DE112021005176T5

DE112021005176T5 - Meta-linsen array und oberflächenemittierende lasern mit vertikalem resonator (vcsel) und verfahren

Info

Publication number: DE112021005176T5
Application number: DE112021005176.8T
Authority: DE
Inventors: Alan Lenef; Fabian Knorr; Klein Johnson; Dadi Setiadi; Maryam Khodami
Original assignee: Ams Osram International GmbH; Vixar Inc
Current assignee: Ams Osram International GmbH; Vixar Inc
Priority date: 2020-10-01
Filing date: 2021-10-01
Publication date: 2023-09-14
Also published as: CN116529525A; WO2022072880A1; US20220109287A1

Abstract

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Systeme und Verfahren, die für die Bereitstellung eines Meta-Linsen-Arrays mit niedrigem Profil nützlich sind, das eine relativ gleichmäßige Fernfeldbeleuchtung im sichtbaren und/oder nahinfraroten elektromagnetischen Spektrum unter Verwendung einer Vielzahl von oberflächenemittierenden Lasern mit vertikalem Resonator (VCSELs) bereitstellt, die in einem Abstand von einer Vielzahl von Meta-Linsen angeordnet sind, die ein Meta-Linsen-Array bilden, wobei die VCSELs zu den Meta-Linsen, die das Meta-Linsen-Array bilden, unkorreliert sind.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANWENDUNGEN
Die vorliegende Offenbarung beansprucht die Priorität der US-Patentanmeldung Nr. 17/060,607 mit dem Titel „META-LINSE ARRAY AND VERTICAL CAVITY SURFACE EMITTING LASER SYSTEMS AND METHODS“, die am 1. Oktober 2020 eingereicht wurde und deren Inhalt hiermit in vollem Umfang durch Bezugnahme aufgenommen ist.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Beleuchtungssysteme und - verfahren, insbesondere auf Systeme und Verfahren zur Erzeugung eines gewünschten Beleuchtungsmusters im Fernfeld.
HINTERGRUND
Arrays von oberflächenemittierenden Lasern mit vertikalem Resonator (engl. vertical cavity surface emitting-laser array, VCSEL) sind wichtige sichtbare und infrarote (IR) Lichtquellen für viele Anwendungen, z. B. Punktanzeigemuster für die Gesichtserkennung, gleichmäßige Beleuchtung für die Biometrie (Gesichtserkennung), Gestenerkennung, LIDAR, Sensorik und andere Anwendungen. Solche Arrays können sowohl im kontinuierlichen als auch im gepulsten Modus bei augensicheren Leistungspegeln arbeiten. Die einzelnen VCSEL zeichnen sich durch eine relativ geringe Divergenz, eine azimutale Symmetrie des Strahlmusters und eine hohe Leistung bei geringem Speckle aus, wenn sie in Arrays eingesetzt werden. Dies sind alles gute Eigenschaften für laserbasierte Beleuchtungen.
ZUSAMMENFASSUNG
Verschiedene hierin offengelegte Ausführungsformen umfassen eine Beleuchtungsquelle, die eine Vielzahl von oberflächenemittierenden Lasern mit vertikalem Resonator (VCSELs) aufweist, wobei die Vielzahl von VCSELs so eingerichtet sind, dass sie eine elektromagnetische Entladung innerhalb eines ersten Frequenzbandes emittieren, und ein Meta-Linsen-Array aufweist, das physisch von der Vielzahl von VCSELs separiert ist, wobei das Meta-Linsen-Array eine Vielzahl von Meta-Linsen aufweist, wobei jede der Meta-Linsen eine oder mehrere optische Strukturen aufweist, wobei das Meta-Linsen-Array in Bezug auf die VCSELs so positioniert ist, dass mindestens ein Teil der elektromagnetischen Entladung, die von der Vielzahl von VCSELs emittiert wird, durch mindestens einen Teil der Vielzahl von Meta-Linsen, die in dem Meta-Linsen-Array enthalten sind, hindurchgeht.
In einigen Ausführungsformen ist die Vielzahl der Meta-Linsen in einer regelmäßigen Anordnung auf einer ersten Oberfläche eines Substrats des Meta-Linsen-Arrays verteilt. In einigen Ausführungsformen ist die Vielzahl der Meta-Linsen in einem unregelmäßigen Muster über eine erste Oberfläche eines Substrats des Meta-Linsen-Arrays verteilt.
In einigen Ausführungsformen weist die eine optische Struktur oder die mehreren optischen Strukturen eine Vielzahl von optischen Strukturen auf. In einigen Ausführungsformen hat eine erste Meta-Linse in der Vielzahl von Meta-Linsen eine erste Dimension quer zu einem optischen Pfad durch die erste Meta-Linse. In einigen Ausführungsformen hat das Meta-Linsen-Array eine Brennweite von weniger als 700 Mikrometern (µm). In einigen Ausführungsformen hat mindestens eine Metalinse in der Vielzahl von Meta-Linsen einen Durchmesser quer zu einer optischen Achse der mindestens einen Metalinse, wobei der Durchmesser weniger als 100 Mikrometer (µm) beträgt. In einigen Ausführungsformen hat die Vielzahl der optischen Strukturen zwei oder mehr unterschiedliche physikalische Geometrien. In einigen Ausführungsformen besteht die Vielzahl der optischen Strukturen aus einem oder mehreren der folgenden Elemente: TiO₂ Ta₂O₅ , amorphes Si, c-Si, GaN und Si₃N₄ .
In einigen Ausführungsformen weist die Beleuchtungsquelle ferner ein erstes Substrat auf, das ein erstes Material aufweist, wobei das erste Substrat eine erste Oberfläche und eine quer gegenüberliegende zweite Oberfläche aufweist, und weist ein zweites Substrat auf, das ein zweites Material aufweist, wobei das zweite Substrat eine erste Oberfläche und eine quer gegenüberliegende zweite Oberfläche aufweist, wobei die Vielzahl von VCSELs auf der ersten Oberfläche des ersten Substrats ausgebildet ist, das Meta-Linsen-Array auf der ersten Oberfläche des zweiten Substrats ausgebildet ist und die erste Oberfläche des ersten Substrats gegenüber der ersten Oberfläche des zweiten Substrats angeordnet ist, so dass ein Spalt zwischen einer Emissionsoberfläche von jedem von zumindest einigen der Vielzahl von VCSELs und der ersten Oberfläche des zweiten Substrats besteht. In einigen Ausführungsformen hat der Spalt einen ersten Abstand von weniger als 250 Nanometern, gemessen von einer Emissionsfläche von jedem von mindestens einigen der Vielzahl von VCSEL und der ersten Oberfläche des zweiten Substrats.
In einigen Ausführungsformen weist die Beleuchtungsquelle ferner ein erstes Substrat auf, das ein erstes Material aufweist, wobei das erste Substrat eine erste Oberfläche und eine quer gegenüberliegende zweite Oberfläche aufweist, und weist ein zweites Substrat auf, das ein zweites Material aufweist, wobei das zweite Substrat eine erste Oberfläche und eine quer gegenüberliegende zweite Oberfläche aufweist, wobei die Vielzahl von VCSELs auf der ersten Oberfläche des ersten Substrats ausgebildet sind, das Meta-Linsen-Array auf der ersten Oberfläche des zweiten Substrats ausgebildet ist und die zweite Oberfläche des zweiten Substrats in der Nähe einer Emissionsfläche von jedem von zumindest einigen der Vielzahl von VCSELs angeordnet ist, so dass die elektromagnetische Energie, die von den zumindest einigen der Vielzahl von VCSELs emittiert wird, durch das zweite Substrat hindurchgeht, bevor sie durch zumindest einige der Vielzahl von Meta-Linsen in dem Meta-Linsen-Array hindurchgeht. In einigen Ausführungsformen weist die Beleuchtungsquelle ferner eine Verkapselungsschicht auf, die in der Nähe mindestens eines Teils der Vielzahl von Meta-Linsen in dem Meta-Linsen-Array angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen hat das zweite Material einen ersten Brechungsindexwert; die Verkapselungsschicht hat einen zweiten Brechungsindexwert, und der zweite Brechungsindexwert liegt innerhalb von ±10 % des ersten Brechungsindexwertes. In einigen Ausführungsformen weist die Verkapselungsschicht mindestens eines der folgenden Materialien auf von: SiO₂ oder amorphes Al₂O₃. In einigen Ausführungsformen weist die Verkapselungsschicht eine chemisch-mechanisch polierte Verkapselungsschicht auf. In einigen Ausführungsformen ist das zweite Substrat mit einem oder mehreren Klebstoffen an die Emissionsfläche von mindestens einigen der Vielzahl von VCSELs gebunden. In einigen Ausführungsformen umfassen der eine Klebstoff oder die mehreren Klebstoffe einen ultraviolett aktivierten Klebstoff. In einigen Ausführungsformen weist jeder der Vielzahl von VCSEL einen VCSEL mit einer ersten Höhe, gemessen in Bezug auf die erste Oberfläche des ersten Substrats, auf und der eine Klebstoff oder die mehreren Klebstoffe weisen eine Klebstoffschicht mit einer Dicke auf, die mindestens der ersten Höhe entspricht.
In einigen Ausführungsformen weist die Beleuchtungsquelle ferner ein Flip-Chip-Substrat auf, das ein erstes Material mit einem ersten Brechungsindexwert aufweist, wobei das Flip-Chip-Substrat eine erste Oberfläche und eine quer gegenüberliegende zweite Oberfläche aufweist, wobei die Vielzahl von VCSELs auf der ersten Oberfläche des Flip-Chip-Substrats ausgebildet sind, das Meta-Linsen-Array auf der zweiten Oberfläche des Flip-Chip-Substrats ausgebildet ist, wobei die Vielzahl von Meta-Linsen ein zweites Material mit einem zweiten Brechungsindexwert aufweisen und die elektromagnetische Entladung, die von mindestens einigen der Vielzahl von VCSELs emittiert wird, durch das Flip-Chip-Substrat hindurchgeht, bevor sie durch mindestens einige der Vielzahl von Meta-Linsen hindurchgeht. In einigen Ausführungsformen weist das Flip-Chip-Substrat mindestens eines der folgenden Materialien auf: Quarzglas, Glas, Saphirglas, Si, MgF₂, Si₃N₄, GaN und GaAs. In einigen Ausführungsformen weist die Beleuchtungsquelle außerdem eine Verkapselungsschicht auf, die in der Nähe von mindestens einem Teil des Meta-Linsen-Arrays angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen weist das zweite Material ein Material mit einem ersten Brechungsindexwert auf, die Verkapselungsschicht weist ein Material mit einem zweiten Brechungsindexwert auf, und der zweite Brechungsindexwert liegt innerhalb von ±10 % des ersten Brechungsindexwertes.
In einigen Ausführungsformen weist die Beleuchtungsquelle ferner ein Flip-Chip-Substrat auf, das ein erstes Material mit einem ersten Brechungsindexwert aufweist, wobei das Flip-Chip-Substrat eine erste Oberfläche und eine quer gegenüberliegende zweite Oberfläche aufweist, und eine Pufferschicht mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, wobei mindestens ein Teil der ersten Oberfläche der Pufferschicht in der Nähe mindestens eines Teils der zweiten Oberfläche des Flip-Chip-Substrats angeordnet ist, wobei die Pufferschicht ein oder mehrere Materialien mit einem zweiten Brechungsindexwert aufweist, wobei die Vielzahl von VCSELs unter Verwendung des ersten Materials auf der ersten Oberfläche des Flip-Chip-Substrats gebildet sind, das Meta-Linsen-Array auf mindestens einem Teil der zweiten Oberfläche der Pufferschicht gebildet ist, die Vielzahl von Meta-Linsen in dem Meta-Linsen-Array ein oder mehrere Materialien mit einem dritten Brechungsindexwert aufweist, und die elektromagnetische Entladung, die von mindestens einigen der Vielzahl von VCSELs emittiert wird, durch das Flip-Chip-Substrat und die Pufferschicht hindurchgeht, bevor sie durch mindestens einige der Vielzahl von Meta-Linsen hindurchgeht. In einigen Ausführungsformen weist die Beleuchtungsquelle ferner eine Verkapselungsschicht auf, die in der Nähe mindestens eines Teils des Meta-Linsen-Arrays angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen ist der erste Brechungsindexwert größer als der zweite Brechungsindexwert. In einigen Ausführungsformen weist die Verkapselungsschicht ein oder mehrere Materialien mit einem vierten Brechungsindexwert auf, und der zweite Brechungsindexwert ist größer als der vierte Brechungsindexwert. In einigen Ausführungsformen ist der dritte Brechungsindexwert größer als der zweite Brechungsindexwert.
Weitere hierin offenbarte Ausführungsformen weisen ein Beleuchtungsquellen-Herstellungsverfahren auf, wobei das Verfahren aufweist: Ausbilden einer Epitaxieschicht auf einer ersten Oberfläche eines GaAs-Substrats, Ausbilden eines Meta-Linsens-Arrays, das eine Vielzahl von Meta-Linsen auf einer zweiten Oberfläche des GaAs-Substrats aufweist, wobei die zweite Oberfläche des GaAs-Substrats über eine Dicke des GaAs-Substrats von der ersten Oberfläche des GaAs-Substrats quer gegenüberliegt, Ausbilden einer Schutzschicht über mindestens einem Teil der Vielzahl von Meta-Linsen, Ausbilden einer Vielzahl von oberflächenemittierenden Lasern mit vertikalem Resonator (VCSELs) auf mindestens einem Teil der Epitaxieschicht, Abscheiden von metallischen Zwischenverbindungen in der Nähe von mindestens einigen der Vielzahl von VCSELs und Entfernen mindestens eines Teils der Schutzschicht von dem Teil der Vielzahl von Meta-Linsen.
In einigen Ausführungsformen wird ein nanolithografisches Verfahren verwendet, um das Meta-Linsen-Array auf der zweiten Oberfläche des GaAs-Substrats zu ausbilden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Merkmale und Vorteile verschiedener Ausführungsformen des beanspruchten Gegenstands werden im Verlauf der folgenden detaillierten Beschreibung und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen deutlich, in denen gleiche Ziffern gleiche Teile bezeichnen und in denen:

1A eine schematische Darstellung eines Beispiel-Halbleitergehäuses darstellt, das ein Array von oberflächenemittierenden Lasern mit vertikalem Resonator (engl. vertical cavity surface emitting-laser array, VCSEL) aufweist, das elektromagnetische Energie durch ein Meta-Linsen-Array emittiert, das von dem VCSEL-Array durch einen Abstand beabstandet ist, um eine gleichmäßige oder nahezu gleichmäßige Fernfeld-Beleuchtung gemäß mindestens einer hierin beschriebenen Ausführungsform bereitzustellen.
1 B die elektromagnetische Ausgabe eines Beispiel-VCSEL und die Divergenz der elektromagnetischen Ausgabe zwischen der Entladungsfläche des VCSEL und der Einfallsfläche der Meta-Linsen, die das Meta-Linsen-Array bilden, für ein System, wie es in 1A dargestellt ist, in Übereinstimmung mit mindestens einer hier beschriebenen Ausführungsform darstellt.
1C ein Beispiel für die optische Berechnung einer ungefähren Fernfeldform für ein Meta-Linsen-Array, wie es in 1A dargestellt ist, unter Verwendung einer dünnen Linsenapproximation, in Übereinstimmung mit mindestens einer hier beschriebenen Ausführungsform darstellt.
2 ein Beispielsystem darstellt, bei dem das Meta-Linsen-Array einem VCSEL-Array gegenübersteht, in Übereinstimmung mit mindestens einer hier beschriebenen Ausführungsform.
3 ein weiteres Beispielsystem darstellt, bei dem das Meta-Linsen-Array eine Verkapselungsschicht aufweist, die mit dem VCSEL-Array gestapelt und physisch mit diesem gekoppelt ist, wobei eine Klebstoffschicht zwischen dem Meta-Linsen-Array-Substrat und den Emissionsflächen der VCSELs angeordnet ist, in Übereinstimmung mit mindestens einer hierin beschriebenen Ausführungsform.
4 ein weiteres Beispielsystem darstellt, das die Flip-Chip-Technologie verwendet, um ein VCSEL-Array auf einer ersten Seite eines Flip-Chip-Substrats und das Meta-Linsen-Array auf einer zweiten Seite des Flip-Chip-Substrats auszubilden, so dass die elektromagnetische Emission von den VCSELs durch das Flip-Chip-Substrat und durch das Meta-Linsen-Array hindurchgeht, in Übereinstimmung mit mindestens einer hierin beschriebenen Ausführungsform.
5 ein weiteres Beispielsystem darstellt, das die Flip-Chip-Technologie verwendet, um ein VCSEL-Array auf einer ersten Seite eines Flip-Chip-Substrats und ein Meta-Linsen-Array auf einer zweiten Seite des Flip-Chip-Substrats auszubilden, so dass die elektromagnetische Emission von den VCSELs durch das Flip-Chip-Substrat, durch eine Pufferschicht mit niedrigem Brechungsindex und durch das Meta-Linsen-Array hindurchgeht, in Übereinstimmung mit mindestens einer hierin beschriebenen Ausführungsform.
6 ein Beispielverfahren zur Herstellung eines Flip-Chips darstellt, der sowohl ein VCSEL-Array als auch ein Meta-Linsen-Array aufweist, in Übereinstimmung mit mindestens einer hier beschriebenen Ausführungsform.

Obwohl in der folgenden detaillierten Beschreibung auf illustrative Ausführungsformen Bezug genommen wird, sind viele Alternativen, Modifikationen und Variationen davon für den Fachmann offensichtlich.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Vertikale Resonator-Laser- oder VCSEL-Arrays sind wichtige sichtbare und infrarote (IR) Lichtquellen für viele Anwendungen, wie z. B. Punktanzeigemuster für die Gesichtserkennung, gleichmäßige Beleuchtung für die Biometrie (Gesichtserkennung), Gestenerkennung, LIDAR und andere Anwendungen. Solche Arrays können sowohl im kontinuierlichen als auch im gepulsten Modus bei augensicheren Leistungspegeln arbeiten. Die einzelnen VCSELs zeichnen sich durch eine relativ geringe Divergenz, eine azimutale Symmetrie des Strahlmusters und eine hohe Leistung bei geringem Speckle aus, wenn sie in Arrays eingesetzt werden. Dies sind alles gute Eigenschaften für laserbasierte Beleuchtungen.
Ein Problem bei jeder Art von Laserlichtquelle zur Beleuchtung ist die Erzeugung eines Speckle-freien Fernfeldmusters mit einem gewünschten, gleichmäßigen Beleuchtungsmuster. Ein weiteres Problem ist die Ausrichtung der Optik der Beleuchtungsquelle, die erforderlich ist, um das gewünschte Beleuchtungsmuster zu erzeugen. Ein drittes Problem, insbesondere bei oberflächenmontierten und anderen Miniatur-Beleuchtungsquellen, besteht darin, dass die Beleuchtungsquelle (z. B. das Meta-Linsen- und VCSEL-System) so kompakt sein sollte, dass das System in dünne Geräte wie Mobiltelefone eingebaut werden kann. Ein weiteres Problem ist, dass die Beleuchtungsmuster oft sehr spezifischen Strahlungsintensitätsverteilungen entsprechen müssen, was mit gewöhnlicher refraktiver Mikrooptik nur schwer zu erreichen ist.
Der hier verwendete Begriff „Meta-Linse“ bezieht sich auf eine Linse, die aus einem oder mehreren Meta-Materialien gebildet ist. Eine Meta-Linse weist eine Vielzahl von dreidimensionalen (3D) Strukturen auf, die unter Verwendung eines oder mehrerer Metamaterialien hergestellt werden. Ein Metamaterial ist jedes Material, dessen elektromagnetische Eigenschaften aus der atomaren oder kristallinen Struktur des Materials und nicht aus der chemischen Zusammensetzung des Materials resultieren. In einigen Fällen kann jede der mehreren 3D-Strukturen eine 3D-Säule mit einer ähnlichen physikalischen Geometrie (prismatisch, kegelstumpfförmig, konisch, zylindrisch, kubisch, polygonal, oval usw.) aufweisen. In einigen Fällen kann jede der mehreren 3D-Strukturen mindestens zwei dreidimensionale Säulen aufweisen, die jeweils unterschiedliche physikalische Geometrien aufweisen. Jede der 3D-Strukturen, die in einer Meta-Linse enthalten sind, kann eine Struktur aufweisen, die sich über einen Abstand (d. h. eine Höhe) von der Oberfläche des Meta-Linsen-Array-Substrats erstreckt, auf dem die 3D-Strukturen angeordnet oder ausgebildet sind. Jede der 3D-Strukturen in einer Meta-Linse kann sich in der gleichen oder einer ähnlichen Höhe von der Oberfläche erstrecken, auf der die 3D-Strukturen angeordnet oder gebildet sind. Jede der 3D-Strukturen weist eine optische Achse auf, die sich in Längsrichtung durch die 3D-Struktur erstreckt. Die optische Achse jeder der in einer Meta-Linse enthaltenen 3D-Strukturen kann parallel sein. Der Begriff „Meta-Linsen-Array“ bezieht sich auf eine Vielzahl von Meta-Linsen, die in einem regelmäßigen oder unregelmäßigen Muster angeordnet oder zufällig auf einer Oberfläche verteilt sein können.
Der hier verwendete Begriff „physikalische Geometrie“ bezieht sich sowohl auf die geometrische Form als auch auf die Abmessungen des bezogenen Objekts. Beispielsweise kann die physikalische Geometrie einer prismatischen 3D-Struktur eine polygonale Struktur mit den Abmessungen Seitenlänge, Radius und Höhe sein. In einem anderen Beispiel kann die physikalische Geometrie einer zylindrischen 3D-Struktur den Durchmesser/Radius und die Höhenabmessungen der zylindrischen Struktur aufweisen.
Die hier offengelegten Systeme und Verfahren lösen die oben genannten Probleme vorteilhaft, indem sie ein Array von Meta-Linsen verwenden, die mit einem Array von VCSELs beleuchtet werden, wobei die VCSEL-Positionen nicht mit den einzelnen Meta-Linsen im Meta-Linsen-Array oder den 3D-Strukturen im Meta-Linsen-Array korreliert sind. Der Meta-Linsen-Array-Ansatz bietet mehrere Vorteile, insbesondere durch die Verwendung von VCSEL-Gehäusen mit geringem Profil und minimaler Dicke oder Höhe. Die Oberfläche des Meta-Linsen-Arrays hat im Allgemeinen eine Höhe im Submikrometerbereich und kann auf ein Substratmaterial mit einer Dicke von weniger als 1 Millimeter (mm), beispielsweise 200 Mikrometer (µm), aufgebracht werden. Die hierin offenbarten Systeme und Verfahren erfordern vorteilhafterweise keine Ausrichtung der Linsenkapseln (engl. lenslets) im Array in Bezug auf die Position der VCSELs.
Die hier vorgestellten Systeme und Verfahren ermöglichen eine qualitativ hochwertige Bildgebung und Beleuchtung mit sehr kurzen Brennweiten oder optischen Weglängen, die oft viel weniger als 100 µm betragen. Dies ermöglicht es, das ganze Meta-Linsen-Array-Substrat sehr nahe oder sogar in Kontakt mit dem Array von VCSELs zu platzieren. Die hier vorgestellten Systeme und Verfahren minimieren oder beseitigen sogar Artefakte, die bei einer Standardlösung für Mikrolinsen-Arrays aus Kunststoff oder Glas aufgrund von Begrenzungen und Krümmungsdiskontinuitäten auftreten. Im Gegensatz zu herkömmlichen diffraktiven optischen Linsen, die größere vertikale Strukturen erfordern, die das Licht von benachbarten Strukturen vignettieren und Artefakte erzeugen, sind die hier offengelegten Meta-Linsen-Arrays frei von solchen Artefakten. Die hier offengelegten Meta-Linsen-Arrays bieten gegenüber refraktiven und konventionellen diffraktiven Optiken eine größere Flexibilität bei der Erzeugung verschiedener gewünschter Beleuchtungsmuster, da nahezu beliebige Phasen- (und Amplituden-) Transformationen der ankommenden Wellenfront realisiert werden können.
Aufgrund der Flexibilität sowohl der möglichen Formen der Meta-Linse als auch der Phasen-/Amplitudenübertragungsfunktion eignet sich das Meta-Linsen-Array-Konzept möglicherweise besser für die Transformation von Wellenfronten, die von VCSELs erzeugt werden, bei denen es sich um Überlagerungen verschiedener optischer Moden handeln kann, als bei TEM00. Darüber hinaus ermöglichen die hier beschriebenen Systeme und Verfahren, dass jede Meta-Linsen-Linsenkapsel unterschiedliche Eigenschaften hat. Dies kann die Erzeugung der gewünschten Fernfeldmuster weiter unterstützen, einschließlich der Hinzufügung astigmatischer Effekte im Linsendesign, ungleichmäßiger Kacheln, die die Gleichmäßigkeit der Muster weiter verbessern können, und der weiteren Reduzierung von Beugungsartefakten, die durch Linsengrenzen verursacht werden. Die hier beschriebenen Systeme und Verfahren bieten den Vorteil einer relativ dünnen und flachen optischen Linse, die aus Strukturen besteht, die aus einem oder mehreren transparenten Materialien mit einem relativ hohen Brechungsindex, wie TiO₂ , gebildet werden. Die hier beschriebenen Systeme und Verfahren umfassen eine Vielzahl von einzelnen 3D-Strukturen, wie z. B. Säulen, die in konzentrischen Schichten gebildet werden und eine definierte Phasenverschiebung und minimale Dispersion über das gesamte oder einen Teil des sichtbaren elektromagnetischen Spektrums bieten. Solche Meta-Linsen-Arrays können so eingerichtet werden, dass sie jede gewünschte Brennweite bieten und gleichzeitig die chromatische Dispersion reduzieren oder sogar eliminieren.
Es sind verschiedene Konfigurationen möglich. Beispielsweise könnte das Meta-Linsen-Array dem VCSEL-Array gegenüberliegen, wobei das Meta-Linse-Substrat der Luft zugewandt ist. Diese Konfiguration ermöglicht eine einfache hermetische Versiegelung des Gehäuses und erfordert keine schützende Verkapselung des Meta-Linsen-Arrays, das von Natur aus im Gehäuse versiegelt ist. Eine zweite Konfiguration mit einem dünneren Gehäuse kann erreicht werden, indem das Meta-Linsen-Substrat direkt auf das VCSEL-Array geklebt wird, wobei das Meta-Linsen-Array der Luft zugewandt ist. In diesem Fall wird eine zusätzliche Verkapselungs- und/oder Passivierungsschicht zum Schutz des Meta-Linsen-Arrays aufgebracht. Aufgrund des höheren Brechungsindexes der Verkapselungs-/Passivierungsschicht und der durch die Passivierungsschicht eingebrachten Wellenleitermoden kann das Systemdesign komplexer und das Erreichen der höchsten Effizienz schwieriger sein. Eine dritte Konfiguration besteht darin, den VCSEL in einer Flip-Chip-Konfiguration zu betreiben, wobei die Laseremission nach dem Durchgang durch das VCSEL-Substrat erfolgt und die Nicht-Substrat-Seite der einzelnen VCSEL einen starken Reflektor anstelle eines Ausgabekoppelspiegels aufweist. In diesem Fall kann das Meta-Linse-Substrat direkt auf das VCSEL-Substrat geklebt oder gebondet werden. Alternativ können die Meta-Linsen-Säulen auch in der Nähe des VCSEL-Substrats angeordnet werden. Die 3D-Strukturen in jeder Meta-Linse, die das Meta-Linsen-Array bilden, können auch direkt in das VCSEL-Substratmaterial geätzt sein.
Eine Beleuchtungsquelle wird bereitgestellt. Die Beleuchtungsquelle kann eine Vielzahl von oberflächenemittierenden Lasern mit vertikalem Resonator (engl. vertical cavity surface emitting lasers, VCSELs) aufweisen, wobei die Vielzahl von VCSELs so eingerichtet sind, dass sie eine elektromagnetische Entladung innerhalb eines ersten Frequenzbandes erzeugen, und ein Meta-Linsen-Array aufweisen, das physisch von der Vielzahl von VCSELs separiert ist, wobei das Meta-Linsen-Array eine Vielzahl von Meta-Linsen aufweist, wobei jede der Meta-Linsen eine oder mehrere optische Strukturen aufweist, die in einem Muster angeordnet sind, wobei das Meta-Linsen-Array in Bezug auf die VCSELs so positioniert ist, dass mindestens ein Teil der elektromagnetischen Entladung, die von der Vielzahl von VCSELs erzeugt wird, durch mindestens einen Teil der Vielzahl von Meta-Linsen, die in dem Meta-Linsen-Array enthalten sind, hindurchgeht.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Beleuchtungsquelle ist vorgesehen. Das Verfahren kann umfassen: Ausbilden einer Reihe von Epitaxieschichten auf einer ersten Oberfläche eines GaAs-Substrats; Ausbilden einer Vielzahl von Meta-Linsen, um ein Meta-Linsen-Array auf einer zweiten Oberfläche des GaAs-Substrats auszubilden, wobei die zweite Oberfläche des GaAs-Substrats quer über eine Dicke des GaAs-Substrats der ersten Oberfläche des GaAs-Substrats gegenüberliegt; Abscheiden einer Schutzschicht über mindestens einem Teil der Vielzahl von Meta-Linsen; Bilden einer Vielzahl von oberflächenemittierenden Lasern mit vertikalem Resonator (VCSELs) auf mindestens einem Teil der Epitaxieschicht; Abscheiden von metallischen Zwischenverbindungen in der Nähe von mindestens einigen der Vielzahl von VCSELs; und Entfernen von mindestens einem Teil der Schutzschicht von der Schutzschicht über dem Teil der Vielzahl von Meta-Linsen.
Der hier verwendete Begriff „sichtbares elektromagnetisches Spektrum“ weist das gesamte oder einen Teil des für den Menschen sichtbaren elektromagnetischen Spektrums, das sich von 360 Nanometern (nm) Wellenlänge bis 790 nm Wellenlänge erstreckt, auf.
Die hier als „transparent“ bezeichneten Materialien lassen die gesamte oder einen Teil der einfallenden elektromagnetischen Energie durch. Ein Material oder eine Struktur, das/die als „zumindest für einen Teil des sichtbaren elektromagnetischen Spektrums transparent“ bezeichnet wird, bezieht sich beispielsweise auf ein Material oder eine Struktur, das/die zumindest teilweise für elektromagnetische Energie mit Wellenlängen im Bereich von 360 nm bis 790 nm transparent ist. Solche Materialien können für elektromagnetische Energie in anderen Bereichen (z. B. Ultraviolett, Infrarot) des elektromagnetischen Spektrums durchlässig sein oder nicht. In einem anderen Beispiel bezieht sich ein Material oder eine Struktur, das/die als „zumindest teilweise transparent für zumindest einen Teil des nahen Infrarotspektrums“ bezeichnet wird, auf ein Material oder eine Struktur, das/die zumindest teilweise transparent für elektromagnetische Energie mit einer Wellenlänge von mehr als 790 nm ist.
Der hier verwendete Begriff „-on-Chip“ oder Elemente, Komponenten, Systeme, Schaltungen oder Geräte, die als „-on-Chip“ bezeichnet werden, schließen solche Elemente ein, die integral mit der Prozessorschaltung hergestellt sind (z. B. eine Zentraleinheit oder CPU, in der die „-on-Chip"-Komponenten enthalten sind, integral geformt sind und/oder von der CPU-Schaltung bereitgestellt werden) oder als separate Komponenten enthalten sind, die als Teil eines Multi-Chip-Moduls (MCM) oder System-on-Chip (SoC) gebildet sind.
Der hier verwendete Begriff „gleichmäßige oder nahezu gleichmäßige Fernfeldbeleuchtung“ bezieht sich auf eine Beleuchtung, bei der die an einem einzigen Punkt des Flachbildschirms gemessene Leuchtkraft um weniger als ±20 % von der über den gesamten Flachbildschirm gemessenen durchschnittlichen Leuchtkraft abweicht.
1A zeigt eine schematische Darstellung eines Beispiel-Halbleitergehäuses 100, das ein Array von oberflächenemittierenden Lasern mit vertikalem Resonator (engl. vertical cavity surface emitting lasers, VCSELs) 110 aufweist, die elektromagnetische Energie durch eine Meta-Linsen-Anordnung 120 ausstrahlt, die von der VCSEL-Anordnung 110 durch einen Abstand 130 beabstandet ist, um eine gleichmäßige oder nahezu gleichmäßige Fernfeldbeleuchtung 140 zu erzeugen, in Übereinstimmung mit mindestens einer hier beschriebenen Ausführungsform. 1 B zeigt die elektromagnetische Ausgabe einer Beispiel-VCSEL 112 und die Divergenz der elektromagnetischen Ausgabe zwischen der Entladungsfläche 116 des VCSEL und der Einfallsfläche 128 der Meta-Linsen 122, die das Meta-Linsen-Array 120 bilden, für ein System, wie es in 1A dargestellt ist, in Übereinstimmung mit mindestens einer hierin beschriebenen Ausführungsform. 1C zeigt eine beispielhafte optische Berechnung einer ungefähren Fernfeldform für ein Meta-Linsen-Array 120, wie es in 1A dargestellt ist, unter Verwendung einer dünnen Linsenapproximation gemäß mindestens einer hierin beschriebenen Ausführungsform.
Wie in 1A dargestellt, kann das VCSEL-Array 110 eine Vielzahl von VCSELs 112A-112n (zusammen „VCSELs 112“) und das Meta-Linsen-Array 120 eine Vielzahl von Meta-Linsen 122A-122n (zusammen „Meta-Linsen 122“) aufweisen. wobei jede der Meta-Linsen 122 die gleiche oder eine unterschiedliche Anzahl von 3D-Strukturen 124A-124n (zusammen „3D-Strukturen 124“ oder einzeln „3D-Struktur 124“) aufweist. Wie in 1 dargestellt, können die VCSELs 112 zumindest in einigen Ausführungsformen auf, um oder quer zu einem Substrat 114 angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen können die Meta-Linsen 122 in, auf, um oder quer zu mindestens einem Teil eines Meta-Linsen-Array-Substrats 126 angeordnet sein.
Im Betrieb emittiert jeder der VCSEL 112 elektromagnetische Energie in mindestens einem Teil des elektromagnetischen Spektrums aus. Beispielsweise können die VCSEL 112 elektromagnetische Energie im gesamten oder einem Teil des sichtbaren Spektrums (390 Nanometer (nm) < λ < 760 nm), im gesamten oder einem Teil des Infrarotspektrums (λ > 760 nm) oder einer beliebigen Kombination davon emittieren. Die emittierte elektromagnetische Energie durchdringt das Meta-Linsen-Array-Substrat 124 und geht durch eine oder mehrere Meta-Linsen 122 hindurch. Das Meta-Linsen-Array 120 erzeugt eine gleichmäßige Fernfeld-Beleuchtung auf einem Flachbildschirm 140.
Die VCSELs 112 erzeugen eine elektromagnetische Ausgabe, die auf das Meta-Linsen-Array 120 fällt, das in einem Abstand 130 vom Entladungspunkt der VCSELs 112 angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen kann eine Position (z. B. die Mittellinie) jedes der VCSEL 112A-112n in Bezug auf eine Position (z. B. die optische Achse) der Meta-Linsen 122, die das Meta-Linsen-Array 120 bilden, zufällig angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen kann eine Position (z. B. die Mittellinie) jedes der VCSEL 112A-112n unkorreliert zu einer Position (z. B. der optischen Achse) der Meta-Linsen 122, die das Meta-Linsen-Array 120 bilden, sein. Die zufällige Anordnung oder Unkorreliertheit der einzelnen VCSELs in Bezug auf die Meta-Linsen minimiert oder eliminiert sogar die gegenseitige Verstärkung von Beugungsartefakten aufgrund der Größe der einzelnen Meta-Linsen und minimiert das Auftreten von Moire-Effekt-Artefakten bei der Fernfeldbeleuchtung des Flachbildschirms 140.
In 1 B ist ein typischer Abstand 130 zwischen der Entladungsfläche der VCSEL-Anordnung 110 und der Einfallsfläche der Meta-Linsen-Array 120 dargestellt, wenn man den Divergenzwinkel 134 eines VCSEL über die gesamte Breite des Fernfelds betrachtet. Bei einem typischen Abstand 130 deckt das Feld einer einzelnen VCSEL 112 mehrere Meta-Linsen 122 ab.
1C zeigt eine Geometrie, die für die Berechnung der erwarteten Fernfelddivergenz auf der Grundlage der Ausbreitung von Randstrahlen nützlich ist. Die Strahlengeometrie ist in 1C für die Fernfeldprojektion entlang der y-Achse dargestellt. Eine ähnliche Geometrie würde für die Fernfeldprojektion entlang der x-Achse gelten. Es wird angenommen, dass eine einzelne Meta-Linse 122 eine rechteckige Form mit den Abmessungen D_x und D_y hat. In diesem Beispiel wird angenommen, dass die Meta-Linse 122 konvex ist (sie erzeugt eine konvergierende sphärische Wellenfront für kollimiertes einfallendes Licht) und eine Brennebene im Substratmaterial mit dem Abstand f hat. In 1C stellen die fettgedruckten Strahlen 150A-150D (zusammen „Strahlen 150“) Strahlen dar, die zu Grenzrändern im Fernfeld führen. Dazu gehören einfallende parallele Strahlen von den VCSELs 112 und von den VCSEL-Strahlen mit dem höchsten Winkel. Es ist zu beachten, dass die Position eines VCSEL 112 in Bezug auf jede Meta-Linse 122A-122n in dem Meta-Linsen-Array 120 im Grunde zufällig oder unkorreliert ist. Daher kann eine bestimmte Meta-Linse 112 sowohl von parallelen als auch von außermittigen Strahlen von nahe gelegenen VCSELs 112, die in Bezug auf die optische Achse einer bestimmten Meta-Linse 122 zufällig angeordnet sein können, beleuchtet werden. Im Allgemeinen kann die Lage der parallelen Strahlen und der Strahlen mit dem höchsten Winkel 150 an zufälligen Stellen auf der Einfallsfläche 128 von jeder Meta-Linse 122, die das Meta-Linsen-Array 120 bilden, erscheinen. Wie in 1C dargestellt, führen die fettgedruckten Strahlen 150 zu den Fernfeldstrahlen 160A und 160B mit dem höchsten Winkel (zusammen „Fernfeldstrahlen 160“). Es kann vorteilhaft sein, die Oberfläche des Meta-Linsen-Systems vollständig zu beleuchten und keine unbeleuchteten Bereiche zu haben. In einigen Ausführungsformen kann die Anzahl der VCSEL 112 geringer sein als die Anzahl der Meta-Linsen 122 in dem Meta-Linsen-Array 120. Diese Überlegungen implizieren D_c > D_x und D_c > D_y , wobei die Einfallsfläche jeder Meta-Linse 122 eine im Allgemeinen rechteckige Fläche D_x x D_y ist und der Durchmesser der von einem einzelnen VCSEL beleuchteten Fläche D_c, angegeben mit 132, ist, so dass jede gegebene VCSEL 112 eine gegebene Meta-Linse 122 mit einer Teilmenge aller Strahlen, die auf die Einfallsfläche 128 der Meta-Linse 122 fallen, beleuchtet wird. Im Allgemeinen tragen die einfallenden außermittigen Strahlen 150 zu den Fernfeldstrahlen 160 mit höherem Winkel bei, aber diese haben eine geringere Strahlungsintensität und tragen weniger zur Fernfeldbeleuchtung bei.
Beispielsweise kann eine Meta-Linse 122 einen hyperboloidalen Phasengang erzeugen, so dass parallel kollimiertes Licht unabhängig von der Linsengröße einen beugungsbegrenzten Fokus erreicht. Die gewünschte Phasenverzögerung Ψ, die von der Meta-Linse 122 als Funktion des Radius (r) und der Brennweite (f) vermittelt wird, ist gegeben durch: $ψ = \underset{2 π}{mod} [ψ_{0} + \frac{2 π n_{s}}{λ_{0}} (f - \sqrt{f^{2} + r^{2}})]$
wobei λ₀ = Wellenlänge im freien Raum bei einfallender Energie ist.
In Gl. Fehler! Bezugsquelle nicht gefunden, nimmt das Argument der Modulo 2π-Phasenfunktion mit zunehmendem Radius ab. Dadurch wird die zunehmende Phasenverzögerung kompensiert, die erforderlich ist, um eine konvergierende Kugelwelle zu erzeugen, die sich im Substrat ausbreitet und von dem Meta-Linsen-Array 120 ausgeht. Der konstante Phasenfaktor ψ₀ korrespondiert zu der endlichen Phasenverzögerung, die an der optischen Achse der Linse besteht. Im Allgemeinen ist diese anfängliche Phasenverzögerung durch den für die Mitte der Meta-Linse gewählten Säulendurchmesser gegeben. In dieser Ausführungsform stellt ψ₀ = π eine Möglichkeit dar, die in der aktuellen Ausführungsform verwendet wird, aber ψ₀ kann ein beliebiger Wert sein, der häufig auf Null gesetzt wird, d. h, ψ₀ = 0. Es ist zu beachten, dass der Phasengang vom Brechungsindex des Meta-Linsen-Array-Substrats 126 (n_s) für die Konfiguration dieser Ausführungsform abhängt. Gl. Fehler! Bezugsquelle nicht gefunden, kann leicht verallgemeinert werden, um eine Punktquelle aus einer endlichen Entfernung L statt aus dem Unendlichen abzubilden. Es ist auch möglich, das reale VCSEL-Feld in einem endlichen Abstand L zu berücksichtigen, was zu einer komplizierteren Phasentransformation führt. In verschiedenen Ausführungsformen kann eine Vielzahl möglicher Phasenfunktionen verwendet werden, die zusätzliche Polynomterme enthalten können, die zu GI. Fehler! Bezugsquelle nicht gefunden, hinzugefügt werden, um eine gewünschte Strahlungsintensität im Fernfeld zu erreichen. In solchen Ausführungsformen sollte die Phasenfunktion jedoch mindestens einen Term der Form von Gl. Fehler! Bezugsquelle nicht gefunden., ihrer polynomischen Näherung oder verwandte Terme zur Abbildung von Punktquellen aufweisen, so dass die gesamte Phasenfunktion auf einen realen oder virtuellen Brennpunkt fokussiert. Es können verschiedene Algorithmen verwendet werden, um eine Phasenfunktion für eine gewünschte Strahlungsintensitätsverteilung im Fernfeld zu finden.
Ein Entwurfskriterium für das Meta-Linsen-Array 120 kann auf einem periodischen Gitter beruhen, das sich im Allgemeinen wie ein Sub-Wellenlängen-Gitter verhält, d. h. ein lokaler Teil des Meta-Linsen-Arrays 120 sollte keine Beugungsordnungen oberhalb der Ordnung Null erzeugen. Für den Fall eines hexagonalen Gitters mit der Periode P kann man zeigen, dass eine gegebene Ordnung (m, n) eine nichtausbreitende Mode in einem Medium mit dem Brechungsindex n_m ergibt, wenn die folgende Bedingung erfüllt ist: $P < \frac{2 λ_{0}}{\sqrt{3} n_{m}} \sqrt{m^{2} + n^{2} - nm .}$
Für den Fall von Meta-Linsen 122 auf einem Quarzglas-Meta-Linsen-Array-Substrat 126 mit n_s = 1,451 und λ₀ = 940 nm, P < 704 nm. Und in die Luft,
P < 1085 nm. Für einen hohen Linsenwirkungsgrad muss P die GI.(1) für Luft (oder für eine Verkapselungsschicht 302, die um das Meta-Linsen-Array 120 herum angeordnet ist) erfüllen. Es kann auch wünschenswert sein, die GI.(1) auch für das Meta-Linsen-Array-Substrat 126 zu erfüllen, damit Moden höherer Ordnung nicht zurückgestreut werden und zu Verlusten führen.
Die lokale Phase und die Leistungsübertragung durch das Meta-Linsen-Array können durch periodische Simulationen, wie z. B. die rigorose Analyse gekoppelter Wellen (engl. rigorous coupled-wave analysis, RCWA), auf dem hexagonalen Gitter für Meta-Linsen 122A-122n mit gegebenem Brechungsindex n_P, gegebener Höhe h und gegebenem Durchmesser d. Im Allgemeinen ist die Höhe der Meta-Linsen festgelegt, so dass binäre Lithografie verwendet werden kann, und der Durchmesser wird variiert, um die Phase und die Leistungsübertragung abzubilden. Es kann nach Höhen h und Perioden P gesucht werden, die gleichzeitig eine akzeptabel hohe Transmission z.B. > 80 %, > 85 %, > 90 % oder > 95 % mit einem Phasengang von sehr nahe oder größer als 2π ergeben. Daraus ergibt sich dann ein Satz von Meta-Linsen-Durchmessern, die lokal zu der Zielphase in Gl. Fehler! Bezugsquelle nicht gefunden., übereinstimmen.
Bezugnehmend auf 1A, können in mindestens einigen Ausführungsformen die VCSELs 112 in, auf, um oder über der gesamten oder einem Teil der Oberfläche des VCSEL-Substrats 114 angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen können ein oder mehrere Leiter, Bahnen, Vias oder ähnliche elektrisch leitende Strukturen jeden der VCSELs 112 mit einem Pad, Pin oder einem ähnlichen elektrisch leitenden Verbinder auf einer Oberfläche des VCSEL-Substrats 114 quer gegenüber einer Dicke des VCSEL-Substrats 114 zu der Oberfläche, auf der die VCSELs 112 angeordnet sind, funktionsfähig verbinden.
Die 3D-Strukturen 124, die in jeder der Meta-Linsen 122 enthalten sind, können aus einem oder mehreren anorganischen Materialien mit hohem Brechungsindex hergestellt sein, um Robustheit und Feldeinschränkung zu gewährleisten. Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff „hoher Brechungsindex“ auf Materialien, Zusammensetzungen und/oder Kombinationen von Materialien mit einem Brechungsindex von mehr als 2,0. Beispiele für Materialien mit hohem Brechungsindex sind u. a. TiO₂ , Ta₂O₅ , amorphes Si, c-Si, GaN, GaP-lnP, GalnAs, Si₃N₄ und andere ähnliche verlustfreie oder nahezu verlustfreie optische Materialien, die als Dünnschicht abgeschieden werden können. Die 3D-Strukturen 124 können in, auf oder um das gesamte oder einen Teil eines Substrats mit lithografischen Techniken gebildet, abgeschieden oder anderweitig angeordnet werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf UV- und Tief-UV-Photolithografie, E-Beam-Lithografie und Nano-Imprint-Techniken. Die von den VCSELs 112 ausgestrahlte elektromagnetische Energie gelangt auf die Einfallsfläche 128 der 3D-Struktur 124. In einigen Ausführungsformen kann die Einfallsfläche 128 in der Nähe des Meta-Linsen-Substrats 122 angeordnet sein. In anderen Ausführungsformen kann die Einfallsfläche 128 entfernt von dem Meta-Linsen-Substrat 122 angeordnet sein.
Die 3D-Strukturen 124, die jede der Meta-Linsen 122A-122n, die das Meta-Linsen-Array 120 bilden, können eine beliebige physische Geometrie (d. h. ein Querschnittsprofil) und beliebige physische Abmessungen aufweisen. Jede Meta-Linse 122 kann eine oder mehrere 3D-Strukturen 124 aufweisen. Beispiele für nicht einschränkende physische 3D-Strukturen sind polygonale (dreieckige, quadratische, rechteckige, fünfeckige, sechseckige usw.) Säulen, ovale Säulen und zylindrische Säulen. In einigen Ausführungsformen kann jede von einigen oder allen der Meta-Linsen 122A-122n die gleiche Anzahl von 3D-Strukturen 124 aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann jede von einigen oder allen der Meta-Linsen 122A-122n eine unterschiedliche Anzahl von 3D-Strukturen 124 aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann jede von einigen oder allen der Meta-Linsen 122A-122n 3D-Strukturen 124 mit der gleichen physikalischen Geometrie aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann jede von einigen oder allen der Meta-Linsen 122A-122n 3D-Strukturen 124 mit zwei oder mehr unterschiedlichen physikalischen Geometrien aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann jede von einigen oder allen der Meta-Linsen 122A-122n 3D-Strukturen 124 mit denselben Abmessungen (Durchmesser, Umfang, Radien, Kreisumfang usw.) aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann jede von einigen oder allen der Meta-Linsen 122A-122n 3D-Strukturen 124 mit zwei oder mehr unterschiedlichen Dimensionen aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann jede von einigen oder allen der Meta-Linsen 122A-122n 3D-Strukturen 124 mit der gleichen Höhe (d. h. Höhe gemessen von der 3D-Strukturoberfläche distal von der Oberfläche des Meta-Linsen-Array-Substrats zur Oberfläche des Meta-Linsen-Array-Substrats) aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann jede von einigen oder allen der Meta-Linsen 122A-122n 3D-Strukturen 124 mit zwei oder mehr unterschiedlichen Höhen aufweisen. Zum Beispiel kann in zumindest einigen Ausführungsformen jede der Meta-Linsen 122, die das Meta-Linsen-Array 120 bilden, eine oder mehrere 3D-Strukturen 124 aufweisen, beispielsweise eine oder mehrere zylindrische Säulen oder Nanoelemente mit einer einzigen festen Höhe, die weniger als 1 µm betragen kann, für Anwendungen, bei denen die VCSELs 112 eine elektromagnetische Ausgabe im sichtbaren und/oder nahen infraroten elektromagnetischen Spektrum erzeugen.
In einigen Ausführungsformen kann die Vielzahl der Meta-Linsen 122A-122n, die das Meta-Linsen-Array 120 bilden, in einer festen Gitterformation oder einem festen Muster auf dem Meta-Linsen-Array-Substrat 126 angeordnet sein. Beispiele für feste Gitterformationen sind unter anderem eine quadratische Gitterformation, eine hexagonale Gitterformation, eine dreieckige Gitterformation, eine spiralförmige Gitterformation oder eine konzentrische Gitterformation. In anderen Ausführungsformen kann die Vielzahl der Meta-Linsen 122A-122n, die das Meta-Linsen-Array 120 bilden, in einer zufälligen Gitterformation oder einem zufälligen Muster auf dem Meta-Linsen-Array-Substrat 126 angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen kann die Vielzahl der Meta-Linsen 122A-122n zwei oder mehr unterschiedliche physikalische Dimensionen aufweisen, um die lokale Phase und Amplitude der einfallenden Wellenfront auf lateralen Längenskalen unterhalb der Wellenlänge zu verändern. In einigen Ausführungsformen können die ein oder mehreren 3D-Strukturen 124, die in einer Meta-Linse 122 enthalten sind, aus demselben Material (Homomaterial) wie das Meta-Linsen-Array-Substrat 126 hergestellt werden. In einigen Ausführungsformen können solche 3D-Strukturen aus demselben Material direkt in das Meta-Linsen-Array-Substrat 126 geätzt werden. In anderen Ausführungsformen können die 3D-Strukturen 124, die in einer Meta-Linse 122 enthalten sind, aus einem oder mehreren Materialien hergestellt werden, die sich von dem Meta-Linsen-Array-Substrat 126 unterscheiden (Heteromaterial). In solchen Fällen können die 3D-Strukturen 124, die in jeder der Meta-Linsen 122A-122n enthalten sind, durch Abscheidung einer Schicht des 3D-Strukturmaterials gebildet werden, gefolgt von einem Materialentfernungsprozess wie Ätzen oder Laserablation.
In einigen Ausführungsformen kann jede der Vielzahl von Meta-Linsen 122A-122n, die das Meta-Linsen-Array 120 bilden, die gleiche oder eine unterschiedliche Brennweite haben. In einigen Ausführungsformen können die Meta-Linsen 122A-122n eine Brennweite von weniger als etwa 500 Mikrometer (µm), 400 µm, 300 µm, 200 µm oder 100 µm haben. In einigen Ausführungsformen kann jede Meta-Linse 122, die in der Vielzahl der Meta-Linsen 122A-122n enthalten ist, die das Meta-Linsen-Array 120 bilden, die gleiche Außenabmessung haben. In anderen Ausführungsformen können verschiedene Meta-Linsen 122, die in der Vielzahl der Meta-Linsen 122A-122n enthalten sind, die das Metallstifte-Array 120 bilden, unterschiedliche Außenabmessungen haben, zum Beispiel zwei oder mehr unterschiedliche Außenabmessungen. Jede Meta-Linse 122A-122n, die in der Meta-Linsen-Array 120 enthalten ist, kann eine Außenabmessung (d. h. einen Durchmesser) von etwa 300 µm oder weniger, 200 µm oder weniger, 100 µm oder weniger, 75 µm oder weniger, oder 50 µm oder weniger haben und kann eine Form annehmen, die der des projizierten Beleuchtungsbereichs nahe kommt. Beträgt beispielsweise das Seitenverhältnis einer gewünschten rechteckigen Fernfeldbeleuchtung 4:3, so kann jede der Meta-Linsen 122A-122n rechteckig sein und ungefähr das gleiche Seitenverhältnis von 4:3 haben.
In einigen Ausführungsformen kann das Meta-Linsen-Array-Substrat 126 ein Heteromaterial-Substrat aufweisen, das eine Vielzahl von kristallinen oder amorphen transparenten Materialien im gewünschten Wellenlängenbereich aufweist. Beispiele für Heteromaterial-Meta-Linsen-Array-Substrate 126 sind unter anderem Quarzglas, Glas, Saphir, Si, MgF₂, Si₃N₄ , GaN, GaAs, bestimmte Polymere und ähnliche Materialien. In solchen Ausführungsformen können solche Heteromaterial-Meta-Linsen-Array-Substrate 126 mit den Materialentfernungs- oder Ätzprozessen kompatibel sein, die verwendet werden, um die 3D-Strukturen 124, die die Meta-Linsen 122A-122n in dem Heteromaterial-Meta-Linsen-Array-Substrat bilden, zu erzeugen.
2 zeigt ein Beispielsystem 200, bei dem das Meta-Linsen-Array 120 dem VCSEL-Array 110 zugewandt ist, in Übereinstimmung mit mindestens einer hier beschriebenen Ausführungsform. Wie in 2 dargestellt, ist die dem VCSEL-Array 110 zugewandte Einfallsfläche des Meta-Linsen-Array-Substrats 126 in einem Abstand 130 von der Emissionsfläche jedes der VCSELs 112 angeordnet.
3 zeigt ein weiteres Beispielsystem 300, bei dem das Meta-Linsen-Array 120, das eine Verkapselungsschicht 302 aufweist, mit dem VCSEL-Array 110 gestapelt und physisch mit diesem gekoppelt ist, wobei eine Klebstoffschicht 304 zwischen dem Meta-Linsen-Array-Substrat 126 und den Emissionsflächen der VCSELs 112 angeordnet ist, in Übereinstimmung mit mindestens einer hier beschriebenen Ausführungsform. In einigen Ausführungsformen kann die Klebstoffschicht 304 jede Art von thermisch härtbarem, chemisch aktiviertem oder photochemisch aktiviertem Klebstoff aufweisen. In mindestens einigen Ausführungsformen kann die Klebstoffschicht 304 einen UV-härtbaren Klebstoff aufweisen. In solchen Ausführungsformen kann der Klebstoff einen Brechungsindex aufweisen, der dem Brechungsindex des Meta-Linsen-Array-Substrats 126 ähnlich ist (d. h. innerhalb eines Bereichs von ±20 %).
In einigen Ausführungsformen kann die Verkapselungsschicht 302 konform sein und zumindest einen Teil der Zwischenräume zwischen den Meta-Linsen 122A-122n ausfüllen. In zumindest einigen Ausführungsformen kann die Verkapselungsschicht 302 die Räume zwischen den Meta-Linsen 122A-122n vollständig ausfüllen. In anderen Ausführungsformen kann sich die Verkapselungsschicht 302 über die Entladungsflächen der Meta-Linsen 122A-122n erstrecken. Die Verkapselungsschicht 302 kann ein oder mehrere Materialien, eine oder mehrere Verbindungen oder eine oder mehrere Kombinationen von Materialien aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann das Material der Verkapselungsschicht einen relativ niedrigen Brechungsindex aufweisen (z. B. einen Brechungsindex von weniger als 2,0), um den Feldeinschluss in den Meta-Linsen 122A-122n beizubehalten. Beispiele für Materialien, die sich für die Verwendung als Verkapselungsschicht 302 eignen, sind unter anderem SiO₂ und amorphes Al₂O₃ . Die Verkapselungsschicht 302 kann in, auf, um oder um die Meta-Linsen 122A-122n herum unter Verwendung einer oder mehrerer Materialabscheidungstechniken, wie z. B. Atomlagenabscheidung (ALD), abgeschieden, aufgebracht oder anderweitig verteilt werden. In einigen Ausführungsformen kann die freiliegende Oberfläche der Verkapselungsschicht 302 optisch flach sein. In einigen Ausführungsformen kann die freiliegende Oberfläche der Verkapselungsschicht 302 durch eine oder mehrere Endbearbeitungstechniken, wie z.B. chemisch-mechanisches Polieren (CMP), bearbeitet sein.
In einigen Ausführungsformen kann sich die Klebstoffschicht 304 zwischen den VCSELs 112 erstrecken und bis zur Oberfläche des VCSEL-Substrats 114 reichen. In solchen Ausführungsformen kann das Meta-Linsen-Array-Substrat 126 in einer Vakuumumgebung an das VCSEL-Array 110 geklebt werden, und die Dicke der Klebstoffschicht 304 ist größer als die Höhe der VCSELs 112, so dass die Klebstoffschicht 304 die Emissionsflächen der im VCSEL-Array 110 enthaltenen VCSELs 112 abdeckt. Bei solchen Ausführungsformen kann eine Modifikation der VCSEL-Ausgabekopplung-Bragg-Spiegel erforderlich sein, da die elektromagnetische Emission des VCSEL direkt in ein Material mit höherem Brechungsindex (d.h. die Klebstoffschicht 304) als Luft eintritt. Die Meta-Linsen 122 fokussieren nun in Luft.
4 zeigt ein weiteres Beispielsystem 400, das die Flip-Chip-Technologie verwendet, um das VCSEL-Array 110 auf einer ersten Seite 412 eines Flip-Chip-Substrats 410 und das Meta-Linsen-Array 120 auf einer zweiten Seite 414 des Flip-Chip-Substrats 410 auszubilden, so dass die elektromagnetische Emission von den VCSELs 112 durch das Flip-Chip-Substrat 410 und durch das Meta-Linsen-Array 120 hindurchgeht, in Übereinstimmung mit mindestens einer hierin beschriebenen Ausführungsform. Das Flip-Chip-Substrat kann eine erste Oberfläche 412 und eine zweite Oberfläche 414 aufweisen. Wie in 4 dargestellt, kann das VCSEL-Array 110 funktionsfähig mit einem VCSEL-Substrat 114 gekoppelt sein, so dass die elektromagnetische Energie von den VCSELs 112A-112n in und durch das Flip-Chip-Substrat 410 emittiert wird. Wie in 4 dargestellt, umfassen die Meta-Linsen 122A-122n ein oder mehrere Materialien, Verbindungen oder Kombinationen von Materialien mit relativ hohem Brechungsindex (d. h. Brechungsindex größer als 2,0) und können auf der zweiten Oberfläche 414 des Flip-Chip-Substrats 410 gebildet, abgeschieden oder angeordnet sein. Die Verkapselungsschicht 302 ist auf die zweite Oberfläche 414 des Flip-Chip-Substrats 410 aufgebracht und bedeckt die Meta-Linsen 122A-122n lückenlos und konform. Die Verkapselungsschicht 302 bietet eine optisch flache Oberfläche, durch die die elektromagnetische Energie (z. B. sichtbare oder NIRelektromagnetische Energie), die aus dem Meta-Linsen-Array 120 austritt, hindurchgeht.
In zumindest einigen Ausführungsformen kann die Flip-Chip-Konfiguration hergestellt werden, indem zunächst das VCSEL-Array 110 auf der ersten Oberfläche 412 des Flip-Chip-Substrats 410 und anschließend das Meta-Linsen-Array 120 auf der zweiten Oberfläche 414 des Flip-Chip-Substrats 410 ausgebildet wird. In solchen Ausführungsformen können die VCSELs 112A-112n vorübergehend in eine Schutzschicht eingekapselt werden, die nach Abschluss der Herstellung des Meta-Linse Arrays 120 einfach und sicher entfernt werden kann. In solchen Ausführungsformen kann ein anderes Verfahren ein Montieren des VCSEL-Flip-Chips in einem versiegelten Träger aufweisen, der so eingerichtet sein kann, dass er die VCSEL 112A-112n vor den Verfahrensschritten zur Herstellung des Meta-Linsen-Arrays 120 schützt. In einem Beispiel kann ein versiegelter Träger den Flip-Chip aufweisen und amorphes Silizium (a-Si) kann verwendet werden, um die Meta-Linsen 122 auszubilden, wodurch das System während der Verarbeitung unter 200°C gehalten wird, um eine Beschädigung der VCSELs 112 zu verhindern. In anderen Ausführungsformen können auch Materialien wie Si₃N₄ für die Herstellung der Meta-Linsen 122A-122n nützlich sein, da Si₃N₄ bei Temperaturen im Bereich von 200 °C durch plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) abgeschieden werden kann. Ein oder mehrere lithografische und ätzende Verfahren können auf solche a-Si- oder Si₃N₄ -Filme angewandt werden, um das Meta-Linsen-Array 120 herzustellen. Alternativ können ähnliche Materialien, die für die Abscheidung bei niedrigen Temperaturen geeignet sind, zur Herstellung der Meta-Linsen 122A-122n verwendet werden. Eine Verkapselungsschicht 302, wie z. B. SiO₂ , kann auf das Meta-Linsen-Array 120 mit einer oder mehreren Niedertemperatur-Materialabscheidungstechniken aufgebracht werden. In anderen Ausführungsformen kann das Meta-Linsen-Array 120 auf der zweiten Oberfläche 414 des Flip-Chip-Substrats 410 vor der Herstellung des VCSEL-Arrays 110 auf der ersten Oberfläche 412 des Flip-Chip-Substrats 410 hergestellt, abgeschieden oder auf andere Weise gebildet werden, da die Abscheidung eines hochwertigen amorphen Siliziums Temperaturen von mehr als 200 °C erfordern kann, was möglicherweise Schäden an den zuvor hergestellten VCSELs 112A-112n verursacht.
5 zeigt ein weiteres Beispielsystem 500, das die Flip-Chip-Technologie verwendet, um das VCSEL-Array 110 auf einer ersten Oberfläche 512 eines Flip-Chip-Substrats 510 und das Meta-Linsen-Array 120 auf einer zweiten Oberfläche 514 des Flip-Chip-Substrats 510 auszubilden, so dass die elektromagnetische Emission von den VCSELs 112 durch das Flip-Chip-Substrat 510, durch eine Pufferschicht 520 mit niedrigem Brechungsindex und durch das Meta-Linsen-Array 120 hindurchgeht, in Übereinstimmung mit mindestens einer hierin beschriebenen Ausführungsform. Wie in 5 dargestellt, kann in einigen Ausführungsformen eine Pufferschicht 520 mit niedrigem Brechungsindex auf mindestens einem Teil der zweiten Oberfläche 514 des Flip-Chip-Substrats 510 ausgebildet sein. In einigen Ausführungsformen kann die Pufferschicht 520 mit niedrigem Brechungsindex einen Brechungsindex aufweisen, der geringer ist als der Brechungsindex des Flip-Chip-Substrats 510. In zumindest einigen Ausführungsformen kann das Flip-Chip-Substrat 510 einen Brechungsindex von etwa 2,0 oder mehr, 2,5 oder mehr, 3,0 oder mehr, oder 3,5 oder mehr aufweisen. In zumindest einigen Ausführungsformen kann die Pufferschicht 520 mit niedrigem Brechungsindex einen Brechungsindex von etwa weniger als 2,0, weniger als 2,5, weniger als 3,0 oder weniger als 3,5 haben. In einigen Ausführungsformen kann der Brechungsindex der Pufferschicht 520 größer sein als der Brechungsindex der Verkapselungsschicht 302 und kann kleiner sein als der Brechungsindex des Flip-Chip-Substrats 510. In einigen Ausführungsformen kann der Brechungsindex der Meta-Linsen 122 größer sein als der Brechungsindex der Pufferschicht 520.
6 zeigt ein Beispielverfahren 600 zur Herstellung eines Flip-Chips, der sowohl ein VCSEL-Array 110 als auch ein Meta-Linsen-Array 120 aufweist, in Übereinstimmung mit mindestens einer hierin beschriebenen Ausführungsform.
Die Herstellung beginnt bei 600A mit einem Flip-Chip-Substrat 602 mit einer ersten Oberfläche 604 und einer zweiten Oberfläche 606. In einigen Ausführungsformen kann das Flip-Chip-Substrat 602 ein Gallium-Arsenid (GaAs) Substrat aufweisen.
Bei 600B wird eine Epitaxieschicht 610 auf der ersten Oberfläche 604 des Flip-Chip-Substrats 602 aufgewachsen.
Bei 600C wird das Meta-Linsen-Array 620 in, auf oder um mindestens einen Teil der zweiten Oberfläche 606 des Flip-Chip-Substrats 602 abgeschieden, gebildet oder hergestellt. In einigen Ausführungsformen kann das Meta-Linsen-Array 620 unter Verwendung einer Materialabscheidungs- und Ätztechnik hergestellt werden. Beispielsweise kann das Meta-Linsen-Array 620 zunächst durch chemische Abscheidung aus der Gasphase (CVD) oder physikalische Abscheidung aus der Gasphase (PVD) abgeschieden und durch eine Materialentfernungstechnik wie Lithografie geätzt werden. In anderen Ausführungsformen kann das Meta-Linsen-Array 120 in die zweite Oberfläche 606 des Flip-Chip-Substrats 602 mit einem oder mehreren Materialabtragsverfahren, z. B. Laserablation, eingebracht werden. In Ausführungsformen, die von der für das Meta-Linsen-Array 620 verwendeten Abscheidungsmethode abhängen, kann eine temporäre Schutzschicht (in 6 nicht dargestellt) auf die Epitaxieschicht 610 aufgebracht werden, um die Abscheidung des Meta-Linse-Materials zu verhindern und die Epitaxieschicht vor Schäden durch die Meta-Linse-Ätzprozesse zu schützen. Das Meta-Linsen-Array 620 kann mit Hilfe von Nanolithografieverfahren und kompatiblen Ätzverfahren hergestellt werden. In einigen Ausführungsformen kann eine Verkapselungsschicht (in 6 nicht dargestellt) auf das Meta-Linsen-Array 620 aufgebracht werden.
Bei 600D kann eine Opferschutzschicht 630 auf das Meta-Linsen-Array 620 aufgebracht werden, um eine Beschädigung während des restlichen Herstellungsverfahrens zu verhindern.
Bei 600E kann das VCSEL-Array 640 in, auf, um oder quer zu mindestens einem Teil der Epitaxieschicht 610 auf der ersten Oberfläche 604 des Flip-Chip-Substrats 602 abgeschieden, gebildet, hergestellt oder anderweitig angeordnet werden.
Bei 600F werden leitende Elemente 650, wie z. B. Kupfersäulen, in, auf, um oder über mindestens einen Teil des VCSEL-Arrays 640 abgeschieden, geformt, hergestellt oder anderweitig angeordnet.
Bei 600G wird die Schutzschicht 630 auf dem Meta-Linsen-Array 620 entfernt.
Während 6 verschiedene Vorgänge gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen illustriert, ist es zu verstehen, dass nicht alle in 6 dargestellten Vorgänge für andere Ausführungsformen notwendig sind. In der Tat wird hierin vollständig in Betracht gezogen, dass in anderen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung die in 6 dargestellten Vorgänge und/oder andere hierin beschriebene Vorgänge in einer Weise kombiniert werden können, die nicht speziell in einer der Zeichnungen dargestellt ist, aber dennoch vollständig mit der vorliegenden Offenbarung übereinstimmt. Daher gelten Ansprüche, die sich auf Merkmale und/oder Vorgänge beziehen, die in einer Zeichnung nicht genau dargestellt sind, als im Umfang und Inhalt der vorliegenden Offenbarung enthalten.
Wie in dieser Anmeldung und in den Ansprüchen verwendet, kann eine Liste von Elementen, die durch den Begriff „und/oder“ verbunden sind, eine beliebige Kombination der aufgeführten Elemente bedeuten. So kann beispielsweise der Ausdruck „A, B und/oder C“ A, B, C, A und B, A und C, B und C oder A, B und C bedeuten. Wie in dieser Anmeldung und in den Ansprüchen verwendet, kann eine Liste von Elementen, die durch den Ausdruck „mindestens eines von“ verbunden sind, eine beliebige Kombination der aufgeführten Begriffe bedeuten. Zum Beispiel können die Ausdrücke „mindestens eines von A, B oder C“ A; B; C; A und B; A und C; B und C; oder A, B und C bedeuten.
Bei der Verwendung der Begriffe „System“ oder „Modul“ in den vorliegenden Ausführungen kann es sich z. B. um Software, Firmware und/oder Schaltkreise handeln, die so eingerichtet sind, dass sie einen der oben genannten Vorgänge ausführen. Software kann in Form von Softwarepaketen, Codes, Befehlen, Befehlssätzen und/oder Daten vorliegen, die auf nichtflüchtigen, computerlesbaren Speichermedien aufgezeichnet sind. Firmware kann als Code, Befehle oder Befehlssätze und/oder Daten verkörpert werden, die fest (z. B. nichtflüchtig) in Speichervorrichtungen codiert sind.
Die hier verwendeten Begriffe „Schaltung“ und „Schaltkreis“ können einzeln oder in beliebiger Kombination beispielsweise festverdrahtete Schaltungen, programmierbare Schaltungen wie Computerprozessoren mit einem oder mehreren einzelnen Befehlsverarbeitungskernen, Zustandsmaschinenschaltungen und/oder Firmware, die von programmierbaren Schaltungen ausgeführte Befehle speichert, oder künftige Rechenparadigmen, beispielsweise massive Parallelität, Analog- oder Quantencomputer, Hardwareimplementierung von Beschleunigern wie neuronale Netzprozessoren und Nicht-Silizium-Ausführungsformen der oben genannten aufweisen. Die Schaltkreise können gemeinsam oder einzeln als Schaltkreise verkörpert werden, die Teil eines größeren Systems sind, z. B. eines integrierten Schaltkreises (IC), eines System-on-Chip (SoC), von Desktop-Computern, Laptops, Tablet-Computern, Servern, Smartphones usw.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich daher auf Systeme und Verfahren, die zur Bereitstellung einer Meta-Oberflächen-Linse nützlich sind, die aus einer Vielzahl optischer Mehrkomponentenstrukturen besteht, die auf, um oder über mindestens einen Teil der Oberfläche eines Substratelements angeordnet sind. Jede der mehreren optischen Mehrkomponentenstrukturen weist eine massive zylindrische Kernstruktur auf, die von einer hohlen zylindrischen Kernstruktur umgeben ist, so dass sich zwischen der massiven zylindrischen Kernstruktur und der hohlen zylindrischen Struktur, die den massiven Kern umgibt, ein Spalt mit einer bestimmten Breite bildet. Die Breite des Spalts bestimmt die optische Leistung der Meta-Oberflächen-Linse. Die optischen Mehrkomponenten-Strukturen, die die Meta-Oberflächen-Linse bilden, erzeugen vorteilhafterweise nur eine geringe oder gar keine Phasenverschiebung in der elektromagnetischen Energie, die durch die Meta-Oberflächen-Linse hindurchgeht, wodurch eine optische Vorrichtung mit minimaler oder gar keiner Dispersion und/oder chromatischen Aberration entsteht.
Die folgenden Beispiele beziehen sich auf weitere Ausführungsformen. Die folgenden Beispiele der vorliegenden Offenbarung können Gegenstandsmaterial wie mindestens eine Vorrichtung, ein Verfahren, mindestens ein maschinenlesbares Medium zum Speichern von Befehlen, die, wenn sie ausgeführt werden, eine Maschine veranlassen, auf dem Verfahren basierende Handlungen auszuführen, Mittel zum Ausführen von auf dem Verfahren basierenden Handlungen und/oder ein System zum Bereitstellen eines Meta-Linsen-Arrays mit niedrigem Profil aufweisen, das eine relativ gleichmäßige Fernfeldbeleuchtung unter Verwendung einer Vielzahl von oberflächenemittierenden Lasern mit vertikalem Resonator (VCSEL) bereitstellt, die in einem Abstand von einer Vielzahl von Meta-Linsen, die ein Meta-Linsen-Array bilden, angeordnet sind, wobei die VCSELs zu den Meta-Linsen, die das Meta-Linsen-Array bilden, unkorreliert sind.
Die hier verwendeten Begriffe und Ausdrücke dienen der Beschreibung und nicht der Einschränkung und es ist nicht beabsichtigt, durch die Verwendung dieser Begriffe und Ausdrücke Äquivalente der gezeigten und beschriebenen Merkmale (oder Teile davon) auszuschließen, und es wird angemerkt, dass im Rahmen der Ansprüche verschiedene Änderungen möglich sind. Dementsprechend sollen die Ansprüche alle derartigen Äquivalente abdecken. Verschiedene Merkmale, Aspekte und Ausführungsformen wurden hier beschrieben. Die Merkmale, Aspekte und Ausführungsformen können sowohl miteinander kombiniert als auch variiert und modifiziert werden, wie dies von Fachleuten verstanden wird. Die vorliegende Offenbarung sollte daher so verstanden werden, dass sie solche Kombinationen, Variationen und Modifikationen aufweist.
Wie hierin beschrieben, können verschiedene Ausführungsformen mit Hilfe von Hardware-Elementen, Software-Elementen oder einer beliebigen Kombination davon durchgeführt werden. Beispiele für Hardwareelemente können Prozessoren, Mikroprozessoren, Schaltungen, Schaltungselemente (z. B. Transistoren, Widerstände, Kondensatoren, Induktoren usw.), integrierte Schaltungen, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASIC), programmierbare Logikbausteine (PLD), digitale Signalprozessoren (DSP), feldprogrammierbare Gate-Arrays (FPGA), Logikgatter, Register, Halbleiterbauelemente, Chips, Mikrochips, Chipsätze usw. sein.
Wenn in dieser Beschreibung von „eine Ausführungsform“ oder „einer Ausführungsform“ die Rede ist, bedeutet dies, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder eine bestimmte Eigenschaft, die im Zusammenhang mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform enthalten ist. Daher beziehen sich die Ausdrücke „in eine Ausführungsform“ oder „in einer Ausführungsform“ an verschiedenen Stellen in dieser Beschreibung nicht unbedingt auf dieselbe Ausführungsform. Darüber hinaus können die einzelnen Merkmale, Strukturen oder Eigenschaften in einer oder mehreren Ausführungsformen auf jede geeignete Weise kombiniert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 17/060607 [0001]

Claims

Beleuchtungsquelle, aufweisend: eine Vielzahl von oberflächenemittierenden Lasern mit vertikalem Resonator, VCSEL, wobei die Vielzahl von VCSELs so eingerichtet ist, dass sie eine elektromagnetische Entladung innerhalb eines ersten Frequenzbandes emittieren; und ein Meta-Linsen-Array, das physisch von der Vielzahl von VCSELs separiert ist, wobei das Meta-Linsen-Array eine Vielzahl von Meta-Linsen aufweist, wobei jede der Meta-Linsen eine oder mehrere optische Strukturen aufweist, wobei das Meta-Linsen-Array in Bezug auf die VCSELs so positioniert ist, dass mindestens ein Teil der elektromagnetischen Entladung, die von der Vielzahl von VCSELs emittiert wird, durch mindestens einen Teil der Vielzahl von Meta-Linsen, die in dem Meta-Linsen-Array enthalten sind, hindurchgeht.
Beleuchtungsquelle nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Meta-Linsen in einer regelmäßigen Anordnung auf einer ersten Oberfläche eines Substrats des Meta-Linsen-Arrays verteilt sind.
Beleuchtungsquelle nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Meta-Linsen in einem unregelmäßigen Muster über eine erste Oberfläche eines Substrats des Meta-Linsen-Arrays verteilt sind.
Beleuchtungsquelle nach Anspruch 1, wobei die eine optische Struktur oder die mehreren optischen Strukturen eine Vielzahl von optischen Strukturen aufweist/aufweisen.
Beleuchtungsquelle nach Anspruch 4, wobei eine erste Meta-Linse in der Vielzahl von Meta-Linsen eine erste Abmessung quer zu einem optischen Pfad durch die erste Meta-Linse aufweist.
Beleuchtungsquelle nach Anspruch 4, wobei das Meta-Linsen-Array eine Brennweite von weniger als 700 Mikrometern (µm) aufweist.
Beleuchtungsquelle nach Anspruch 4, wobei mindestens eine Meta-Linse in der Vielzahl von Meta-Linsen einen Durchmesser quer zu einer optischen Achse der mindestens einen Meta-Linse aufweist, wobei der Durchmesser weniger als 100 Mikrometer (µm) beträgt.
Beleuchtungsquelle nach Anspruch 4, wobei die Vielzahl der optischen Strukturen zwei oder mehr unterschiedliche physikalische Geometrien aufweist.
Beleuchtungsquelle nach Anspruch 4, wobei die Vielzahl von optischen Strukturen aus einem oder mehreren der folgenden Elemente bestehen: TiO₂ , Ta₂O₅ , amorphes Si, c-Si, GaN, und Si₃N₄.
Beleuchtungsquelle nach Anspruch 4 ferner aufweisend: ein erstes Substrat, das ein erstes Material aufweist, wobei das erste Substrat eine erste Oberfläche und eine quer gegenüberliegende zweite Oberfläche aufweist; und ein zweites Substrat, das ein zweites Material aufweist, wobei das zweite Substrat eine erste Oberfläche und eine quer gegenüberliegende zweite Oberfläche aufweist, wobei: die Vielzahl von VCSELs auf der ersten Oberfläche des ersten Substrats ausgebildet sind; das Meta-Linsen-Array auf der ersten Oberfläche des zweiten Substrats ausgebildet ist; und die erste Oberfläche des ersten Substrats gegenüber der ersten Oberfläche des zweiten Substrats angeordnet ist, so dass ein Spalt zwischen einer Emissionsoberfläche von jedem von zumindest einigen der Vielzahl von VCSELs und der ersten Oberfläche des zweiten Substrats besteht.
Beleuchtungsquelle nach Anspruch 10, wobei der Spalt einen ersten Abstand von weniger als 250 Nanometern, gemessen von einer Emissionsfläche von jedem von mindestens einigen der Vielzahl von VCSEL und der ersten Oberfläche des zweiten Substrats, aufweist.
Beleuchtungsquelle nach Anspruch 4 ferner aufweisend: ein erstes Substrat, das ein erstes Material aufweist, wobei das erste Substrat eine erste Oberfläche und eine quer gegenüberliegende zweite Oberfläche aufweist; und ein zweites Substrat, das ein zweites Material aufweist, wobei das zweite Substrat eine erste Oberfläche und eine quer gegenüberliegende zweite Oberfläche aufweist, wobei: die Vielzahl von VCSELs auf der ersten Oberfläche des ersten Substrats ausgebildet sind; das Meta-Linsen-Array auf der ersten Oberfläche des zweiten Substrats ausgebildet ist; und die zweite Oberfläche des zweiten Substrats in der Nähe einer Emissionsoberfläche von jedem von mindestens einigen der Vielzahl von VCSELs angeordnet ist, so dass die elektromagnetische Energie, die von den mindestens einigen der Vielzahl von VCSELs emittiert wird, durch das zweite Substrat hindurchgeht, bevor sie durch mindestens einige der Vielzahl von Meta-Linsen in dem Meta-Linsen-Array hindurchgeht.
Beleuchtungsquelle nach Anspruch 12 ferner aufweisend: eine Verkapselungsschicht, die in der Nähe von mindestens einem Teil der Vielzahl von Meta-Linsen in dem Meta-Linsen-Array angeordnet ist.
Beleuchtungsquelle nach Anspruch 13, wobei: das zweite Material einen ersten Brechungsindexwert aufweist; die Verkapselungsschicht einen zweiten Brechungsindexwert aufweist; und der zweite Brechungsindexwert innerhalb von ±10 % des ersten Brechungsindexwertes liegt.
Beleuchtungsquelle nach Anspruch 14, wobei die Verkapselungsschicht mindestens eines der folgenden Elemente aufweist: SiO₂ oder amorphes Al₂O₃.
Beleuchtungsquelle nach Anspruch 14, wobei die Verkapselungsschicht eine chemisch-mechanisch polierte Verkapselungsschicht aufweist.
Beleuchtungsquelle nach Anspruch 12, wobei das zweite Substrat unter Verwendung eines oder mehrerer Klebstoffe mit der Emissionsfläche von mindestens einigen der Vielzahl von VCSELs verbunden ist.
Beleuchtungsquelle nach Anspruch 17, wobei der eine Klebstoff oder die mehreren Klebstoffe einen ultraviolett aktivierten Klebstoff aufweisen.
Beleuchtungsquelle nach Anspruch 17, wobei: jeder der Vielzahl von VCSELs einen VCSEL mit einer ersten Höhe, gemessen in Bezug auf die erste Oberfläche des ersten Substrats, aufweist; und der eine Klebstoff oder die mehreren Klebstoffe eine Klebstoffschicht mit einer Dicke aufweisen, die mindestens der ersten Höhe entspricht.
Beleuchtungsquelle nach Anspruch 4, ferner aufweisend ein Flip-Chip-Substrat, das ein erstes Material mit einem ersten Brechungsindexwert aufweist, wobei das Flip-Chip-Substrat eine erste Oberfläche und eine quer gegenüberliegende zweite Oberfläche aufweist, wobei: die Vielzahl von VCSELs auf der ersten Oberfläche des Flip-Chip-Substrats ausgebildet sind; das Meta-Linsen-Array auf der zweiten Oberfläche des Flip-Chip-Substrats ausgebildet ist, wobei die Vielzahl von Meta-Linsen ein zweites Material mit einem zweiten Brechungsindexwert aufweist; und die elektromagnetische Entladung, die von mindestens einigen der Vielzahl von VCSELs emittiert wird, durch das Flip-Chip-Substrat hindurchgeht, bevor sie durch mindestens einige der Vielzahl von Meta-Linsen hindurchgelangt.
Beleuchtungsquelle nach Anspruch 20, wobei das Flip-Chip-Substrat mindestens eines von Quarzglas, Glas, Saphirglas, Si, MgF₂ , Si₃N₄ , GaN und GaAs aufweist.
Beleuchtungsquelle nach Anspruch 20 ferner aufweisend eine Verkapselungsschicht, die in der Nähe von mindestens einem Teil des Meta-Linsen-Arrays angeordnet ist.
Beleuchtungsquelle nach Anspruch 22, wobei: das zweite Material ein Material mit einem ersten Brechungsindexwert aufweist; die Verkapselungsschicht ein Material mit einem zweiten Brechungsindexwert aufweist; und der zweite Brechungsindexwert innerhalb von ±10 % des ersten Brechungsindexwertes liegt.
Beleuchtungsquelle nach Anspruch 4 ferner aufweisend: ein Flip-Chip-Substrat, das ein erstes Material mit einem ersten Brechungsindexwert aufweist, wobei das Flip-Chip-Substrat eine erste Oberfläche und eine quer gegenüberliegende zweite Oberfläche aufweist; und eine Pufferschicht mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, wobei mindestens ein Teil der ersten Oberfläche der Pufferschicht in der Nähe von mindestens einem Teil der zweiten Oberfläche des Flip-Chip-Substrats angeordnet ist, wobei die Pufferschicht ein oder mehrere Materialien mit einem zweiten Brechungsindexwert aufweist, wobei: die Vielzahl von VCSELs unter Verwendung des ersten Materials auf der ersten Oberfläche des Flip-Chip-Substrats gebildet ist; das Meta-Linsen-Array auf mindestens einem Teil der zweiten Oberfläche der Pufferschicht ausgebildet ist, wobei die Vielzahl der Meta-Linsen in dem Meta-Linsen-Array ein oder mehrere Materialien mit einem dritten Brechungsindexwert aufweist; und die elektromagnetische Entladung, die von mindestens einigen der Vielzahl von VCSELs emittiert wird, das Flip-Chip-Substrat und die Pufferschicht hindurchgeht, bevor sie durch mindestens einige der Vielzahl von Meta-Linsen hindurchgeht.
Beleuchtungsquelle nach Anspruch 24 ferner aufweisend eine Verkapselungsschicht, die in der Nähe mindestens eines Teils des Meta-Linsen-Arrays angeordnet ist.
Beleuchtungsquelle nach Anspruch 25, wobei der erste Brechungsindexwert größer ist als der zweite Brechungsindexwert.
Beleuchtungsquelle nach Anspruch 26, wobei: die Verkapselungsschicht ein oder mehrere Materialien mit einem vierten Brechungsindexwert aufweist; und der zweite Brechungsindexwert größer als der vierte Brechungsindexwert ist.
Beleuchtungsquelle nach Anspruch 24, wobei der dritte Brechungsindexwert größer als der zweite Brechungsindexwert ist.
Verfahren zur Herstellung einer Beleuchtungsquelle, wobei das Verfahren aufweist: Ausbilden einer Epitaxieschicht auf einer ersten Oberfläche eines GaAs-Substrats; Ausbilden eines Meta-Linsen-Arrays, das eine Vielzahl von Meta-Linsen auf einer zweiten Oberfläche des GaAs-Substrats aufweist, wobei die zweite Oberfläche des GaAs-Substrats quer über eine Dicke des GaAs-Substrats der ersten Oberfläche des GaAs-Substrats gegenüberliegt; Ausbilden einer Schutzschicht über mindestens einem Teil der Vielzahl von Meta-Linsen; Ausbilden einer Vielzahl von oberflächenemittierenden Lasern mit vertikalem Resonator (VCSELs) auf mindestens einem Teil der Epitaxieschicht; Ausbilden von metallischen Zwischenverbindungen in der Nähe von mindestens einigen der Vielzahl von VCSELs; und Entfernen mindestens eines Teils der Schutzschicht von dem Teil der Vielzahl von Meta-Linsen.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei ein nanolithografisches Verfahren verwendet wird, um das Meta-Linsen-Array auf der zweiten Oberfläche des GaAs-Substrats zu bilden.