CN117940813A - 光电半导体器件和眼镜 - Google Patents

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Abstract

在至少一个实施方式中，光电半导体器件(1)包括：载体(2)；被配置为发射第一激光辐射(L1)并被施加在载体(2)上的第一半导体激光器(31)；以及多模波导(4)，被配置为引导第一激光辐射(L1)并且同样被施加在载体(2)上，其中多模波导(4)包括至少一个分叉(40)和由至少一个分叉(40)连接的多个分支(41，42)。

Description

光电半导体器件和眼镜
技术领域
提供了一种光电半导体器件。此外，还提供了包括这种光电半导体器件的眼镜。
背景技术
文献S.Romero-Garcia等人，在“用于多色激光引擎的光子集成电路”，SPIE会议录10108，硅光子XII，101080Z，2017年3月2日，doi:10.1117/12.2250758中提及光子电路。
发明内容
要解决的问题是提供一种具有改进的发射特性的光电半导体器件。
该目的尤其通过如独立专利权利要求中所限定的光电半导体器件和眼镜来实现。示例性的其他改进构成从属权利要求的主题。
根据至少一个实施方式，光电半导体器件包括载体。例如，载体包括导热材料如陶瓷、尤其是AlN。载体可以包括导体轨道和/或电路。
根据至少一个实施方式，光电半导体器件包括一个或多个半导体激光器。至少一个半导体激光器被配置为发射激光辐射。此外，例如通过焊接将至少一个半导体激光器施加在载体上。例如，至少一个半导体激光器是激光二极管，简称LD。如果存在多个半导体激光器，则所有半导体激光器可以是相同类型的，或者存在不同类型的半导体激光器，例如，以产生红、绿和蓝光，简称RGB。
在下文中，可以参考第一半导体激光器和第二半导体激光器。在这方面，术语“第一”和“第二”是指列举，因此对于“半导体激光器”公开的所有特征以相同的方式适用于“第一半导体激光器”以及“第二半导体激光器”。
根据至少一个实施方式，光电半导体器件包括一个或多个多模波导。至少一个多模波导被配置为引导激光辐射。多模波导也例如通过焊接施加在载体上。
根据至少一个实施方式，多模波导包括一个或多个分叉和多个分支。分支通过至少一个分叉彼此连接。
在至少一个实施方式中，光电半导体器件包括载体；被配置为发射第一激光辐射并被施加在载体上的第一半导体激光器；以及被配置为引导第一激光辐射并也被施加在载体上的多模波导。多模波导包括至少一个分叉和由至少一个分叉连接的多个分支。
例如，在光电半导体器件中，多模波导配备有可选的模混合器，并为RGB成像和投影应用、尤其是AR/VR应用提供对准容差LD对接耦合。AR表示增强现实并且VR表示虚拟现实。
因此，可以提供对准容差平面光回路RGB激光组合器和光源。
在例如用于增强现实和/或虚拟现实及其它低功率投影应用的移动近眼平视显示器中，红色、绿色和蓝色激光二极管输出通常需要被组合成小发射面积的单个发射端口，从而可以避免复杂的补偿电子算法和/或光束位移光学器件。这样，可以使用相同的光路为每种颜色生成图像。例如，在增强现实应用中，可以将期望的RGB光从单个发射点引导到光调制器中，如硅上液晶、简称LCoS，或移动数字镜装置系统、简称DMD系统。对于每种颜色具有多个发射点意味着将存在进入和离开光调制器的不同光路，这使得将图像投影到观察者眼睛中的波导融合器中的最终图像生成复杂化。
为了解决对于RGB输出具有单个或多个但非常紧密间隔的发射点的问题，可以考虑集成波导方法，特别是对于增强现实/虚拟现实应用。为了避免术语问题，组合多个激光输出的光波导电路被称为“平面光回路”或PLC。这是为了区别于AR/VR眼镜中的“波导组合器”结构，其将图像信息散布在眼镜的表面上，从而增强眼盒。
不幸的是，大多数当前的PLC方法假定发射点必须是单模的，以避免来自多模波导结构的更复杂的远场图案。这意味着LD对准到单模波导中是非常困难的，需要将LD发射点定位到远低于一个波长，即远低于1μm。未对准会导致显著效率损失。对准的高灵敏度还可以导致低的生产产量。
单模波导的第二个问题是将多个波导组合成单个波导会导致显著效率损失。因此，许多PLC方法实际上没有将RGB波导组合成单个波导；相反，它们简单地使每个R、G和B波导的输出在发射侧靠近在一起。但是没有实现真正的单个发射点。
第三个问题，特别是如果LD与PLC的波导输入端对接耦合，在于波导面可以将激光辐射引导回LD。此反馈可导致LD不稳定性或迫使LD在单个或几个模式状态中运行。高功率边缘发射激光器(简称EEL)和较大孔径垂直腔表面发射激光器(简称VCSEL)的特性的强多模操作的损失将显著增加激光器的相干长度，导致例如投影到视网膜上的图像中的相干伪影和激光斑纹增加。
单模输出还具有完全的空间相干性，这使得图像中这种相干效应形成完全对比。斑纹和相干伪影可以在直接成像LCoS和DMD空间光调制器中以及在具有一维或二维波导组合器的激光束扫描系统(简称LBS)中形成。眼镜中具有全息反射镜的视网膜扫描系统也可以具有相干伪影，但是小于具有波导组合器的LBS。
通过这里描述的光电半导体器件及其各种实施方式，解决了用于激光束组合的当前PLC结构的这些问题中的一个或多个。在一个实施方式中，横向LD对准容差可以放宽到几μm，同时实现高效率并为输出辐射提供真正的单个发射点。在另一个实施方式中，输入耦合结构可以减少进入LD的反馈。由于本文描述的PLC结构的多模波导方法，所有这些实施方式都具有减小空间相干性的潜力，并且对于减小扫描微机电、MEM、反射镜AR/VR系统中的斑纹和干扰伪影尤其相关。
最后，本文描述的光电半导体器件可以利用标准的光刻半导体类型的处理，其允许容易制造和包括对准基准或物理特征。
利用这里描述的光电半导体器件，可以实现几个优点：
a)光电半导体器件可以使用与单个平台上的LD管芯集成的晶片级PLC。
b)可以使用简单的光刻制造方法来制造光电半导体器件，这使得器件成本有效。
c)PLC的尺寸可以小于目前市场上的PLC方法。
d)借助于光电半导体器件，可以放宽LD相对于PLC输入的对准容差；例如，相对于输入波导结构的中心±2μm的LD横向调节对耦合效率仅具有可忽略的影响。
e)光电半导体器件利用模混合器来消除LD对准对最终发射表面模结构的依赖性，使得在制造期间发生的对准偏差对器件远场规格具有最小的影响；此外，这允许完全填充输出波导模式以减小空间相干效应。
或者，在某些情况下，使用没有模混合结构的多模波导可以提供LD对准容差的放宽。这是当AR/VR系统中的光学系统可以补偿PLC发射点位置的小差异时，例如通过对扫描镜系统中的R、G和B激光器进行小的定时调整。这是因为非散射PLC的输出可以仅仅是输入LD场的移位和失真图像。如果中继光学器件放大使得波导输出面尺寸保持在眼睛分辨率或低于眼睛分辨率，则将不会察觉到由波导传播引起的这种失真。AR/VR中继光学器件的较低放大倍数还可以有益于模式混合器的情况，该模式混合器可以使得远场图案更复杂，但是眼睛不会分辨斑纹状重新成像的波导输出面场。
本文描述的光电半导体器件尤其是基于以下概念中的一个或几个，以放宽用于将激光辐射对接耦合到PLC激光束组合器中的LD对准容差，从而得到实用的器件：
1.光电半导体器件使用多模波导以显著减小对LD对准的容差限制。这可以大大增加制造产量。
2.由于多模的配置，定向消逝耦合器更难设计；光电半导体器件使用直接组合，其在当前情况下可以产生高效率。
3.通过在波导内引入可选的工程设计的散射结构，在不同位置和方向上来自LD的输入场可以被随机均匀地散射到所有波导模式中，产生更均匀的，但可能是斑纹状的近场。这在某些情况下可能是有益的，提供统计上均匀的远场分布。
4.可以使用高折射率材料制造波导，使核芯在衬底和包层材料之间具有大的折射率差。这增加了对于给定横截面积的限制和允许模式的数量。更大的模数量还有助于缓和对准问题并缓和对输入耦合结构设计的限制。这将进一步有助于降低空间相干性。高折射率对比度是通过在熔融硅石或相关材料上蚀刻沉积的高折射率材料如Si3N4，然后进行标准光刻和干蚀刻工艺来实现的。
此外，一些实施方式具有可进一步帮助解决上述问题的附加技术特征：
i)抗反射涂层可以添加到PLC波导的输入和输出表面。这将进一步提高效率并使激光反馈最小化；或者，倾斜的输入面也可以减少激光反馈，并且如果利用EEL的布鲁斯特角效应，则可以提高效率。
ii)如果不需要正方形发射截面，则多个输入面耦合设计减少对准容差问题，包括锥形或可能的反锥形结构、透镜型结构和大的矩形引导件。
iii)增加输出波导的长度有助于使波导模式失相；例如，存在具有宽带宽的多模激光器。这将降低波导输出处的空间横向相干性，有助于减少斑纹和相干伪影。
iv)将PLC倒置并组合到与也倒置的LD(即脊侧向下)的相同衬底。这允许LD发射点与PLC上的波导输入中心被动对准。
v)波导可由多种材料制成，包括Si3N4、GaN、HfO2、LiNbO3、Ta2O5、Al2O3、AlN和其它可蚀刻的相关较高折射率材料。
虽然光电半导体器件的主要应用是在AR/VR眼镜中，但是它可以用于需要将多个EEL或VCSEL组合成单个输出的其它应用。在许多情况下，考虑的AR/VR系统是扫描微机电、MEM、反射镜系统。
根据至少一个实施方式，光电半导体器件还包括一个或多个第二半导体激光器。然后至少一个第二半导体激光器被配置为发射至少一个第二激光辐射。与第一半导体激光器和两个不同的第二半导体激光器一起，光电半导体器件可以是RGB器件。
根据至少一个实施方式，多模波导包括配置为接收第一激光辐射和/或至少一个第二激光辐射的至少两个第一分支。例如，对于每个半导体激光器，有一个第一分支。因此，在第一分支和半导体激光器之间可以有一对一的分配。
根据至少一个实施方式，至少一个分叉被配置为将第一激光辐射与至少一个第二激光辐射融合以获得融合的激光辐射。换句话说，融合的激光辐射包括所有的第一和第二激光辐射。也就是说，第一和第二激光辐射可以通过至少一个分叉组合或统一。
根据至少一个实施方式，多模波导包括在至少一个分叉的背离第一半导体激光器和/或至少一个第二半导体激光器的一侧上的恰好一个第二分支。第二分支被配置为发射融合的激光辐射。
因此，至少一个第一分支可以被称为输入分支，并且至少一个第二分支可以被称为输出分支。
根据至少一个实施方式，至少一个半导体激光器包括激光器衬底和半导体层序列以及第一金属化。这可适用于第一和/或第二半导体激光器中的每一个。例如，半导体层序列基于AlInGaN或AlInGaP。
根据至少一个实施方式，半导体层序列和第一金属化位于激光器衬底的同一侧。例如，第一金属化突出超过分配的半导体层序列。
根据至少一个实施方式，第一半导体激光器和/或至少一个第二半导体激光器是边缘发射激光器。或者，VCSEL用于半导体激光器，或者EEL和VCSEL的组合。
根据至少一个实施方式，多模波导包括衬底主体和从衬底主体突出的引导结构。该引导结构被配置为通过内部全反射来引导该第一激光辐射和/或该至少一个第二激光辐射。引导结构可以由施加在衬底主体上的材料制成。
根据至少一个实施方式，多模波导还包括第二金属化。例如，第二金属化被配置用于焊接。
根据至少一个实施方式，引导结构和第二金属化位于衬底主体的同一侧上。尤其是，衬底主体被附接到载体，使得引导结构和第二金属化面对载体。
根据至少一个实施方式，第一和/或第二半导体激光器的发射区域位于载体附近，与引导结构齐平。换言之，半导体层序列面向载体。如果各个半导体激光器包括用于半导体层序列的生长衬底，则生长衬底位于半导体层序列的远离载体的一侧上。
根据至少一个实施方式，在引导结构的顶视图中看，第二金属化相对于引导结构的位置具有侧向位移。这同样适用于相对于相应半导体层的脊形波导的第一金属化，如果包括这种脊形波导的话。
根据至少一个实施方式，第二金属化突出到引导结构之外，并且被配置为调整引导结构与载体的距离。替代地或附加地，第一金属化突出超过半导体层序列并且被配置为调整半导体层序列距载体的距离。
根据至少一个实施方式，多模波导被配置为融合红色、绿色和蓝色激光辐射。
根据至少一个实施方式，多模波导的输出区域具有至多30μm×30μm或至多20μm×20μm的面积。
根据至少一个实施方式，多模波导还包括被配置为散射第一激光辐射的散射区域。例如，散射区域位于至少一个分叉的远离第一半导体激光器的一侧。可选的，散射区域可包括多个随机分布的散射中心。
根据至少一个实施方式，从多模波导的顶视图中看，该至少一个分叉是S形的，使得该至少一个分叉包括右转弯弯曲和左转弯弯曲或由右转弯弯曲和左转弯弯曲组成。所有分叉可能具有相同的设计；或者，可以有不同形状的分叉。至少一个分叉可以是点对称设计。
根据至少一个实施方式，光电半导体器件包括多个分叉。分叉可以与分支在不同位置融合，或者所有分叉在多模波导中的相同位置融合。
根据至少一个实施方式，多模波导还包括面向第一和/或半导体激光器的输入耦合结构。例如，输入耦合结构包括相应分支在远离第一半导体激光器的方向上变窄的至少一个部分。可替换地或附加地，输入耦合结构包括相应分支在远离第一半导体激光器的方向上变宽的至少一个另外的部分。
根据至少一个实施方式，输入耦合结构包括面向第一半导体激光器的输入面，该输入面相对于相应分支的纵轴线倾斜。
根据至少一个实施方式，面向第一半导体激光器的分支的数量小于或等于位于至少一个分叉的远离第一半导体激光器的一侧的分支的数量。
还提供了眼镜。该眼镜优选地包括至少一个光电半导体器件，如结合上述实施方式中的至少一个所示。因此也公开了用于眼镜的光电半导体器件的特征，反之亦然。
在至少一个实施方式中，该眼镜被配置用于增强现实或虚拟现实应用。尤其是，眼镜包括一个或多个光电半导体器件。此外，眼镜包括由至少一个光电半导体器件照明的至少一个视场。
附图说明
下面参照附图通过示例性实施方式更详细地解释本文描述的光电半导体器件和眼镜。在各个附图中相同的元件用相同的附图标记表示。然而，没有按比例示出元件之间的关系，而是夸大地示出各个元件以帮助理解。
在附图中：
图1和图4是本文描述的光电半导体器件的示例性实施方式的示意性顶视图；
图2是图1和图4的光电半导体器件的多模波导的示意性透视图；
图3是图1和图4的光电半导体器件的示意性截面图，
图5和图6是图1至图4的光电半导体器件的对准容差的示意图；
图7是用于本文描述的光电半导体器件的示范性实施方式的引导结构的示意性顶视图，
图8是本文描述的光电半导体器件的示范性实施方式的示意性截面图，
图9是包括本文描述的光电半导体器件的眼镜的示范性实施方式的示意性透视图，
图10至图14是用于本文描述的光电半导体器件的示范性实施方式的引导结构的示意性顶视图，
图15至图18是本文描述的光电半导体器件的示范性实施方式的示意性顶视图，并且
图19至图21示出了本文描述的光电半导体器件的示例性实施方式的引导结构中分叉的模拟数据。
具体实施方式
图1至图4示出了光电半导体器件1的示例性实施方式。半导体器件1包括第一半导体激光器31，其例如被配置为发射红色第一激光辐射L1。此外，半导体器件1包括两个第二半导体激光器32，其例如被配置为分别发射绿色和蓝色第二激光辐射L2。
此外，半导体器件1包括具有引导结构43的多模波导4。借助于引导结构43，第一和第二激光辐射L1、L2被融合为激光辐射L。为此，引导结构43包括面向半导体激光器31、32的三个第一分支41。通过分叉40，三个第一分支41组合成输出融合的激光辐射L的一个第二分支42。多模波导4也可以称为PLC，平面光路。
例如，多模波导4的引导结构43被施加在低折射率衬底主体44上，该衬底主体通常是玻璃或熔融硅石。或者，衬底可以是例如具有至少1μm厚SiO2层的硅。优选地，SiO2层应具有至少2μm的厚度，以确保高约束并避免来自消逝耦合到硅衬底中的损失，其也吸收可见波长。引导结构43包括三个输入分支41，激光辐射L1、L2通过该三个输入分支经由用于每个R、G和B半导体激光器31、32的输入面49耦合。三个引导结构41形成S形弯曲，在S形弯曲处它们熔合成单个区域，被称为组合区域或分叉40。输出分支42将光从组合区域传输到输出面。
为了使损失最小化，特别是在组合区域中，并且为了具有大的角度耦合容差，期望在引导结构43和衬底主体44之间具有高折射率对比度。例如，引导结构43可以由Si3N4制成，这是因为与折射率约为1.46的熔融硅石相比，在520nm的波长下，晶片级处理容易且折射率约为2.06。
如图1和图3所示，半导体激光器31、32s对接耦合到多模波导4，但是通常在衬底主体44与输入面49之间具有一些间隔，并且不会与每个第一分支41的中心轴线完全对准。例如，R、G和B发射半导体激光器31、32耦合到第一分支41中，在那里它们在直接组合区域40中组合。
高折射率对比的一个缺点是输出发射角大且可能更难以校准。还可以使用诸如Al2O3的低折射率波导材料或沉积在低折射率玻璃衬底上的高折射率玻璃来减小输出角，但以减小限制和减少模数量为代价。
例如，多模波导4具有至少一个第二金属化52。尤其是，与图2相比，在顶视图中看，沿着引导结构43的每一侧和/或沿着衬底框44的边缘可以有一个第二金属化52。
可选的是，接着是散射区域46，也称为模混合区域，其包括例如多个散射中心47，其可以通过光刻制造。期望输出分支42中具有附加的传播长度LB，以帮助使输入光散射进入的模式失相。附加的传播长度LB跟随散射区域46。例如，附加的传播长度LB为至少0.5mm和/或至多10mm。
还可以在输入面或输出面处包括散射区域。然而，如果输入面具有散射区域，则这可能有助于一些模式混合，但可能导致额外的损失。在输出侧，它可能分散输出模式，但不能真正实现波导模式的混合。
即，在所有其它示例性实施方式中也是可能的，图1的多模波导4可以具有可选的散射区域46。散射区域46的目的尤其是将入射LD场激发的模式散射到更宽范围的束缚波导模式。散射区域46可以具有三个优点，例如：首先，它可以产生更均匀的近场，其平均地较少依赖于LD对准；第二，其能够扩大LD对准上的具有较小方向依赖性的远场发散；第三，它可以提供附加的空间非相干性，以帮助减少由下游光学部件中的各种干涉效应引起的一些伪影和斑纹。
为了在对波导效率没有显著影响的情况下制造有用的散射区域46，优选地，散射区域46具有强前向散射，但具有弱后向散射以最小化损失。模混合可以通过与微影方法兼容的各种方法来实现，例如光刻。在一个示例中，作为散射中心47的亚微米孔可被蚀刻到引导结构43的材料中。例如，直径在0.3μm至0.5μm之间的孔会具有强前向散射。例如，四个这样的孔可以沿着传播方向随机排列，并且将在正向上引起多重散射，这将适当地将来自给定输入LD位置的特定模式叠加的激励散射到所有可用的输出波导模式中。其它方法包括随机或扰动壁特征。也可以在LD输入面49上形成漫射表面。
第二分支42的输出面是例如由跟随半导体器件1下游的光学系统(未示出)使用的发射光L的光源。典型地，尤其是从横截面中看，单个输出分支42应当具有与输入分支41相同的尺寸，以确保输入分支41上的所有模态激励可以在输出分支42中被激励。使输出分支42具有比输入分支41更窄的宽度W可引起输入半导体激光器对准的特定组合的能量反射，从而产生额外损失。由于所有可能的半导体激光器对准配置，这大致将较高光学扩展量的光源耦合到较小光学扩展量的光学系统。
在图3中，以横截面示出了RGB半导体器件1。这里，作为边缘发射的RGB脊形激光器31、32被分别组合到激光器衬底35，该激光器衬底可以是基台，也被称为基台芯片组件或简称为COSA。基台35和输入面49的高度相匹配，但与单模波导PLC相比可以放宽。
例如，通过制造如图4所示的多模矩形波导输入面49来实现水平对准容差。一个示例性宽度W为10μm至20μm。然而，发射区域不必是矩形的，而是也可以设计成具有其它形状。与图2相比，引导结构43的高度H例如主要受到制造高质量波导材料涂层的能力的限制。例如，Si3N4涂层可以制成为厚度大于1μm并且可至少3μm。例如，对于典型的脊形波导LD31、32，对于W＝10μm，宽引导结构43允许入射LD发射点30的横向对准容差在±3μm的数量级上。注意，宽波导还可以适应LD面30和波导输入面49的一些分离。该间隔距离在图4中用SL表示。
例如，半导体激光器31、32的发射区域30约为2μm×1μm。与典型的脊形波导激光器一样，输入光束L1、L2将在波导平面内偏振，即水平偏振。例如，比较图2，Si3N4直矩形脊形波导在底部以二氧化硅衬底为界，而其它三个表面以空气为界。分支41、42的波导截面例如为W×H＝20μm×3μm。例如，SL为1.0μm±0.5μm。这种分隔距离SL导致例如在SL＝0.5μm时78％的额定耦合效率。在这种情况下，代表性波长可以是550nm。
比较图5和图6，LD耦合效率C由波导4内的功率与入射LD功率的比率确定，这些图示出了耦合效率C根据方位角φ和仰角ψ的变化。结果表明，在方位平面上有30°的非常宽的角度调节，在距离波导平面的仰角上有20°的角度调节。
在图7中，引导结构43的另一个示例性实施方式以分叉40(也称为组合区域)为重点进行说明。组合区域40优选地具有S形(从顶视图看)，以具有从LD输入到输出分支42的平滑曲率变化。分叉40的弯曲角θB可以是用于确定组合损失的关键参数。例如，θB<21.4°适用于图7中的波导设计，这导致小于12％的可接受的组合损失。例如，如果θB＝23.3°，则组合损失将在95％处大得多。通过比较θB＝21.4°和θB＝23.6°的电场大小，较大的弯曲角θB可使得内反射进入分叉40内的其它分支中。
例如，图7中提供的数值可单独适用，也可全部适用，容差最多为50％、25％或10％。还示出了两个第一分支41和一个第二分支42，这些数值可以类似地适用于具有其他数量的第一和/或第二分支41、42的引导结构43。弯曲长度IB例如为至少20μm或至少0.2mm或至少0.5mm和/或至多2mm或至多1mm。
在LD和/或COSA的横向尺寸具有输入分支或分叉的间距下限的实际PLC中，典型的输入分叉长度将在至少200μm，并且典型地至少500μm的量级上。例如，如果将分叉间距限制为400μm，则分叉长度将在1mm的数量级上，以便维持所需的弯曲角。
在另一个可能的实施方式中，波导发射区是正方形的，而不是矩形的。因此，适用于W＝H。典型宽度W＝3μm。在这种情况下，关于半导体激光器31、32的位置，耦合效率在±1.0μm的横向变化上几乎是恒定的。组合器区域40的S弯曲结果接近矩形情况，其中θB<18°是优选的。
另外，与图1至图6相同的内容也可应用于图7，反之亦然。
根据图8，LD 31、32和PLC 4用于倒装芯片结构，以提供LD发射点30和波导输入面49的无源垂直对准。除了波导之外，波导材料还用于制造仅用于机械接触并且与引导结构43没有光学相互作用的焊盘。仍然与图2相比，焊盘通常沿着衬底主体44的外部区域，并且可以使用与引导结构43相同的光刻工艺来形成。然后用至少一个第二金属化层52涂覆焊盘，用于焊接或其它键合工艺。由于引导结构43由介电材料的沉积制成，其厚度可高度控制在±10nm内或甚至更好。焊盘金属化厚度也可以高度控制到类似的容差。
为了实现至少一个发射点30和波导输入面49的垂直中心的无源、高度精确垂直对准，如图8所示翻转半导体激光器31、32和多模波导4。与引导结构43一样，出于类似的原因，从第一金属化34到发射点30的垂直距离可以精确地知道为远低于1μm。
因此，通过调节PLC焊盘52的金属化厚度和/或键合厚度，可以在键合期间精确地匹配发射点30和波导输入面49的垂直中心。仅应确保例如AlN的传热载体2的平整度以及焊料预成型件或键合材料厚度的一致性。
另外，与图1至图7相同的内容也可适用于图8，反之亦然。
在图9中，示出了用于AR/VR应用的眼镜10。眼镜10包括例如两个视场12，每个由光电半导体器件1中的一个来照亮。例如，光电半导体器件1被容纳在眼镜10的镜腿11中。
关于激光扫描AR/VR系统10中的相干性问题、尤其是相干伪影和斑纹效应会降低图像质量。相干伪影、例如牛顿环形成可以由光学间反射造成。例如，将二次图像从漫射体或微透镜阵列平面传输到眼镜的波导组合器的中继光学器件可能引入这种伪影。基于近轴的傅立叶光学的计算表明，在多模波导4的发射区域形成的空间场分布可能对这些伪影没有任何显著影响。这里，只有激光带宽和甚至光谱形状具有显著的影响。
对于斑纹，有三种机制可能是重要的。第一个是来自眼镜波导组合器，未示出。如果观察者的瞳孔足够大以捕获来自波导组合器的多于一次的跳动，那么实际上就形成了一个双缝，会在视网膜上产生细微的干涉条纹。这些将不会在扫描期间被洗掉，因为它们来自固定的干涉点。第二个作用可能来自1D或2D波导组合器中光栅制造中的误差。这些不精确性会导致具有斑纹图案外观的散射。第三种可能的机制来自中间微透镜阵列、MLA或漫射体，其会扩展视场，填充波导组合器孔径。
这里描述的多模波导4可以通过使近场分布在空间上不相干来帮助减轻这些问题中的一些。
另外，与图1至图8相同的内容也可适用于图9，反之亦然。
在图10至图14中，示出了引导结构43的一些可能的变型。根据图10，输入分支41以相对于输出分支42的纵轴镜像对称的方式布置。例如，有偶数个输入分支41。根据图10，有四个输入分支41。此外，在图10中有一个单独的分叉40。
在图11中，示出了可以以对称方式布置的大量输入分支41，以及多个分叉40。例如，每个分叉40融合两个或三个输入分支41。相邻分叉40之间的距离例如为至少30μm和/或至多2.0mm。
在图12中，示出了仅有一个为半导体激光器31、32配置的输入支路41，以及至少两个输出支路42。即，能够实现一种分束器。
根据图13，只有一个输入分支41被配置用于半导体激光器31、32，并且同样有至少两个输出分支42。此外，可选地存在附加分支45。例如，附加分支45可以被配置用于光电检测器。这种引导结构43可以用在干涉仪装置中。
在图14中示出，输出分支42和/或输入分支41不必是直的形式。即，例如，输出分支42可以具有曲率。此外，有可能输入分支41彼此没有平行地对准。因此，输入分支41可以接收来自不同方向的激光辐射。
图10至图14的引导结构43中的每一个可类似地用于光电半导体器件1的所有示例性实施方式中。
另外，与图1至图9相同的内容也可适用于图10至图14，反之亦然。
在图15至图17中，示出了输入分支41可以具有输入耦合结构48，其可具有各种配置。这样的输入耦合结构48也可以存在于所有示例性实施方式中。例如，这样的输入耦合结构48通过蚀刻引导结构43的材料来产生，并且因此可以在与引导结构43相同的方法步骤中产生。
如图15所示，输入耦合结构48在远离半导体激光器31、32的方向上逐渐变细。例如，在顶视图中看，输入耦合结构48具有梯形形状，并且梯形的边相对于所分配的输入分支41的纵向轴线的角度尤其为至少5°和/或至多35°。
在图16中，输入耦合结构48是透镜。例如，透镜的曲率半径为至少5μm和/或至多30μm，并且输入分支41具有例如至少2μm×2μm和/或至多6μm×6μm的横截面。利用这种透镜状输入耦合结构48，例如，可以实现半导体激光器31、32的±6.0μm的横向定位容差，以及±5°的方位角容差。
根据图17，输入面49具有非零的方位角倾斜角θW。这可以例如以两种方式实现：衬底主体44和引导结构43的直接蚀刻，或仅衬底主体44的研磨或蚀刻，将衬底边缘带到离轴波导输入面49，其通过光刻限定。离轴耦合方法可以减少或消除激光反馈，并且由于通常在衬底主体44的平面中偏振的EEL的布鲁斯特角效应而提高耦合效率。典型的角度θW为例如至少5°和/或至多10°。
实现类似性能优点的第二种方法是在每个输入分支41的输入面49上应用抗反射涂层。由于每个R、G和B激光颜色将具有不同的抗反射涂层要求，因此难以在每个波导输入面49的顶部上施加单个抗反射涂层，例如四分之一波长SiO2层，因为它们都需要不同的厚度。因此，在每个所需波长处具有抗反射窗口的单一多层涂层是优选的。
在图18中示出了另一个实施方式，其中使用如图16中的一维耦合透镜，但是用超表面元件(英语：meta-element)代替折射元件。这可以减轻折射弯曲输入面49的主要缺点，即随着离开光轴61，离激光发射区域30的距离增加。由于激光器31的强发散，这降低了耦合效率。与折射透镜一样，超透镜正好聚焦在多模波导4内。
根据图18，超微粒6的亚波长点阵被放置在波导输入面49的前面。超微粒6的每个集合形成具有一定聚焦能力的超透镜。超透镜被设计成使得由较宽的超微粒6引入的相位延迟大于由较小超微粒引入的相位延迟。可称为菲涅耳区的每个横向区域对应于2π相移。该区域的大小决定了有效焦距。通过沿着光轴61组合至少一个或多个透镜，其中在图18中示出了三个透镜，输入场可以被聚焦到波导面49中，由此复合透镜的组合焦距使得有效焦平面正好在波导输入面49内。
另外，与图15至图17相同的内容也可适用于图18，反之亦然。
在图19至图21中，更详细地限定和解释了至少一个分叉的S形或S弯曲。
尤其是，S弯曲可以由贝塞尔曲线参数化，其中波导中心的(x，y)位置由以下参数公式给出，也称为等式(1)：
在等式(1)中，曲线是四个控制点Pi＝(xi，yi)的函数。参数t从0变化到1以形成全曲线。系数是n阶的二项式系数。
图19中的表格示出了多个模拟的S弯曲参数和通过组合器区域的对应耦合效率。该表格显示了波导尺寸D、贝塞尔曲线控制点P、S弯曲的最大斜率θmax和最小曲率半径ρmin。弯曲角θB是在分支交叉位置处的S弯曲的切线的角度。这将取决于波导厚度。最后，组合效率TC是输出支路中输出功率与刚好出现在输入支路内部的输入功率之比。
结果表明，几何参数对组合效率有很强的影响，只有最长的S弯曲表现出很高的效率。通常，考虑弯曲中的最小曲率半径，其可导致限制损失和辐射性损失。如图20和图21所示，具有最小限制的最高阶模式具有高辐射性损失。在低折射率对比的情况下，如图20所示，对于1mm量级的路径长度，最高阶限制模式具有显著的辐射性损失，ρmin≈100μm。对于图21所示的较高折射率对比波导，存在更多模式，并且对于1mm量级的路径长度，最高阶限制模式具有ρmin≈50μm。注意，具体值取决于波长和模式。但是可以看到，对于高折射率对比波导，模式数量大意味着只有一小部分输入场功率将与最高阶模式重叠，导致更少的总辐射性损失。
将表格中的组合效率结果与ρmin进行比较确实与TC相关，但80μm和120μm模拟之间的ρmin差异非常小，似乎不太可能解释TC差异非常大。实际上，结果在数量上与图20和图21中的简单计算一致。还可能怀疑总弯曲角和最大斜率起作用，因为这些因素涉及辐射被“激发”到组合器区域中的角度；太高的角度将导致模式的输出耦合，否则被限制在输入分支中。
因此，在熔融硅石上的3μm宽的Si3N4波导的最大波长不超过620nm的第一实施方式中，该波导通过重叠至少2个分支来指定，至少一个分支具有如等式(1)指定的S曲线的参数形状，其中弯曲角θB<21.5°并且最大斜率θmax<30°。这也应限制ρmin>58μm。当然，对于其它波长和波导宽度可以发现类似的限制。
因此，图20示出了具有低折射率对比、即衬底、包层和核芯的折射率为ns＝1.5、nc＝1.5、nw＝1.6的3μm×3μm脊形波导的模式和辐射性损失的曲线图，。右手图示出有效折射率与水平模数p的关系，其中垂直模数q＝1；左边的图示出了在λ0＝620nm下对于所选模式的辐射性损失系数与曲率半径的关系。
图21示出了具有高折射率对比、即衬底、包层和芯的折射率为ns＝1.5、nc＝1.5、nw＝2.0的3μm×3μm脊形波导的模式和辐射性损失的曲线图，。右手图示出有效折射率与水平模数p的关系，其中垂直模数q＝1；左边的图示出在λ0＝620nm下所选模式的辐射性损失系数与曲率半径的关系。
图19至图21中提供的数据可适用于所有示例性实施方式。
除非另有说明，附图中所示的组件以指定顺序示例性地直接一个在另一个之上。图中未接触的部件示例性地彼此隔开。如果彼此平行地画出线，则相应的表面可以彼此平行地定向。同样地，除非另外指出，否则在附图中正确地再现了所绘制的部件相对于彼此的位置。
这里描述的光电半导体器件不受基于示例性实施方式的描述的限制。相反，光电半导体器件包括任何新特征以及特征的任意组合，其尤其包括专利权利要求中的特征的任意组合，即使该特征或该组合本身未在专利权利要求或示例性实施方式中明确地说明。
本专利申请要求德国专利申请17/482,740的优先权，其公开内容在此通过引用并入本文。
附图标记列表
1 光电半导体器件
2 载体
21 第一连接层
22 第二连接层
30 发射区域
31 第一半导体激光器
32 第二半导体激光器
33 半导体层序列
34 第一金属化
35 激光衬底
4多模波导(PLC)
40分叉(组合区域)
41面向半导体激光器的第一分支(输入)
42远离半导体激光器的第二分支(输出)
43 引导结构
44 衬底主体
45 附加分支
46 散射区域
47 散射中心
48 输入耦合结构
49 输入面
52 第二金属化
6 超表面微粒
61 光轴
10 眼镜
11 镜腿
12 视场
C 耦合效率
D S弯曲维度
Tc 组合效率
H 引导结构高度
IB 弯曲长度
L 融合的激光辐射
L1 第一激光辐射
L2 第二激光辐射
LB第二分支的附加传播长度
LO 引导结构的总长度
SL 分隔长度
R 曲率半径
θmax 最大斜率
ρmin 最小曲率半径
W 第二分支的宽度
α 辐射性损失系数
Φ 方位角
Ψ 仰角
θB 弯曲角
θW 倾斜角。

Claims (18)

1.一种光电半导体器件，包括：
载体；
第一半导体激光器，被配置为发射第一激光辐射并且被施加在所述载体上；以及
多模波导，被配置为引导所述第一激光辐射并且同样被施加在所述载体上，
其中，所述多模波导包括至少一个分叉和由所述至少一个分叉连接的多个分支。
2.根据权利要求1所述的光电半导体器件，还包括被配置为发射至少一个第二激光辐射的至少一个第二半导体激光器，
其中，所述多模波导包括至少两个第一分支，所述至少两个第一分支被配置为接收所述第一激光辐射和所述至少一个第二激光辐射，
其中，所述至少一个分叉被配置为将所述第一激光辐射与所述至少一个第二激光辐射融合以获得融合的激光辐射。
3.根据权利要求2所述的光电半导体器件，其中，所述多模波导在所述至少一个分叉的背离所述第一半导体激光器和所述至少一个第二半导体激光器的一侧上恰好包括一个第二分支，所述第二分支被配置为发射所述融合的激光辐射。
4.根据前述权利要求中至少一项所述的光电半导体器件，
其中，所述第一半导体激光器包括激光器衬底和半导体层序列以及第一金属化，
其中，所述半导体层序列和所述第一金属化位于所述激光器衬底的同一侧上，以及
其中，所述第一半导体激光器是边缘发射激光器。
5.根据前述权利要求中至少一项所述的光电半导体器件，
其中，所述多模波导包括衬底主体和从所述衬底主体突出的引导结构，所述引导结构被配置为通过内部全反射来引导所述第一激光辐射，
其中，所述多模波导还包括第二金属化，
其中，所述引导结构和所述第二金属化位于所述衬底主体的同一侧上。
6.根据权利要求5所述的光电半导体器件，
其中，所述衬底主体被附接到所述载体，使得所述引导结构和所述第二金属化面对所述载体，
其中，所述第一半导体激光器的发射区域被定位为靠近所述载体以与所述引导结构齐平。
7.根据权利要求6所述的光电半导体器件，
其中，从所述引导结构的顶视图中看，所述第二金属化相对于所述引导结构的位置具有侧向位移，
其中，所述第二金属化突出超过所述引导结构并且被配置为调整所述引导结构与所述载体的距离。
8.根据前述权利要求中至少一项所述的光电半导体器件，
其中，所述多模波导被配置为融合红色、绿色和蓝色激光辐射，以及
其中，所述多模波导的输出区域具有至多30μm×30μm的面积。
9.根据前述权利要求中至少一项所述的光电半导体器件，其中，所述多模波导还包括被配置为散射所述第一激光辐射的散射区域。
10.根据权利要求9所述的光电半导体器件，其中，所述散射区域位于所述至少一个分叉的远离所述第一半导体激光器的一侧上。
11.根据权利要求9所述的光电半导体器件，其中，所述散射区域包括多个随机分布的散射中心。
12.根据前述权利要求中至少一项所述的光电半导体器件，其中，从所述多模波导的顶视图中看，所述至少一个分叉为S形，使得所述至少一个分叉由右转弯弯曲和左转弯弯曲组成。
13.根据权利要求12所述的光电半导体器件，其中，所述至少一个分叉的弯曲角为至多21.4°。
14.根据前述权利要求中至少一项所述的光电半导体器件，包括在不同位置与所述分支融合的多个分叉。
15.根据前述权利要求中至少一项所述的光电半导体器件，
其中，所述多模波导还包括面对所述第一半导体激光器的输入耦合结构，
其中，所述输入耦合结构包括相应分支在远离所述第一半导体激光器的方向上变窄的至少一个部分。
16.根据权利要求15所述的光电半导体器件，其中，所述输入耦合结构包括面向所述第一半导体激光器的输入面，所述输入面相对于所述相应分支的纵轴线倾斜。
17.根据前述权利要求中至少一项所述的光电半导体器件，
其中，面对所述第一半导体激光器的分支的数量小于或等于位于所述至少一个分叉的远离所述第一半导体激光器的一侧的分支的数量，
其中，所述多模波导被配置为干涉仪的一部分。
18.一种被配置用于增强现实或虚拟现实应用的眼镜，包括：
至少一个根据前述权利要求中至少一项所述的光电半导体器件，以及
由至少一个所述光电半导体器件照明的至少一个视场。
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