CN219917898U - 一种vcsel发光器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及半导体发光技术领域，公开了一种VCSEL发光器件，包括上光学界面、下光学界面、空腔结构和VCSEL发光芯片。上光学界面和下光学界面设为曲率沿中心向两侧逐渐减小的凸曲面。VCSEL发光芯片设于空腔结构内。平行光经上光学界面、下光学界面折射后在下光学界面一侧的光轴上依次形成N个焦点，N≧2。第一焦点至第N焦点由平行光照射上光学界面的边缘至中部依次在光轴上聚焦而成，第一焦点至第N焦点的焦距逐渐增大。VCSEL发光芯片设置于第一焦点处或第N焦点处或第一焦点与第N焦点之间。本实用新型出光准直，形成的光斑微小且光强集中，散热好。VCSEL发光器件结构合理、简单且易于制作，适合大规模推广。

Description

一种VCSEL发光器件

技术领域

本实用新型属于半导体发光技术领域，具体而言，涉及一种VCSEL发光器件。

背景技术

VCSEL全名为垂直共振腔表面放射激光。相对于LED、LD、DFB激光器等其他光源，VCSEL光源有诸多优良的特性，包括：发光效率高、功耗极低，光束质量好，易于光纤耦合，超窄的线宽，极高的光束质量等。VCSEL光源超窄的线宽可满足某些应用场景对微小光斑的需求，现有的VCSEL光源的出射光多为发散光，光斑能量不集中，且不能准确到达预设位置，散热能力有待提升。

目前要解决的问题：提供一种准直出光，光斑小且能量集中，能精准到达预设位置，散热效果好，且易于制作的VCSEL发光器件。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种VCSEL发光器件，旨在解决现有技术出光效果不理想，精准度不高，光斑相对较大且能量不集中，散热能力有待提升，不易制作的问题。

本实用新型是这样实现的，一种VCSEL发光器件，包括：

透镜，其包括用于光线输入或者输出的上光学界面和下光学界面；所述上光学界面和所述下光学界面均设置为凸曲面，所述凸曲面的曲率沿中心向两侧逐渐减小；

空腔结构，其设置于所述下光学界面远离所述上光学界面的一侧；

当用与所述上光学界面、所述下光学界面的光轴平行的平行光沿所述上光学界面向所述下光学界面的方向照射所述上光学界面时，平行光经上光学界面、所述下光学界面折射后在所述下光学界面远离所述上光学界面的一侧的光轴上依次形成N个焦点，N≧2；

第一焦点至第N焦点由平行光照射所述上光学界面的边缘至中部依次在所述光轴上聚焦而成，所述第一焦点至所述第N焦点的焦距逐渐增大；

还包括VCSEL发光芯片，其设于所述空腔结构内，所述下光学界面覆盖所述VCSEL发光芯片的发光面；所述VCSEL发光芯片设置于所述第一焦点处或所述第N焦点处或所述第一焦点与所述第N焦点之间。

进一步的，所述VCSEL发光芯片设置于所述第一焦点与所述第N焦点之间，且靠近所述第N焦点。

进一步的，所述第一焦点至所述第N焦点的焦距的增量逐渐减小或者逐渐增大。

进一步的，所述第一焦点至所述第N焦点的焦距的增量先增大后减小或者先减小后增大。

进一步的，所述上光学界面与所述下光学界面的两侧边缘通过平面连接。

进一步的，所述上光学界面包括中部的第一曲面和两侧的第二曲面、第三曲面、第N-1曲面、第N曲面；第一曲面的两侧分别与第二曲面、第三曲面、第N-1曲面、第N曲面依次顺序连接；第一曲面、第二曲面、第三曲面、第N-1曲面和第N曲面在垂直所述光轴方向的距离分别为W1、W2、W3、Wn-1和Wn，并满足1/2W1=W2=W3=Wn-1=Wn；

平行光沿所述上光学界面向所述下光学界面的方向照射上第一曲面、第二曲面、第三曲面、第N-1曲面、第N曲面时，并依次对应地在光轴上聚焦于第N焦点、第N-1焦点、第三焦点、第二焦点、第一焦点；所述第一焦点至所述第N焦点的焦距的增量逐渐减小。

进一步的，所述上光学界面和所述下光学界面镜像对称设置。

进一步的，还设有基板，所述VCSEL发光芯片固定于所述基板上方。

进一步的，所述空腔结构内还设有用于连接所述VCSEL发光芯片与所述基板的金线。

与现有技术相比，本实用新型提供的VCSEL发光器件具有如下有益效果：

本实用新型的透镜的上光学界面和下光学界面设置为曲率沿中心向两侧逐渐减小的凸曲面，且平行光平行上光学界面、下光学界面的光轴X照射上光学界面，会在透镜外、光轴X上自近由远依次形成N个焦点。第一焦点至第N焦点由平行光照射上光学界面的边缘至中部依次在光轴上聚焦形成，第一焦点至第N焦点的焦距逐渐增大。将VCSEL发光芯片设置于第一焦点处或第N焦点处或第一焦点与第N焦点之间，且较靠近第N焦点，形成平行出射光或者近似平行出射光，光斑较小且能量强、能量均匀，出光效果好，精准到达预设照射位置，准直度高。VCSEL发光芯片设置在透镜的空腔结构，而不是被透镜紧密包覆，故散热性能佳。整个VCSEL发光器件结构合理、简单且易于制作，满足应用场景需求，适合大规模推广应用。

附图说明

图1是本实用新型提供的VCSEL发光器件的剖面结构示意图及光路图；

图2是本实用新型提供的平行光沿上光学界面向下光学界面的方向照射透镜的光路图；

图3是本实用新型提供的图2的局部A放大图；

图4是本实用新型提供的透镜的剖面结构示意图；

图中：1-透镜；11-上光学界面；12-下光学界面；2-空腔结构；3-VCSEL发光芯片；4-基板；P1-第一焦点；P2-第二焦点；P3-第三焦点；Pn-1-第N-1焦点；Pn-第N焦点；M1-第一曲面；M2-第二曲面；M3-第三曲面；Mn-1-第N-1曲面；Mn-第N曲面；X-光轴。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

以下结合具体实施例对本实用新型的实现进行详细的描述。

本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本实用新型的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参照图1-4所示，为本实用新型提供的较佳实施例。

VCSEL发光器件包括透镜1、空腔结构2和VCSEL发光芯片3。参照图1和图2，透镜1的上表面为用于光线输入或者输出的上光学界面11，下表面为用于光线输入或者输出的下光学界面12。上光学界面11和下光学界面12设置为凸曲面，凸曲面的曲率沿中心向两侧逐渐减小。优选为，上光学界面11和下光学界面12镜像对称设置。上光学界面11与下光学界面12的两侧边缘通过平面连接，即透镜1的侧面为易于制作的平面。空腔结构2设置于下光学界面12远离上光学界面11的一侧，用于放置VCSEL发光芯片3和光传播。

当用与上光学界面11、下光学界面12的光轴X平行的平行光沿上光学界面11向下光学界面12的方向照射上光学界面11时，平行光经上光学界面11、下光学界面12折射后在下光学界面12远离上光学界面11的一侧的光轴X上依次形成N个焦点，N≧2。N不是一个不具体的数，是一个概数，泛指多个。在不同场景里根据需要进行设定。

第一焦点P1至第N焦点Pn由平行光照射上光学界面11的边缘逐渐向中部依次在光轴X上聚焦而成，第一焦点P1至第N焦点Pn的焦距逐渐增大。

VCSEL发光芯片3设于空腔结构2内。下光学界面12覆盖VCSEL发光芯片3的发光面。VCSEL发光芯片3设置于第一焦点P1处或第N焦点Pn处或第一焦点P1与第N焦点Pn之间。

VCSEL发光芯片3发出的光经下光学界面12折射后入射至透镜1内，再经上光学界面11折射后出射。VCSEL发光芯片3的光轴与上光学界面11、下光学界面12的光轴平行或重叠设置。VCSEL发光芯片3设置于第一焦点P1处或第N焦点Pn处或第一焦点P1与第N焦点Pn之间，并设置在光轴X上，这样远处形成平行出射光或者近似平行出射光，光斑点较小且能量集中且均匀，出光准直，能满足应用场景需要。优选VCSEL发光芯片3设置于第一焦点P1与第N焦点Pn之间，且靠近第N焦点Pn，即设于第一焦点P1与第N焦点Pn之间的中点与第N焦点Pn之间。

参照图2-4，上光学界面11包括中部的第一曲面M1和两侧的第二曲面M2、第三曲面M3、第N-1曲面Mn-1、第N曲面Mn。其中，第一曲面M1、第二曲面M2、第三曲面M3、第N-1曲面Mn-1、第N曲面Mn沿上光学界面11中部向两侧依次顺序连接。第一焦点P1、第二焦点P2、第三焦点P3、第N-1焦点Pn-1、第N焦点Pn分别由平行光照射上光学界面11的两侧的第N曲面Mn、第N-1曲面Mn-1、第三曲面M3、第二曲面M2，以及中部的第一曲面M1，并一一对应地在光轴X上聚焦而成，即第一曲面M1对应聚焦第N焦点Pn、第二曲面M2对应聚焦第N-1焦点Pn-1、第三曲面M3对应聚焦第三焦点P3、第N-1曲面Mn-1对应聚焦第二焦点P2、第N曲面Mn对应聚焦第一焦点P1。第一焦点P1、第二焦点P2、第三焦点P3、第N-1焦点Pn-1，至第N焦点Pn的焦距逐渐增大，即第一焦点P1至第N焦点逐渐远离下光学界面12。具体来说，第一焦点P1、第二焦点P2、第三焦点P3、第N-1焦点Pn-1、第N焦点Pn的焦距分别为L1、L2、L3、Ln-1、Ln，满足L1<L2<L3<Ln-1<Ln。第N焦点Pn泛指焦距最大的焦点，即距离下光学界面12最远的焦点，N≧2。

第一焦点P1至第N焦点Pn形成在透镜外部的光轴X上，将VCSEL发光芯片3放置在第一焦点P1处或第N焦点Pn处或第一焦点P1与第N焦点Pn之间，可在上光学界面11远离下光学界面12的一侧的形成平行照射光或者近似平行照射光。通过光学界面11面形的设置及VCSEL发光芯片3位置的设置，形成光斑极小且能量强的平行光或者近似平行光，出光准直，满足应用场景需要。

进一步的，参照图4，第一曲面M1、第二曲面M2、第三曲面M3、第N-1曲面Mn-1和第N曲面Mn在垂直光轴X方向的距离分别为W1、W2、W3、Wn-1和Wn，并满足1/2W1=W2=W3=Wn-1=Wn。

在满足1/2W1=W2=W3=Wn-1=Wn条件下，平行光沿上光学界面11向下光学界面12的方向照射第一曲面M1、第二曲面M2、第三曲面M3、第N-1曲面Mn-1、第N曲面Mn，并依次对应地在光轴X上聚焦于第N焦点Pn、第N-1焦点Pn-1、第三焦点P3、第二焦点P2、第一焦点P1。第一焦点P1至第N焦点Pn的焦距的增量逐渐增小。将VCSEL发光芯片3放置在第一焦点P1处或第N焦点Pn处或第一焦点P1与第N焦点Pn之间，在上光学界面11远离下光学界面12的一侧的形成平行照射光或者近似平行照射光。

实施例1，第一焦点P1至第N焦点Pn的焦距的增量逐渐减小。第一焦点P1至第N焦点Pn的焦距的增量∆1、∆2、∆3、∆n-1分别为∆1=L2-L1、∆2=L3-L2、∆3=L4-L3、∆n-1=Ln-Ln-1，满足∆1>∆2>∆3>∆n-1，N≧2。

实施例2，第一焦点P1至第N焦点Pn的焦距的增量逐渐增大。即满足∆1<∆2<∆3<∆n-1，N≧2。

实施例3，第一焦点P1至第N焦点Pn的焦距的增量先增大后减小，N≧4。

实施例4，第一焦点P1至第N焦点Pn的焦距的增量先减小后增大，N≧4。

进一步优化方案，VCSEL发光芯片3固定于基板4上方。透镜1和基板4将VCSEL发光芯片3封装在空腔结构2内。空腔结构2内还设有用于连接VCSEL发光芯片3与基板4的金线。VCSEL发光芯片3设置在第N焦点Pn远离第一焦点P1的一侧，且比较靠近第N焦点Pn，参照图1。经下光学界面12、上光学界面11的折射出射光为平行光或者近似平行光。

不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种VCSEL发光器件，其特征在于，包括：

透镜（1），其包括用于光线输入或者输出的上光学界面（11）和下光学界面（12）；所述上光学界面（11）和所述下光学界面（12）均设置为凸曲面，所述凸曲面的曲率沿中心向两侧逐渐减小；

空腔结构（2），其设置于所述下光学界面（12）远离所述上光学界面（11）的一侧；

当用与所述上光学界面（11）、所述下光学界面（12）的光轴（X）平行的平行光沿所述上光学界面（11）向所述下光学界面（12）的方向照射所述上光学界面（11）时，平行光经上光学界面（11）、所述下光学界面（12）折射后在所述下光学界面（12）远离所述上光学界面（11）的一侧的光轴（X）上依次形成N个焦点，N≧2；

第一焦点（P1）至第N焦点（Pn）由平行光照射所述上光学界面（11）的边缘至中部依次在所述光轴（X）上聚焦而成，所述第一焦点（P1）至所述第N焦点（Pn）的焦距逐渐增大；

还包括VCSEL发光芯片（3），其设于所述空腔结构（2）内，所述下光学界面（12）覆盖所述VCSEL发光芯片（3）的发光面；所述VCSEL发光芯片（3）设置于所述第一焦点（P1）处或所述第N焦点（Pn）处或所述第一焦点（P1）与所述第N焦点（Pn）之间。

2.如权利要求1所述的VCSEL发光器件，其特征在于，所述VCSEL发光芯片（3）设置于所述第一焦点（P1）与所述第N焦点（Pn）之间，且靠近所述第N焦点（Pn）。

3.如权利要求1所述的VCSEL发光器件，其特征在于，所述第一焦点（P1）至所述第N焦点（Pn）的焦距的增量逐渐减小或者逐渐增大。

4.如权利要求1所述的VCSEL发光器件，其特征在于，所述第一焦点（P1）至所述第N焦点（Pn）的焦距的增量先增大后减小或者先减小后增大。

5.如权利要求1所述的VCSEL发光器件，其特征在于，所述上光学界面（11）与所述下光学界面（12）的两侧边缘通过平面连接。

6.如权利要求1所述的VCSEL发光器件，其特征在于，所述上光学界面（11）包括中部的第一曲面（M1）和两侧的第二曲面（M2）、第三曲面（M3）、第N-1曲面（Mn-1）、第N曲面（Mn）；第一曲面（M1）的两侧分别与第二曲面（M2）、第三曲面（M3）、第N-1曲面（Mn-1）、第N曲面（Mn）依次顺序连接；第一曲面（M1）、第二曲面（M2）、第三曲面（M3）、第N-1曲面（Mn-1）和第N曲面（Mn）在垂直所述光轴（X）方向的距离分别为W1、W2、W3、Wn-1和Wn，并满足1/2W1=W2=W3=Wn-1=Wn；

平行光沿所述上光学界面（11）向所述下光学界面（12）的方向照射上第一曲面（M1）、第二曲面（M2）、第三曲面（M3）、第N-1曲面（Mn-1）、第N曲面（Mn）时，并依次对应地在光轴（X）上聚焦于第N焦点（Pn）、第N-1焦点（Pn-1）、第三焦点（P3）、第二焦点（P2）、第一焦点（P1）；所述第一焦点（P1）至所述第N焦点（Pn）的焦距的增量逐渐减小。

7.如权利要求1所述的VCSEL发光器件，其特征在于，所述上光学界面（11）和所述下光学界面（12）镜像对称设置。

8.如权利要求1所述的VCSEL发光器件，其特征在于，还设有基板（4），所述VCSEL发光芯片（3）固定于所述基板（4）上方。

9.如权利要求8所述的VCSEL发光器件，其特征在于，所述空腔结构（2）内还设有用于连接所述VCSEL发光芯片（3）与所述基板（4）的金线。