (34)
1.一种用于远程传送白光的设备，包括：
至少一个激光二极管装置；
封装构件，具有电气馈通件，所述电气馈通件被配置为将来自驱动器的功率耦合到所述至少一个激光二极管装置；所述封装构件包括支撑构件，所述至少一个激光二极管装置被配置到所述支撑构件并且由所述驱动器驱动以发射由第一波长范围为395nm至490nm表征的激光电磁辐射的光束；
波导组件，具有第一端部和波导传输构件，所述第一端部耦合到所述封装构件以接收所述激光电磁辐射，所述波导传输构件用于传送所述激光电磁辐射通过一长度以离开具有一传播方向、一光束直径和一发散度的第二端部；
荧光体构件，设置在光头部构件中并且配置有用于接收从所述第二端部出射的所述激光电磁辐射的表面；所述荧光体构件提供所述第一波长的所述激光电磁辐射的至少一部分到第二波长的荧光体发射的波长转换，其中，所述第二波长比所述第一波长长；
机械固定件，在所述光头部构件中，所述机械固定件被配置为以在所述激光电磁辐射的主要传播方向与平行于所述荧光体构件的所述表面的方向之间的5度至90度的范围内的入射角支撑所述荧光体构件和所述波导组件的所述第二端部，并且在所述荧光体构件的所述表面上形成入射激光电磁辐射的激发光斑；所述激发光斑由直径范围为25μm至5mm表征；所述激发光斑生成由所述第一波长的所述激光电磁辐射和所述第二波长的所述荧光体发射的混合表征的基本上白光发射。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个激光二极管装置包括保持在子封装中的片上基台激光二极管(LD)芯片，所述LD芯片具有在从395nm至425nm波长范围和425nm至490nm波长范围中选择的一个波长下操作的含镓和氮的发射区。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个激光二极管装置包括多个LD芯片，所述多个LD芯片分别被配置为与一个或多个光学耦合元件耦合的片上基台形式以获得聚合输出功率小于1W、或约1W至约6W、或约6W至约12W、或约12W至30W或大于30W的所述激光电磁辐射的组合光束。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述波导传输构件包括光学光纤，所述光学光纤包括单模光纤(SMF)或多模光纤(MMF)，所述光学光纤的芯直径范围为约1μm至10μm、约10μm至50μm、约50μm至150μm、约150μm至500μm、约500μm至1mm或大于1mm。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述波导传输构件包括在随机位置处的可拆卸接头，所述可拆卸接头配置有一对机械光纤连接器或自由空间光学耦合器。
6.根据权利要求4所述的设备，其中，所述机械固定件包括倾斜体以至少将所述光学光纤的所述第二端部支撑在所述光头部构件中，以使离开所述光学光纤的所述激光电磁辐射的所述主要传播方向与平行于所述荧光体构件的所述表面的所述方向之间的所述入射角为20度至50度之间的一个或者30度至40度之间的一个。
7.根据权利要求4所述的设备，其中，在所述荧光体构件的所述表面上形成离开所述光学光纤的第二部分的所述激光电磁辐射的范围为50μm至500μm的所述激发光斑。
8.根据权利要求2所述的设备，其中，所述子封装进一步包括准直透镜，所述准直透镜支撑在所述支撑构件上，用于准直所述激光电磁辐射的光束。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述子封装进一步包括聚焦透镜，所述聚焦透镜从内部耦合到输出端口，用于以约60％或更高的效率耦合所述激光电磁辐射的光束。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述子封装进一步包括分束器，所述分束器相对于所述准直透镜与所述聚焦透镜之间的光束方向成约45度的角度设置在所述支撑构件上，所述分束器包括第一表面和第二表面，所述第一表面反射激光束的一小部分并且使所述激光束的主要部分通过，所述第二表面用于将所述激光束的所述主要部分分成第一部分和第二部分，所述第一部分被引导到朝向所述聚焦透镜的第一方向，所述第二部分被引导到偏离所述第一方向的第二方向。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述子封装进一步包括至少一个光电二极管或者第一光电二极管和第二光电二极管两者，所述至少一个光电二极管用于检测黄色光谱以用于监测所述激光束的所述第二部分，其中，蓝色发射被基本上过滤，所述第一光电二极管被表征为检测所述激光束的所反射的小部分的所述蓝色发射以用于感测激光安全性，所述第二光电二极管被表征为检测所述黄色光谱，其中，如果检测到不安全状态，则能够关断所述至少一个激光二极管装置。
12.根据权利要求1所述的设备，其中，所述荧光体构件包括掺杂有Ce的陶瓷钇铝石榴石(YAG)或掺杂有Ce的单晶YAG或包括粘合剂材料的粉末YAG；其中，所述荧光体构件的光学转换效率大于50流明/光瓦、大于100流明/光瓦、大于200流明/光瓦或大于300流明/光瓦。
13.根据权利要求1所述的设备，其中，所述封装构件进一步包括电子板，所述电子板具有与所述电气馈通件耦合并且连接到多个插座的连接器，以用于插入子封装从而将功率和控制信号从所述驱动器提供到所述子封装中的所述至少一个激光二极管装置。
14.根据权利要求1所述的设备，其中，从所述光头部构件输出的所述白光发射包括100cd/mm2至500cd/mm2、500cd/mm2至1000cd/mm2、1000cd/mm2至2000cd/mm2、2000cd/mm2至5000cd/mm2和大于5000cd/mm2的亮度。
15.一种用于远程传送白光的设备，包括：
封装壳体，利用多针连接器封闭电子板构件；
激光模块，被配置在子封装中，所述子封装插入到所述封装壳体内部的所述电子板构件，所述子封装包括支撑构件、安装在所述支撑构件上的含镓和氮的至少一个激光二极管装置；含镓和氮的所述至少一个激光二极管装置被配置为发射由第一波长范围为395nm至490nm表征的电磁辐射的光束；
准直透镜，被配置在所述子封装中以将所述电磁辐射的所述光束准直到所述子封装的输出端口；
盖构件，利用与电气馈通件耦合的所述多针连接器密封所述封装壳体；
光纤组件，包括光学光纤，所述光学光纤的第一端耦合到所述输出端口以接收所述电磁辐射并且传送所述电磁辐射通过任意长度以离开具有一主要传播方向、一光束直径和一发散度的第二端；
荧光体构件，远程设置在与所述光学光纤的所述第二端耦合的光头部构件中，所述荧光体构件具有被配置为接收离开所述光学光纤的所述第二端的所述电磁辐射的表面，并且提供所述第一波长的所述电磁辐射的至少一部分到第二波长的荧光体发射的波长转换，其中，所述第二波长比所述第一波长长；以及
机械固定件，在所述光头部构件中，所述机械固定件被配置为设置所述荧光体构件的所述表面与所述光学光纤的所述第二端之间的距离，并且设置离开所述第二端的所述电磁辐射的所述主要传播方向与平行于所述荧光体构件的所述表面的方向之间的入射角，以在所述荧光体构件的所述表面上产生所述电磁辐射的直径范围为25μm至5mm的激发光斑；所述激发光斑生成由所述第一波长的所述电磁辐射和所述第二波长的所述荧光体发射的混合表征的白光发射。
16.根据权利要求15所述的设备，其中，所述至少一个激光二极管装置包括保持在所述子封装中的片上基台激光二极管(LD)芯片，所述LD芯片具有在从395nm至425nm波长范围、425nm至490nm波长范围和490nm至550nm范围中选择的一个波长下操作的含镓和氮的发射区。
17.根据权利要求15所述的设备，其中，所述至少一个激光二极管装置包括多个LD芯片，所述多个LD芯片分别与一个或多个光学耦合元件耦合以获得聚合输出功率小于1W、或约1W至约6W、或约6W至约12W、或约12W至30W的所述电磁辐射的组合光束。
18.根据权利要求15所述的设备，其中，所述光学光纤包括单模光纤(SMF)或多模光纤(MMF)，所述光学光纤的芯直径范围为约1μm至10μm、约10μm至50μm、约50μm至150μm、约150μm至500μm、约500μm至1mm或大于1mm。
19.根据权利要求15所述的设备，其中，所述光纤组件包括可拆卸接头，所述可拆卸接头在所述第一端或所述第二端处配置有可拆卸光纤终端适配器，或者在所述第一端与所述第二端之间的所述光学光纤的随机位置处配置有一对机械光纤连接器或自由空间光学耦合器。
20.根据权利要求15所述的设备，其中，所述机械固定件包括倾斜金属体以支撑所述光学光纤的所述第二端，以使离开所述光学光纤的所述电磁辐射的所述主要传播方向与平行于所述荧光体构件的所述表面的所述方向之间的所述入射角选择为25度至30度之间的一个、或30度至35度之间的一个、或35度至40度之间的一个或大于40度但小于90度之间的一个。
21.根据权利要求15所述的设备，其中，在所述表面上产生的所述电磁辐射的所述激发光斑被限制在50μm至500μm的范围内。
22.根据权利要求15所述的设备，其中，所述荧光体构件包括掺杂有Ce的陶瓷钇铝石榴石(YAG)或掺杂有Ce的单晶YAG或包括粘合剂材料的粉末YAG；其中，所述荧光体构件的光学转换效率大于50流明/光瓦、大于100流明/光瓦、大于200流明/光瓦或大于300流明/光瓦。
23.根据权利要求15所述的设备，其中，所述光纤组件包括焊接到所述输出端口的光纤终端适配器，所述光纤终端适配器附接到聚焦透镜，所述聚焦透镜设置在所述激光模块的所述子封装内部并且与所述光学光纤对准，以将所述电磁辐射以约60％或更高的效率耦合到所述光学光纤中。
24.根据权利要求15所述的设备，其中，所述光纤组件包括焊接到所述输出端口的光纤终端适配器，所述光纤终端适配器将聚焦透镜保持在所述激光模块的所述子封装外部，所述聚焦透镜与所述光学光纤对准，以将所述电磁辐射以约60％或更高的效率耦合到所述光学光纤中。
25.根据权利要求15所述的设备，其中，所述激光模块进一步包括分束器，所述分束器相对于所述准直透镜与聚焦透镜之间的光束方向成约45度的角度设置在所述支撑构件上，所述分束器包括第一表面和第二表面，所述第一表面反射激光束的一小部分并且使所述电磁辐射的光束的主要部分通过，所述第二表面用于将所述电磁辐射的光束的所述主要部分分成第一部分和第二部分，所述第一部分被引导到朝向所述聚焦透镜的第一方向，所述第二部分被引导到偏离所述第一方向的第二方向。
26.根据权利要求25所述的设备，其中，所述激光模块进一步包括第一光电二极管和/或第二光电二极管，所述第一光电二极管被表征为检测所述激光束的所反射的小部分的蓝色发射以用于安全性感测，所述第二光电二极管被表征为检测黄色光谱以用于监测所述激光束的所述第二部分，其中，所述蓝色发射被基本上过滤。
27.根据权利要求20所述的设备，其中，所述光头部构件进一步包括：散热器，所述散热器在所述倾斜金属体的底部区域处支撑所述荧光体构件；以及窗玻璃，所述窗玻璃覆盖所述倾斜金属体，用于密封所述光头部构件并允许所述白光发射通过。
28.根据权利要求27所述的设备，其中，所述光头部构件进一步包括光束阻挡构件，所述光束阻挡构件附接到倾斜金属体的下边缘，用于阻挡从所述光学光纤出射并从所述荧光体构件的所述表面反射的所述电磁辐射的光束的局部部分。
29.根据权利要求15所述的设备，其中，所述电子板构件包括可编程电阻器电路板，所述可编程电阻器电路板被配置为具有多个插座，所述多个插座允许所述激光模块的多个引脚直接插入并且通过焊接固定所述多个引脚。
30.根据权利要求15所述的设备，其中，由所述荧光体构件的所述表面上的所述激发光斑生成的所述白光发射包括10lm至100lm、100lm至500lm、500lm至1000lm、1000lm至3000lm和大于3000lm的流明范围。
31.根据权利要求15所述的设备，其中，所述白光发射被配置为产生亮度为100cd/mm2至500cd/mm2、500cd/mm2至1000cd/mm2、1000cd/mm2至2000cd/mm2、2000cd/mm2至5000cd/mm2和大于5000cd/mm2的白光。
32.一种用于汽车前照灯的光纤传送的激光诱导白光源，包括：
激光模块，被封装在插入电路板的金属壳体中，所述金属壳体封闭支撑构件；至少一个激光二极管装置，被配置为安装在所述支撑构件上并且发射由波长范围为395nm至490nm表征的激光束；以及准直透镜，被配置为将所述激光束引导到输出端口；
聚焦透镜，从所述金属壳体外部耦合到所述输出端口以接收并限制所述激光束；
光纤组件，嵌入光学光纤，所述光学光纤具有第一端部，所述第一端部以对准方式耦合到所述输出端口以接收来自所述聚焦透镜的所述激光束并通过所述光学光纤将所述激光束传送到第二端部；以及
光头部构件，远程设置在汽车前照灯模块中，所述汽车前照灯模块将所述光学光纤的所述第二端部保持在荧光体材料附近，所述光头部构件被配置为以在所述激光束与平行于所述荧光体材料的表面的方向之间的5度至90度范围内的入射角将离开所述光学光纤的所述第二端部的所述激光束引导到所述荧光体材料，以产生范围为50μm至5mm的光斑，所述光斑中的所述激光束诱导荧光体激发发射，所述荧光体激发发射与所述激光束部分地混合以产生白光发射作为所述汽车前照灯模块的照明和投影光源。
33.根据权利要求32所述的白光源，其中，所述至少一个激光二极管装置包括片上基台激光二极管(LD)芯片，所述LD芯片具有在从395nm至425nm波长范围、425nm至490nm波长范围和490nm至550nm范围中选择的一个波长下操作的含镓和氮的发射区。
34.根据权利要求32所述的白光源，其中，所述白光发射被配置为产生亮度为100cd/mm2至500cd/mm2、500cd/mm2至1000cd/mm2、1000cd/mm2至2000cd/mm2、2000cd/mm2至5000cd/mm2和大于5000cd/mm2的白光。
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Application publication date: 20220225 |
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