DE112019004094T5

DE112019004094T5 - Vertikale oberflächenemittierende hohlraumlaser mit geringer divergenz, und module und geräte, die diese einbeziehen

Info

Publication number: DE112019004094T5
Application number: DE112019004094.4T
Authority: DE
Inventors: Jean-Francois Seurin
Original assignee: Ams Sensors Asia Pte Ltd
Current assignee: Ams Sensors Asia Pte Ltd
Priority date: 2018-08-13
Filing date: 2019-08-13
Publication date: 2021-06-02
Also published as: US20210281049A1; CN112567580A; WO2020036535A1; TW202025585A; TWI805824B

Abstract

Die Offenbarung beschreibt VCSELs, die zur Erzeugung sehr schmaler divergenter Lichtstrahlen geeignet sind. Der schmale divergente Strahl kann zum Teil durch den Einbau einer zusätzlichen Epitaxieschicht erreicht werden, um die Kavitätslänge des VCSELs zu vergrößern. Die vergrößerte Kavitätslänge kann zu einer höheren Leistung in weniger Transversalmoden mit größerem Durchmesser führen, was die Divergenz des Ausgangsstrahls deutlich reduzieren kann. Die zusätzliche Epitaxieschicht kann z. B. in einen von oben emittierenden VCSEL oder in einen von unten emittierenden VCSEL eingebaut werden.

Description

BEREICH DER OFFENLEGUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf optische Beleuchtungsquellen einschließlich oberflächenemittierender Laser mit sehr geringer Divergenz (VCSELs).
HINTERGRUND
Ein VCSEL kann eine kleine, kompakte, leistungsstarke Laserquelle für verschiedene Beleuchtungsanwendungen darstellen. Die Verwendung von VCSELs als Beleuchtungsquelle für Bildgebungssysteme mit strukturiertem Licht, LIDAR-Systeme (Light Detection and Ranging) und andere Arten von 3D-Erfassungs- und Bildgebungssystemen wird in einem schnell wachsenden Anwendungsbereich eingesetzt.
Eine typische Methode zur Näherungs- oder Entfernungserkennung von Objekten besteht beispielsweise darin, ein Objekt mit einer Lichtquelle, z. B. einer LED, zu beleuchten und die Intensität des Lichts zu messen, das zu einem Detektor zurückreflektiert wird, der sich in der Nähe der Quelle befindet. Die Intensität des reflektierten Lichts am Detektor nimmt ab, wenn sich das Objekt weiter von der Lichtquelle und dem Detektor entfernt. Die Methode setzt eine gute Objektausleuchtung durch eine intensive, gut kollimierte optische Quelle sowie einen bekannten Reflexionsgrad der Objekte voraus. Unterschiede im Reflexionsgrad und sogar Formen von Objekten neigen dazu, das detektierte Licht zu verändern, was zu Fehlern bei der Abstandsmessung führt. Einige Lichtquellen, die derzeit zu einem vernünftigen Preis erhältlich sind, erzeugen einen Lichtstrahl, der eine relativ geringe Intensität aufweist und/oder stark divergent ist, was die genau messbare Entfernung einschränkt, da die reflektierte Intensität bei größeren Entfernungen gering ist und unter die Erfassungsgrenze des Detektors fällt oder nicht mehr von der Umgebungshelligkeit unterschieden werden kann.
Ein VCSEL kann im Allgemeinen weniger divergente Strahlen erzeugen als z. B. eine Leuchtdiode oder andere nichtkohärente Quellen, und einige Module (z. B. Näherungssensoren) wurden entwickelt, die die geringere Divergenz des VCSEL-Ausgangsstrahls nutzen. Dennoch beträgt die Divergenz des Standard-VCSEL typischerweise etwa fünfzehn Grad, volle Breite halbmaximal, und dies kann die Empfindlichkeit solcher Näherungssensoren begrenzen.
Das Aufkommen von Mobiltelefonen und ähnlichen Tablet-Computern hat den Bedarf an einer genauen Abstandsmessung für Kamera-Autofokus-Anwendungen und andere ähnliche Systeme geschaffen. Der Sensor muss miniaturisiert werden, um mit der kompakten Natur der Mobiltelefone kompatibel zu sein. Dies führt zu Problemen, da der optische Detektor nahe an die optische Quelle gebracht wird. Bei einer divergenten Lichtquelle können sich Reflexionen vom Schutzfenster zurück zum Detektor ausbreiten, wodurch die Objektentfernungs-Erfassungsgrenze des Sensors stark eingeschränkt wird. Die zunehmende Komplexität der Kamerasysteme von Mobiltelefonen erfordert genauere Näherungssensoren bei gleichbleibender oder sogar weiter reduzierter Miniaturfläche.
ZUSAMMENFASSUNG
Diese Offenbarung beschreibt VCSELs, die in einigen Fällen betreibbar sind, um sehr enge divergente Lichtstrahlen zu erzeugen. In Übereinstimmung mit einigen Implementierungen beschreibt die Offenbarung eine optische Quelle, die einen VCSEL enthält, der betreibbar ist, um einen schmalen Divergenz-Quellstrahl zu erzeugen, der eine Vollbreiten-Halbmaximum-Strahldivergenz von beispielsweise nicht mehr als 10 Grad aufweist. Einige Implementierungen bieten noch schmalere divergente Strahlen im Bereich von 0,5 bis 5 Grad.
Im Großen und Ganzen kann der schmalere divergente Strahl zum Teil dadurch erreicht werden, dass eine zusätzliche Epitaxieschicht eingebaut wird, um die Kavitätslänge des VCSEL zu vergrößern. Die vergrößerte Kavitätslänge kann zu einer höheren Leistung und zu weniger transversalen Moden mit größerem Durchmesser führen, was die Divergenz des Ausgangsstrahls deutlich reduzieren kann. Die zusätzliche Epitaxieschicht kann z. B. in einen von oben emittierenden VCSEL oder in einen von unten emittierenden VCSEL eingebaut werden.
In einem Aspekt beschreibt die Offenbarung zum Beispiel einen oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL), der ein Substrat und eine epitaktische VCSEL-Struktur auf dem Substrat umfasst. Die epitaktische VCSEL-Struktur umfasst einen Resonanzhohlraum, einschließlich eines Verstärkungsbereichs, der zwischen einem unteren Spiegel und einem teilweise reflektierenden mittleren Spiegel angeordnet ist, wobei der teilweise reflektierende mittlere Spiegel weiter vom Substrat entfernt ist als der untere Spiegel. Die epitaktische VCSEL-Struktur umfasst auch eine zusätzliche epitaktische Schicht, die zwischen dem teilweise reflektierenden mittleren Spiegel und einem oberen Spiegel angeordnet ist, wobei der obere Spiegel weiter vom Substrat entfernt ist als der teilweise reflektierende mittlere Spiegel und die zusätzliche epitaktische Schicht eine Dicke im Bereich von 5 µm - 100 µm aufweist.
In einem anderen Aspekt beschreibt die Offenbarung einen oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Hohlraum (VCSEL), der ein Substrat und eine epitaktische VCSEL-Struktur auf dem Substrat umfasst. Die epitaktische VCSEL-Struktur enthält einen Resonanzhohlraum, einschließlich eines Verstärkungsbereichs, der zwischen einem oberen Spiegel und einem teilweise reflektierenden mittleren Spiegel angeordnet ist, wobei der obere Spiegel weiter vom Substrat entfernt ist als der teilweise reflektierende mittlere Spiegel. Die epitaktische VCSEL-Struktur umfasst auch eine zusätzliche epitaktische Schicht, die zwischen dem teilweise reflektierenden mittleren Spiegel und einem unteren Spiegel angeordnet ist, wobei der teilweise reflektierende mittlere Spiegel weiter vom Substrat entfernt ist als der untere Spiegel und die zusätzliche epitaktische Schicht eine Dicke im Bereich von 5 µm - 100 µm aufweist.
Einige Implementierungen umfassen eines oder mehrere der folgenden Merkmale. Zum Beispiel ist in einigen Fällen der obere Spiegel teilweise reflektierend, und der VCSEL kann als oben emittierender VCSEL betrieben werden, um einen Ausgangsstrahl zu erzeugen, der durch den oberen Spiegel emittiert wird. In anderen Fällen ist der untere Spiegel teilweise reflektierend, und der VCSEL kann als unten emittierender VCSEL betrieben werden, um einen durch den unteren Spiegel emittierten Ausgangsstrahl zu erzeugen.
Einige Implementierungen umfassen eines oder mehrere der folgenden Merkmale. Zum Beispiel hat in einigen Implementierungen die zusätzliche Epitaxieschicht eine Dicke in einem Bereich von 5 µm - 50 µm. In einigen Fällen ist der VCSEL betreibbar, um einen Lichtstrahl zu erzeugen, der von dem VCSEL emittiert wird, wobei der Lichtstrahl eine Strahlendivergenz mit voller Breite und halbem Maximum von nicht mehr als 10 Grad aufweist. In einigen Fällen hat der Lichtstrahl eine halbmaximale Strahldivergenz bei voller Breite in einem Bereich von 0,5 - 5 Grad. Der VCSEL kann eine Apertur enthalten, um den Strom in einem bestimmten Teil des Verstärkungsbereichs zu konzentrieren, wobei der teilreflektierende mittlere Spiegel zwischen dem Verstärkungsbereich und der zusätzlichen Epitaxieschicht angeordnet ist.
In einigen Fällen kann der VCSEL so betrieben werden, dass er einen Lichtstrahl erzeugt, der vom VCSEL emittiert wird, wobei die zusätzliche Epitaxieschicht für eine Wellenlänge des Lichtstrahls transparent und das Substrat für die Wellenlänge des Lichtstrahls undurchsichtig ist. Die zusätzliche Epitaxieschicht kann z. B. aus AlGaAs bestehen, und das Substrat kann z. B. aus GaAs bestehen. In einigen Implementierungen (z. B. wenn das Substrat aus GaAs besteht) ist die zusätzliche epitaktische Schicht für eine Wellenlänge von weniger als 950 nm transparent.
Mehrere VCSEL, von denen jeder die zusätzliche Epitaxieschicht besitzt, können in ein VCSEL-Array integriert werden.
Die Offenbarung beschreibt auch ein optisches Sensormodul, das eine optische Quelle mit einem VCSEL enthält, der einen Quellenstrahl mit enger Divergenz erzeugt, der durch ein Fenster auf ein Objekt gerichtet ist. Das Modul enthält auch einen optischen Detektor, um das von dem durch den schmalen Divergenzquellenstrahl beleuchteten Objekt zurückreflektierte Licht zu erfassen. Eine Berechnungsvorrichtung kann einen Abstand zu dem Objekt oder eine physikalische Eigenschaft des Objekts zumindest teilweise auf der Grundlage eines Signals von dem optischen Detektor bestimmen.
Die Offenbarung beschreibt ferner eine Host-Vorrichtung, die ein optisches Sensormodul enthält, das eine optische Quelle mit einem VCSEL umfasst, der so betrieben werden kann, dass er einen Quellenstrahl mit enger Divergenz erzeugt. Das Host-Gerät kann Daten, die von dem optischen Detektor des optischen Sensormoduls erhalten werden, für eine oder mehrere Funktionen verwenden, die von dem Host-Gerät ausgeführt werden.
Weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung, den beigefügten Zeichnungen und den Ansprüchen ersichtlich.
Figurenliste

zeigt eine von oben emittierende VCSEL-Struktur.
zeigt eine weitere von oben emittierende VCSEL-Struktur.
zeigt eine weitere von oben abstrahlende Struktur.
zeigt eine von unten emittierende VCSEL-Struktur.
zeigt eine weitere von unten emittierende VCSEL-Struktur.
6A und 6B zeigen Beispiele für VCSEL-Arrays.
zeigt ein Beispiel für ein Näherungssensormodul, das einen VCSEL mit geringer Strahldivergenz enthält.
zeigt ein Beispiel für ein Host-Gerät, das einen VCSEL mit geringer Strahldivergenz enthält.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Wie in gezeigt, enthält eine von oben emittierende VCSEL-Vorrichtung 20 eine VCSEL-Struktur, die epitaktisch auf einem Substrat 22 aufgewachsen ist. Der VCSEL-Resonanzhohlraum ist zwischen einem ersten unteren Spiegel 24 und einem zweiten oberen Spiegel 26 ausgebildet. Der untere Spiegel 24 kann z. B. als hochreflektierender verteilter Bragg-Reflektor (DBR) ausgeführt sein. Der obere Spiegel 26, der z. B. als DBR oder als mehrlagige dielektrische Beschichtung ausgeführt sein kann, hat ein geringeres Reflexionsvermögen, so dass er nur teilweise reflektiert, wodurch ein Ausgangsstrahl 36 durch die Oberseite des VCSEL (d. h. durch das vom Substrat 22 am weitesten entfernte Ende des VCSEL 20) austreten kann. Ein Laser-Verstärkungsbereich 28, der einen Stapel oder eine Gruppe von mehreren Quantentöpfen umfasst, ist zwischen den Spiegeln 24, 26 angeordnet. Der Verstärkungsbereich 28 wird durch einen Strom aktiviert, der zwischen den oberen und unteren Kontakten (z. B. Elektroden) 30, 32 fließt. In einigen Ausführungen werden die Quantentöpfe im Verstärkungsbereich 28 aktiviert, indem sie mit einem Laserstrahl bestrahlt werden, um die Ladungsträger optisch zu pumpen. In einem durch Strom aktivierten VCSEL kann eine Apertur 34 verwendet werden, um den Strom im mittleren Bereich zu konzentrieren. Diese Apertur 34 kann z. B. durch Oxidation gebildet werden, obwohl auch andere Techniken wie z. B. Ionenimplantation verwendet werden können, um den elektrisch isolierenden Bereich um die Apertur zu bilden. Die hohe Verstärkung führt zu einer Laserschwingung zwischen den Spiegeln 24, 26.
Die VCSEL-Vorrichtung 20 enthält vorzugsweise auch einen dritten (mittleren) Spiegel 27, der zwischen dem Verstärkungsbereich 28 und dem oberen Spiegel 26 angeordnet ist. Somit ist der VCSEL-Resonator ein 3-Spiegel-Resonator. Der mittlere Spiegel 27 kann z. B. als DBR ausgeführt sein. Die Reflektivität des mittleren Spiegels 27 sollte so ausgelegt sein, dass der mittlere Spiegel allein (d.h. ohne den oberen Spiegel 26) nicht ausreicht, um ein Laserverhalten zu erreichen, die kombinierte Reflektivität des mittleren Spiegels 27 und des oberen Spiegels 26 es dem VCSEL 20 ermöglicht, ein Laserverhalten zu erreichen.
Eine Epitaxialschicht 38 ist zwischen dem mittleren Spiegel 27 und dem oberen Spiegel 26 angeordnet, so dass sowohl der mittlere Spiegel 27 als auch die Epitaxialschicht 38 zwischen dem Verstärkungsbereich 28 und dem oberen Spiegel 26 angeordnet sind. Wie im Beispiel von dargestellt, kann die Epitaxieschicht 38 zwischen dem mittleren Spiegel 27 und dem oberen Spiegel 26 eingefügt werden, so dass die Epitaxieschicht 38 in direktem Kontakt sowohl mit dem mittleren Spiegel 27 als auch mit dem oberen Spiegel 26 steht. Das Hinzufügen der Epitaxieschicht 38 kann helfen, die Divergenz des Ausgangsstrahls 36 zu reduzieren. Vorzugsweise ist die Epitaxieschicht 38 relativ dick ausgeführt (z. B. 5 µm - 25 µm; und in einigen Fällen sogar noch dicker, wie bis zu 50 µm oder sogar bis zu 100 µm). In einigen Fällen hat die Epitaxieschicht 38 eine Dicke von etwa 25 µm. Andere Dicken können für einige Implementierungen geeignet sein.
In einigen Ausführungsformen besteht die Epitaxieschicht 38 aus einem Halbleitermaterial, das zumindest für einige Wellenlängen transparent ist, für die das Substrat 22 undurchsichtig ist. In einigen Ausführungsformen besteht das Substrat 22 beispielsweise aus Galliumarsenid (GaAs) und die Epitaxieschicht 38 aus Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAs). In solchen Fällen kann die Legierungszusammensetzung (z. B. der Prozentsatz an Aluminium) der Epitaxieschicht 38 so gesteuert werden, dass die AlGaAs-Schicht eine bestimmte Bandlücke aufweist, die die AlGaAs-Schicht für die vom VCSEL erzeugte(n) Wellenlänge(n) des Lichts transparent macht. Dadurch kann der VCSEL so angepasst werden, dass er relativ kurze Lichtwellenlängen (z. B. weniger als 950 nm) emittiert, obwohl das GaAs-Substrat 22 für solche Wellenlängen undurchsichtig ist.
Die vorliegenden Techniken können z. B. auf von oben emittierende VCSELs angewendet werden und können, wie oben erwähnt, vorteilhaft für VCSELs verwendet werden, die Licht kürzerer Wellenlängen (z. B. < 950 nm) emittieren können. In einigen Ausführungsformen besteht die Epitaxieschicht 38 aus anderen Halbleiterverbindungen, die im Wesentlichen gitterangepasst an das/die benachbarte(n) Halbleitermaterial(e) sind. Beispielsweise besteht die Epitaxieschicht 38 in einigen Fällen aus InGaAsP, GaN oder GaAsP einschließlich ZnSe.
zeigt ein weiteres Beispiel einer VCSEL-Vorrichtung 20A, die ähnlich ist, außer dass die dicke Epitaxieschicht 38 näher an der Unterseite des VCSEL-Resonators gewachsen ist. Wie in gezeigt, ist die Epitaxieschicht 38 zwischen und in Kontakt mit dem unteren Spiegel 24 und dem mittleren Spiegel 27 angeordnet, die alle zwischen dem Substrat 22 und dem Verstärkungsbereich 28 angeordnet sind. Die Epitaxieschicht 28 von kann eine ähnliche Dicke und Zusammensetzung haben wie oben im Zusammenhang mit der VCSEL-Vorrichtung von beschrieben. Die Platzierung des Verstärkungsbereichs 28 näher an der oberen (d.h. lichtemittierenden) Oberfläche der VCSEL-Vorrichtung kann in einigen Fällen von Vorteil sein. Zum Beispiel kann der Ausgangsstrahl 36 einen kleineren Durchmesser haben.
Die vorliegenden Techniken zur Reduzierung der Divergenz des VCSEL-Ausgangsstrahls können mit anderen Techniken kombiniert werden, die zur Reduzierung der Divergenz beitragen. Zum Beispiel kann in einigen Fällen der Verstärkungsbereich 28 in der Länge vergrößert werden, indem mehrere Verstärkungsabschnitte anstelle von nur einer einzigen Verstärkungsabschnittsgruppe aus mehreren Quantentöpfen verwendet werden. Die Verstärkungsabschnitte können durch einen oder mehrere Tunnelübergänge voneinander getrennt werden, wobei jeder Verstärkungsabschnitt am Punkt maximaler Intensität der Stehwelle des Resonanzhohlraums platziert wird, so dass die Hohlraumlänge in halben Wellenlängen um die Anzahl der hinzugefügten Verstärkungsabschnitte zunimmt. Das resultierende VCSEL-Bauelement kann aufgrund des längeren Hohlraums eine geringere Strahldivergenz und aufgrund der höheren Verstärkung durch die mehreren Verstärkungsabschnitte auch eine höhere Intensität aufweisen. Ein Beispiel ist in dargestellt, die ein VCSEL-Bauelement 20B zeigt, das dem von ähnlich ist, dessen Verstärkungsbereich 28 jedoch mehrere Quantenwellgruppen 40 enthält, die durch einen Tunnelübergang 42 getrennt sind. Solche gestapelten Verstärkungsbereiche können in einigen Fällen eine höhere Verstärkung erzeugen, um eine höhere Ausgangsleistung und einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen, und können auch die Kapazität für eine höhere Modulationsfrequenz reduzieren. Das vorgenannte Merkmal eines Verstärkungsbereichs mit mehreren gestapelten Verstärkungsabschnitten kann in jede der in dieser Offenbarung beschriebenen Implementierungen eingebaut werden, einschließlich der im Folgenden beschriebenen.
Außerdem kann in einigen Fällen die Kavitätslänge durch Erhöhung der Anzahl der DBR-Spiegel in einem Stapel für den unteren Spiegel 24 (oder den oberen Spiegel 26) vergrößert werden. Bei GaAs/GaAIAs-DBRs wird z. B. durch die Verringerung der Al-Konzentration eine größere Anzahl von Spiegelpaaren für ein bestimmtes Reflexionsvermögen benötigt, wodurch sich die Kavitätslänge erhöht. Die Vergrößerung der Kavitätslänge wird die Anzahl der Moden höherer Ordnung reduzieren und somit den Divergenzwinkel verringern. In einigen Fällen umfasst der DBR-Spiegelstapel mehrere DBR-Spiegelpaare, die aus abwechselnden Schichten verschiedener Materialien mit einem Brechungsindexunterschied im Bereich von 1 - 7 % bestehen. Die vorgenannten Merkmale können in jede der in dieser Offenbarung beschriebenen Implementierungen integriert werden, einschließlich der im Folgenden beschriebenen.
Die Zugabe einer relativ dicken Epitaxieschicht kann auch in unten emittierende VCSEL-Strukturen eingebaut werden. und zeigen Beispiele für solche VCSEL-Vorrichtungen. In und ist jeder der unteren und mittleren Spiegel 24, 27 teilweise reflektierend, und der Strahl 36 wird von der VCSEL-Vorrichtung durch das GaAs oder ein anderes Substrat 22 emittiert. Wie in gezeigt, enthält die VCSEL-Vorrichtung 20D eine Epitaxialschicht 38, die zwischen dem mittleren Spiegel 27 und dem oberen Spiegel 26 angeordnet ist. Sowohl der mittlere Spiegel 27 als auch die Epitaxieschicht 38 sind zwischen dem Verstärkungsbereich 28 und dem oberen Spiegel 26 angeordnet. Andererseits enthält die VCSEL-Vorrichtung 20E, wie in gezeigt, eine Epitaxieschicht 38, die zwischen dem unteren Spiegel 24 und dem mittleren Spiegel 27 angeordnet ist. In dieser Implementierung sind sowohl der untere Spiegel 24 und der mittlere Spiegel 27 als auch die Epitaxialschicht 38 zwischen dem Substrat 22 und dem Verstärkungsbereich 28 angeordnet. Die Epitaxieschichten 28 der und können eine ähnliche Dicke und Zusammensetzung haben, wie oben im Zusammenhang mit der VCSEL-Vorrichtung von beschrieben.
Untere emittierende VCSELs emittieren manchmal längere Wellenlängen, für die das Substrat 22 transparent ist. Ein Vorteil, der in einigen Fällen (z. B. bei der VCSEL-Vorrichtung 20D von ) erreicht werden kann, ist eine bessere Kühlung, da ein Kühlkörper auf dem oberen Kontakt 30, näher an der VCSEL-Struktur, platziert werden kann. Ferner wird im Beispiel von die dicke Epitaxieschicht 38 auf der Unterseite des VCSEL-Resonators aufgewachsen, so dass der Verstärkungsbereich 38 näher an der Oberseite der VCSEL-Vorrichtung liegt. Dies kann in manchen Situationen zu einer noch besseren Kühlung des Verstärkungsbereichs 38 führen.
In jeder der vorgenannten Ausführungsformen besteht die zusätzliche Epitaxieschicht 38 aus einem Halbleitermaterial (z. B. einer Halbleiterverbindung), dessen Zusammensetzung sich von der der benachbarten Spiegelstrukturen unterscheidet.
Mehrere VCSELs, die jeweils eine zusätzliche epitaktisch gewachsene Schicht wie oben beschrieben aufweisen, können in ein VCSEL-Array integriert werden. Die VCSELs 50 in dem Array können beispielsweise regelmäßig beabstandet sein, so dass sie in einem regelmäßigen Muster angeordnet sind ( oder zufällig beabstandet sein, so dass sie in einer zufälligen Anordnung sind ( . Die VCSELs 50 können durch entsprechende elektrische Verbindungen 54 mit entsprechenden elektrischen Kontakten 52 verbunden sein, so dass die VCSELs adressierbar sind und entweder einzeln oder in Gruppen aktiviert oder deaktiviert werden können.
zeigt ein Beispiel für ein Näherungssensormodul, das eine VCSEL-Quelle mit geringer Strahldivergenz enthält, wie eine der oben beschriebenen (z. B. , , , oder ). Der VCSEL 150 und ein Lichtdetektor (z. B. ein Photodetektor) 151 sind dicht nebeneinander auf einem gemeinsamen Substrat 153 montiert. Der VCSEL-Strahl breitet sich durch ein Fenster 107 aus und wird von einem Objekt außerhalb des Moduls reflektiert und gestreut. Ein Teil der Rückstreustrahlung 108 kehrt durch das Fenster 107 zurück und wird von dem Detektor 151 erfasst. Die Signalintensität vom Detektor wird von einer Verarbeitungsschaltung verwendet, um den Abstand des Objekts zum Sensor zu bestimmen. Im dargestellten Beispiel ist die Divergenz des VCSEL-Strahls so gering, dass die spiegelnde Reflexion 152 vom Fenster 107 in die Nähe des VCSELs zurückkehrt und nicht auf den Detektor 151 fällt. Somit fügt diese Reflexion 152 kein Rauschsignal hinzu, um das vom Detektor 151 empfangene Rückstreusignal zu verändern, und verschlechtert somit nicht die Entfernungsbestimmung.
Das abgebildete optische Sensormodul enthält daher als optische Quelle eine VCSEL-Vorrichtung, die einen durch ein Fenster auf ein Objekt gerichteten Quellenstrahl mit enger Divergenz erzeugt, wobei der Quellenstrahl mit enger Divergenz in einigen Fällen eine Strahlendivergenz von nicht mehr als 10 Grad (volle Breite halb Maximum) aufweist. Das Modul umfasst ferner einen optischen Detektor, um das von dem durch den schmalen Divergenzquellenstrahl beleuchteten Objekt zurückreflektierte Licht zu erfassen, und eine Berechnungsvorrichtung 160, die eine Verarbeitungsschaltung enthält, die betreibbar ist, um einen Abstand zu dem Objekt oder eine physikalische Eigenschaft des Objekts zumindest teilweise auf der Grundlage eines Signals von dem optischen Detektor zu bestimmen. Die Verarbeitungsschaltung kann z. B. als eine oder mehrere integrierte Schaltungen in einem oder mehreren Halbleiterchips mit geeigneter digitaler Logik und/oder anderen Hardwarekomponenten (z. B. Ausleseregister; Verstärker; Analog-Digital-Wandler; Takttreiber; Timing-Logik; Signalverarbeitungsschaltung; und/oder Mikroprozessor) implementiert werden. Der Verarbeitungsschaltkreis ist also so konfiguriert, dass er die verschiedenen Funktionen, die mit einem solchen Schaltkreis verbunden sind, implementiert.
Einige Implementierungen bieten schmalere divergente Strahlen, z. B. im Bereich von 0,5 bis 5 Grad, um eine viel höhere Genauigkeit der Näherungsabtastung in einer Baugruppe mit kleinerer Grundfläche zu erreichen.
Zusätzliche Vorteile ergeben sich durch die Verwendung des Strahls mit geringer Divergenz des VCSEL. Der auf das Objekt auftreffende Strahl ist relativ klein, was zu einer höheren einfallenden Leistungsdichte führt. Daher ist die gestreute und reflektierte Leistung proportional höher. Diese Eigenschaften können zu einer verbesserten Auflösung der Entfernungsmessung mit kürzeren Impulsen führen, aber auch zu der Möglichkeit, größere Entfernungen zu messen. Diese Vorteile können auf kleinem Raum erreicht werden, da ein geringer Abstand zwischen VCSEL und Detektor beibehalten werden kann.
Die vorangehende Beschreibung bezieht sich auf die Erfassung der Nähe von Objekten für Anwendungen wie die Selbstfokussierung von Kameras und andere Anwendungen zur Bewegungserkennung. Andere Anwendungen der Technologie werden jedoch leicht ersichtlich sein. Zum Beispiel kann der VCSEL-Quellstrahl mit sehr geringer Divergenz auch für die Gesundheitsüberwachung verwendet werden, indem z. B. der Blutfluss, die Pulsfrequenz des Herzens und/oder die chemische Zusammensetzung gemessen werden. Bei diesen Anwendungen wird der Quellstrahl auf die Probe oder das Objekt gerichtet, und der Detektor misst die Menge des reflektierten Lichts bei einer oder mehreren Wellenlängen oder die Fluktuation des reflektierten Lichts, die mit den pulsierenden Effekten eines Herzschlags korreliert. Bei diesen anderen Anwendungen kann es ebenso wichtig sein, dass der VCSEL die gleichen, oben beschriebenen sehr geringen Divergenzeigenschaften aufweist. Die Empfindlichkeit dieser Anwendungen kann ebenfalls durch die Einbeziehung der Technologie dieser Offenbarung verbessert werden. Die vorliegende Technologie kann auch nützlich sein, zum Beispiel für andere optische Sensormodule, wie zum Beispiel für Gestenabtastung oder -erkennung.
VCSELs, wie oben beschrieben, oder Module, die einen oder mehrere solcher VCSELs enthalten, können in eine Vielzahl von Host-Geräten wie Smartphones, Laptops, tragbare Geräte, andere Computer und Automobile integriert werden. Die Host-Geräte können Prozessoren und andere elektronische Komponenten sowie weitere Zusatzmodule enthalten, die für die Datenerfassung konfiguriert sind, wie z. B. Kameras oder Time-of-Flight-Imager. Andere Zusatzmodule können enthalten sein, wie z. B. Umgebungsbeleuchtung, Bildschirme, Fahrzeugscheinwerfer und ähnliches. Die Host-Geräte können außerdem einen nichtflüchtigen Speicher enthalten, in dem Anweisungen zum Betrieb der optoelektronischen Module und in einigen Fällen der Zusatzmodule gespeichert sind.
zeigt ein Smartphone 270 als Beispiel für ein Host-Gerät, das ein Modul zur dreidimensionalen optischen Abbildung und/oder Erfassung enthält. Das Modul ist in der Lage, Licht zu emittieren und eingehende Strahlen zu erkennen. Das Modul enthält eine VCSEL-Lichtquelle 274, die einen Strahl mit sehr geringer Divergenz erzeugt, wie oben beschrieben. Das Modul enthält außerdem einen Sensor 276, der eingehende Strahlen erfassen kann. Die VCSEL-Lichtquelle 274 und der Sensor 276 können z. B. auf einer Leiterplatte oder einem anderen Substrat 278 montiert werden. Das Modul kann auch eine Projektionsoptik 279A und/oder eine Sammeloptik 279B enthalten, die z. B. als Linsen oder andere passive optische Elemente ausgeführt sein können. Die Signalverarbeitungsschaltung kann die vom Sensor 276 erfassten Signale verarbeiten und beispielsweise den Abstand zu einem Objekt außerhalb des Smartphones 270, das einen Teil des Lichts zurück zum Smartphone reflektiert, und/oder zur Gestenerkennung bestimmen.
Da Module, die die oben beschriebenen VCSELs verwenden, in einigen Fällen genauere Daten erhalten können und die Daten für Funktionen verwendet werden können, die von den Smartphones ausgeführt werden (z. B. Reaktion des Bildschirms auf die Nähe des Benutzers), können diese und andere Funktionen genauer ausgeführt werden, was dem Smartphone oder einem anderen Host-Gerät selbst erhebliche Vorteile verschafft.
In einigen Fällen können mehrere VCSELs, wie oben beschrieben, in ein Array von VCSELs eingebaut werden. In einigen Implementierungen sind ein oder mehrere VCSELs in einem Modul angeordnet, das zur Erzeugung von strukturiertem Licht betrieben werden kann.
Obwohl ein breiter Rahmen der Offenbarung unter Bezugnahme auf einige bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wird, können andere Implementierungen durch Anwendung von Kombinationen und Unterkombinationen der in dieser Offenbarung beschriebenen Elemente konfiguriert werden. Dementsprechend fallen auch andere Implementierungen in den Anwendungsbereich der Ansprüche.

Claims

Ein oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL), umfassend: ein Substrat, eine epitaktische VCSEL-Struktur auf dem Substrat, wobei die epitaktische VCSEL-Struktur umfasst: einen Resonanzhohlraum mit einem Verstärkungsbereich, der zwischen einem unteren Spiegel und einem teilweise reflektierenden mittleren Spiegel angeordnet ist, wobei der teilweise reflektierende mittlere Spiegel weiter von dem Substrat entfernt ist als der untere Spiegel; und eine zusätzliche Epitaxieschicht, die zwischen dem teilreflektierenden mittleren Spiegel und einem oberen Spiegel angeordnet ist, wobei der obere Spiegel weiter von dem Substrat entfernt ist als der teilreflektierende mittlere Spiegel und die zusätzliche Epitaxieschicht eine Dicke in einem Bereich von 5 µm - 100 µm aufweist.
VCSEL nach Anspruch 1, wobei die zusätzliche Epitaxieschicht eine Dicke in einem Bereich von 5 µm - 50 µm aufweist.
VCSEL nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der obere Spiegel teilweise reflektierend ist und der VCSEL als ein von oben emittierender VCSEL betrieben werden kann, um einen durch den oberen Spiegel emittierten Ausgangsstrahl zu erzeugen.
VCSEL nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der untere Spiegel teilweise reflektierend ist und der VCSEL als ein von unten emittierender VCSEL betrieben werden kann, um einen durch den unteren Spiegel emittierten Ausgangsstrahl zu erzeugen.
VCSEL nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der VCSEL so betreibbar ist, dass er einen Lichtstrahl erzeugt, der von dem VCSEL emittiert wird, wobei der Lichtstrahl eine Strahlendivergenz mit voller Breite und halbem Maximum von nicht mehr als 10 Grad aufweist.
VCSEL nach Anspruch 5, wobei der VCSEL betreibbar ist, um einen Lichtstrahl zu erzeugen, der von dem VCSEL emittiert wird, wobei der Lichtstrahl eine Strahlendivergenz mit voller Breite und halbem Maximum in einem Bereich von 0,5 bis 5 Grad aufweist.
VCSEL nach einem der Ansprüche 1-4 mit einer Apertur zur Stromkonzentration in einem bestimmten Teil des Verstärkungsbereichs, wobei der teilreflektierende Mittelspiegel zwischen dem Verstärkungsbereich und der zusätzlichen Epitaxieschicht angeordnet ist.
VCSEL nach Anspruch 3, wobei der VCSEL betreibbar ist, um einen Lichtstrahl zu erzeugen, der von dem VCSEL emittiert wird, wobei die zusätzliche Epitaxieschicht für eine Wellenlänge des Lichtstrahls transparent ist und das Substrat für die Wellenlänge des Lichtstrahls undurchlässig ist.
VCSEL nach Anspruch 8, wobei die zusätzliche Epitaxieschicht aus AlGaAs besteht und das Substrat aus GaAs besteht.
VCSEL nach Anspruch 8, wobei das Substrat aus GaAs besteht und die zusätzliche Epitaxieschicht für eine Wellenlänge von weniger als 950 nm transparent ist.
Ein oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL), umfassend: ein Substrat; eine epitaktische VCSEL-Struktur auf dem Substrat, wobei die epitaktische VCSEL-Struktur umfasst: einen Resonanzhohlraum mit einem Verstärkungsbereich, der zwischen einem oberen Spiegel und einem teilweise reflektierenden mittleren Spiegel angeordnet ist, wobei der obere Spiegel weiter von dem Substrat entfernt ist als der teilweise reflektierende mittlere Spiegel; und eine zusätzliche Epitaxieschicht, die zwischen dem teilweise reflektierenden mittleren Spiegel und einem unteren Spiegel angeordnet ist, wobei der teilweise reflektierende mittlere Spiegel weiter von dem Substrat entfernt ist als der untere Spiegel und die zusätzliche Epitaxieschicht eine Dicke in einem Bereich von 5 µm - 100 µm aufweist.
VCSEL nach Anspruch 11, wobei die zusätzliche Epitaxieschicht eine Dicke in einem Bereich von 5 µm - 50 µm aufweist.
VCSEL nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei der obere Spiegel teilweise reflektierend ist und der VCSEL als ein von oben emittierender VCSEL betrieben werden kann, um einen durch den oberen Spiegel emittierten Ausgangsstrahl zu erzeugen.
VCSEL nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei der untere Spiegel teilweise reflektierend ist und der VCSEL als ein von unten emittierender VCSEL betrieben werden kann, um einen durch den unteren Spiegel emittierten Ausgangsstrahl zu erzeugen.
VCSEL nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei der VCSEL so betreibbar ist, dass er einen Lichtstrahl erzeugt, der von dem VCSEL emittiert wird, wobei der Lichtstrahl eine Strahlendivergenz mit voller Breite und halbem Maximum von nicht mehr als 10 Grad aufweist.
VCSEL nach Anspruch 15, wobei der VCSEL betreibbar ist, um einen Lichtstrahl zu erzeugen, der von dem VCSEL emittiert wird, wobei der Lichtstrahl eine Strahlendivergenz mit voller Breite und halbem Maximum in einem Bereich von 0,5 bis 5 Grad aufweist.
VCSEL nach einem der Ansprüche 11-14 mit einer Apertur zur Stromkonzentration in einem bestimmten Teil des Verstärkungsbereichs, wobei der teilreflektierende Mittelspiegel zwischen der zusätzlichen Epitaxieschicht und dem Verstärkungsbereich angeordnet ist.
VCSEL nach Anspruch 13, wobei der VCSEL betreibbar ist, um einen Lichtstrahl zu erzeugen, der von dem VCSEL emittiert wird, wobei die zusätzliche Epitaxieschicht für eine Wellenlänge des Lichtstrahls transparent ist und das Substrat für die Wellenlänge des Lichtstrahls undurchlässig ist.
VCSEL nach Anspruch 18, wobei die zusätzliche Epitaxieschicht aus AlGaAs besteht und das Substrat aus GaAs besteht.
VCSEL nach Anspruch 18, wobei das Substrat aus GaAs besteht und die zusätzliche Epitaxieschicht für eine Wellenlänge von weniger als 950 nm transparent ist.
VCSEL nach einem der Ansprüche 1-20, wobei der Verstärkungsbereich eine Vielzahl von gestapelten Quantentopfgruppen enthält, die durch einen oder mehrere Tunnelübergänge voneinander getrennt sind.
Ein VCSEL-Array, umfassend: eine Vielzahl von VCSELs nach einem der Ansprüche 1-21; und eine Vielzahl von Kontakten, von denen jeder elektrisch mit einem oder mehreren der VCSELs verbunden ist.
VCSEL-Array nach Anspruch 22, wobei die VCSELs in einem regelmäßigen Muster angeordnet sind.
VCSEL-Array nach Anspruch 22, wobei die VCSELs in einer zufälligen Anordnung vorliegen.
Ein optisches Sensormodul, bestehend aus: eine optische Quelle, die einen VCSEL nach einem der Ansprüche 1-21 enthält, wobei der VCSEL so betrieben werden kann, dass er einen Quellenstrahl mit enger Divergenz erzeugt, der durch ein Fenster auf ein Objekt gerichtet ist; einem optischen Detektor zum Erfassen von Licht, das von dem durch den Strahl der Quelle mit enger Divergenz beleuchteten Objekt zurückreflektiert wird; und eine Berechnungsvorrichtung, die betreibbar ist, um einen Abstand zu dem Objekt oder eine physikalische Eigenschaft des Objekts zumindest teilweise auf der Grundlage eines Signals von dem optischen Detektor zu bestimmen.
Ein Host-Gerät, das ein optisches Sensormodul nach Anspruch 25 umfasst, wobei das Host-Gerät betreibbar ist, um Daten, die von dem optischen Detektor des optischen Sensormoduls erhalten werden, für eine oder mehrere Funktionen zu verwenden, die von dem Host-Gerät ausgeführt werden.
Das Host-Gerät nach Anspruch 26, wobei das Host-Gerät ein Smartphone ist.