CN116053928A - 光子晶体面射型激光装置及光学系统 - Google Patents

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陈仕诚
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Abstract

本申请提供一种光子晶体面射型激光装置，包括：光发射模块以及驱动模块。光发射模块包括：光子晶体层；位于所述光子晶体层一侧之主动发光层；第一电极，位于所述主动发光层远离所述光子晶体层之一侧；以及第二电极，至少部分位于所述主动发光层远离所述光子晶体层之一侧。驱动模块分别与所述第一电极及所述第二电极远离所述光子晶体层之表面电接触，用于输出驱动信号至所述第一电极及所述第二电极，以驱动所述主动发光层产生光子，所述光子入射至所述光子晶体层发生布拉格衍射振荡以产生激光。本申请还提供一种光学系统。

Description

光子晶体面射型激光装置及光学系统
技术领域
本申请涉及光学探测技术领域，尤其涉及一种光子晶体面射型激光装置及应用该光子晶体面射型激光装置之光学系统。
背景技术
光子晶体面射型激光(Photonic Crystal Surface-Emitting Laser,PCSEL)具备光束品质优良、体积小、能耗低、易整合、可靠性高等优点，可被广泛应用于三维感测系统、消费性电子装置、汽车光达、智慧装置、医疗健康装置等光学系统。
现有PCSEL主体结构包括一至少100微米厚之磊晶基板，用以维持机械强度，以避免PCSEL中晶片破裂。在高电流注入时，PCSEL中之主动发光层在电致发光过程中将产生大量热量，该热量通过该磊晶基板与PCSEL之封装材料转移。但是，磊晶基板使得散热路径较长，散热效能低落，PCSEL光输出功率无法获得提升且寿命减短。现有PCSEL具有发光区，需在发光区周围预留电极走线区域，该电极打线区域面积为该发光区域面积之数倍，造成该磊晶基板面积浪费，增加该封装材料成本。该电极打线区域还易衍生出寄生电容与寄生电感，降低PCSEL的响应速度，不利于PCSEL高频操作。现有PCSEL中，由于电流在各个方向扩散速度不同，注入该主动发光层的电流密度易不均匀。
因此，现有PCSEL亟待改进。
发明内容
本申请第一方面提供一种光子晶体面射型激光装置，包括：
光发射模块，包括：
光子晶体层；
位于所述光子晶体层一侧之主动发光层；
第一电极，位于所述主动发光层远离所述光子晶体层之一侧；以及
第二电极，至少部分位于所述主动发光层远离所述光子晶体层之一侧；以及
驱动模块，分别与所述第一电极及所述第二电极远离所述光子晶体层之表面电接触，用于输出驱动信号至所述第一电极及所述第二电极，以驱动所述主动发光层产生光子，所述光子入射至所述光子晶体层发生布拉格衍射振荡以产生激光。
本申请第二方面提供一种光学系统，包括：
如上述之光子晶体面射型激光装置；以及
控制装置，电连接所述光子晶体面射型激光装置，用于输出所述驱动信号至所述光子晶体面射型激光装置以驱动所述光子晶体面射型激光装置发射激光。
所述光子晶体面射型激光装置，驱动模块与光发射模块整合，有利于提升光子晶体面射型激光之开关速度；光发射模块在工作过程中会产生热量，由于本实施例中光发射模块不包括基板，也即光发射模块之第一电极及第二电极与驱动模块直接接合在一起，未经过基板间隔，有利于光发射模块之散热，因此有利于提升光子晶体面射型激光之发光功率与寿命。
附图说明
图1为本申请实施例中光学系统之模块结构示意图。
图2为图1中光发射模块之平面结构示意图。
图3为图2中光发射模块沿Ш-Ш线之剖面结构示意图。
图4为图2中光发射模块沿Ⅳ-Ⅳ线之剖面结构示意图。
图5为其他实施例中光子晶体面射型激光之平面结构示意图。
图6为图1中驱动模块之平面结构示意图。
图7为光发射模块及图6中驱动模块沿Ⅶ-Ⅶ线之剖面结构示意图。
图8为多个不同光子晶体面射型激光在环境温度为360K时工作温度随驱动电流之变化曲线图。
图9为第一对比例中光子晶体面射型激光在不同环境温度时工作温度随驱动电流之变化曲线图。
图10为第二对比例中光子晶体面射型激光在不同环境温度时工作温度随驱动电流之变化曲线图。
图11为本申请实施例中光子晶体面射型激光在不同环境温度时工作温度随驱动电流之变化曲线图。
主要元件符号说明
光学系统                    100
光子晶体面射型激光装置      10
光发射模块                  2
绝缘层                      20
光子晶体层                  21
欧姆接触层                  211
第二披覆层                  212
通孔                        213
主动发光层                  22
量子井主动发光层            221
能障层                      222
第一披覆层                  23
布拉格反射镜                24
第一折射层                  241
第二折射层                  242
透明导电层                  25
透光基板                    26
导热胶层                    27
第一电极                    28
第三导电部                  281
第四导电部                  282
延伸部                      283
第二电极                    29
第一导电部                  291
第二导电部                  292
内壁                        2921
驱动模块                    3
基板                        31
栅极                        G
源极                        S
漏极                        D
连接电极                    P
缓冲层                      32
通道层                      33
P型氮化镓层                 331
氮化铝镓能障层              332
无掺杂氮化镓通道            333
电极层                      34
绝缘材料层                  35
缺口                        S0
收容空间                    S1
中空空间                    S2
曲线                        X、Y、Z、X1、X2、X3、X4、Y1、Y2、Y3、Y4、Z1、Z2、Z3、Z4
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本申请。
具体实施方式
请参阅图1，本申请之光学系统100包括光子晶体面射型激光装置10。光学系统100可为脸部识别感测装置、激光雷达等，其可应用于智慧手机、扩增实境(AugmentedReality,AR)眼镜、虚拟现实(Virtual Reality,VR)眼镜等各种消费性电子装置，还可应用于汽车、家居或医疗设备，以及应用于智慧化工厂、自动化仓储之无人载具等。
光学系统100还包括控制装置(图未示)，控制装置电连接光子晶体面射型激光装置10。光子晶体面射型激光装置10应用于上述各类光学系统100中时，用于根据控制装置输出之驱动信号发射激光，以使得光学系统100实现互动显示、安全辨识、室内环境感测或近距感测等功能。本实施例中，控制装置可为晶片、晶片组、控制主板等。
光子晶体面射型激光装置10包括相互电连接之光发射模块2及驱动模块3。驱动模块3用于施加驱动信号(驱动电压或驱动电流)至光发射模块2，光发射模块2用于根据该驱动信号(驱动电压或驱动电流)发射激光。
请一并参阅图2和图3，本实施例中光发射模块2包括依次层叠之光子晶体层21、主动发光层22、第一披覆层23及布拉格反射镜24。
光子晶体层21包括层叠之欧姆接触层211及第二披覆层212，第二披覆层212位于欧姆接触层211与主动发光层22之间。本实施例中，欧姆接触层211的材料为P型砷化镓，第二披覆层212为P型砷化铝镓。于其他实施例中，欧姆接触层211的材料还可为磷化铟或磷化砷铟镓。光子晶体层21上开设有多个间隔设置之通孔213。每一通孔213贯穿欧姆接触层211及第二披覆层212。
主动发光层22包括多个量子井主动发光层221及多个能障层222。多个量子井主动发光层221与多个能障层222交错层叠。亦即，量子井主动发光层221与能障层222交替排列。本实施例中，主动发光层22包括交错层叠之三个量子井主动发光层221及四个能障层222。每一量子井主动发光层221的材料为砷化铟镓，每一能障层222的材料为砷化镓，用于发射波长在905nm至1550nm(包括端点值)之激光。于其他实施例中，量子井主动发光层221还可为砷化铝镓铟或磷化砷铟镓，能障层222还可为砷化铝镓或砷化铝镓铟。
主动发光层22用于在该驱动信号驱动下产生光子。主动发光层22产生之光子向四周传播，传播至光子晶体层21中之光子在光子晶体层21中反复震荡，直至光发射模块2达到增益与损耗平衡状态时，产生激光。
第一披覆层23材料可为N型砷化铝镓。第一披覆层23与第二披覆层212用于配合锁住主动发光层22发射之光子，减少光子朝向布拉格反射镜24方向传播。本实施例中，第一披覆层23材料为砷化铝镓。于其他实施例中，第一披覆层23及第二披覆层212材料还可为砷化铝铟、磷化铟或磷砷化镓。
布拉格反射镜24包括多个第一折射层241及多个第二折射层242。多个第一折射层241及第二折射层242交替层叠。各个第一折射层241折射率相同，各个第二折射层242折射率相同，且第一折射层241与第二折射层242折射率不同。布拉格反射镜24用于朝向光子晶体层21反射接收到的光子，以回收利用从第一披覆层23逃出之光子，有利于减少光损耗，提升光子晶体面射型激光装置10之发光功率。本实施例中，布拉格反射镜24包括三个第一折射层241及三个第二折射层242，三个第一折射层241及三个第二折射层242交替排列。
请继续一并参阅图2和图3，本实施例中，光发射模块2还包括透明导电层25、透光基板26及导热胶层27。
导热胶层27位于透明导电层25与透光基板26之间，用于粘合固定透明导电层25与透光基板26，并用于导出光发射模块2工作过程中产生之热量。透明导电层25位于光子晶体层21远离布拉格反射镜24之一侧并填充光子晶体层21中之周期性分布的多个通孔213。透光基板26位于透明导电层25远离布拉格反射镜24之一侧。
本实施例中，透明导电层25为氧化铟锡(Indium tin oxide,ITO)。透光基板26可为蓝宝石(Sapphire)、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、硅(Si)、碳化硅(SiC)及磷化铟(InP)等透光材料构成。光子晶体层21产生之激光从透光基板26远离布拉格反射镜24之表面出射。
本实施例中，光发射模块2还包括相互电绝缘之第一电极28和第二电极29。第一电极28与第二电极29用于接收该驱动信号。第一电极28及第二电极29为金属，例如为钛(Ti)、锗(Ge)、镍(Ni)、金(Au)或铂(Pt)及其合金。本实施例中，第一电极28为N型电极，第二电极29为P型电极。
第一电极28位于布拉格反射镜24远离透光基板26之一侧且与布拉格反射镜24直接接触。第二电极29包括第一导电部291和第二导电部292。
第一导电部291位于布拉格反射镜24远离透光基板26之一侧。第一导电部291与第一电极28所远离透光基板26之表面的高度平齐。也即，第一导电部291与第一电极28共平面。
第一导电部291围合形成一具有一缺口S0之第一收容空间S1。第一电极28包括第三导电部281、第四导电部282及连接第三导电部281与第四导电部282之延伸部283。第三导电部281位于第一收容空间S1之内，第四导电部282位于第一收容空间S1之外，延伸部283通过缺口S0从第三导电部281延伸至第四导电部282。第三导电部281与第一导电部291间隔以电绝缘。
请一并参阅图3及图4，第二导电部292由第一导电部291向透光基板26方向延伸形成。第二导电部292为形成有一中空空间S2之筒状结构。透明导电层25、光子晶体层21、主动发光层22、第一披覆层23及布拉格反射镜24位于中空空间S2内。导热胶层27覆盖第二导电部292靠近透光基板26一侧之端面、第二导电部292之部分外表面(远离中空空间S2之表面)及透明导电层25。第二导电部292靠近透光基板26一侧之一端与透明导电层25电接触。
本实施例中，光发射模块2还包括绝缘层20。绝缘层20可为氮化硅(SiNx)、二氧化硅(SiO2)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。绝缘层20位于第二导电部292形成之中空空间S2内并部分贴附第二导电部292之内壁2921，且绝缘层20位于光子晶体层21、主动发光层22、第一披覆层23及布拉格反射镜24与第二导电部292之间。
绝缘层20未贴附第二导电部292之内壁2921的部分与内壁2921之间具有间隙，透明导电层25填充于该间隙中以与第二导电部292电接触。
绝缘层20还延伸至布拉格反射镜24远离透光基板26之一侧，并位于第一电极28与第一导电部291之间，以使得第一电极28与第一导电部291间隔以电绝缘。
当第一电极28与第二电极29分别被施加驱动信号时(第一电极28与第二电极29被施加之驱动信号大小不同)，驱动电流由光子晶体层21靠近透光基板26之一侧注入。主动发光层22在驱动电流之驱动下产生光子。主动发光层22产生之光子传播至光子晶体层21时在光子晶体层21中反复振荡，直至光发射模块2达到增益与损耗平衡时产生激光，激光从透光基板26远离布拉格反射镜24之一侧出射。
在上述过程中，第一披覆层23、第二披覆层212及布拉格反射镜24皆用于防止光子从远离透光基板26一侧出射，有利于提升光利用率，从而提高光发射模块2之发光功率。
在图2视角下，第三导电部281、第四导电部282及延伸部283皆为矩形。第一导电部291为与第三导电部281之形状相适应之具有缺口S0之矩形框。收容空间S1填充有绝缘层20以使得第三导电部281与第一导电部291电绝缘。
于本申请其他实施例中，在图2视角下，第三导电部281及第一导电部291可为其他形状。例如图5中所示，第三导电部281可为圆形，第一导电部291为与第三导电部281之形状相适应之具有缺口S0之圆环状。
本实施例中，第三导电部281在图2视角下之形状与第三导电部281在主动发光层22上之投影形状相同。第三导电部281正对光子晶体层21设置，使得第三导电部281在主动发光层22上之投影完全覆盖光子晶体层21在主动发光层22上之投影。也即，使得第三导电部281在主动发光层22上之投影与光子晶体层21在主动发光层22上之投影面积相同而完全重合，或第三导电部281在主动发光层22上之投影面积大于光子晶体层21在主动发光层22上之投影。
由于光子晶体层21中存在周期性分布的多个通孔213，光子晶体层21上开设有通孔213之位置阻抗较大，未开设阻抗之位置阻抗较小，光子晶体层21各个位置之阻抗差异可能导致驱动电流在水平方向(以图3或图4为基准)扩散不均匀。本实施例中，当第一电极28接收到驱动信号时，第一电极28之第三导电部281之位置与形状有利于使得驱动电流在水平方向(以图3或图4为基准)均匀扩散。
请参阅图6和图7，驱动模块3为一电晶体。本实施例中，驱动模块3为一具有高电子迁移率电晶体(HEMTs)：氮化镓电晶体。
驱动模块3包括依次层叠之基板31、缓冲层32、通道层33及电极层34。
基板31之材料为蓝宝石、硅、氧化硅、碳化硅或金刚石。用于在制程中支撑缓冲层32、通道层33及电极层34。缓冲层32位于基板31之一表面，材料可为氮化镓或氮化铝。
通道层33包括依次层叠之P型氮化镓层331、氮化铝镓能障层332及无掺杂氮化镓通道333。
电极层34的材料可为钛(Ti)、铝(Al)、镍(Ni)、金(Au)或钯(Pd)。电极层34包括栅极G、一源极S、一漏极D及一连接电极P。栅极G、一源极S、一漏极D及一连接电极P之间相互间隔以绝缘。本实施例中，驱动模块3还包括绝缘材料层35，绝缘材料层35位于栅极G、一源极S、一漏极D及一连接电极P之间以间隔栅极G、一源极S、一漏极D及一连接电极P。
P型氮化镓层331与栅极G直接接触且P型氮化镓层331通过绝缘材料层35与源极S、漏极D及一连接电极P绝缘。氮化铝镓能障层332及无掺杂氮化镓通道333分别与源极S及漏极D接触。
漏极D与第一电极28电接触，以施加负电压至第一电极28。连接电极P与第二电极29电接触，以施加正电压至第二电极29。该正电压与该负电压即为上述驱动信号，该驱动信号使得第一电极28与第二电极29之间具有电压差，光发射模块2内形成电流回路，也即形成驱动电流，以发射激光。无掺杂氮化镓通道333作为主要导通半导体通道，P型氮化镓层331有利于提高氮化铝镓能障层332之能障高度至费米能阶之上。
漏极D与第一电极28、连接电极P与第二电极29之间，通过金属间之接合方式进行固定。金属间之接合方式例如为金与金面对面接合技术。
于其他实施例中，驱动模块12不包括连接电极P，而第二电极29直接与栅极G电接触，由栅极G为第二电极29提供驱动信号。也即，以栅极G上之电压作为第二电极29之驱动信号。相较于通过连接电极P电连接第二电极29，有利于减少形成连接电极P之步骤。
当栅极G上之电压达到驱动模块3之开启电压时，通道层33导通，源极S与漏极D之间电性导通，漏极D施加第一电极28一负电压(驱动信号)。连接电极P用于接收一正电压(驱动信号)，并用于施加该正电压至第二电极29。光发射模块2在驱动信号驱动下发射激光。
前述之光子晶体面射型激光装置10，驱动模块3与光发射模块2整合，驱动模块3为氮化镓电晶体，具有高电子迁移率(于一些实施例中，电子迁移率可为2000cm2/V·s以上)，有利于提升光子晶体面射型激光装置10之开关速度。光发射模块2在工作过程中会产生热量，由于本实施例中光发射模块2不包括基板，也即光发射模块2之第一电极28及第二电极29与驱动模块3之电极层34之间直接接合在一起，未经过基板间隔，有利于光发射模块2之散热，因此有利于提升光子晶体面射型激光装置10之发光功率与寿命。
以下通过模拟对比例中之光子晶体面射型激光与本申请中之光子晶体面射型激光100之散热效果。
图8为环境温度为360K时，光子晶体面射型激光之工作温度Tmax随驱动电流Current之变化曲线图。图8中曲线X代表第一对比例中之光子晶体面射型激光，曲线Y代表第二对比例中之光子晶体面射型激光，曲线Z代表本申请中之光子晶体面射型激光。由图8可知，在相同环境温度下，驱动电流相等时，曲线Z对应之温度最小，也即本申请中之光子晶体面射型激光工作时温度最小，散热效果最好。
图9为第一对比例中之光子晶体面射型激光的工作温度Tmax随驱动电流Current之变化曲线图。图9中曲线X1、X2、X3及X4分别为环境温度Tc＝300K、320K、340K及360K时工作温度随驱动电流之变化曲线。
图10为第二对比例中之光子晶体面射型激光的工作温度Tmax随驱动电流Current之变化曲线图。图10中曲线Y1、Y2、Y3及Y4分别为环境温度Tc＝300K、320K、340K及360K时工作温度随驱动电流之变化曲线。
图11为本申请实施例中之光子晶体面射型激光的工作温度Tmax随驱动电流Current之变化曲线图。图11中曲线Z1、Z2、Z3及Z4分别为环境温度Tc＝300K、320K、340K及360K时工作温度随驱动电流之变化曲线。
由此可知，在任意相同环境温度下，驱动电流相等时，曲线Z(Z1、Z2、Z3及Z4)对应之温度最小，也即本申请实施例中之光子晶体面射型激光工作时温度最小，散热效果最好。
驱动模块3与光发射模块2整合，且省去基板，也有利于结构小型化。通过第一电极28与第二电极29共平面设置，无需设置打孔区域实现电连接，还有利于缩小光发射模块2之面积、避免打孔区域产生寄生电容电感。
本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本申请，而并非用作为对本申请的限定，只要在本申请的实质精神范围之内，对以上实施例所作的适当改变和变化都落在本申请要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种光子晶体面射型激光装置，其特征在于，包括：
光发射模块，包括：
光子晶体层；
主动发光层，位于所述光子晶体层之一侧；
第一电极，位于所述主动发光层远离所述光子晶体层之一侧；以及
第二电极，至少部分位于所述主动发光层远离所述光子晶体层之一侧；以及
驱动模块，分别与所述第一电极及所述第二电极远离所述光子晶体层之表面电接触，用于输出驱动信号至所述第一电极及所述第二电极，以驱动所述主动发光层产生光子，所述光子入射至所述光子晶体层发生布拉格衍射振荡以产生激光。
2.如权利要求1所述之光子晶体面射型激光装置，其特征在于，所述第二电极包括相互电连接之第一导电部和第二导电部；
所述第一导电部位于所述主动发光层远离所述光子晶体层之一侧，所述第二导电部沿所述第一导电部之外缘朝向所述光子晶体层方向延伸，所述第二导电部为包括一中空空间之筒状结构，所述光子晶体层及所述主动发光层位于所述中空空间内。
3.如权利要求2所述之光子晶体面射型激光装置，其特征在于，所述光发射模块还包括透明导电层，所述透明导电层位于所述光子晶体层远离所述主动发光层之一侧，并位于所述中空空间内；
所述第二电极之第二导电部靠近所述光子晶体层之一端与所述透明导电层电接触。
4.如权利要求2所述之光子晶体面射型激光装置，其特征在于，所述第一电极包括第三导电部，所述第三导电部在所述主动发光层上之正投影完全覆盖所述光子晶体层在所述主动发光层上之正投影。
5.如权利要求4所述之光子晶体面射型激光装置，其特征在于，所述第二电极之第一导电部围合形成具有一缺口之收容空间，所述第一电极之第三导电部位于所述收容空间内。
6.如权利要求1至5任一项所述之光子晶体面射型激光装置，其特征在于，所述驱动模块为电晶体。
7.如权利要求6所述之光子晶体面射型激光装置，其特征在于，所述驱动模块为氮化镓电晶体。
8.如权利要求6所述之光子晶体面射型激光装置，其特征在于，所述驱动模块包括一电极层，所述电极层包括相互间隔绝缘之栅极、源极及漏极；
所述栅极电接触所述第二电极，所述漏极电接触所述第一电极，所述栅极上之电压大于所述驱动模块之阈值电压时，所述源极及所述漏极导通，所述漏极及所述栅极用于施加所述驱动信号至所述第一电极及所述第二电极。
9.如权利要求6所述之光子晶体面射型激光装置，其特征在于，所述驱动模块包括一电极层，所述电极层包括相互间隔绝缘之栅极、源极、漏极及连接电极；
所述漏极电接触所述第一电极，所述栅极上之电压大于所述驱动模块之阈值电压时，所述源极及所述漏极导通，所述漏极用于施加所述驱动信号至所述第一电极；
所述连接电极电接触所述第二电极，用于施加所述驱动信号至所述第二电极。
10.一种光学系统，其特征在于，包括：
如权利要求1至9任一项所述的光子晶体面射型激光装置；以及
控制装置，电连接所述光子晶体面射型激光装置，用于输出所述驱动信号至所述光子晶体面射型激光装置以驱动所述光子晶体面射型激光装置发射激光。
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