CN212011596U - 一种带有光学透镜的vcsel激光器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种带有光学透镜的VCSEL激光器件，光学透镜与基板连接，且在光学透镜朝向基板一侧设有凹槽，凹槽和基板围成用于容置发光芯片的空腔，发光芯片的出射光透过光学透镜而发射出，完成光线控制。本激光器件直接采用光学透镜对垂直腔面发射激光芯片进行扩束，舍弃掉现有技术中的工程扩束器，制作工艺成本低，生产效率高。并且由光学透镜和基板围成的空腔为非气密性腔，能够使空腔内气压与外界环境气压保持平衡，当发光芯片工作产生热量时能保持空腔内气压与外界环境气压平衡，能够避免因空腔内温度升高、空腔内气压大于外界环境气压而导致光学透镜变形或者脱落的情况，因此能够极大程度降低光学透镜在使用中出现变形或者掉落的风险。

Description

一种带有光学透镜的VCSEL激光器件

技术领域

本实用新型涉及光电器件技术领域，特别是涉及一种带有光学透镜的VCSEL激光器件。

背景技术

垂直腔面发射激光器件(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL)是一种半导体激光器，从垂直于半导体衬底表面方向发射出光，它具有优于现已使用的端面发射型半导体激光器件的卓越特性，比如垂直腔面发射激光器件的驱动电流低、发散角小、耦合效率高、形成圆形对称光斑、容易进行二维布置等诸多优点，当前已经在光时钟、光通信、激光雷达、激光彩色显示、高速激光打印、高密度光存储、超快激光、非线性光学等越来越多的领域得到应用。

传统垂直腔面发射激光器件采用工程扩束器(Diffuser)进行扩束，该工程扩束器是在平板石英玻璃的表面粘接一高分子层，利用微折射技术(包含折射和衍射)进行光线扩散。工程扩束器是采用摄像头模组工艺或者半导体封装工艺制作在垂直腔面发射激光芯片上方，工程扩束器通过粘结方式固定在VCSEL芯片上方，受到高温极其容易掉落。这种技术制作工艺成本昂贵，生产效率极低，同时存在工程扩束器掉落造成人眼安全的风险。

实用新型内容

鉴于以上所述，本实用新型提供一种带有光学透镜的VCSEL激光器件，直接采用光学透镜对垂直腔面发射激光芯片进行扩束，舍弃掉现有技术中的工程扩束器，这里光学透镜设置在垂直腔面发射激光芯片上方，光学透镜直接与基板粘接，本技术中同时还将光学透镜与基板之间容置垂直腔面发射激光芯片的空间设为非气密性，极大程度降低光学透镜在使用中出现变形或者掉落的风险。

为实现上述目的，本实用新型提供一种带有光学透镜的VCSEL激光器件，包括基板、发光芯片和光学透镜；

所述光学透镜与所述基板连接，在所述光学透镜朝向所述基板一侧设有凹槽，所述凹槽和所述基板围成用于容置所述发光芯片的空腔，所述发光芯片的出射光透过所述光学透镜而发射出，完成光线控制，所述空腔为非气密性腔。

优选的，在所述光学透镜上设置有将所述空腔与外界通气的结构，该通气的结构是孔或者槽。

优选的，在所述光学透镜的非光学功能区设置将所述空腔与外界通气的结构。

优选的，在所述基板底部或者侧面设置将所述空腔与外界通气的结构。

优选的，所述空腔包括芯片放置区和光传播区，所述发光芯片放置在所述芯片放置区内。

优选的，所述光学透镜至少包括第一光学界面和第二光学界面，所述凹槽的表面为所述第一光学界面，所述光学透镜上与所述凹槽相对一端的表面为所述第二光学界面，所述发光芯片的出射光由所述第一光学界面进入所述光学透镜，并通过所述第二光学界面从所述光学透镜发射出。

优选的，所述第一光学界面和所述第二光学界面至少有一个界面为自由曲面。

优选的，所述光学透镜还包括处于所述光学透镜侧方的断面，所述断面形成所述光学透镜的侧面。

优选的，所述光学透镜包括硅胶光学透镜、树脂光学透镜或者模造玻璃光学透镜，且光学透镜的折射率大于1.4。

优选的，所述光学透镜与所述基板密合粘接。

由上述技术方案可知，本实用新型所提供的一种带有光学透镜的VCSEL激光器件包括基板、发光芯片和光学透镜，光学透镜与基板连接，且在光学透镜朝向基板一侧设有凹槽，凹槽和基板围成用于容置发光芯片的空腔，发光芯片的出射光透过光学透镜而发射出，由光学透镜完成光线控制。本激光器件中由光学透镜和基板围成的空腔为非气密性腔，能够使空腔内气压与外界环境气压保持平衡，当发光芯片工作产生热量时能够保持空腔内气压与外界环境气压平衡，能够避免因空腔内温度升高、空腔内气压大于外界环境气压而导致光学透镜变形或者光学透镜脱落的情况。因此本激光器件直接采用光学透镜对垂直腔面发射激光芯片进行扩束，舍弃掉现有技术中的工程扩束器，制作工艺成本低，生产效率高，本技术中同时还将光学透镜与基板之间容置垂直腔面发射激光芯片的空间设为非气密性，极大程度降低光学透镜在使用中出现变形或者掉落的风险。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种带有光学透镜的VCSEL激光器件的剖面图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型中的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例提供一种带有光学透镜的VCSEL激光器件，包括基板、发光芯片和光学透镜，所述光学透镜与所述基板连接，在所述光学透镜朝向所述基板一侧设有凹槽，所述凹槽和所述基板围成用于容置所述发光芯片的空腔，所述发光芯片的出射光透过所述光学透镜而发射出，完成光线控制，所述空腔为非气密性腔。

本实施例的激光器件，直接采用光学透镜对垂直腔面发射激光芯片进行扩束，舍弃掉现有技术中的工程扩束器，这里光学透镜设置在垂直腔面发射激光芯片上方，光学透镜直接与基板粘接，制作工艺成本低，生产效率高。并且，其中由光学透镜和基板围成的空腔为非气密性腔，能够使空腔内气压与外界环境气压保持平衡，当发光芯片工作产生热量时能够保持空腔内气压与外界环境气压平衡，能够避免因空腔内温度升高、空腔内气压大于外界环境气压而导致光学透镜变形或者光学透镜脱落的情况，因此本激光器件能够极大程度降低光学透镜在使用中出现变形或者掉落的风险。

下面结合具体实施方式和附图对本激光器件进行详细说明。本实施例的带有光学透镜的VCSEL激光器件包括基板、发光芯片和光学透镜，其中光学透镜与基板连接，在光学透镜朝向基板一侧设有凹槽，所述凹槽和基板围成用于容置发光芯片的空腔，发光芯片的出射光透过光学透镜而发射出，完成光线控制。可选的，光学透镜至少能够调控发光芯片出射光的发散角度，实现对发光芯片出射光的扩束。

由光学透镜的凹槽和基板围成的空腔为非气密性腔，这样使得空腔内气压与外界环境气压始终能保持平衡。可选的，在一种具体实施方式中，在光学透镜上设置将所述空腔与外界通气的结构，通过在光学透镜上设置能够通气的结构，使空腔与外界环境保持通气，使得空腔内气压与外界环境气压能保持平衡。可选的，在光学透镜上设置的能够通气的结构可以是孔或者凹槽。请参考图1，图1为一种实施例的带有光学透镜的VCSEL激光器件的剖面图，激光器件包括基板10、发光芯片11和光学透镜12，在光学透镜12朝向基板10一侧设有凹槽120，凹槽120和基板10围成空腔，发光芯片11设置在空腔内。在光学透镜12上设置有将空腔与外界通气的孔123-1，通过孔123-1使空腔与外界环境保持通气，使空腔内气压与外界环境气压能保持平衡。在具体实施时，可以在光学透镜12上设置一个或者多个用于通气的孔，本实施例中对光学透镜12上设置孔的数量不做具体限定。

优选的，为了避免影响光学透镜对出射光线的光线控制功能，本激光器件中在光学透镜12的非光学功能区设置用于与外界通气的结构。光学透镜的非光学功能区是指光学透镜上对内部传播光的传播路径、光学性质没有影响的区域部分。因此通过在光学透镜的非光学功能区设置通气的结构，在不影响光学透镜对出射光线控制的前提下达到保持空腔内气压与外界环境气压平衡的目的。

在又一种实施方式中，可以在基板上设置将空腔与外界通气的结构，具体可以在基板底部或者基板侧面设置通气的结构，通过在基板上设置能够通气的结构，通过通气结构使空腔与外界环境保持通气，使得空腔内气压与外界环境气压能保持平衡，能够避免因空腔内温度升高、空腔内气压大于外界环境气压而导致光学透镜变形或者光学透镜脱落的情况。可选的，在基板上设置的能够通气的结构可以是孔，示例性的请参考图1所示，可以在基板10底部设置将空腔与外界通气的孔123-2，通过孔123-2使空腔与外界环境保持通气，使空腔内气压与外界环境气压能保持平衡。在图1所示的VCSEL激光器件中，同时在光学透镜12侧面上设置了将空腔与外界通气的孔123-1以及在基板10底部设置了将空腔与外界通气的孔123-2，在实际应用中，不一定将两种通气结构都存在于器件结构中，可以采用其中的任意至少一种通气结构。

进一步的，可参考图1所示，由光学透镜12的凹槽120和基板10围成的空腔可包括芯片放置区和光传播区，发光芯片11放置在芯片放置区内，发光芯片11的出射光通过光传播区入射到光学透镜12，进而透过光学透镜12而发射出。具体可以在光学透镜12对应芯片放置区的部分设置用于通气的孔123-1，这样避免影响光学透镜12对光线控制。

进一步的在一种具体实施方式中，光学透镜12至少包括第一光学界面和第二光学界面，凹槽的表面为第一光学界面，光学透镜12上与凹槽相对一端的表面为第二光学界面，发光芯片11的出射光由第一光学界面进入光学透镜12，并通过第二光学界面从光学透镜12发射出。请参考图1所示，光学透镜12包括第一光学界面121和第二光学界面122，凹槽120的表面为第一光学界面121，光学透镜12上与凹槽120相对一端的表面为第二光学界面122。在具体实施时，可以根据对激光器件出射光的要求比如扩束要求，来设计光学透镜的形状、光学透镜第一光学界面的位置、形状或者面积大小以及第二光学界面的位置、形状或者面积大小，以使得激光器件通过光学透镜的出射光能够满足要求。可选的，第一光学界面121可以是自由曲面，或者第二光学界面122可以是自由曲面，自由曲面可以是各种形状的曲面，都在本实用新型保护范围内。

进一步的请参考图1所示，本实施方式中光学透镜12还包括处于光学透镜12侧方的断面124，所述断面124形成光学透镜12的侧面。可选的，光学透镜12的折射率大于1.4，光学透镜12可以是硅胶光学透镜、树脂光学透镜或者模造玻璃光学透镜，或者可以是由其它光学介质材料制作的光学透镜。

进一步的，光学透镜12与基板10密合粘接。基板10可以是线路板，通过导线13将发光芯片11与基板10连接导通，能够通过向发光芯片11通电而控制发光芯片11产生光。

可选的，本实施例激光器件可通过以下工艺流程制作，具体包括以下步骤：

S20：将多个发光芯片设置在基板上，以在基板上制作形成发光芯片阵列。

在实际制作时，将预先制作好的多个发光芯片依次排列设置在基板上，从而在基板上制作形成发光芯片阵列。制作时具体可以通过导线将发光芯片与基板连接导通。

S21：将预先制作好的光学透镜阵列设置在发光芯片阵列上，使得每一发光芯片对应位于每一光学透镜的凹槽与基板形成的空腔内。

可以采用模压工艺或者注塑工艺制作光学透镜阵列，该制作工艺成熟简单，便于批量生产。本步骤将光学透镜阵列和设置有发光芯片阵列的基板批量压合，实现了批量生产，能够提高生产效率。在实际制作时，将光学透镜阵列和设置有发光芯片阵列的基板压合后，可以使用粘接介质将光学透镜底部非凹槽的部分与基板紧密粘接，此时每一光学透镜的凹槽与基板形成的空腔为气密性。

S22：将光学透镜阵列切割，分离为单个激光器件。

优选的，在基板上制作发光芯片之前可以对基板进行预切割，将基板初步切割划分出单个基板单元，每一基板单元对应单个激光器件，各个基板单元之间不彻底切断分离。

在本步骤中，可以通过切割工艺将光学透镜阵列和基板一同切割，即将光学透镜阵列切割后并将基板彻底切断，分离得到单个激光器件。或者，也可以通过切割工艺只将光学透镜阵列切割分离，而后通过操作将没有彻底切断的各个基板单元分离，从而得到单个激光器件。本制作方法中通过对基板预切割，有助于降低后期切割光学透镜阵列的工艺难度，提高生产效率，有助于提高产品良率。

S23：在得到的单个激光器件的光学透镜非光学功能区制作孔，所述孔将光学透镜的凹槽与基板形成的空腔与外界通气。

本制作方法中，将在光学透镜制作孔的工艺放在切割工艺之后，能够防止切割过程中产生的杂质进入到激光器件的空腔内，如果出现杂质进入到空腔内，会影响激光器件的出光质量。

本实施例的激光器件制作方法能够批量生产光学透镜、将光学透镜批量设置在基板上以及批量切割激光器件，实现了批量化生产，能够提高生产效率，与现有技术相比本制作方法生产工艺简单、高效，大大提高了产品结构的稳定性。

以上对本实用新型所提供的一种带有光学透镜的VCSEL激光器件进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种带有光学透镜的VCSEL激光器件，其特征在于，包括基板、发光芯片和光学透镜；

所述光学透镜与所述基板连接，在所述光学透镜朝向所述基板一侧设有凹槽，所述凹槽和所述基板围成用于容置所述发光芯片的空腔，所述发光芯片的出射光透过所述光学透镜而发射出，完成光线控制，所述空腔为非气密性腔。

2.根据权利要求1所述的带有光学透镜的VCSEL激光器件，其特征在于，在所述光学透镜上设置有将所述空腔与外界通气的结构，该通气的结构是孔或者槽。

3.根据权利要求1所述的带有光学透镜的VCSEL激光器件，其特征在于，在所述光学透镜的非光学功能区设置将所述空腔与外界通气的结构。

4.根据权利要求1所述的带有光学透镜的VCSEL激光器件，其特征在于，在所述基板底部或者侧面设置将所述空腔与外界通气的结构。

5.根据权利要求1所述的带有光学透镜的VCSEL激光器件，其特征在于，所述空腔包括芯片放置区和光传播区，所述发光芯片放置在所述芯片放置区内。

6.根据权利要求1-5任一项所述的带有光学透镜的VCSEL激光器件，其特征在于，所述光学透镜至少包括第一光学界面和第二光学界面，所述凹槽的表面为所述第一光学界面，所述光学透镜上与所述凹槽相对一端的表面为所述第二光学界面，所述发光芯片的出射光由所述第一光学界面进入所述光学透镜，并通过所述第二光学界面从所述光学透镜发射出。

7.根据权利要求6所述的带有光学透镜的VCSEL激光器件，其特征在于，所述第一光学界面和所述第二光学界面至少有一个界面为自由曲面。

8.根据权利要求6所述的带有光学透镜的VCSEL激光器件，其特征在于，所述光学透镜还包括处于所述光学透镜侧方的断面，所述断面形成所述光学透镜的侧面。

9.根据权利要求1所述的带有光学透镜的VCSEL激光器件，其特征在于，所述光学透镜包括硅胶光学透镜、树脂光学透镜或者模造玻璃光学透镜，且光学透镜的折射率大于1.4。

10.根据权利要求1所述的带有光学透镜的VCSEL激光器件，其特征在于，所述光学透镜与所述基板密合粘接。

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