JP2020530666A - High power laser grid structure - Google Patents

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Abstract

本明細書では、レーザ装置のための多様な実施形態が開示される。例示の実施形態では、レーザ装置が、(1)前面および背面を有するレーザ発光エピタキシャル構造であって、レーザ発光エピタキシャル構造が背面発光であり、単一メサ構造内に複数のレーザ領域を備え、各レーザ領域がアパーチャを有し、レーザビームがアパーチャを通して制御可能に放射される、レーザ発光エピタキシャル構造と、(2)レーザ発光エピタキシャル構造の背面上に位置するマイクロレンズアレイであって、マイクロレンズアレイの各マイクロレンズがレーザ発光エピタキシャル構造のレーザ領域に位置合わせされる、マイクロレンズアレイと、(3)アパーチャから放射される複数のレーザビームを非コヒーレントに結合するように位置付けされる非コヒーレントなビームコンバイナとを備える。Various embodiments for laser devices are disclosed herein. In an exemplary embodiment, the laser apparatus is (1) a laser emission epitaxial structure having a front surface and a back surface, the laser emission epitaxial structure is back emission, and a plurality of laser regions are provided in a single mesa structure. A laser emission epitaxial structure in which the laser region has an aperture and a laser beam is radiated in a controllable manner through the aperture, and (2) a microlens array located on the back surface of the laser emission epitaxial structure of the microlens array. A microlens array in which each microlens is aligned with the laser region of the laser emission epitaxial structure, and (3) a non-coherent beam combiner positioned to non-coherently combine multiple laser beams emitted from the aperture. And.

Description

低コストであり、高効率であり、ハイパワーである半導体レーザが、例えば、照明レーザ、ビーコンレーザ、などの、指向性エネルギー用途のための、または他のレーザを励起するための、技術分野で必要である。面発光レーザデバイスはパワーをスケーリングするように特に構成可能である。このようなデバイスは、通常、上面発光(top−emitting)または背面発光(back−emitting)であり、ここでは、全キャビティが一連の鏡およびアクティブ領域の中に作られる。他の設計では、鏡の完成体の一方側を数mmの比較的長い距離だけ外側に移動させることになる。このようなレーザデバイスのための外部キャビティの設計をアレイ構成の中に作ることは困難であることが分かっており、これは接着後にチップが非平面状に湾曲することに起因しており、これにより内部キャビティの鏡が悪影響を受け、一度に少数のアレイのみしか最適化されず、それにより一貫した結果を減少させる。 Low-cost, high-efficiency, high-power semiconductor lasers are used in the technical field for directed energy applications, such as illumination lasers, beacon lasers, or for exciting other lasers. is necessary. Surface emitting laser devices can be specifically configured to scale power. Such devices are typically top-emitting or back-emitting, where the entire cavity is created within a series of mirrors and active regions. Other designs would move one side of the finished mirror outward by a relatively long distance of a few millimeters. Designing an external cavity for such a laser device has proven difficult to make in an array configuration, which is due to the non-planar curvature of the chip after bonding. Will adversely affect the mirrors in the internal cavity, optimizing only a small number of arrays at a time, thereby reducing consistent results.

米国特許出願公開第2011/0176567号明細書U.S. Patent Application Publication No. 2011/01765667 米国特許出願公開第2017/0033535号明細書U.S. Patent Application Publication No. 2017/0033535 米国特許第5,978,408号明細書U.S. Pat. No. 5,978,408

Yoshikawaらの、「High Power VCSEL Devices for Free Space Optical Communications」、Proc. of Electronic Components and Technology Conference、2005年、pp.1353−58Vol.2Yoshikawa et al., "High Power VCSEL Devices for Free Space Communication", Proc. of Electronics Components and Technology Conference, 2005, pp. 1353-58 Vol. 2

当技術分野のこれらの問題に対しての解決策として、本発明者らは、湾曲することを克服することにおいて複数の利点を提供する半導体レーザ構造を開示する。このような構造の一例が、単一メサ構造の中に複数のレーザ領域を有する背面発光のエピタキシャル構造であってよく、各レーザ領域はアパーチャを有し、このアパーチャを通ってレーザビームが制御可能に放射される。各アパーチャはレーザキャビティの一部であってよい。湾曲が問題となるような上で説明した当技術の従来のアプローチとは異なり、材料の屈折率においてコントラストを有するような一連の層である鏡ステージの完成がウエハー上の鏡または反射層を用いて完成されることを理由として、各キャビティが悪影響を受けない。この一貫した距離が、より大型のデバイスアパーチャ内でのアウトプットを最適化するために、ビーム形成光学素子と併せて使用され得る(しかし、延長されたキャビティデバイスのアレイの全体の出力パワーを維持するためにはより多くのアパーチャが用いられる)。従来の設計を用いる場合、チップが基板に接着されるとき、応力がチップをわずかに変形させて平坦な表面からわずかに湾曲した表面とし、チップの表面に対して平面的である鏡アレイを位置合わせすることを不可能とする。キャビティの平面性は、アパーチャに戻るフィードバックを制御することを理由として、重要な位置合わせのための特徴である。 As a solution to these problems in the art, we disclose semiconductor laser structures that offer multiple advantages in overcoming curvature. An example of such a structure may be a back-emission epitaxial structure having a plurality of laser regions in a single mesa structure, each laser region having an aperture, through which the laser beam can be controlled. Is radiated to. Each aperture may be part of a laser cavity. Unlike the conventional approach of the art described above where curvature is an issue, the completion of a mirror stage, which is a series of layers that have contrast in the index of refraction of the material, uses a mirror or reflective layer on the wafer. Each cavity is not adversely affected because it is completed. This consistent distance can be used in conjunction with beam-forming optics to optimize output within larger device apertures (but maintain the overall output power of the extended cavity device array). More apertures are used to do this). When using the conventional design, when the chip is bonded to the substrate, the stress causes the chip to deform slightly from a flat surface to a slightly curved surface, positioning a mirror array that is flat with respect to the surface of the chip. Make it impossible to match. The flatness of the cavity is an important alignment feature because it controls the feedback back to the aperture.

本明細書で説明される例示の実施形態を用いる場合、当技術分野の従来の解決策によって経験される湾曲の問題が、マイクロレンズアレイのためのマウンティングサーフェスとしてレーザ基板の背面を使用することによって克服され得る;この表面は、常に、平面的であり、レーザ領域のためのすべてのレーザ光学軸に対して垂直である。このアーキテクチャにより従来の設計より小さいアパーチャサイズが得られるが、この小さいアパーチャサイズは、半導体レーザ構造に含まれ得るいくつかのレーザ領域および対応するアパーチャによってオフセットされ得る。この場合、非コヒーレントなビームコンバイナが、全体のビームのための低コヒーレンス長を得ることを目的として、これらのアパーチャによって放射されるレーザビームを非コヒーレントに結合するように位置付けされ得、これは照明装置およびビーコンレーザにとって有益である。 When using the exemplary embodiments described herein, the curvature problem experienced by conventional solutions in the art is by using the back surface of the laser substrate as the mounting surface for the microlens array. Can be overcome; this surface is always flat and perpendicular to all laser optic axes for the laser region. This architecture provides a smaller aperture size than conventional designs, but this smaller aperture size can be offset by some laser regions and corresponding apertures that may be included in the semiconductor laser structure. In this case, a non-coherent beam combiner can be positioned to non-coherently couple the laser beams emitted by these apertures with the aim of obtaining a low coherence length for the entire beam, which is illuminated. Useful for equipment and beacon lasers.

したがって、本明細書で説明される例示の実施形態により、パワーを増大させるが、パルス幅を縮小させ、サイズを縮小させ、重量を低減させ、コストを軽減させるのを可能にするような、独自の設計アーキテクチャが得られる。したがって、本明細書で説明されるテクノロジは、ドローン防衛用の指向性エネルギー兵器のために使用され得る照明装置またはビーコンレーザとして使用されるのに適する、高いビーム品質を有する、ハイパワーであり、短いコヒーレンス長を有するビームを得ることにより性能を向上させると見込まれる。 Accordingly, according to the exemplary embodiments described herein, the power is increased, but the pulse width is reduced, the size is reduced, the weight is reduced, and the cost is reduced. Design architecture is obtained. Therefore, the technology described herein is high power, with high beam quality, suitable for use as a luminaire or beacon laser that can be used for directed energy weapons for drone defense. It is expected that performance will be improved by obtaining a beam with a short coherence length.

本明細書において以下で、本発明のこれらのおよび他の特徴および利点が当業者に対して説明される。 These and other features and advantages of the present invention will be described herein to those of skill in the art.

例示の上面発光のインプラントの実施形態を示す図である。It is a figure which shows the embodiment of the implant of the exemplary top luminescence. 例示の上面発光のインプラントの実施形態を示す図である。It is a figure which shows the embodiment of the implant of the exemplary top luminescence. 例示の上面発光のインプラントの実施形態を示す図である。It is a figure which shows the embodiment of the implant of the exemplary top luminescence. 例示の上面発光のインプラントの実施形態を示す図である。It is a figure which shows the embodiment of the implant of the exemplary top luminescence. 例示の上面発光のインプラントの実施形態を示す図である。It is a figure which shows the embodiment of the implant of the exemplary top luminescence. 例示の底面発光(bottom emitting)のインプラントの実施形態を示す図である。It is a figure which shows the embodiment of the implant of the exemplary bottom emission (bottom emtiting). 例示の上面発光の酸化の実施形態を示す図である。It is a figure which shows the embodiment of the oxidation of the top emission of an example. 例示の上面発光の酸化の実施形態を示す図である。It is a figure which shows the embodiment of the oxidation of the top emission of an example. 例示の上面発光の酸化の実施形態を示す図である。It is a figure which shows the embodiment of the oxidation of the top emission of an example. 例示の上面発光の酸化の実施形態を示す図である。It is a figure which shows the embodiment of the oxidation of the top emission of an example. 例示の上面発光の酸化の実施形態を示す図である。It is a figure which shows the embodiment of the oxidation of the top emission of an example. 例示の底面発光の酸化の実施形態を示す図である。It is a figure which shows the embodiment of the oxidation of the bottom light emission of an example. 例示の底面発光の酸化の実施形態を示す図である。It is a figure which shows the embodiment of the oxidation of the bottom light emission of an example. 例示の底面発光の酸化の実施形態を示す図である。It is a figure which shows the embodiment of the oxidation of the bottom light emission of an example. 例示の底面発光の酸化の実施形態を示す図である。It is a figure which shows the embodiment of the oxidation of the bottom light emission of an example. 例示の底面発光の酸化の実施形態を示す図である。It is a figure which shows the embodiment of the oxidation of the bottom light emission of an example. 例示の底面発光の酸化の実施形態を示す図である。It is a figure which shows the embodiment of the oxidation of the bottom light emission of an example. 例示の底面発光の酸化の実施形態を示す図である。It is a figure which shows the embodiment of the oxidation of the bottom light emission of an example. 例示の底面発光の酸化の実施形態を示す図である。It is a figure which shows the embodiment of the oxidation of the bottom light emission of an example. 例示の底面発光の酸化の実施形態を示す図である。It is a figure which shows the embodiment of the oxidation of the bottom light emission of an example. 例示の底面発光の酸化の実施形態を示す図である。It is a figure which shows the embodiment of the oxidation of the bottom light emission of an example. 例示の底面発光の酸化の実施形態を示す図である。It is a figure which shows the embodiment of the oxidation of the bottom light emission of an example. 例示の底面発光の酸化の実施形態を示す図である。It is a figure which shows the embodiment of the oxidation of the bottom light emission of an example. 例示のマイクロストリップの実施形態を示す図である。It is a figure which shows the embodiment of an exemplary microstrip. 例示の位相コヒーレントの実施形態を示す図である。It is a figure which shows the embodiment of the exemplary phase coherent. 回折光学素子を採用する例示の実施形態を示す図である。It is a figure which shows the example embodiment which adopts a diffractive optical element. パターン回折格子(pattern diffractive grating)を採用する例示の実施形態を示す図である。It is a figure which shows the example embodiment which adopts the pattern diffraction grating (pattern diffraction grating). 例示のマイクロレンズの実施形態を示す図である。It is a figure which shows the embodiment of an exemplary microlens. 例示の第10の実施形態を示す図である。It is a figure which shows the tenth embodiment of an exemplary. 例示の第11の実施形態を示す図である。It is a figure which shows the eleventh embodiment of an example. 例示の第12の実施形態を示す図である。It is a figure which shows the twelfth embodiment of an exemplary. 種々の実施形態に関連するレージンググリッドのための追加のパターンの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the additional pattern for a lasing grid which is related to various embodiments. 本明細書で説明されるように設計される例示の実施形態と米国特許出願公開第2011/0176567号によって教示される実施形態との間で電流フローを比較して示す図である。FIG. 5 shows a comparison of current flow between an exemplary embodiment designed as described herein and an embodiment taught by US Patent Application Publication No. 2011/01765667. 例示の実施形態によるレーザ装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the laser apparatus by an exemplary embodiment. レーザウエハーの背面側に位置付けされるレンズを示している、例示の延長されたキャビティを示す断面図であり、ここでは、レンズが、鏡として機能する誘電体コーティングを有する。FIG. 6 is a cross-sectional view showing an exemplary extended cavity showing a lens located on the back side of a laser wafer, where the lens has a dielectric coating that acts as a mirror. 例示の実施形態ためのシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result for an exemplary embodiment. レーザ装置の例示の実施形態と共に使用され得る例示の融通性のあるビーム結合テクニックを示す図であるFIG. 5 illustrates an exemplary flexible beam coupling technique that can be used with an exemplary embodiment of a laser device. 図28の融通性のあるビーム結合テクニックを示す斜視図である。FIG. 28 is a perspective view showing the flexible beam coupling technique of FIG. グラフェンレンズ構造との組み合わせでレーザ構造を有する例示のレーザ装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the exemplary laser apparatus which has a laser structure in combination with a graphene lens structure. グラフェンレンズ構造を形成するのに使用され得る例示のプロセスを示す図である。FIG. 5 illustrates an exemplary process that can be used to form a graphene lens structure. グラフェンレンズ構造が幅および間隔に関して変化するように設計され得る例を示す図である。FIG. 5 illustrates an example in which the graphene lens structure can be designed to vary with respect to width and spacing. レーザ構造のための延長されたキャビティ設計において形成されるレンズを置き換えることができる例示のグラフェンレンズの設計を開示する図である。FIG. 5 discloses an exemplary graphene lens design that can replace the lens formed in an extended cavity design for a laser structure. レーザ構造において回折光学素子(DOE:diffractive optical element)を置き換えることができる例示のグラフェンレンズ設計を示す図である。It is a figure which shows the example graphene lens design which can replace a diffractive optical element (DOE) in a laser structure.

図25は、マイクロレンズアレイ2504および非コヒーレントなビームコンバイナ2510との組み合わせで、レーザ構造2502を含む例示のレーザ装置2500の断面図を示す。レーザ構造2502が、前面(頂部)2504および背面2506を有するレーザ発光エピタキシャル構造であってよく、レーザ発光エピタキシャル構造が背面発光である。レーザ構造は単一メサ構造の中に複数のレーザ領域を備え、各レーザ領域がアパーチャを有し、このアパーチャを通ってレーザビームが制御可能に放射される。図25によって示されるように、マイクロレンズアレイ2502がレーザ構造2502の背面2506上に置かれる。マイクロレンズアレイ2504の各マイクロレンズがレーザ発光エピタキシャル構造2502のレーザ領域に対して位置合わせされる。非コヒーレントなビームコンバイナ2510が、アパーチャから放射される複数のレーザビームを非コヒーレントに結合するように位置付けされる。 FIG. 25 shows a cross-sectional view of an exemplary laser device 2500 including a laser structure 2502 in combination with a microlens array 2504 and a non-coherent beam combiner 2510. The laser structure 2502 may be a laser emission epitaxial structure having a front surface (top) 2504 and a back surface 2506, and the laser emission epitaxial structure is back emission. The laser structure includes a plurality of laser regions in a single mesa structure, each laser region has an aperture, and a laser beam is radiated in a controllable manner through this aperture. As shown by FIG. 25, the microlens array 2502 is placed on the back surface 2506 of the laser structure 2502. Each microlens of the microlens array 2504 is aligned with respect to the laser region of the laser emission epitaxial structure 2502. The non-coherent beam combiner 2510 is positioned to non-coherently combine multiple laser beams emitted from the aperture.

レーザ構造2502として使用され得るデバイスの例が、以下の米国特許出願公開第2017/0033535号で開示および説明されており、その開示は、引用によりその全体が本明細書に組み込まれ、そのコピーが付録Aとして含められる。付録Aは、複数の導電グリッドから形成されるレーザ構造を説明しており、例示の実施形態ではこの複数の導電性グリッドから形成されるレーザ構造が、メサ構造の中にある半導体レーザの単一のユニットと、高周波数動作のための高速電気導波管に対してのそれらの接続部とによって具現化され得る。レーザ構造2502として使用され得るデバイスの追加の例が以下の米国特許出願で開示および説明されており、その各々の開示は、引用によりその全体が本明細書に組み込まれる:(1)2017年2月2日に出願された、「Methods to Advance Light Grid Structures for Low−Cost Laser Sources」と題される、米国特許出願第62/456,476号、(2)2017年2月2日に出願された、「Fabrication of Light Grid Structures with Wafer Scale Processing」と題される、米国特許出願第62/456,489号、(3)2017年2月2日に出願された、「High Power Laser Grid Structure for Applications over Distance」と題される、米国特許出願第62/456,501号、(4)2017年2月2日に出願された、「Methods for Advancing High Brightness Diodes」と題される、米国特許出願第62/456,518号、および(5)2017年2月15日に出願された、「Rigid Lasing Grid Structure Array Configured to Scan, Communicate, and Process Materials Using Deformable Light Fields」と題される、米国特許出願第62/459,061号。 An example of a device that can be used as a laser structure 2502 is disclosed and described in US Patent Application Publication No. 2017/0033535 below, the disclosure of which is incorporated herein by reference in its entirety and a copy thereof. Included as Appendix A. Appendix A describes a laser structure formed from a plurality of conductive grids, and in an exemplary embodiment, the laser structure formed from the plurality of conductive grids is a single semiconductor laser in the mesa structure. Units and their connections to high speed electrical waveguides for high frequency operation can be embodied. Additional examples of devices that can be used as the laser structure 2502 are disclosed and described in the following US patent application, each disclosure of which is incorporated herein by reference in its entirety: (1) 2017 2 US Patent Application No. 62 / 456,476, (2) filed February 2, 2017, entitled "Methods to Advance Light Grid Resources for Low-Cost Laser Sources", filed on February 2, 2017. Also, U.S. Patent Application No. 62 / 456,489, entitled "Fabrication of Light Grid Structures with Before Scale Processing," (3) "High Power Force Road," filed on February 2, 2017. U.S. Patent Application No. 62 / 456,501, entitled "Applications over Distance," (4) A U.S. Patent Application, entitled "Methods for Advanceing High Brightness Directions," filed February 2, 2017. No. 62 / 456,518, and (5) "Ridging Radi Structure Array Configured to Scan, Communicated, and Process Material Usage Defense," filed on February 15, 2017, U.S. Pat. Application No. 62 / 459,061.

さらに、レーザ構造2502は複数のレーザ発光エピタキシャル構造のアレイとしても構成され得、各レーザ発光エピタキシャル構造が単一のメサ構造を有し、ここでは、単一メサ構造が複数の分離されたレーザ領域を含む。このようなアレイの中では、レーザ構造2502が複数のメサ構造を含むことができ、各メサ構造が複数の分離されるレーザ領域を含む。このようなレーザグリッド構造は、小さいチップ上にいくつかのレーザ放射体を呈することができる。 Further, the laser structure 2502 can also be configured as an array of multiple laser emission epitaxial structures, where each laser emission epitaxial structure has a single mesa structure, where the single mesa structure is a plurality of separated laser regions. including. In such an array, the laser structure 2502 can include a plurality of mesa structures, each mesa structure including a plurality of separated laser regions. Such a laser grid structure can exhibit several laser emitters on a small chip.

例示の実施形態として、レーザ装置2500がビーコン照明装置レーザ内で使用され得る。このテクノロジでは、レーザキャビティは、図26に示されるように、光学構成要素を外部において位置合わせするのを排除することを目的として、ウエハーの背面まで延在していてよい。この設計アプローチはビーム品質を劇的に向上させることができる(M<1.5)。さらに、非コヒーレントなビーム形成アーキテクチャにおいて、個別のビームの特性によって定義される、高品質のビーム特性を有する複数の低コヒーレンスのビームを使用することにより、ビームのコヒーレンス長が1mm未満まで縮小され得る。 As an exemplary embodiment, a laser device 2500 may be used within a beacon illuminator laser. In this technology, the laser cavity may extend to the back of the wafer, as shown in FIG. 26, with the aim of eliminating external alignment of the optical components. This design approach can dramatically improve beam quality (M 2 <1.5). Moreover, in a non-coherent beam forming architecture, the coherence length of a beam can be reduced to less than 1 mm by using multiple low coherence beams with high quality beam characteristics defined by the characteristics of the individual beams. ..

レーザ構造2502をマイクロレンズアレイ2504に組み合わせる方法が、2Dフォトリソグラフィテクニックを伴い、2Dフォトリソグラフィテクニックが数万個のチップを単一の4”のウエハーの上に配備するのを可能にし(図26の基板2600を参照)、さらにはチップスケールの複雑さを排除する。延長されたキャビティデバイスの例はM値<1.5を達成した。実際には、このウエハーレベルプロセスは、出力パワーおよび信頼性を向上させながら、1回のプロセスにおける単一ウエハー内での数1000時間のアライメントの調整を排除することになる。 The method of combining the laser structure 2502 with the microlens array 2504 involves 2D photolithography techniques, which allows tens of thousands of chips to be deployed on a single 4 ”wafer (FIG. 26). Referring to the substrate 2600), further examples of. extended cavity device eliminates the complexity of the chip scale achieved M 2 value <1.5. in practice, this wafer-level process, the output power and It would eliminate thousands of hours of alignment adjustments within a single wafer in a single process while improving reliability.

図26に示されるように、マイクロレンズアレイが複数の湾曲レンズ2610を備えることができ、各湾曲レンズ2610がスムーズな曲率半径を有する。レンズアレイが、背面発光のエピタキシャル成長側の反対側において、レーザ基板の背面の表面にエッチングされ得る。最初に薄いフォトレジストを用いてパターニングを行って、ガラスの溶解するタイミングであるガラス遷移状態を超えるようにフォトレジストを加熱して、フォトレジストが溶解し、表面張力に起因するレンズ型構造を形成するときに、レンズのアレイのエッチングが行われる。このようにして、このレンズ型の構造が、この構造をGaAsレーザウエハー表面にエッチングするためのマスクとなることができる。レンズの曲率半径(ROC:Radius of Curvature)は、レジスト除去速度と比較して、GaAsの除去を含めた、BCl3とClとの間での選択性を調整することにより、制御され得る。これが、プラズマにO2を加えることにより、または他の方法により達成され得る。後で考察されるようにチップの背面上にレンズのアレイを作ることにおいて、エッチングされたレンズに対してグラフェンレンズが置き換えられることもでき、またはグラフェンレンズがビーム形成アレイとして使用される場合、グラフェンレンズが、マイクロレンズアレイとして、外部のクリアなつまり透明な基板の上に形成されてもよい。 As shown in FIG. 26, the microlens array can include a plurality of curved lenses 2610, each curved lens 2610 having a smooth radius of curvature. The lens array can be etched to the back surface of the laser substrate on the opposite side of the back emission epitaxial growth side. First, patterning is performed using a thin photoresist, and the photoresist is heated so as to exceed the glass transition state, which is the timing at which the glass melts, and the photoresist melts to form a lens-type structure due to surface tension. At that time, the lens array is etched. In this way, this lens-shaped structure can serve as a mask for etching this structure onto the surface of the GaAs laser wafer. The radius of curvature of the lens (ROC: Radius of Curvature) can be controlled by adjusting the selectivity between BCl3 and Cl, including the removal of GaAs, as compared to the resist removal rate. This can be achieved by adding O2 to the plasma or by other methods. Graphene lenses can also be replaced with etched lenses in creating an array of lenses on the back of the chip, as will be discussed later, or if graphene lenses are used as beam forming arrays, graphene. The lens may be formed as a microlens array on an external clear or transparent substrate.

各レンズ2610が、基板2600の背面2506において、アパーチャのところで終端する基板2600内のレーザキャビティ2602に位置合わせされ得る。説明を容易にするために、このようなキャビティ2602が図26では1つのみ示されるが、レンズ2610の各々が多様なレーザキャビティ2602に位置合わせされ得ることを理解すべきである。各キャビティ2602が、アパーチャを通るビーム放射方向に一致する光学軸を呈する(例えば、図26の構成を基準にする場合は垂直軸)。 Each lens 2610 may be aligned on the back surface 2506 of the substrate 2600 with a laser cavity 2602 in the substrate 2600 that terminates at the aperture. For ease of explanation, only one such cavity 2602 is shown in FIG. 26, but it should be understood that each of the lenses 2610 can be aligned with a variety of laser cavities 2602. Each cavity 2602 exhibits an optical axis that coincides with the direction of beam emission through the aperture (eg, the vertical axis when relative to the configuration of FIG. 26).

レンズ2610が反射誘電体などの反射コーティングで覆われ得、その結果、レンズ2610が、レーザキャビティ2602から放射される光のうちの一部の光のための鏡として機能するようになる。図26によって示されるように、レンズ2610が、ビーム品質およびビームアウトプットを向上させることを目的として、キャビティ2602の中心へと光を集中させるようなフィードバック機構を提供するように、湾曲していてよい。こうして、さらにこの反射光がキャビティ2602内に向かわされて、キャビティ2602の中心光学軸に沿うビーム放射の光エネルギーのより大きな集中を作り出す。キャビティ2602を長くすることにより、安定化が達成され得、より良好な品質のビームアウトプットが達成され得る。 The lens 2610 may be covered with a reflective coating, such as a reflective dielectric, so that the lens 2610 acts as a mirror for some of the light emitted from the laser cavity 2602. As shown by FIG. 26, the lens 2610 is curved to provide a feedback mechanism that concentrates the light towards the center of the cavity 2602 for the purpose of improving beam quality and beam output. Good. Thus, this reflected light is further directed into the cavity 2602, creating a greater concentration of light energy of the beam radiation along the central optical axis of the cavity 2602. By lengthening the cavity 2602, stabilization can be achieved and better quality beam output can be achieved.

キャビティ2602へのレーザフィードバックの結果として起こるビーム品質の劣化は、キャビティ2602を正確にモデル化されたマイクロレンズの曲率半径に適合させることにより、軽減され得る。このエリアをレーザの電流閉じ込め領域に適合させるようにフィードバックスポットが最適化される場合、電流が光子を作り出すところのレーザのアクティブ領域をオーバーフィリング(overfilling)またはアンダーフィリング(underfilling)しないようにすることにより、パワーアウト(power out)を最適化することができる。エピタキシャル設計はさらに、エピタキシャル出力鏡の中の反射率を最適化するためのさらなる成長の実行を必要とする。出力パワーは出力鏡の反射率に応じている。鏡がより反射すると、外に出ることになる光子の数が減少し、反射してキャビティの中に戻る光子の数が増加する。出力キャビティの反射率を調整することが、パワーアウトを最適化するのを補助する。エピタキシャル層を修正することにより、またはマイクロレンズがエッチングされたアレイの表面上に堆積される鏡の完成層を調整することにより、反射率が調整され得る。 The degradation in beam quality that results from laser feedback to the cavity 2602 can be mitigated by adapting the cavity 2602 to the radius of curvature of the accurately modeled microlens. If the feedback spot is optimized to fit this area to the current confinement area of the laser, avoid overfilling or underfilling the active area of the laser where the current produces photons. Allows the power out to be optimized. Epitaxy design also requires further growth execution to optimize reflectance in epitaxial power mirrors. The output power depends on the reflectance of the output mirror. As the mirror reflects more, the number of photons that go out decreases and the number of photons that reflect back into the cavity increases. Adjusting the reflectance of the output cavity helps optimize the power out. The reflectance can be adjusted by modifying the epitaxial layer or by adjusting the finished layer of the mirror where the microlens is deposited on the surface of the etched array.

これらのレンズ2610を作るのに使用され得るウエハースケールのフォトリソグラフィテクニックの例が図30−34を参照して以下で説明される。このようなウエハースケールのフォトリソグラフィを用いる場合、数十万個のレンズが同時に位置合わせされて形成され得る。 Examples of wafer-scale photolithography techniques that can be used to make these lenses 2610 are described below with reference to FIGS. 30-34. When using such wafer-scale photolithography, hundreds of thousands of lenses can be simultaneously aligned and formed.

コヒーレントなアレイからのビームと比較すると、図25および26によって示されるような非コヒーレントなアレイからのビームは短いコヒーレンス長を有し、標的上でより少ないスペックルを作る。図25および26のアレイに対するコヒーレンス長は1mm未満となり得ると考えられる。試験されたすべての低コヒーレンスアレイが、レーザが追加されたときに、パワーアウトとの線形関係を示した。1mWのアウトプットを各々が有する100個のレーザが100mWのパワーを発生させることになり、また、各々0.1Wである100万個のレーザが100,000ワットの光学パワーを発生させることになる。コヒーレントな構造はよりファーフィールドにおいてより多くのシンチレーションを有する。図27は、図26の例示の実施形態に関する波動光学ビームプロパゲータ(wave−optics beam propagator)を使用するシミュレーションの結果を示している。六角形アレイのトップハットビームが、相互コヒーレンスを有する場合における、および相互コヒーレンスを有さない場合における乱れの1つの具体例を通して伝播されている。各々の標的照射フレーム内の白色のサークルは、ターゲットスポットを示している。上で述べたように、非コヒーレントなアレイが、ターゲットスポット上でより少ないスペックルを発生させるものとしてシミュレートされている。 Compared to beams from coherent arrays, beams from non-coherent arrays, as shown by FIGS. 25 and 26, have shorter coherence lengths and create less speckle on the target. It is believed that the coherence length for the arrays of FIGS. 25 and 26 can be less than 1 mm. All low coherence arrays tested showed a linear relationship with powerout when the laser was added. 100 lasers, each with an output of 1 mW, will generate 100 mW of power, and 1 million lasers, each of 0.1 W, will generate 100,000 watts of optical power. .. Coherent structures have more scintillation in the far field. FIG. 27 shows the results of a simulation using a wave-optics beam propagator for the exemplary embodiment of FIG. The tophat beam of the hexagonal array is propagated through one embodiment of the turbulence in the case of having mutual coherence and in the absence of mutual coherence. White circles in each target irradiation frame indicate target spots. As mentioned above, a non-coherent array is simulated as producing less speckle on the target spot.

図25−26の構成はさらに、新しい種類のビーム結合を可能にする。例示の実施形態では、非コヒーレントなビームコンバイナ2510は、レーザ構造2502およびマイクロレンズアレイ2504の外部にあるマイクロレンズなどの追加のレンズ要素の形態をとることができる。ビームが正面を指してマイクロレンズアレイ2504から出て、ビームコンバイナ2510が、ビームの縁部において曲がるように動作し、レンズのピッチへのレーザのピッチのオフセットの差を理由としてすべてのビームが集束する。したがって、ビームコンバイナ2510が2Dアレイの手前において単一のスポットの方にビームを導く。非コヒーレントなビームコンバイナ2510は、重複する集束点を有するような2Dのビーム結合を採用することができる。しかし、ビームコンバイナ2510が、複数の重複する集束点を有する3Dのビーム結合を採用することもできることを理解すべきである。 The configuration of FIGS. 25-26 further allows for a new kind of beam coupling. In an exemplary embodiment, the non-coherent beam combiner 2510 can take the form of additional lens elements such as a microlens external to the laser structure 2502 and the microlens array 2504. The beam points forward out of the Microlens Arrays 2504, the beam combiner 2510 behaves to bend at the edge of the beam, and all beams are focused due to the difference in the offset of the laser pitch to the lens pitch. To do. Therefore, the beam combiner 2510 guides the beam towards a single spot in front of the 2D array. The non-coherent beam combiner 2510 can employ 2D beam coupling such that it has overlapping focusing points. However, it should be understood that the beam combiner 2510 can also employ 3D beam coupling with multiple overlapping focusing points.

図28は、レーザ装置2500の例示の実施形態と共に使用され得る例示の融通性のあるビーム結合テクニックを示している。図28では、アレイスタック内の底部層は完全なレーザグリッドアレイであってよく、対してスタック内の上側層はレーザグリッドアレイの中に開口部(例えば、図28によって示されるような中央の孔)を含むことができる。上側のスタック内のマイクロレンズアレイ2504は、トーラス形状レンズを採用することができる。図26の一連のレーザグリッドアレイ上にある一連のこれらのトーラス形状レンズが、トーラス形状レンズによって発生される光のいずれの円錐に対しても等しい頂点を有するZ軸内に配置される。これらの円錐がレンズの手前においてレンズの干渉を受けることなくトーラスレンズを通過する。トーラスレンズおよび光グリッドの各系が、等しいスポット上においてあるいはすべての円錐の頂点において大きいパワーを発生させるような複数の円錐を有することになるように組み立てられ得る。図29が、図28によって示されるビーム結合の斜視図を示す。 FIG. 28 shows an exemplary flexible beam coupling technique that can be used with an exemplary embodiment of the laser apparatus 2500. In FIG. 28, the bottom layer in the array stack may be a complete laser grid array, whereas the top layer in the stack is an opening in the laser grid array (eg, a central hole as shown by FIG. 28). ) Can be included. The microlens array 2504 in the upper stack can employ a torus-shaped lens. A series of these torus-shaped lenses on the series of laser grid arrays of FIG. 26 are arranged in a Z-axis having vertices equal to any cone of light generated by the torus-shaped lenses. These cones pass through the torus lens in front of the lens without interference from the lens. Each system of torus lens and optical grid can be assembled to have multiple cones that generate large powers on equal spots or at the vertices of all cones. FIG. 29 shows a perspective view of the beam coupling shown by FIG. 28.

したがって、図25−29は、VCSEL半導体レーザアレイからの高速(1GHzを超えるオン/オフ速度)でありハイパワーであるアウトプットを呈することができる光グリッド構造のための例示の実施形態を説明している。この光グリッド構造は、本明細書で考察される構成的なアレイ設計に起因して、より高い歩留まりを容易に達成する。このデバイスは単純化された製造設計プロセスを使用し、それによりウエハースケールのプロセスを使用する完全な半導体のレーザチップにより速度およびパワーの性能を向上させるのを達成し、それにより複雑な組み立てタスクを排除する。これにより、費用のかかる複雑な外部のマイクロレンズ/鏡アレイとの位置合わせの代わりにこの製造プロセスを使用することで、小型化と、コスト削減と、ビーム特性の融通性の向上とが実現される。したがって、本テクノロジは、ドローン防衛用の指向性エネルギー兵器などの用途に使用され得るような、高ビーム品質であり、ハイパワーであり、短いコヒーレンス長の半導体レーザアレイの自動製造を改善することになる。 Therefore, FIGS. 25-29 illustrates an exemplary embodiment for an optical grid structure capable of exhibiting high speed (on / off speeds greater than 1 GHz) and high power output from a VCSEL semiconductor laser array. ing. This optical grid structure facilitates higher yields due to the constructive array design discussed herein. The device uses a simplified manufacturing design process, thereby achieving improved speed and power performance with a fully semiconductor laser chip that uses a wafer-scale process, thereby performing complex assembly tasks. Exclude. This allows for miniaturization, cost savings, and increased beam characteristic flexibility by using this manufacturing process instead of aligning with costly and complex external microlens / mirror arrays. To. Therefore, the technology aims to improve the automated production of high beam quality, high power, short coherence length semiconductor laser arrays that can be used in applications such as directed energy weapons for drone defense. Become.

図30は例示のレーザ装置2500の断面図を示しており、ここでは、マイクロレンズアレイはグラフェンレンズ構造3000の形態をとる。グラフェンレンズ構造3000が単一のグラフェンレンズ構造またはグラフェンレンズ構造のアレイであってよい。 FIG. 30 shows a cross-sectional view of an exemplary laser device 2500, where the microlens array takes the form of a graphene lens structure 3000. The graphene lens structure 3000 may be a single graphene lens structure or an array of graphene lens structures.

図31は、グラフェンレンズ構造3000を形成するのに使用され得る例示のプロセスを開示している。ステップ3100で、グラフェンがレーザ構造2502(例えば、付録Aの、後で説明される例などの、背面発光の複数の導電性グリッドから形成されるレーザ構造)の背面2506上に堆積される。ステップ3102で、堆積されたグラフェンのエリアをマスクするのにフォトリソグラフィが使用される。これらのマスクされるエリアがプラズマエッチングされないことになる。図32−34が、このステップとして使用され得るマスクパターンの例を示している。次いで、ステップ3104で、マスクされたエリアがプラズマエッチングされないように、堆積されたグラフェンをプラズマエッチングすることにより、グラフェンレンズ構造3000が形成される。例として、O2プラズマエッチングが実施され得る。これが、装置2500内でグラフェンレンズ構造3000として使用され得るフォトリソグラフィックレンズ構造をもたらす。この革新的なプロセスは、レーザ構造2500によって形成される光をインデックスガイド(index guide)するかまたは導くために、グラフェンおよびGaASなどの半導体である2つの材料の間での固有の高コントラストの反射率の差を使用する。 FIG. 31 discloses an exemplary process that can be used to form the graphene lens structure 3000. In step 3100, graphene is deposited on the back surface 2506 of the laser structure 2502 (eg, a laser structure formed from a plurality of back emitting conductive grids, such as those described later in Appendix A). At step 3102, photolithography is used to mask the area of deposited graphene. These masked areas will not be plasma etched. FIG. 32-34 shows an example of a mask pattern that can be used as this step. The graphene lens structure 3000 is then formed in step 3104 by plasma etching the deposited graphene so that the masked area is not plasma etched. As an example, O2 plasma etching can be performed. This provides a photolithographic lens structure that can be used as the graphene lens structure 3000 within the device 2500. This innovative process is an inherent high contrast reflection between two materials that are semiconductors such as graphene and GaAS to index guide or guide the light formed by the laser structure 2500. Use the rate difference.

図32は、グラフェンレンズ構造3200が幅および間隔に関して変化するように設計され得る例を示している。この例では、グラフェンレンズ構造3200が、複数の同心グラフェンリング3202を備える。グラフェンリング3202の幅およびグラフェンリング3202の間の間隔が、グラフェンレンズ構造3200のための所望の光学効果を達成するために、マスキングプロセス中に制御および画定され得る。さらに、図32の例は、独自の16個のレンズのアレイのための例示の4×4のマトリックスマスクを示しており、ここでは、2つのマスクがライトフィールド(light field)およびダークフィールド(dark field)のために採用され得る。 FIG. 32 shows an example in which the graphene lens structure 3200 can be designed to vary in width and spacing. In this example, the graphene lens structure 3200 comprises a plurality of concentric graphene rings 3202. The width of the graphene ring 3202 and the spacing between the graphene rings 3202 can be controlled and defined during the masking process to achieve the desired optical effect for the graphene lens structure 3200. In addition, the example in FIG. 32 shows an exemplary 4x4 matrix mask for a unique array of 16 lenses, where the two masks are light field and dark field. Can be adopted for field).

図33は、レーザ構造2500のための延長されたキャビティ設計内の形成されたレンズを置き換えることができる例示のグラフェンレンズ設計を示している。図33の上側部分がこのグラフェンレンズ構造のために使用され得る幅特性および間隔特性の異なる例を示しており、図33の下側部分が付録Aの図21に対応する例示のVCSELレーザ構造を示している。このグラフェンレンズ構造は、設計を向上させることを目的として、図21に関連して付録Aで説明される形成されたレンズを置き換えることができる。さらに、反射コーティングがグラフェンレンズ構造の表面の上に堆積され得る。 FIG. 33 shows an exemplary graphene lens design that can replace the formed lens in the extended cavity design for the laser structure 2500. The upper part of FIG. 33 shows different examples of width and spacing characteristics that can be used for this graphene lens structure, and the lower part of FIG. 33 shows an exemplary VCSEL laser structure corresponding to FIG. 21 of Appendix A. Shown. This graphene lens structure can replace the formed lens described in Appendix A in connection with FIG. 21 for the purpose of improving the design. In addition, a reflective coating can be deposited on the surface of the graphene lens structure.

図34は、レーザ構造2500内の回折光学素子(DOE)を置き換えることができる例示のグラフェンレンズ設計を示している。図34の上側部分が、グラフェンレンズ構造のために使用され得る幅特性および間隔特性の異なる例を示しており、図34の下側部分が付録Aの図18に対応する例示のレーザ構造を示している(上で参照されて組み込まれる、米国特許出願第62/456,476号、米国特許出願第62/456,489号、米国特許出願第62/456,501号、米国特許出願第62/456,518号、および米国特許出願第62/459,061号、も参照されたい)。グラフェンレンズ構造が、設計を向上させることを目的として、付録Aの種々の実施形態で説明されるDOEを置き換えることができる。図34によって示されるように、レーザ光を単一の源を起源とするものに見せるような形でレーザ光を導くことを目的として、グラフェンレンズ構造がレーザ構造と共に使用され得る。 FIG. 34 shows an exemplary graphene lens design that can replace the diffractive optics (DOE) in the laser structure 2500. The upper portion of FIG. 34 shows different examples of width and spacing characteristics that may be used for the graphene lens structure, and the lower portion of FIG. 34 shows an exemplary laser structure corresponding to FIG. 18 of Appendix A. (Incorporated as referenced above, U.S. Patent Application No. 62 / 456,476, U.S. Patent Application No. 62 / 456,489, U.S. Patent Application No. 62 / 456,501, U.S. Patent Application No. 62 / See also 456,518, and U.S. Patent Application No. 62 / 459,061). The graphene lens structure can replace the DOE described in various embodiments of Appendix A for the purpose of improving the design. As shown by FIG. 34, a graphene lens structure can be used with the laser structure for the purpose of directing the laser light in a manner that makes the laser light appear to originate from a single source.

上記で本発明を例示の実施形態に関連させて説明してきたが、当業者によって認識される、依然として本発明の範囲内にあるような、例示の実施形態に対しての多様な修正形態が作られ得る。本発明に対してのこのような修正形態は、本明細書の教示を精査することによって認識可能である。したがって、本発明の全範囲は添付の特許請求の範囲およびそれらの法的な均等物のみによって定義される。 Although the present invention has been described above in relation to the exemplary embodiments, various modifications to the exemplary embodiments that are recognized by those skilled in the art and still within the scope of the invention have been made. Can be Such modifications to the present invention can be recognized by scrutinizing the teachings herein. Therefore, the entire scope of the present invention is defined only by the appended claims and their legal equivalents.

付録A−米国特許出願公開第2017/0033535号
レーザアレイは、単一レーザ、ファイバレーザ、ダイオード励起固体状態(DPSS:diode pumped solid state)レーザ、および発光ダイオード(LED:light emitting diode)と比較して、高い動作光学パワー(higher operational optical power)および高周波数動作を理由として、通信、光検知測距(LiDaR:light detection and ranging)、および材料処理の分野で重要になりつつある。
Appendix A-US Patent Application Publication No. 2017/0033535 Laser arrays are compared to single lasers, fiber lasers, diode pumped solid state (DPSS) lasers, and light emitting diodes (LEDs). Therefore, it is becoming important in the fields of communication, light detection and ranking (LiDaR), and material processing because of its high operational optical power and high frequency operation.

レーザアレイは、一般に、印刷および通信で使用されているが、並列通信のためのアレイの各レーザデバイスに対して、単一の別個の接続部を有する構成で使用されるものであり、ここでは、各レーザがアレイ内の他のデバイスとは別個のコンタクトを有することを理由として別個の信号を有することができる。 Laser arrays, commonly used in printing and communication, are used in configurations that have a single, separate connection to each laser device in the array for parallel communication. , Each laser can have a separate signal because it has a separate contact with the other devices in the array.

アレイ要素が一体に結合されて単一の信号で駆動されるとき、構造があまりに大きい静電容量またはインダクタンスを有することになる。この高静電容量特性/高インダクタンス特性は、レーザアレイがより多くの要素を追加するとき、レーザアレイの周波数応答の速度を低下させることになり、それによりそのようなレーザアレイの速度を低下させる。このことが、Yoshikawaらの、「High Power VCSEL Devices for Free Space Optical Communications」、Proc. of Electronic Components and Technology Conference、2005年、pp.1353−58Vol.2、および米国特許第5,978,408号、の参考文献に明示されている。 When the array elements are integrally coupled and driven by a single signal, the structure will have too much capacitance or inductance. This high capacitance / high inductance characteristic will slow down the frequency response of the laser array as the laser array adds more elements, thereby slowing down such a laser array. .. This is described in "High Power VCSEL Devices for Free Space Optical Communications" by Yoshikawa et al., Proc. of Electronics Components and Technology Conference, 2005, pp. 1353-58 Vol. 2. And US Pat. No. 5,978,408, which is specified in the references.

マルチメサ構造に基づく高速レーザアレイが、本発明者の過去の文献、米国特許出願公開第2011/0176567号で説明されている。米国特許出願公開第2011/0176567号が、半導体レーザのマルチメサアレイと、高周波数動作のための高速電気導波管へのそれらの接続部とを説明している。しかし、米国特許出願公開第2011/0176567号で説明されるマルチメサ構造は多くの欠点を有する。 High-speed laser arrays based on multimesa structures are described in the inventor's previous literature, US Patent Application Publication No. 2011/01765667. U.S. Patent Application Publication No. 2011/01765667 describes multimesa arrays of semiconductor lasers and their connections to high speed electrical waveguides for high frequency operation. However, the multimesa structure described in US Patent Application Publication No. 2011/01765667 has many drawbacks.

米国特許出願公開第2011/0176567号で説明されるメサ構造の1つの問題は、一般にメサ構造が脆弱であることである。このことは、メサの形成後に接着のためのまたはレーザに触れるための何らかの機械的手順が存在する場合に問題である。メサ構造は直径が5ミクロンから10ミクロン程度小さくなり得、GaAsまたはAlGasなどの非常に脆い材料からあるいは他の同様の結晶材料から構成され得る。これらのメサは加工後に接着されなければならず、熱下で圧力が加えられ、その結果、レーザメサの頂部およびサブマウントがはんだにより電気的に接着される。背面発光デバイスのアレイを接着するときの、接合部分における一般的な破断メカニズムはメサに亀裂が入ることであり、それがレーザを役に立たないものとし、またデバイス全体を廃棄させる可能性がある。チップ上に30個のレーザが存在して、接着後に2個のレーザが壊れた場合、これらの2つのデバイスが発光しなくなる。さらに試験を行わなければならず、それにより、故障を取り除くためのプロセスが高価となる。 One problem with the mesa structure described in US Patent Application Publication No. 2011/01765667 is that the mesa structure is generally fragile. This is a problem if there are any mechanical procedures for bonding or touching the laser after the formation of the mesa. The mesa structure can be as small as 5 to 10 microns in diameter and can be composed of very brittle materials such as GaAs or AlGas or other similar crystalline materials. These mesas must be glued after processing and pressure is applied under heat so that the top and submount of the laser mesas are electrically glued together by solder. A common breaking mechanism at the junction when gluing an array of back-emitting device is to crack the mesa, which makes the laser useless and can dispose of the entire device. If there are 30 lasers on the chip and the two lasers break after bonding, these two devices will not emit light. Further testing must be done, which makes the process for eliminating failures expensive.

別の問題は、マルチメサ構造では、レーザチップ上に存在する複数のメサのための間隔の要件を理由としてチップ面積(chip real estate)に応じてのレージングパワーを比較的小さいものとしてしまうことである。 Another problem is that the multi-mesa structure makes the lasing power relatively small depending on the chip real estate due to the spacing requirement for multiple mesas present on the laser chip. ..

メサ分離法によって作られる複数のメサアレイの別の問題は、信号がコンタクトパッドを横断して移動するための距離が短い方が好ましい周波数応答依存の設計パラメータに起因して、レーザがある距離で分離されることによりアレイの全体のサイズが制限されることである。この後、アレイが、赤外線(IR)照射のために使用される複数の垂直共振器面発光レーザ(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)アレイなどのパワーを増大させる要素と共に使用されることになった。しかし、これらのIR源は高周波数動作をサポートしないことから、パルス幅が、高速パルス幅を必要とするLIDARではなく、照明のみに限定される。 Another problem with multiple mesa arrays created by the mesa separation method is that the laser separates at a distance due to frequency response dependent design parameters that prefer a shorter distance for the signal to travel across the contact pad. This limits the overall size of the array. This was followed by the array being used with power-enhancing elements such as multiple Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) arrays used for infrared (IR) irradiation. .. However, since these IR sources do not support high frequency operation, the pulse width is limited to illumination only, not lidar, which requires high pulse width.

本発明者らは、より強く、よりパワフルで、高速であるレーザアレイの場合における当技術の要求を満たすために、本明細書で、本発明のいくつかの実施形態を開示する。例えば、以下で説明される本発明の実施形態は、電気導波管を採用する信号パッドを基板上に形成することにより静電容量を低減しながら、アレイのレーザを一体に接続することを目的として、高周波数電気導波管を組み込む。本発明の実施形態は、構造のうちの非導電性部分とは対照的に導電性である複数のエリアを作るためのmulti−conductive current confinementテクニックを単一の構造内で使用することをさらに含む。導電性部分が、レージングポイントの構造全体にわたってエッチングを行うことなく、レーザを形成するレージングエリアまたはレージンググリッドを形成する。上で参照した米国特許第5,978,408号で説明される設計とは異なり、本明細書で開示される本発明の実施形態は、高周波数動作を可能にするためにレーザアレイを高速電気導波管と一体化するように、設計および加工される。本発明の実施形態は、高周波数動作および剛性の構造の両方を呈することにより、ハイパワーである高速の光源の設計における新しい独自の機会をサポートするものであり、それにより当技術で知られている他の設計と比較して性能および信頼性を向上させる。 To meet the demands of the art in the case of laser arrays that are stronger, more powerful and faster, we disclose some embodiments of the invention herein. For example, an embodiment of the present invention described below aims to integrally connect array lasers while reducing capacitance by forming a signal pad that employs an electrical waveguide on a substrate. Incorporate a high frequency electrical waveguide. Embodiments of the present invention further include using a multi-conductive current confinement technique within a single structure to create multiple areas that are conductive as opposed to non-conductive parts of the structure. .. The conductive portion forms a lasing area or lasing grid that forms the laser without etching over the entire structure of the lasing point. Unlike the design described in US Pat. No. 5,978,408 referenced above, embodiments of the invention disclosed herein make the laser array fast electrical to enable high frequency operation. Designed and machined to integrate with the waveguide. Embodiments of the present invention support new and unique opportunities in the design of high-power, high-speed light sources by exhibiting both high-frequency operation and rigid structures, thereby being known in the art. Improves performance and reliability compared to other designs.

本明細書で説明される例示の実施形態では、垂直共振器面発光レーザ(VCSEL)のエピタキシャル材料から加工される独自の構造が、米国特許出願公開第2011/0176567号で言及される構造などのVCSELアレイの中に形成される一般的なメサ構造と比較して、静電容量を低減させ、構造完全性を向上させ、また、フィルファクタを減らすことにより、高速動作に寄与する単一の剛体構造からレーザポイントのグリッドを形成する。VCSELの実施形態が単に例であり、このような設計が、共振キャビティ発光ダイオード(RCLED:Resonant Cavity Light Emitting Diode)、LED、または垂直延長共振器(または、垂直外部共振器)面発光レーザ(VECSEL:Vertical Extended(or External) Cavity Surface Emitting Laser)などの、他のレーザタイプと共に機能することができることを理解されたい。 In the exemplary embodiments described herein, a unique structure machined from an epitaxial material of a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL), such as the structure referred to in US Patent Application Publication No. 2011/01765667. A single rigid body that contributes to high-speed operation by reducing capacitance, improving structural integrity, and reducing fill factors compared to typical mesa structures formed within VCSEL arrays. A grid of laser points is formed from the structure. A VCSEL embodiment is merely an example, such a design as a Resonant Cavity Light Emitting Diode (RCLED), LED, or Vertical Extension Resonator (or Vertical External Resonator) Surface Emitting Laser (VECSEL). : It should be understood that it can work with other laser types such as Vertical Extended (or External) Cavity Surface Emitting Laser).

本明細書で説明される単一の連続構造が、一般的にはエッチングされて除去されるような材料の構造完全性を維持しながら、イオンのインプラントを使用してアパーチャの電気絶縁エリアを形成するか、またはマイクロ構造または孔を通じての非導電性酸化エリアを形成する。この新しい構造の形成が、さらに、分離された異なるレーザ伝導ポイントまたはグリッドの間で高速信号を分配するのを可能にする。レーザグリッドのP型コンタクトエリアのすべてが、グラウンド−シグナル−グラウンド(GSG)の一体化された電気導波管の信号部分に並列に接続され得る。導波管内でオンおよびオフに切り換えられる信号または電流が、レーザを形成するすべての導電パスの間で分配される。マイクロストリップ導波管などの他の種類の電気導波管が使用されてもよいことを理解されたい。 The single continuous structure described herein uses an ionic implant to form an electrically insulated area of the aperture while maintaining the structural integrity of the material as it is typically etched and removed. Or form a non-conductive oxidation area through the microstructure or pores. The formation of this new structure also allows the high speed signal to be distributed between different separated laser conduction points or grids. All of the P-shaped contact areas of the laser grid can be connected in parallel to the signal portion of the ground-signal-ground (GSG) integrated electrical waveguide. A signal or current that is switched on and off in the waveguide is distributed among all the conductive paths that form the laser. It should be understood that other types of electrical waveguides, such as microstrip waveguides, may be used.

この単一の連続構造は、より大型のめっき構造内での熱分配のためのより大きいベースなどのような、他の利点も有する。レージンググリッドはアレイ構造よりも互いにより接近する。レーザがさらに離れると、信号がアレイ内のすべての単一のポイントまで移動しなければならない距離に起因して、周波数応答または速度が低下し、それによりデバイスの最終的な帯域幅が制限される。 This single continuous structure also has other advantages, such as a larger base for heat distribution within a larger plating structure. The lasing grids are closer to each other than the array structure. As the laser moves further away, the frequency response or speed slows down due to the distance the signal must travel to every single point in the array, which limits the final bandwidth of the device. ..

したがって、本発明の実施形態により得られる利点の例は:
1.剛性の構造がチップ接着プロセスにおいてより高い信頼性を有する
2.剛性の構造がより高いフィルファクタを可能にする
3.剛性の構造がより高い信頼性の金属コンタクトを有する
4.剛性の構造が加工することにおいてより単純である
5.剛性の構造がコンタクトの間でより短い距離を有し、それによりより高い周波数のハイパワービームを可能にする
6.剛性の構造が単一のレンズまたは単一のレンズアレイが取り付けられるためのより良好な表面トポロジーである
7.剛性のメサ構造がリードおよびコンタクトのための別のエリアを作り、それにより電位を低下させる静電容量からの分離を提供する
8.剛性の構造が、コンタクトの三次元性により、サブマウントとのより高い一体性を可能にする
を含む。
Therefore, examples of the benefits obtained by embodiments of the present invention are:
1. 1. Rigid structure has higher reliability in chip bonding process 2. Rigid structure allows for higher fill factor 3. 4. Rigid structure has more reliable metal contacts. 4. Rigid structure is simpler in processing. The rigid structure has a shorter distance between the contacts, thereby allowing a higher frequency high power beam. The rigid structure is a better surface topology for mounting a single lens or a single lens array. The rigid mesa structure creates a separate area for leads and contacts, thereby providing isolation from capacitance that lowers the potential. The rigid structure includes the three-dimensionality of the contacts, which allows for greater integrity with the submount.

さらに、例示の実施形態では、レーザグリッドが、非導電性のイオンがインプラントされたエリアと比較して導電性が存在するような構造内の分離される領域にのみに電流を閉じ込めることによって可能にされる2つ以上のレージングエリアによって形成される。これらの導電性エリアおよび非導電性エリアが、単一の固体構造上にある、アクティブなポジティブコンタクトのための単一の金属コンタクトと、周囲のグラウンド構造上にある単一のN型コンタクトとを有する光のグリッドを形成し、単一のN型コンタクトが、2つのエリアを分離するトレンチの底部にあるN型コンタクトエリアに短絡される。例として、図7Cが、速度を向上させるのにフレーム内の開口部が如何にして補助するかを示している。 Further, in an exemplary embodiment, the laser grid can be made possible by confining the current only in isolated areas within the structure where there is conductivity compared to the area where the non-conductive ions are implanted. It is formed by two or more lasing areas. These conductive and non-conductive areas form a single metal contact for active positive contacts on a single solid structure and a single N-shaped contact on the surrounding ground structure. A single N-shaped contact is short-circuited to the N-shaped contact area at the bottom of the trench that separates the two areas, forming a grid of light to have. As an example, FIG. 7C shows how an opening in the frame assists in increasing speed.

次いで、これらのP型コンタクトおよびN型コンタクトが高速電気コンタクトに接着される。2つの基板およびレーザチップがボンダによって位置合わせされ、次いで、一方のチップまたはもう一方のチップに堆積されているはんだを接着するために熱および圧力が加えられる。p型パッドがめっきおよびはんだ高さの分だけn型ウエハーグラウンドから分離されることにより高いスピードが可能となるが、これは主として、p型パッドをレーザ基板から除去してp型パッドを電気導波管基板の上に設置することによるものである。このように物理的な分離が静電容量を劇的に低下させ、それにより、回路の静電容量によって制限される周波数応答を増大させる。これがレージンググリッドが高周波数動作を実現することを可能にする。 These P-type and N-type contacts are then glued to the high speed electrical contacts. The two substrates and the laser chip are aligned by a bonder, and then heat and pressure are applied to bond the solder deposited on one chip or the other chip. Higher speeds are possible by separating the p-type pad from the n-type wafer ground by the amount of plating and solder height, which mainly removes the p-type pad from the laser substrate and conducts the p-type pad electrically. This is due to the installation on the waveguide substrate. Thus physical separation dramatically reduces capacitance, thereby increasing the frequency response limited by the capacitance of the circuit. This allows the lasing grid to achieve high frequency operation.

基板の背面上に形成される単一のレンズ、あるいはグリッド構造の背面に取り付けられるかまたは接着される単一のレンズが、集束ポイントまで、または集束ポイントから、各レージングポイントを導くことができる。これは、ビームアウトプットが単一の源からのものであるようなものとして、ビームアウトプットをコリメートすることにおいて理想的な形である。 A single lens formed on the back surface of the substrate, or a single lens attached to or glued to the back surface of the grid structure, can guide each lasing point to or from the focusing point. This is an ideal form for collimating the beam output as if it were from a single source.

本明細書において以下で、本発明のこれらのおよび他の特徴および利点を当業者に対して説明する。 These and other features and advantages of the present invention will be described herein to those of skill in the art.

米国特許出願公開第2017/0033535号の実施形態1−上面発光のインプラント
図1は本発明の第1の実施形態の例を示す。この例では、単一の固体構造がエッチングを用いて周囲のグラウンドから分離され、単一の固体構造がその中にイオンインプラントを有する。イオンインプラントが非導電性の半導体材料のエリアを作り、非導電性のこれらのエリアがレージングエリア2に電流を流す。このようにして、イオンインプラントが複数のレージングエリア2のレーザグリッドを形成し、ここでは構造内の分離される領域に電流が閉じ込められ、この分離される領域では非導電性のイオンがインプラントされたエリアと比べて導電性が存在する。導電性エリアおよび非導電性エリアが、アクティブなポジティブ(P型)コンタクトのための,および周囲のグラウンド構造上にある単一のネガティブ(N型)コンタクトのための,単一の固体構造の上にある単一の金属コンタクトを有する光のグリッドを形成し、単一のネガティブ(N型)コンタクトが、2つのエリアを分離するトレンチの底部にあるNコンタクトエリアにまたは周囲のグラウンド構造上のネガティブ金属に短絡され、周囲のグラウンド構造上のこのネガティブ金属が、2つのエリアを分離するトレンチの底部にあるN型コンタクトエリアに短絡される(例えば、図7Cのように(参照符号781および782を参照されたい))。これらのP型コンタクトおよびN型コンタクトがさらに高速電気コンタクトに接着され、それによりレージンググリッドが高周波数動作を実現することを可能にする。
US Patent Application Publication No. 2017/0033535 Embodiment 1-Top luminescent implant FIG. 1 shows an example of a first embodiment of the present invention. In this example, a single solid structure is separated from the surrounding ground using etching, and the single solid structure has an ionic implant in it. Ion implants create areas of non-conductive semiconductor material, and these non-conductive areas carry current through the lasing area 2. In this way, the ion implants formed a laser grid of multiple lasing areas 2, where current was confined in the separated regions within the structure, where non-conductive ions were implanted. There is conductivity compared to the area. Conductive and non-conductive areas are on a single solid structure for active positive (P-type) contacts and for a single negative (N-type) contact on the surrounding ground structure. A single negative (N-shaped) contact forms a grid of light with a single metal contact in the N contact area at the bottom of the trench that separates the two areas or is negative on the surrounding ground structure. Shorted to a metal, this negative metal on the surrounding ground structure is shorted to an N-shaped contact area at the bottom of the trench that separates the two areas (eg, as in FIG. 7C (reference numerals 781 and 782). Please refer to)). These P-type and N-type contacts are further bonded to high speed electrical contacts, which allows the lasing grid to achieve high frequency operation.

図1はグリッドパターン内に配置されるレージングエリア2を示しているが、多くの形状のおよび多くのパターンのレージングエリア2が形成され得ることを理解されたい。これにより、レージングエリア2の形状/パターンを有する多くの形態の構造が可能となり、例えば、ハニカム構造パターン(例えば、多様なレーザ形状またはレーザパターンを可能にする多くのパターンのうちの1つである、別のパターンを示す図23を参照されたい;非導電性エリア42に対して、単一のメサ構造内にレーザのための導電性エリア41を残すように、エッチングおよびインプラントのために使用され得る多くのパターンが存在する)、および接着を向上させながらより高い剛性を有するような他の構造パターンなどである。さらに、接合部により近接する複数のレーザを作ることを目的として、単一のメサ構造にエッチングされる孔(例えば、図7の孔7005を参照)の中に高熱伝導性材料を用いて材料を堆積させることにより、熱除去が達成され得る。追加の構造パターンの例には、直線上にある正方形または円のような構成が含まれてよい。 Although FIG. 1 shows the lasing area 2 arranged in the grid pattern, it should be understood that lasing areas 2 of many shapes and many patterns can be formed. This allows for many forms of structure having the shape / pattern of the lasing area 2, eg, one of many patterns that allow for a honeycomb structure pattern (eg, a variety of laser shapes or laser patterns). , See FIG. 23 showing another pattern; used for etching and implanting to leave the conductive area 41 for the laser in a single mesa structure relative to the non-conductive area 42. There are many patterns to obtain), and other structural patterns that have higher rigidity while improving adhesion. In addition, a material with a high thermal conductivity material is used in the holes etched into a single mesa structure (see, eg, hole 7005 in FIG. 7) for the purpose of creating multiple lasers closer to the junction. Heat removal can be achieved by depositing. Examples of additional structural patterns may include square or circle-like configurations on a straight line.

図1は、レーザチップのエピタキシャル側の上面図を示す。単一のレーザ発光エピタキシャル構造1が、レージングエリア2(図1ではディスクとして示されている)以外のところに、イオンがインプラントされたエリアを有し、イオンがインプラントされたエリアではイオンインプラントがマスクされている。したがって、図1は注入後およびエッチング後のチップを示している。単一のレージング領域に対して各々のメサが対応しているような、複数のメサを有する米国特許出願公開第2011/0176567号の従来の設計に対して、図1の設計は、複数のメサを有さず、代わりに単一のメサであることを特徴とし得る単一の連続構造1を示しており、ここではこの単一メサが複数のレージング領域2を有する。図1の図は電気コンタクトではなく単一のメサ構造を示すことを意図される。この構造1は、P型鏡と比べたN型鏡上の設計および反射率に応じて底面発光(bottom emitting)または上面発光であってよい。 FIG. 1 shows a top view of the epitaxial side of the laser chip. A single laser emitting epitaxial structure 1 has an ion-implanted area other than the lasing area 2 (shown as a disk in FIG. 1), and the ion implant masks the ion-implanted area. Has been done. Therefore, FIG. 1 shows the insert after injection and after etching. In contrast to the conventional design of US Patent Application Publication No. 2011/0176567, which has multiple mesas such that each mesa corresponds to a single lasing area, the design of FIG. 1 has multiple mesas. It shows a single continuous structure 1 which does not have, and may instead be characterized by being a single mesa, where the single mesa has a plurality of lasing regions 2. The figure in FIG. 1 is intended to show a single mesa structure rather than an electrical contact. This structure 1 may be bottom emission or top emission depending on the design and reflectance on the N-type mirror as compared with the P-type mirror.

図1は:
1 複数のレージングポイントを作ることになる単一のアクティブメサ構造
2 マスクの下のエピタキシャル領域に対してインプラントが影響しないようにインプラントがマスクされているところの領域
3 単一のアクティブメサ構造および単一のグラウンド構造を分離するエッチングされた分離トレンチ
4 単一のグラウンド構造
を示す。
Figure 1 is:
1 Single active mesa structure that will create multiple lasing points 2 Area where the implant is masked so that the implant does not affect the epitaxial area under the mask 3 Single active mesa structure and single Etched separation trench separating one ground structure 4 Shows a single ground structure.

図2は図1によって示されるレーザチップの断面図であり、図2では図1によって示される単一のアクティブメサ構造1が11を付されており、図2では図1によって示されるマスクされたインプラントエリア2が12を付されている。図2は、インプラント後およびエッチング後のチップを示しており、頂部金属を示していない。エッチング領域13が「フレーム」またはN型メサ14から単一のメサ構造12を分離する(図2では、図1からの単一のグラウンド構造4がフレーム/N型メサ14として示されている)。図2は:
11 複数のレージングポイントを分離する単一のアクティブメサ構造のインプラントされたエリア
12 レージングを作り出すことになる、インプラントからマスクされたエピタキシーのエリア
13 単一のアクティブメサ構造11および単一のグラウンド構造14を分離するエッチングされた分離トレンチ
14 単一のグラウンド構造
15 頂部のP型鏡と底部のN型鏡との間にある量子井戸(これは光子が放出されるところのアクティブ領域である)
16 N型コンタクト層、またはN型金属電気コンタクトのロケーションのための高濃度ドープ層を有するN型鏡
17 レーザ基板
を示す。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the laser chip shown in FIG. 1, in which the single active mesa structure 1 shown in FIG. 1 is attached with 11 and is masked in FIG. 2 as shown by FIG. Implant area 2 is labeled with 12. FIG. 2 shows the tip after implant and etching, not the top metal. The etching region 13 separates the single mesa structure 12 from the "frame" or N-type mesa 14 (in FIG. 2, the single ground structure 4 from FIG. 1 is shown as the frame / N-type mesa 14). .. Figure 2 is:
11 Implanted area of single active mesa structure that separates multiple etching points 12 Area of epitaxy masked from the implant that will produce lasing 13 Single active mesa structure 11 and single ground structure 14 Etched Separation Trench 14 Single ground structure 15 Quantum well between the P-shaped mirror at the top and the N-shaped mirror at the bottom (this is the active region where photons are emitted)
16 Shows an N-type mirror 17 laser substrate with an N-type contact layer, or a high concentration doping layer for the location of N-type metal electrical contacts.

図3は図1および2によって示されるチップの斜視図である。インプラントされた領域は不可視である。金属コンタクトが示されていない。この図は、上面発光のまたは底面発光のインプラントデバイス(implanted device)のために使用され得る単一メサのエッチングのトポロジーを示すためのものである。インプラントのプロセスは頂部側の金属またはエッチングの前に行われてもまたは後で行われてもよい。 FIG. 3 is a perspective view of the chip shown by FIGS. 1 and 2. The implanted area is invisible. Metal contacts are not shown. This figure is to show the etching topology of a single mesa that can be used for top luminescent or bottom luminescent implant devices (implanted devices). The implant process may be performed before or after the apical metal or etching.

図4が、例示の上面発光のVCSELグリッド構造のエピタキシャル側の上面図を示している。この図は、はんだ付けプロセスによりレーザチップに接着される頂部側の電気導波管内にある正方形孔を通してのものである。この図では、分離されるエッチング領域が電気導波管によって隠されている。この図の円形ディスクが単一の固体メサ構造の上にある頂部金属コンタクトの中にあるか、またはめっき金属コンタクト領域の中にある孔である。図4は:
41 下に導波管を有する、基板内にある孔
42 頂部側のP型金属の中にある孔であり、そこを通してレーザビームを放射することができる
43 導波管基板の頂部
44 レーザチップ上にある頂部側の延展金属
を示す。
FIG. 4 shows a top view of the epitaxial side of the example top emitting VCSEL grid structure. This figure is through a square hole in the top side electrical waveguide that is bonded to the laser chip by the soldering process. In this figure, the separated etching regions are hidden by an electric waveguide. The circular disc in this figure is a hole in the top metal contact on top of a single solid mesa structure or in the plated metal contact area. Figure 4 is:
41 Hole in the substrate with a waveguide underneath 42 Hole in the P-metal on the top side through which the laser beam can be radiated 43 Top of the waveguide board 44 On the laser chip Shows the top-side waveguide in.

図5は、図4に示される接着された電気導波管およびレーザチップの断面図を示している。電気導波管のための信号コンタクトが開かれ、その開口部を通してビームを伝播させることが可能となる。この実施形態の別の選択肢は、孔の代わりに、導波管のための透明なまたは透過性の基板材料を有することであり、そこを通してレーザを伝播させる。CVD(化学気相堆積)されるダイヤモンドまたはサファイアあるいはガラスなどの透明材料がこの材料と例となり得る。この図は、不透明でありしたがって孔または開口部を必要とする、AlNiなどの基板を用いる実施形態を示すものである。分離領域が、グラウンドに短絡される単一のメサグラウンドまたは構造から、あるいは「フレーム」構造から、単一のメサ構造を分離していることに留意されたい。 FIG. 5 shows a cross-sectional view of the bonded electrical waveguide and laser chip shown in FIG. A signal contact for the electrical waveguide is opened, allowing the beam to propagate through the opening. Another option of this embodiment is to have a transparent or permeable substrate material for the waveguide instead of the holes, through which the laser is propagated. A transparent material such as diamond or sapphire or glass that is CVD (Chemical Vapor Deposition) can be an example of this material. This figure shows an embodiment using a substrate such as AlNi, which is opaque and therefore requires holes or openings. Note that the isolation region separates a single mesa structure from a single mesa ground or structure that is shorted to ground, or from a "frame" structure.

これらのP型コンタクトおよびN型コンタクトが高速電気コンタクトに接着(図7Bの参照符号751から754も参照されたい)される。グラウンド−シグナル−グラウンド(GSG)電気導波管基板およびレーザチップが位置合わせされ(図14Bを参照)、その結果、ネガティブメサが導波管のネガティブ部分に接着され、レーザを放つポジティブのアクティブエリアが信号パッドに位置合わせされる。このアライメントがボンダによって画定され、次いで、一方のチップまたはもう一方のチップに堆積されているはんだを接着するために熱および圧力が加えられる(図15を参照)。このコンタクトの高速であるという性質は、p型パッドがめっきおよびはんだ高さの分だけn型ウエハーグラウンドから分離されることによるものであるが、これは主として、それをレーザ基板から除去してそれを電気導波管の上に設置することによるものである。このように物理的な分離が静電容量を劇的に低下させ、それにより、周波数応答を増大させ(周波数応答は回路の静電容量によって制限される)、レージンググリッドのための高周波数動作をもたらす。 These P-type and N-type contacts are adhered to high-speed electrical contacts (see also reference numerals 751 to 754 in FIG. 7B). The ground-signal-ground (GSG) electrical waveguide substrate and laser chip are aligned (see Figure 14B) so that the negative mesa is glued to the negative part of the waveguide and emits a laser in the positive active area. Is aligned with the signal pad. This alignment is defined by a bonder and then heat and pressure are applied to bond the solder deposited on one chip or the other chip (see Figure 15). The high speed property of this contact is due to the p-type pad being separated from the n-type wafer ground by the amount of plating and solder height, which is primarily due to its removal from the laser substrate. This is due to the installation on the electric waveguide. Thus physical separation dramatically reduces the capacitance, thereby increasing the frequency response (frequency response is limited by the capacitance of the circuit), providing high frequency operation for the lasing grid. Bring.

例示の実施形態では、高速動作のために、エピ設計の底部のところで表面が電気コンタクトに接続され、これが、単一構造(例えば、図7Aを参照(参照符号717))を囲む分離トレンチ(例えば、図7Aの参照符号702を参照)を通して達成される。この構造はメサトポロジーに基づいておらず、金属めっき(図7Cの参照符号782など)を通して、N型コンタクト金属の電気領域に単純に短絡される(図7Aを参照されたい(参照符号703))。これは米国特許出願公開第2011/0176567号で説明されているような積み重ね構造または隆起構造ではなく、チップ表面と、接着のための表面となるエピ材料とを使用するものであり、エピ材料がさらにデバイスを接着部分のところでより安定する形で堅固にする。 In an exemplary embodiment, for high speed operation, a surface is connected to an electrical contact at the bottom of the epi design, which encloses a single structure (eg, see FIG. 7A (reference numeral 717)) and a separation trench (eg, reference numeral 717). , See reference numeral 702 in FIG. 7A). This structure is not based on mesa topology and is simply short-circuited to the electrical region of the N-type contact metal through metal plating (such as reference numeral 782 in FIG. 7C) (see FIG. 7A (reference numeral 703)). .. It uses a chip surface and an epi-material that serves as a surface for adhesion, rather than a stacked or raised structure as described in US Patent Application Publication No. 2011/01765667. In addition, the device is made more stable and firm at the glued part.

図5を再び参照すると、GSG信号パッド51が、P型コンタクト金属をアクティブな単一メサ構造の頂部に電気的に接続するはんだ52を有する。これにより、中にレーザ伝播のための孔を有する金属コンタクト構造の中に信号または電流を注入することが可能となり、電流がエピタキシャル構造のインプラントされていない領域を通って流れ、それによりこれらの画定される領域のみに電流が閉じ込められる。頂部のP型鏡領域が底部のN型鏡よりわずかに低い反射率を有し、それによりエピタキシャル構造の頂部から光を放射するのを可能にする。電流が、量子井戸の上を流れてこれらの接合部分内に光および熱を発生させ、n型鏡の中に入り、ここでは、電流がn型鏡の中にあるかまたはn型鏡の近くにあるN型コンタクト領域まで前進する。次いで、電流が、GSG電気導波管のグラウンド部分に接着されて電気コンタクトする短絡されたフレーム構造の方へ前進する。上面発光の設計を使用するこの構造は、GaAsまたはレーザ基板材料による透過遮断の波長より低いような低波長アウトプット設計のために使用され得る。背面発光構造は、通常、〜905nmを超える波長のためにしか設計されない。この上面発光構造は、設置されるエピタキシャル材料の限界値までの範囲において〜850nm以下で使用され得る。 Referring again to FIG. 5, the GSG signal pad 51 has a solder 52 that electrically connects the P-type contact metal to the top of the active single mesa structure. This allows signals or currents to be injected into metal contact structures with holes for laser propagation in them, allowing current to flow through the non-implanted regions of the epitaxial structure, thereby defining these. The current is confined only in the area where it is. The P-shaped mirror region at the top has a slightly lower reflectance than the N-type mirror at the bottom, which allows light to be emitted from the top of the epitaxial structure. An electric current flows over the quantum well to generate light and heat in these junctions and enters the n-type mirror, where the electric current is in or near the n-type mirror. Advance to the N-type contact area at. The current then advances towards a shorted frame structure that is adhered to and in electrical contact with the ground portion of the GSG electrical waveguide. This structure, which uses a top emission design, can be used for low wavelength output designs such as below the wavelength of transmission blocking by GaAs or laser substrate materials. Back emission structures are usually designed only for wavelengths above ~ 905 nm. This top light emitting structure can be used at ~ 850 nm or less in the range up to the limit value of the epitaxial material to be installed.

単一の固体構造がエッチングを用いて周囲のグラウンドから分離され、ここでは単一の固体構造がその中にイオンインプラントを有する。インプラントは不可視であるが、それが引き起こす結晶ダメージを理由として半導体材料を非導電性にする。インプラントデバイスを作るためには、最初に、ダメージから保護されるべき領域をマスクしなければならない。 A single solid structure is separated from the surrounding ground using etching, where the single solid structure has an ionic implant within it. The implant is invisible, but makes the semiconductor material non-conductive because of the crystal damage it causes. To make an implant device, you must first mask the area that should be protected from damage.

フォトリソグラフィックプロセスによって位置付けされるフォトレジストを用いて小さいメサが形成され、フォトレジストがエピタキシャル材料をダメージから保護し、インプラントの実施後に洗い落とされる。インプラントはイオンインプラント機械の中で行われ、イオンインプラント機械は、管に沿ってイオンを加速させ、イオンストリームの前にウエハーが配置される。 Small mesas are formed with the photoresist positioned by the photolithographic process, which protects the epitaxial material from damage and is washed off after implanting. The implant is performed in an ion implant machine, which accelerates the ions along the tube and places the wafer in front of the ion stream.

インプラントされたイオンは非導電性の半導体材料のエリアを作ることができる。非導電性材料のこれらのエリアがレージングエリアを通るように電流に強いることになる。これらの非導電性エリアは、図1と同様のパターンをエッチングして、実施形態2に関連して後で説明されるようにこの単一構造を酸化させることによっても作られる。図5は:
50 非導電性の電気導波管基板
51 電気導波管の信号金属
52 電気導波管をレーザチップに接着するためのはんだ金属
53 P型コンタクト層に短絡されてGSG電気導波管の信号パッドに電気的に接続されるめっき金属
54 P型出力鏡−回折ブラッグレフレクタ(diffractive bragg reflector)
55 アクティブ領域−量子井戸
56 低抵抗性コンタクト層が置かれるところであるN型鏡
57 N型コンタクト層およびグラウンドメサに短絡されるかまたは電気コンタクトするめっき金属
58 高速電気導波管のグラウンドパッドに電気コンタクトしており、接地されているメサ構造に電気コンタクトしている、はんだ
59 高速電気導波管上の信号パッドにコンタクトするための、単一メサ構造上のP型金属に接続されるめっき金属上のエリア
を示す。
Implanted ions can create areas of non-conductive semiconductor material. These areas of the non-conductive material will be forced into current through the lasing area. These non-conductive areas are also created by etching a pattern similar to that in FIG. 1 and oxidizing this single structure as described later in connection with Embodiment 2. Figure 5 shows:
50 Non-conductive electric waveguide substrate 51 Signal metal of electric waveguide 52 Solder metal for adhering electric waveguide to laser chip 53 Signal pad of GSG electric waveguide shorted to P-type contact layer Electrically connected to a plated metal 54 P-type output mirror-diffractive waveguide.
55 Active region-Quantum well 56 N-type mirror where the low resistance contact layer is placed 57 Plated metal short-circuited or electrically contacted with the N-type contact layer and ground mesa 58 Electricity to the ground pad of a high-speed electric waveguide Plated metal connected to a P-metal on a single mesa structure for contacting a signal pad on a solder 59 high speed electrical waveguide, which is in contact and is in electrical contact with the grounded mesa structure. Shows the upper area.

図24は、実施形態1などの実施形態と、米国特許出願公開第2011/0176567号によって教示される設計との間での、異なる電流フローの比較図を示す。米国特許出願公開第2011/0176567号では、各メサがN型金属コンタクトエリアによって囲まれる。これにはチップ上の貴重な空間または面積が使用されるが、その理由は、各メサの周りにこれらの階段状の金属n型コンタクトを画定するための処理はフォトリソグラフィを必要とし、それが、メサの間にどれくらい近くまで間隔をとれるかを制限するからである。これらの制限により、単位面積当たりのパワーアウトプットが新しい方法と比較して低くなる。したがって、この古い装置の目的は非常に高いパワーおよび速度のためのアレイであったのだが、パワー/面積を大きく改善させることを考慮しておらず、パワー/面積の大きな改善は、非常に高い速度において非常に大きいパワーを得るという最終的な目標においても改善となるものである。また、新しい単一構造を用いる場合は排除された古い方法での構造的制約を理由として、この古い方法のN型コンタクトは大型である必要がある。 FIG. 24 shows a comparison of different current flows between embodiments such as Embodiment 1 and the design taught by US Patent Application Publication No. 2011/01765667. In US Patent Application Publication No. 2011/01765667, each mesa is surrounded by an N-shaped metal contact area. Valuable space or area on the chip is used for this, because the process for defining these stepped metal n-type contacts around each mesa requires photolithography, which This is because it limits how close the distance between mesas can be. These restrictions result in lower power output per unit area compared to the new method. Therefore, although the purpose of this old device was an array for very high power and speed, it did not consider making significant improvements in power / area, and large improvements in power / area are very high. It is also an improvement in the ultimate goal of gaining very much power in speed. Also, the N-type contacts of this old method need to be large because of the structural constraints of the old method that were eliminated when using the new single structure.

本明細書で説明される新しい設計を用いる場合、単一構造がその上に複数の層を有し、この単一構造の周りにコンタクトを1つのみ有する。この新しい構造は構造の外部へのN型金属エリアを縮小し、光学素子ごとの面積を大幅に小さくする。これは、単一構造の電流負荷を担うように計算される大型のN型コンタクト層を伴う。単一のコンタクトから電流フローを増大させることは、より厚い金属またはより厚いN型コンタクト領域を通して実現され得る。 When using the new design described herein, a single structure has multiple layers on top of it, with only one contact around this single structure. This new structure reduces the N-type metal area to the outside of the structure and significantly reduces the area of each optical element. It involves a large N-type contact layer that is calculated to carry a single structure current load. Increasing current flow from a single contact can be achieved through thicker metal or thicker N-type contact regions.

米国特許出願公開第2017/0033535号の実施形態2−底面発光のインプラント
図6は第2の実施形態の例の断面図を示しており、ここでは、この第2の実施形態は、電流閉じ込めのためのインプラントされた領域を伴う底面発光デバイスである。GSG電気導波管がフレーム−グラウンド構造に、およびアクティブな単一レーザメサ構造にはんだ接着された状態で見られ得る。図6は:
601 電気導波管基板
602 GSG電気導波管の順序でのグラウンドコンタクトおよび信号コンタクト
603 レーザチップに対してのGSG導波管のはんだ−接着部分
604 電気導波管の信号パッドをレーザのP型コンタクトに電気的に接続するめっき金属
605 P型コンタクト金属
606 非導電性にされた状態のインプラントされた領域
607 P型鏡
608 アクティブ領域(量子井戸)
609 N型鏡
610 インプラントが届かないところであるN型鏡内の導電層
611 レーザ基板を通って伝播するレーザビーム
612 N型コンタクト領域に短絡されるめっき金属
613 N型コンタクト領域に短絡されるフレームエリア
614 レーザ上のN型コンタクトを、電気導波管上のグラウンドに電気的に接続するはんだ
615 大型の単一メサを、グラウンドフレームから分離するエッチング領域
を示す。
US Patent Application Publication No. 2017/0033535 Embodiment 2-Bottom Luminous Implant FIG. 6 shows a cross-sectional view of an example of a second embodiment, wherein the second embodiment is current confined. It is a bottom luminescent device with an implanted area for. The GSG electrical waveguide can be seen soldered to the frame-ground structure and to the active single laser mesa structure. Figure 6 shows:
601 Electric waveguide substrate 602 Ground contact and signal contact in the order of GSG electric waveguide 603 Solder-bonded part of GSG waveguide to laser chip 604 Signal pad of electric waveguide is P type of laser Plated metal 605 P-type contact metal that electrically connects to contacts 606 Implanted region in a non-conductive state 607 P-type mirror 608 Active region (quantum well)
609 N-type mirror 610 Conductive layer in the N-type mirror where the implant cannot reach 611 Laser beam propagating through the laser substrate 612 Plating metal short-circuited to the N-type contact area 613 Frame area short-circuited to the N-type contact area 614 Solder that electrically connects an N-type contact on a laser to the ground on an electrical waveguide 615 Shows an etching region that separates a large single mesa from the ground frame.

米国特許出願公開第2017/0033535号の実施形態1および2のためのプロセス
インプラントによる電流閉じ込め(implant current confinement)を用いる、実施形態1および2のための単一構造を作るためのプロセスステップの例示の実施形態が以下のように説明され得る。
Process for Embodiments 1 and 2 of U.S. Patent Application Publication No. 2017/0033535 Illustrative process steps for creating a single structure for Embodiments 1 and 2 using implant current confinement. Embodiments of may be described as follows.

ステップ1.P型金属を堆積させないエリアをマスクするためにフォトリソグラフィを使用する。 Step 1. Photolithography is used to mask areas where P-metals are not deposited.

ステップ2.P型金属(通常、〜2000AのTiPtAu)を堆積する。 Step 2. A P-type metal (usually ~ 2000A TiptAu) is deposited.

ステップ3.フォトリソグラフィ−リフトオフおよびウエハー洗浄。O2のディスカムまたはウエハーからのすべての有機物のアッシング。 Step 3. Photolithography-lift-off and wafer cleaning. Ashing of all organic matter from O2 discum or wafer.

ステップ4.エッチングマスクとして誘電堆積体(通常、〜<1000AのSiNx)を使用する。 Step 4. A dielectric deposit (usually ~ <1000A SiNx) is used as the etching mask.

ステップ5.イオン衝撃を通じて非保護領域を非導電性にするようなインプラントからのダメージから、エピ材料を保護するために、複数のエリア内に堆積されるフォトレジストまたは金属を使用するフォトリソグラフィックマスキング。このステップは本プロセスにおいて後で実施されてもよいが、トポロジーがより大きく変化していることに起因して実施がより困難となる可能性がある。 Step 5. Photolithographic masking using photoresists or metals deposited in multiple areas to protect epimaterials from damage from implants that make non-protected areas non-conductive through ionic impact. This step may be performed later in the process, but it can be more difficult to perform due to the larger changes in topology.

ステップ6.インプラント(インプラントドーズ量を計算する技術分野の当業者が、p型領域および量子井戸を互いから分離することになるような深さまで材料構造を切り離すのに必要であるインプラントのドーズ量およびを決定することになる)。 Step 6. Implants (technical artisans who calculate implant doses determine the amount and dose of implants needed to separate the material structure to a depth that would separate the p-type region and quantum well from each other. Will be).

ステップ7.インプラントに起因して、このフォトリソグラフィを洗浄することは困難であり、フォトリソグラフィの上のめっきなどの金属の堆積体がレジストを洗い落とすのを容易にするのを補助することができる。 Step 7. Due to the implant, it is difficult to clean this photolithography and it can help facilitate metal deposits such as plating on the photolithography to wash off the resist.

ステップ8.エッチングされない誘電体エリアをマスクするためにフォトリソグラフィを使用する。これは、電流が流れることが不可能である場所を画定する本構造内でのインプラントの下方において、分離される大型の構造を作るマスクの設計である独自の部分である。 Step 8. Photolithography is used to mask the unetched dielectric area. This is a unique part of the mask design that creates a large structure that is separated below the implant within this structure that defines where no current can flow.

ステップ9.誘電体を通してのエッチングを行うためにプラズマエッチングを使用することが(通常、Flベースのエッチング剤)、BOE(buffered oxide etch)(緩衝酸化物エッチング)などのウェットエッチングを使用することができる。 Step 9. Plasma etching can be used to perform etching through the dielectric (usually a Fl-based etching agent), or wet etching such as BOE (buffered oxide etch) (buffered oxide etching) can be used.

ステップ10.レーザまたは発光ダイオードのエピタキシャル材料の中にパターンをエッチングする。基板またはドープ電気コンタクト層上で止める。これが、チップ周りのN型短絡領域から単一の大型の構造を分離する。 Step 10. Etch the pattern into the epitaxial material of the laser or light emitting diode. Stop on the substrate or doped electrical contact layer. This separates a single large structure from the N-type short circuit region around the chip.

ステップ11.マスクを洗い落とす。O2のディスカムまたはウエハーからのすべての有機物のアッシング。 Step 11. Wash off the mask. Ashing of all organic matter from O2 discum or wafer.

ステップ12.N型金属を堆積させないエリアをマスクするために、フォトリソグラフィを使用する。 Step 12. Photolithography is used to mask areas where N-metals are not deposited.

ステップ13.N型金属(通常、原子量で80%Au/20%GeであるGeAu/Ni/Au共晶組成)を堆積させる。他の拡散バリア金属としての〜200A以上のNiと、〜5000A以上のAuとを有する、全体の厚さが〜3000A以上のAuGe層である。また、これは、n型金属がn型コンタクトエッチング領域内に堆積されて、また、N型コンタクト構造までおよびその上方まで堆積されて、それによりこの構造をN型コンタクトに短絡する、という点によって独自的である。 Step 13. An N-type metal (usually a GeAu / Ni / Au eutectic composition having an atomic weight of 80% Au / 20% Ge) is deposited. An AuGe layer having an overall thickness of ~ 3000 A or more, having Ni of ~ 200 A or more as another diffusion barrier metal and Au of ~ 5000 A or more. It is also due to the fact that the n-type metal is deposited in the n-type contact etching region and is also deposited up to and above the N-type contact structure, thereby shorting this structure to the N-type contact. It is unique.

ステップ14.マスクを洗い落とす(通常、リフトオフと呼ばれる)。O2のディスカムまたはウエハーからのすべての有機物のアッシング。 Step 14. Wash off the mask (usually called lift-off). Ashing of all organic matter from O2 discum or wafer.

ステップ15.非導電性分離バリアとして誘電堆積体(通常、〜2000AのSiNx)を使用する。 Step 15. A dielectric deposit (usually ~ 2000A SiNx) is used as the non-conductive separation barrier.

ステップ16.エッチングされない誘電体エリアをマスクするために、フォトリソグラフィを使用する。 Step 16. Photolithography is used to mask the unetched dielectric area.

ステップ17.誘電体を通してのエッチングを行うためにプラズマエッチングを使用することが(通常、Flベースのエッチング剤)、BOE(buffered oxide etch)(緩衝酸化物エッチング)などのウェットエッチングを使用することができる。 Step 17. Plasma etching can be used to perform etching through the dielectric (usually a Fl-based etching agent), or wet etching such as BOE (buffered oxide etch) (buffered oxide etching) can be used.

ステップ18.マスクを洗い落とす。O2のディスカムまたはウエハーからのすべての有機物のアッシング。 Step 18. Wash off the mask. Ashing of all organic matter from O2 discum or wafer.

ステップ19.はんだ金属を堆積させないエリアをマスクするために、フォトリソグラフィを使用する。 Step 19. Photolithography is used to mask areas where solder metal is not deposited.

ステップ20.〜4−5μmの金属(通常は、Au)または拡散バリアが先に堆積されていてよい場合にはCuでエリアをめっきする。 Step 20. The area is plated with Cu if a ~ 4-5 μm metal (usually Au) or diffusion barrier may have been deposited first.

ステップ21.はんだを堆積させないエリアをマスクするためにフォトリソグラフィを使用する。 Step 21. Photolithography is used to mask areas where solder does not deposit.

ステップ22.はんだ金属(通常、原子量で80%Au/20%SnであるAuSn/Au共晶組成)を堆積させる。AuGe層の全体の厚さが〜40000A(4ミクロン)以上であり、Snのいかなる酸化も防止するために頂部に〜500A以上のAuが用いられる。この層がパターニングされてサブマウントの上に堆積され得、電気導波管がレーザグリッドに接着されている。 Step 22. A solder metal (usually an AuSn / Au eutectic composition having an atomic weight of 80% Au / 20% Sn) is deposited. The total thickness of the AuGe layer is ~ 40,000 A (4 microns) or more, and Au of ~ 500 A or more is used at the top to prevent any oxidation of Sn. This layer can be patterned and deposited on the submount, with the electrical waveguide glued to the laser grid.

米国特許出願公開第2017/0033535号の実施形態3−上面発光の酸化
第3の実施形態では、単一構造内に上面発光レージング領域のグリッドを作るのにイオンインプランテーションではなく酸化が使用される。例えば、パターニングされたエッチングは単一構造内で導電パスを分離することができ、それにより光源のグリッドを作る。この構造は、単一構造からの複数のレーザ発光点を呈するものである。レージング構造が、エッチング領域により、チップの外周部を形成するグラウンドコンタクトから分離される。実施形態3のためのこの構造は上面発光である。グリッドの導電性エリアが、光が放射されるところの場所となる。ポジティブ電気コンタクトが、光が放射されるところの場所である開口部を伴うグリッドであってよい。
U.S. Patent Application Publication No. 2017/0033535 Embodiment 3-Oxidation of Top Emissions In a third embodiment, oxidation is used instead of ion implantation to create a grid of top emission lasing regions within a single structure. .. For example, patterned etching can separate conductive paths within a single structure, thereby creating a grid of light sources. This structure exhibits a plurality of laser emission points from a single structure. The lasing structure is separated from the ground contacts forming the outer periphery of the chip by the etching region. This structure for the third embodiment is top emitting. The conductive area of the grid is where the light is emitted. The positive electrical contact may be a grid with an opening where the light is emitted.

レーザウエハーのエピタキシャル材料がVCSEL設計であってよく、ほとんどのVCSELが上面発光である。p型導波管パッドを使用する信号の配信は通常はレーザウエハー上で行われるが、背面発光設計を有する酸化した単一構造の実施形態では、導波管がレーザのn型材料または層から分離される別個の基板上にあってもよいことを理解されたい。 The epitaxial material of the laser wafer may be a VCSEL design, most VCSELs are top emitting. Signal delivery using a p-guided pad is typically done on a laser wafer, but in an oxidized single structure embodiment with a back emission design, the waveguide is from an n-type material or layer of laser. It should be understood that they may be on separate substrates that are separated.

実施形態3の例を示す図7は、複数のポイントでのレージングを可能にする単一構造を作ることを目的としてウエハーにエッチングされる例示のパターンを示している。図7によって示される実施形態などの実施形態の単一構造は、米国特許出願公開第2011/0176567号によって教示されるような脆い結晶材料で作られる細いカラムより大幅に高い剛性を有する。また、上で考察された実施形態に関連して説明されたように、図7によって示されるパターン以外のレージングエリアのパターンが実行者によって所望される場合に採用されてもよいことを理解されたい。 FIG. 7, which shows an example of the third embodiment, shows an exemplary pattern that is etched onto a wafer for the purpose of creating a single structure that allows lasing at multiple points. The single structure of an embodiment, such as the embodiment shown in FIG. 7, has significantly higher stiffness than a thin column made of a brittle crystalline material as taught by US Patent Application Publication No. 2011/01765667. It should also be understood that patterns in the lasing area other than the pattern shown in FIG. 7 may be adopted where desired by the practitioner, as described in connection with the embodiments discussed above. ..

図7では、分離トレンチの中央にパターニングされた単一メサ構造を作るために、斜線ストライプエリアが好適には下方向にエッチングされる。すべての斜線ストライプエリアが好適には図7Aの底部のN型電気伝導性層705まで下方向にエッチングされるか、または一般的にはより大型の分離トレンチがエピタキシャル設計として埋設される電気コンタクトまでエッチングされることになり、対してより小型のパターニングされたエッチングエリアは、レージングポイントを分離するアクティブ領域より深くまで到達しなければならない。分離トレンチの中央のパターニングされた構造は、この構造にエッチングされる「成形された」孔を有する単一構造である。 In FIG. 7, the diagonal stripe area is preferably etched downward to create a patterned single mesa structure in the center of the separation trench. All shaded striped areas are preferably etched downwards to the N-shaped electrical conductive layer 705 at the bottom of FIG. 7A, or generally to electrical contacts where larger separation trenches are embedded as an epitaxial design. It will be etched, whereas the smaller patterned etching area must reach deeper than the active region separating the lasing points. The patterned structure in the center of the separation trench is a single structure with "molded" holes etched into this structure.

大型の単一メサの中にある孔はこの事例では大型である。これらの孔が、この酸化プロセス環境でエピタキシャル領域内の層を酸化させるのを可能にする。酸化層は高いアルミニウム含有量を有し、酸化プロセスの終了時まで層を通って横方向に成長するAlOを形成する。白色エリアがチップの表面であり、点線が酸化により電流フローを非酸化エリアのみに制限するような場所である。この大型単一メサの中の孔はこの事例では大型である。これらの孔が、この酸化プロセス環境でエピタキシャル領域内の層を酸化させるのを可能にする。酸化層が、表面の下に埋設されるエピ設計構造内の高いAl含有量を有する層を使用して、形成され得る。エッチングエリアが、酸化チャンバ内に設置されることになる層を露出し、この露出される層が内側へと酸化することが可能となり、ここではAlOが酸化プロセスの終了時まで層を通って横方向に成長する。この薄い層の中で酸化の長さが伸びるので、酸化プロセス中に形成されるAlOの誘電材料により電流パスが分離されるかまたは閉鎖される。エリア7005がエッチングされる場合、エリア7008のみが導電性となるまで酸化が成長し続け、エピタキシャル層のこのエリアまたは部分がこのセクションを通るように電流を導く。電気伝導性エリアが、電流フローが量子井戸を通るのを可能にし(図7Aの参照符号707を参照)、p型鏡709とN型鏡706との間のキャビティで光がトラップされるときにレージングを作り出す。 The holes in a large single mesa are large in this case. These pores allow the layers within the epitaxial region to oxidize in this oxidation process environment. The oxide layer has a high aluminum content and forms AlO 2 that grows laterally through the layer until the end of the oxidation process. The white area is the surface of the chip, and the dotted line is the place where oxidation limits the current flow to the non-oxidized area only. The holes in this large single mesa are large in this case. These pores allow the layers within the epitaxial region to oxidize in this oxidation process environment. Oxidized layers can be formed using layers with high Al content in the epidesign structure embedded beneath the surface. The etching area exposes the layer that will be placed in the oxidation chamber, allowing this exposed layer to oxidize inward, where AlO 2 passes through the layer until the end of the oxidation process. It grows laterally. As the length of oxidation increases in this thin layer, the dielectric material of AlO 2 formed during the oxidation process separates or closes the current path. When area 7005 is etched, oxidation continues to grow until only area 7008 becomes conductive, directing current so that this area or portion of the epitaxial layer passes through this section. An electrically conductive area allows current flow to pass through the quantum well (see reference numeral 707 in FIG. 7A) when light is trapped in the cavity between the p-type mirror 709 and the N-type mirror 706. Create lasing.

図7では酸化長さを点線で見ることができ、すべてが、中に形成される孔を有する大型単一構造の中の、任意の1つの露出される縁部または孔からほぼ等しい距離である。図7は大型の単一メサグラウンド構造をさらに示している。図7A、7B、および7Cが位置する場所を示すために3つ断面の図が示されている。図7Bが、この断面を通して、中央のメサが単一構造であることを明瞭に示していることに留意されたい。 In FIG. 7, the oxidation length can be seen as a dotted line, all approximately equal distances from any one exposed edge or hole in a large single structure with holes formed in it. .. FIG. 7 further shows a large single mesa ground structure. Three cross-sectional views are shown to show where FIGS. 7A, 7B, and 7C are located. Note that FIG. 7B clearly shows through this cross section that the central mesa is a single structure.

図7は:
7001 電気導波管のグラウンドへの電気コンタクトのためのフレーム(単一の短絡メサ)
7002 グラウンドフレームから大型の単一メサを分離するエッチング領域
7003 エッチングされた孔を備える単一メサ構造
7004 単一メサ構造の縁部を酸化状態および非導電性の状態で維持するための縁部内にあるインデント
7005 単一メサ構造内にあるエッチングされた孔
7006 任意のエッチングされた縁部の周りにある酸化パターン
7007 電流フローを可能にしない重複する酸化エリア
7008 電流が自由に流れることができるレーザアパーチャ(図7Bの761と同様)
7009 グラウンドから電気導波管上の信号パッドまでの静電容量を低減するための短絡メサ構造内にある隙間
を示す。
Figure 7 shows:
7001 Frame for electrical contact of electrical waveguide to ground (single short circuit mesa)
7002 Etched area that separates a large single mesa from the ground frame 7003 Single mesa structure with etched holes 7004 In the edge to maintain the edge of the single mesa structure in an oxidized and non-conductive state One indent 7005 Etched holes in a single mesa structure 7006 Oxidation pattern around any etched edge 7007 Overlapping oxidation areas that do not allow current flow 7008 Laser aperture that allows current to flow freely (Similar to 761 in FIG. 7B)
7009 Shows the gaps in the short-circuit mesa structure to reduce the capacitance from the ground to the signal pad on the electrical waveguide.

図7A、7A2、および7Bは、例示の図7の実施形態の側面図である。 7A, 7A2, and 7B are side views of an exemplary embodiment of FIG. 7.

図7A2は酸化731を形成するのを可能にするエッチングされた孔727を示しており、これがレーザビーム763の形成のために電流を図7Bの領域761に閉じ込める。 FIG. 7A2 shows an etched hole 727 that allows the formation of oxidation 731, which confine the current to region 761 of FIG. 7B for the formation of the laser beam 763.

図7Aの参照符号706は、p型鏡の回折ブラッグレフレクタ(DBR)であり、これは非常に高いアルミニウム含有量を有する1つまたは複数の層708を中に有し、このことが、高温高湿条件に晒されるときに708を酸化させ、電流を図7Bによって示されるエリア761に閉じ込め、エリア761においてレーザビームが外に出る。N型鏡のDBR709が、めっき782(図7Cを参照)へのN型金属オームコンタクトを通して電流を外に流すための導電層705を有し、めっき782が単一のグラウンドメサ構造718(図7Aを参照)までさらにはその上方ではんだ717まで到達し、GSG導波管716上のN型めっきに電気接続され、さらには導波管のN型コンタクト175の中まで電気的に接続される。 Reference numeral 706 in FIG. 7A is a diffraction Bragg reflector (DBR) for a p-type mirror, which has one or more layers 708 in it with a very high aluminum content, which is a high temperature. When exposed to high humidity conditions, the 708 is oxidized, confining the current in area 761 shown in FIG. 7B, where the laser beam exits. The N-type mirror DBR709 has a conductive layer 705 for allowing current to flow out through an N-type metal ohm contact to the plating 782 (see FIG. 7C), and the plating 782 has a single ground mesa structure 718 (FIG. 7A). Further above it, it reaches the solder 717 and is electrically connected to the N-type plating on the GSG waveguide 716 and further to the inside of the N-type contact 175 of the waveguide.

電流閉じ込めは半導体レーザの重要な点である。この概念は、電流フローがこの構造の縁部から離れることを強いることであり、その結果、エッチングにより存在し得るような粗い表面状態の近くを電流が流れることによる問題がなくなる。また、材料内での電流密度を上げることによりレージングを実現することを目的として、理想的には、電流フローが集中される。電流閉じ込めは、ドリルされた孔によって可能となる酸化プロセスにおいて、Alの高濃度層が高温高湿条件に晒されるのを可能にすることによる酸化により(例えば、この実施形態3)、または他のすべてのエリアを非導電性にするインプラントにより(例えば、実施形態1および2を参照)、行われる。 Current confinement is an important point of semiconductor lasers. The concept is to force the current flow away from the edges of this structure, thus eliminating the problem of current flowing near rough surface conditions that may be present due to etching. In addition, the current flow is ideally concentrated for the purpose of achieving lasing by increasing the current density in the material. Current confinement is by oxidation by allowing the high concentration layer of Al to be exposed to high temperature and high humidity conditions in the oxidation process enabled by the drilled holes (eg, this embodiment 3), or other. This is done with implants that make all areas non-conductive (see, eg, embodiments 1 and 2).

図7Aは:
701 電気導波管基板
702 大型単一メサをグラウンドフレームから分離するエッチング領域
703 N型コンタクト層に電気コンタクトしているN型金属コンタクト
704 N型鏡
705 N型鏡の中にあるN型コンタクト層(オームコンタクトのために低抵抗性である)
706 N型コンタクト領域の上方にあるN型鏡
707 アクティブ領域(量子井戸)
708 領域内において電流を遮断する酸化層
709 P型鏡
710 誘電層
711 P型コンタクト金属の頂部にあるめっき
712 レーザビームの出口のための、P型コンタクト金属およびめっき金属の中にあるアパーチャ
713 電気導波管基板
714 GSG電気導波管のグラウンドコンタクト
715 GSG電気導波管の信号コンタクト
716 レーザチップへのGSG導波管のはんだ−接着部分
717 レーザチップへのGSG導波管のはんだ−接着部分
718 レーザチップのN型コンタクト領域に電気的に接続されるフレーム構造
を示す。
Figure 7A is:
701 Electrical waveguide substrate 702 Etching region that separates a large single mesa from the ground frame 703 N-type metal contact that is in electrical contact with the N-type contact layer 704 N-type mirror 705 N-type contact layer in the N-type mirror (Low resistance due to ohm contacts)
706 N-type mirror above the N-type contact area 707 Active region (quantum well)
Oxidation layer that blocks current in the 708 region 709 P-type mirror 710 Waveguide layer 711 Plated on top of P-type contact metal 712 Aperture in P-type contact metal and plated metal for laser beam outlet 713 Electricity Waveguide board 714 Ground contact of GSG electrical waveguide 715 Signal contact of GSG electrical waveguide 716 Solder-adhesive portion of GSG waveguide to laser chip 717 Solder-adhesive portion of GSG waveguide to laser chip 718 The frame structure electrically connected to the N-shaped contact region of the laser chip is shown.

図7A2は上記図7Aのつづきであり、図7A2は:
721 GSG電気導波管のグラウンドコンタクト
722 GSG電気導波管のグラウンドコンタクト上のめっき
723 レーザチップへのGSG導波管のはんだ−接着部分
724 GSG電気導波管の信号コンタクト
725 レーザチップへのGSG導波管のはんだ−接着部分
726 GSG電気導波管の信号コンタクト上のめっき
727 酸化により電流閉じ込めアパーチャを形成するのを可能にする、単一メサ構造内にあるエッチングされた孔領域
728 P型コンタクト金属の頂部のめっき
729 めっきからレーザの単一メサ構造上のP型コンタクトへの電気コンタクトのための誘電層内にある開口部
730 誘電層
731 エッチングされた孔領域の近くで電流を遮断する酸化層
を示す。
FIG. 7A2 is a continuation of FIG. 7A, and FIG. 7A2 is:
721 GSG Electrical Waveguide Ground Contact 722 Plating on GSG Electrical Waveguide Ground Contact 723 Solder-Adhesive Part of GSG Waveguide to Laser Chip 724 GSG Electrical Waveguide Signal Contact 725 GSG to Laser Chip Solder-Adhesive Part of Waveguide 726 Plating on Signal Contact of GSG Electrical Waveguide 727 Etched Hole Region in Single Mesa Structure Allows Oxidation to Form Current Confinement Aperture 728 P-Type Plating on the top of the contact metal 729 Opening in the waveguide for electrical contact from plating to the P-shaped contact on the single mesa structure of the laser 730 Waveguide 731 Blocks current near the etched hole region Shows an oxide layer.

図7Bは、図7に示されない電気接続部および電気導波管をさらに示している図7の断面図である。図7Bは酸化層によって作られるアパーチャを通る断面図を示す。酸化層が、図7Aに示される単一構造内の孔を介する酸化プロセスに晒される。この図はさらに、このアクティブメサ構造が真に単一メサ構造であることを示している。図7Bは:
751 GSG電気導波管のグラウンドコンタクト
752 GSG電気導波管のグラウンドコンタクト上のめっき
753 はんだ−レーザチップへのGSG導波管のグラウンドの接着
754 GSG電気導波管の信号コンタクト
755 GSG電気導波管の信号コンタクト上のめっき
756 レーザチップ上のP型コンタクト金属
757 レーザアパーチャの上にあるめっきおよびP型コンタクト金属の中の開口部
758 P型コンタクト金属上のめっき
759 はんだ−レーザチップへの、GSG導波管の信号の接着
760 N型コンタクトからアクティブメサ構造を保護する誘電層
761 酸化層内にある開口部によって形成される電流閉じ込めアパーチャ
762 酸化層誘電体
763 金属開口部を通って伝播するレーザビーム
を示す。
FIG. 7B is a cross-sectional view of FIG. 7 further showing an electrical connection and an electrical waveguide not shown in FIG. FIG. 7B shows a cross-sectional view through the aperture created by the oxide layer. The oxide layer is exposed to an oxidation process through the pores within the single structure shown in FIG. 7A. This figure further shows that this active mesa structure is truly a single mesa structure. FIG. 7B is:
751 GSG Electrical Waveguide Ground Contact 752 GSG Electrical Waveguide Ground Contact Plating 753 Solder-GSG Waveguide Ground Adhesion to Laser Chip 754 GSG Electrical Waveguide Signal Contact 755 GSG Electrical Waveguide Coating on the signal contact of the waveguide 756 P-type contact metal on the laser chip 757 Plating on the laser dielectric and opening in the P-type contact metal 758 Plating on the P-type contact metal 759 Solder-to the laser chip, GSG Waveguide Signal Adhesion 760 Dielectric layer that protects active mesa structure from N-type contacts 761 Current confinement aperture formed by openings in the oxide layer 762 Oxide layer dielectric 763 Propagates through metal openings Indicates a laser beam.

図7Cは、GSG導波管のP型コンタクトまたは信号がレーザチップの下方に位置付けされるところのエリアの断面図であり、ここではレーザのN型コンタクトに接地されるN型コンタクトフレームまたは単一構造メサがGSG電気導波管の上方にある。レーザグラウンドとP型信号パッドとの間の大型の隙間が回路の静電容量を低減し、高周波数動作を可能にする。図7Cは:
780 誘電層
781 N型オームコンタクト金属
782 N型金属コンタクトを単一のグラウンドメサ構造に短絡するめっき
784 エピタキシャル成長側のN型コンタクト層
785 電気導波管上の信号パッドに電気コンタクトしているめっき
786 GSG電気導波管上の金属の信号パッドリード
787 GSG電気導波管のグラウンドパッド上のめっき
788 電気導波管基板
789 導電性信号パッド構造とN型コンタクト層との間の隙間が、静電容量を低減させる
を示す。
FIG. 7C is a cross-sectional view of the area where the P-type contact or signal of the GSG waveguide is located below the laser chip, where the N-type contact frame or single is grounded to the N-type contact of the laser. The structural mesa is above the GSG electrical waveguide. The large gap between the laser ground and the P-type signal pad reduces the capacitance of the circuit and allows for high frequency operation. Figure 7C shows:
780 Dielectric layer 781 N-type ohm-contact metal 782 Plating that short-circuits N-type metal contacts into a single ground mesa structure 784 N-type contact layer on the epitaxial growth side 785 Plating that makes electrical contact with the signal pad on the electrical waveguide 786 Metal signal pad lead on GSG electrical waveguide 787 Plating on ground pad of GSG electrical waveguide 788 Electrical waveguide substrate 789 The gap between the conductive signal pad structure and the N-type contact layer is electrostatic. Indicates to reduce capacity.

米国特許出願公開第2017/0033535号の実施形態3のためのプロセス
酸化による電流閉じ込め(oxidation current confinement)を用いる、実施形態3のための単一構造を作るためのプロセスステップの例示の実施形態が以下のように説明され得る。
Process for Embodiment 3 of U.S. Patent Application Publication No. 2017/0033535 An exemplary embodiment of a process step for creating a single structure for Embodiment 3 using oxidative current confinement. It can be explained as follows.

ステップ1.P型金属を堆積させないエリアをマスクするために、フォトリソグラフィを使用する。 Step 1. Photolithography is used to mask areas where P-metals are not deposited.

ステップ2.P型金属(通常、〜2000AのTiPtAu)を堆積する。 Step 2. A P-type metal (usually ~ 2000A TiptAu) is deposited.

ステップ3.フォトリソグラフィリフトオフおよびウエハー洗浄。O2のディスカムまたはウエハーからのすべての有機物のアッシング。 Step 3. Photolithography lift-off and wafer cleaning. Ashing of all organic matter from O2 discum or wafer.

ステップ4.エッチングマスクとして誘電堆積体(通常、〜<1000AのSiNx)を使用する。 Step 4. A dielectric deposit (usually ~ <1000A SiNx) is used as the etching mask.

ステップ5.エッチングされない誘電体のエリアをマスクするために、フォトリソグラフィを使用する。 Step 5. Photolithography is used to mask areas of the dielectric that are not etched.

ステップ6.誘電体を通してのエッチングを行うためにプラズマエッチングを使用することが(通常、Flベースのエッチング剤)、BOE(buffered oxide etch)(緩衝酸化物エッチング)などのウェットエッチングを使用することができる。 Step 6. Plasma etching can be used to perform etching through the dielectric (usually a Fl-based etching agent), or wet etching such as BOE (buffered oxide etch) (buffered oxide etching) can be used.

ステップ7.レーザまたは発光ダイオードのエピタキシャル材料の中にパターンをエッチングする。基板またはドープ電気コンタクト層上で止める。通常、エッチングは、ある程度の量(高いパーセンテージ)のBCl3を有するClベースである。 Step 7. Etch the pattern into the epitaxial material of the laser or light emitting diode. Stop on the substrate or doped electrical contact layer. Etching is usually Cl-based with a certain amount (high percentage) of BCl3.

ステップ8.マスクを洗い落とす。O2のディスカムまたはウエハーからのすべての有機物のアッシング。 Step 8. Wash off the mask. Ashing of all organic matter from O2 discum or wafer.

ステップ9.N型金属を堆積させないエリアをマスクするために、フォトリソグラフィを使用する。 Step 9. Photolithography is used to mask areas where N-metals are not deposited.

ステップ10.N型金属(通常、原子量で80%Au/20%GeであるGeAu/Ni/Au共晶組成)を堆積させる。他の拡散バリア金属としての〜200A以上のNiを伴う全体の厚さが〜3000A以上のAuGe層、および〜5000A以上のAuである。 Step 10. An N-type metal (usually a GeAu / Ni / Au eutectic composition having an atomic weight of 80% Au / 20% Ge) is deposited. An AuGe layer with an overall thickness of ~ 3000A or more and an Au of ~ 5000A or more with Ni of ~ 200A or more as other diffusion barrier metals.

ステップ11.マスクを洗い落とす(通常、リフトオフと呼ばれる)。O2のディスカムまたはウエハーからのすべての有機物のアッシング。 Step 11. Wash off the mask (usually called lift-off). Ashing of all organic matter from O2 discum or wafer.

ステップ12.非導電性分離バリアとして誘電堆積体(通常、〜2000AのSiNx)を使用する。 Step 12. A dielectric deposit (usually ~ 2000A SiNx) is used as the non-conductive separation barrier.

ステップ13.エッチングされない誘電体のエリアをマスクするために、フォトリソグラフィを使用する。 Step 13. Photolithography is used to mask areas of the dielectric that are not etched.

ステップ14.誘電体を通してのエッチングを行うためにプラズマエッチングを使用することが(通常、Flベースのエッチング剤)、BOE(buffered oxide etch)(緩衝酸化物エッチング)などのウェットエッチングを使用することができる。 Step 14. Plasma etching can be used to perform etching through the dielectric (usually a Fl-based etching agent), or wet etching such as BOE (buffered oxide etch) (buffered oxide etching) can be used.

ステップ15.マスクを洗い落とす。O2のディスカムまたはウエハーからのすべての有機物のアッシング。 Step 15. Wash off the mask. Ashing of all organic matter from O2 discum or wafer.

ステップ16.めっき金属を堆積させないエリアをマスクするために、フォトリソグラフィを使用する。 Step 16. Photolithography is used to mask areas where no plating metal is deposited.

ステップ17.〜4−5μmの金属(通常は、Au)で、または拡散バリアが先に堆積されていてよい場合にはCuでエリアをめっきする。 Step 17. The area is plated with a metal of ~ 4-5 μm (usually Au) or with Cu if the diffusion barrier may have been previously deposited.

ステップ18.はんだを堆積させないエリアをマスクするために、フォトリソグラフィを使用する。 Step 18. Photolithography is used to mask areas where solder does not deposit.

ステップ19.はんだ金属(通常、原子量で80%Au/20%SnであるAuSn/Au共晶組成)を堆積させる。AuSn層の全体の厚さは〜40,000A(4ミクロン)以上であり、Snのいかなる酸化も防止するために頂部に〜500A以上のAuが用いられる。この層がパターニングされてサブマウントの上に堆積され得、ここでは電気導波管がレーザグリッドに接着されている。 Step 19. A solder metal (usually an AuSn / Au eutectic composition having an atomic weight of 80% Au / 20% Sn) is deposited. The total thickness of the AuSn layer is ~ 40,000 A (4 microns) or more, and Au of ~ 500 A or more is used at the top to prevent any oxidation of Sn. This layer can be patterned and deposited on the submount, where the electrical waveguide is glued to the laser grid.

ステップ20.クリービングまたはダイシングを用いてレーザチップをウエハーから分離する。 Step 20. Separate the laser chip from the wafer using cleaving or dicing.

ステップ21.高周波数動作を可能にする設計を用いて、レーザチップに位置合わせする電気導波管を設計および製作する。 Step 21. Design and manufacture electrical waveguides that align with the laser chip using a design that allows high frequency operation.

ステップ22.レーザチップをサブマウントの電気導波管に位置合わせしてフリップチップ接着する Step 22. Align the laser tip with the submount electrical waveguide and flip chip bond

米国特許出願公開第2017/0033535号の実施形態4−底面発光の酸化
第4の実施形態では、複数のレージング領域を有する酸化した単一構造がトップ放射体ではなくボトム放射体として設計される。図8から図14Cが実施形態4の細部を提示しており、この実施形態を作るのに使用され得るプロセスを示している。レージンググリッドの光が基板を通して放射され、バック放射体を形成する。
U.S. Patent Application Publication No. 2017/0033535 Embodiment 4-Oxidation of Bottom Emission In a fourth embodiment, a single oxidized structure with multiple lasing regions is designed as a bottom radiator rather than a top radiator. 8 to 14C present the details of embodiment 4 and show the processes that can be used to make this embodiment. The light from the lasing grid is radiated through the substrate, forming a back radiator.

光は〜900nm以上の波長においてGaAs内を透過可能である。エピタキシャル設計で処理される光の波長が〜900nm以上の範囲内にある場合、GaAs基板は光を伝達する、つまり光に対して透過性である。このエピタキシャル設計がP型鏡より低い反射率を有するN型鏡を含む場合、VCSELなどのレーザがN型鏡から基板を通して光を放射することができる。レーザビームがこの材料を通って伝播することになり、基板は、光をコリメートするか、光を広げるか、光を発散させるか、光を集束させるか、光を導くための光学部品のためのプラットフォームとなり得る。これが、非常に高い輝度パワーを有する一体型の光学回路を形成することを可能にする。この場合、この単一構造およびグラウンドコンタクトが高速電気導波管基板に一体化され得、それによりグリッド全体からの高周波数応答を可能にする。この高速電気導波管にはグラウンド−シグナル−グラウンドの電気導波管が理想的である。使用され得る別の種類の電気導波管としてマイクロストリップ導波管があり(図15を参照)、ここでは、基板上の薄い誘電層により信号パッドがグラウンドパッドから分離される。 Light can pass through GaAs at wavelengths above ~ 900 nm. When the wavelength of light processed by the epitaxial design is in the range of ~ 900 nm or more, the GaAs substrate transmits light, that is, is transparent to light. When this epitaxial design includes an N-type mirror having a lower reflectance than the P-type mirror, a laser such as a VCSEL can emit light from the N-type mirror through the substrate. The laser beam will propagate through this material, and the substrate will collimate the light, spread the light, diverge the light, focus the light, or for optical components to guide the light. Can be a platform. This makes it possible to form an integrated optical circuit with very high luminance power. In this case, this single structure and ground contact can be integrated into a high speed electrical waveguide substrate, thereby allowing high frequency response from the entire grid. A ground-signal-ground electrical waveguide is ideal for this high-speed electrical waveguide. Another type of electrical waveguide that can be used is a microstrip waveguide (see FIG. 15), where a thin dielectric layer on the substrate separates the signal pad from the ground pad.

図8は一般的なエピタキシャル設計の図である。VCSELデバイスには任意の高速設計が使用され得る。図8は:
81 GaAs基板
82 低抵抗性コンタクト層のための、考えられる位置
83 コンタクト領域の後のN型鏡層
84 低抵抗性N型コンタクト領域
85 量子井戸の後のN型鏡層
86 量子井戸領域
87 酸化層
88 P型鏡
89 低抵抗性P型コンタクト層
を示す。
FIG. 8 is a diagram of a general epitaxial design. Any high speed design can be used for the VCSEL device. Figure 8 is:
81 GaAs substrate 82 Possible positions for low resistance contact layer 83 N-type mirror layer after contact area 84 Low resistance N-type contact area 85 N-type mirror layer after quantum well 86 Quantum well area 87 Oxidation Layer 88 P-type mirror 89 Shows a low resistance P-type contact layer.

図9は、P型金属の堆積である、実施された第1のプロセスの図である。これは、通常、オームコンタクトを形成する高濃度ドープのP型コンタクト層の頂部にあるTi/Pt/Au層である。図9は:
91 アニールプロセス後のオームコンタクトを形成するP型金属
92 低抵抗性P型コンタクト層
を示す。
FIG. 9 is a diagram of the first process carried out, which is the deposition of P-type metal. This is usually the Ti / Pt / Au layer at the top of the highly doped P-type contact layer that forms the ohm contact. Figure 9 shows:
91 P-metal forming ohm contacts after annealing process 92 Shows a low resistance P-type contact layer.

図10は、N型コンタクト層までの下方向のエピタキシャル層のエッチングの上面図である。図10は以下のものを示す:
1001 N型コンタクト層までエッチングされたエリア
1002 単一メサグラウンド構造
1003 単一メサアクティブ構造
1004 アパーチャを形成することを目的とした酸化プロセスを可能にするためのエッチング孔
1005 導電性による電流閉じ込め(conductive current confinement)を形成する酸化が存在することがないところである、すべての孔の間にあるエリア
FIG. 10 is a top view of etching the epitaxial layer in the downward direction up to the N-type contact layer. FIG. 10 shows the following:
1001 Area etched up to N-type contact layer 1002 Single mesaground structure 1003 Single mesaactive structure 1004 Etched holes to enable oxidation process aimed at forming apertures 1005 Conductive current confinement (conductive) The area between all the pores where the oxidation that forms the current confinement) is absent.

図10Aは酸化プロセス前に形成される図10の断面図Aであり、図10A2は酸化プロセス後に形成される図10の断面図Aである。図10A2は:
120 酸化プロセス中に露出された任意のエッチング領域の近くで導電パスを完全に遮断する酸化
を示す。
10A is a cross-sectional view A of FIG. 10 formed before the oxidation process, and FIG. 10A2 is a cross-sectional view A of FIG. 10 formed after the oxidation process. FIG. 10A2 is:
120 Demonstrates oxidation that completely blocks the conductive path near any etching area exposed during the oxidation process.

図10Bは、示されるエリア内に電流閉じ込めアパーチャが形成された場所を示している図10の断面図Bである。この図は、単一メサのセクションを示しており、その断面を孔が貫通しておらず、またこの図は、このメサ構造が接着プロセスにおいて好適である、より堅固な構造を可能にする単一メサ構造であることを明瞭に示している。図10Bは:
125 電流閉じ込めアパーチャが単一メサ構造の導電性領域である
126 孔がエッチングされた場所の近くに誘電層として形成している酸化層
127 P型金属コンタクト層
を示す。
FIG. 10B is a cross-sectional view B of FIG. 10 showing a location where a current confinement aperture is formed in the area shown. This figure shows a section of a single mesa, the cross section of which is not perforated, and this figure allows for a more robust structure in which this mesa structure is suitable for the bonding process. It clearly shows that it has a one-mesa structure. FIG. 10B is:
125 The current confinement aperture is a conductive region of a single mesa structure. 126 An oxide layer formed as a dielectric layer near the place where the pores are etched 127 P-type metal contact layer is shown.

図11は、エピタキシャルコンタクト層への電気コンタクトのための、および高い信頼性のために半導体を密封するための、開いているビア「ホール」を用いてパターニングされた、堆積された誘電層を示している。図11は:
1101 開口部または「ビア」を伴う、パターニングされた誘電層
1102 P型コンタクト金属までの、誘電層内の開口部
1103 単一メサグラウンド構造上にあるコンタクト層
を示す。
FIG. 11 shows a deposited dielectric layer patterned with open via "holes" for electrical contact to the epitaxial contact layer and for sealing the semiconductor for high reliability. ing. FIG. 11 is:
1101 Patterned dielectric layer with openings or "vias" 1102 Openings within the dielectric layer up to P-type contact metal 1103 Contact layer on a single mesaground structure.

図12は、堆積された後のN型金属コンタクトを示している。図12は:
1201 N型コンタクト金属が、孔を介して、N型コンタクト層への電気接続部を作るために、N型コンタクトの上に堆積されている
を描いている。
FIG. 12 shows an N-shaped metal contact after deposition. Figure 12 shows:
1201 N-type contact metal is depicted as being deposited over an N-type contact to make an electrical connection to the N-type contact layer through a hole.

図13は、単一の接地されたフレーム領域の頂部にN型コンタクト領域を短絡する金属をめっきする次のステップを示しており、単一の接地されているフレーム領域がGSG導波管のグラウンドパッドに接着されて電気的に導通している。このめっきが、静電容量を低減するアクティブ領域の高さをさらに加え、デバイスのアクティブ領域から熱を除去して、デバイスにさらに良好な性能を与える。アクティブな単一構造の上のめっきが、誘電層により、N型鏡およびN型コンタクト領域から分離される。図13は:
1301 アクティブ領域を覆い、および単一メサ構造の孔まで延在するめっきを防止する誘電層
1302 N型コンタクト金属を通してN型コンタクト領域に短絡される、単一の接地されているメサ構造を覆うめっき
1303 めっき金属の高い熱伝導係数を通じて冷却が生じ得るところの、アクティブ領域の孔まで延在する、アクティブ構造を覆うめっき
1304 GSG電気導波管のグラウンドに接着されて電気的に接続されるための、単一フレーム構造の上を延在するめっき金属
を示す。
FIG. 13 shows the next step of plating the top of a single grounded frame region with a metal that shorts the N-shaped contact region, where the single grounded frame region is the ground of the GSG waveguide. It is adhered to the pad and is electrically conductive. This plating further adds the height of the active region to reduce capacitance and removes heat from the active region of the device, giving the device even better performance. The plating on the active single structure is separated from the N-type mirror and N-type contact area by a dielectric layer. FIG. 13 is:
1301 Dielectric layer that covers the active region and prevents plating that extends to the pores of the single mesa structure 1302 Plating that covers a single grounded mesa structure that is short-circuited to the N-type contact area through the N-type contact metal. 1303 Plating covering the active structure, extending to the holes in the active region, where cooling can occur through the high thermal conductivity of the plated metal 1304 GSG For being adhered to the ground of the electrical waveguide and electrically connected , Shows a plated metal extending over a single frame structure.

図14aはレーザチップ上に堆積されるはんだを示している。これが、レーザチップと高速電気導波管との間の電気伝導性の接着層として機能する。図14aは:
1401 はんだ堆積体
を示す。
FIG. 14a shows the solder deposited on the laser chip. This functions as an electrically conductive adhesive layer between the laser chip and the high-speed electric waveguide. FIG. 14a is:
1401 Indicates a solder deposit.

図14bは、接着前のGSG電気導波管のアライメントを示している。図14bは:
1403 GSG高速電気導波管のためのサブマウント
1404 GSG高速電気導波管のためのグラウンドパッド
1405 GSG高速電気導波管のための信号パッド
1406 GSG高速電気導波管の導電性エリア上に堆積されためっき金属
を示す。
FIG. 14b shows the alignment of the GSG electrical waveguide before bonding. FIG. 14b is:
1403 Submount for GSG high-speed electric waveguide 1404 Ground pad for GSG high-speed electric waveguide 1405 Signal pad for GSG high-speed electric waveguide 1406 Accumulated on the conductive area of GSG high-speed electric waveguide Shows the plated metal.

図14Cは、GSG電気導波管への接着されたレーザチップを示している。単一の接地されているメサの中の隙間が、静電容量を低減することにより高速動作を可能にする
を示す。
FIG. 14C shows a laser chip bonded to a GSG electrical waveguide. It is shown that the gap in a single grounded mesa enables high speed operation by reducing capacitance.

米国特許出願公開第2017/0033535号の実施形態5
第5の実施形態では、図15に示されるように、GSG導波管ではなくマイクロストリップまたはストリップラインの電気導波管が使用される。この実施形態はやはり、上記の図14cで言及した隙間を有することができる。この電気導波管は、やはり、ストリップラインまたはマイクロストリップの導波管を形成する誘電体の上に信号リードを伴い、薄い誘電体の下方にあるグラウンド層によって形成され得る。誘電体の中の開口部が、レージンググリッドのグラウンド部分にコンタクトするのに使用され得る。ラインの幅および誘電体の厚さが、が特性をマッチングする回路のための固有インピーダンス値を作るように制御され得る。このテクニックが実施形態2または以下で考察される実施形態のうちの任意の実施形態、などの、他の実施形態でも使用されることを理解されたい。図15の図が、アクティブな単一メサ構造に跨る断面図を示している:
151 導波管基板
152 導波管の全体に跨る金属グラウンドパッド
153 グラウンドを信号パッドから分離する誘電層
154 金属信号パッド
155 信号パッド上にある金属めっき
156 単一のアクティブメサへ信号パッドを電気的に接続するはんだであって、その中までエッチングされる隙間または孔を有するように示される
157 グラウンドパッド上にある金属めっき
158 グラウンドパッドを、単一の接地されているメサに電気的に接続するはんだ
Embodiment 5 of U.S. Patent Application Publication No. 2017/0033535
In a fifth embodiment, microstrip or stripline electrical waveguides are used instead of GSG waveguides, as shown in FIG. This embodiment can also have the gaps mentioned in FIG. 14c above. This electrical waveguide can also be formed by a ground layer below the thin dielectric, with signal leads on top of the dielectric that also forms the stripline or microstrip waveguide. An opening in the dielectric can be used to contact the ground portion of the lasing grid. The width of the line and the thickness of the dielectric can be controlled to create an intrinsic impedance value for the circuit to match the characteristics. It should be understood that this technique is also used in other embodiments, such as Embodiment 2 or any of the embodiments discussed below. The figure in FIG. 15 shows a cross section spanning an active single mesa structure:
151 Waveguide board 152 Metal ground pad that spans the entire waveguide 153 Dielectric layer that separates the ground from the signal pad 154 Metal signal pad 155 Metal plating on the signal pad 156 Electrical signal pad to a single active mesa Metal plating on a 157 ground pad that is solder to connect to and is shown to have gaps or holes etched into it 158 Electrically connect a ground pad to a single grounded mesa Solder

米国特許出願公開第2017/0033535号の実施形態6
図16は第6の実施形態を示している。図16では、この構造が、レージングを同相で維持することを目的として各レージングポイントの光の一部分をその隣の別のレーザまで導くためのパスを残すという点で独自的である。この例では、レーザ161が、その隣のレーザアパーチャ163までの下向きの反射されたその外側モード構造162の一部を有し、レーザアパーチャ163が162と同相の光を作る。同相であるレーザが164であり、角度付き反射面165から反射され、164および161と同相であるその隣のレーザ167のアパーチャに戻り、この形が繰り返される。レンズまたはアウトプットエリアのすぐ外側にある角度付きエリアおよびまたは反射エリア164が、レンズまたはアウトプットエリアからオーバーフローする光のわずかな部分を、そこに隣接するレージンググリッドへと転じることができ、それによりコヒーレントなレージンググリッドを可能にする。隣り合うレージングポイントからの光の一部が、互いに同相関係にあるレージングポイントをセットアップするレージングポイントに注入される。これにより、この構造が各レーザからの光の一部をその隣のレーザまで導くときに、すべてのレージングポイントのコヒーレントな動作を可能にする。反射率、距離、および角度が、光学的モデル化の技術分野の当業者により非常に正確に計算される。何年にもわたって、コヒーレントな動作は、レーザアレイの動作を回避してきた利点である。図16は:
161 光の一部分のみを放射する広い発散を有する大型アパーチャのレーザ
162 レーザ161からの光の一部分がアパーチャ163の方へ反射される
163 反射率が162からの光の位相に適合するところのレーザのアパーチャ
164 光の一部分のみを放射する広い発散を有する大型アパーチャのレーザ
165 アウトプットアパーチャのすぐ外側にあるレーザチップの背面上にある角度付き反射面
166 レーザグリッド164と同相である反射ビーム
167 光の一部分のみを放射する広い発散を有する大型アパーチャのレーザ
を示す。
Embodiment 6 of U.S. Patent Application Publication No. 2017/0033535
FIG. 16 shows a sixth embodiment. In FIG. 16, this structure is unique in that it leaves a path for directing a portion of the light at each lasing point to another laser next to it for the purpose of keeping the lasing in phase. In this example, the laser 161 has a portion of its downwardly reflected outer mode structure 162 up to the adjacent laser aperture 163, the laser aperture 163 producing light in phase with 162. The in-phase laser is 164, reflected from the angled reflective surface 165, and returns to the aperture of the adjacent laser 167, which is in-phase with 164 and 161 and repeats this shape. An angled area and / or reflection area 164 just outside the lens or output area can divert a small portion of the light that overflows the lens or output area to the adjacent lasing grid. Enables a coherent lasing grid. Part of the light from adjacent lasing points is injected into the lasing points that set up the lasing points that are homeomorphic to each other. This allows for coherent operation of all lasing points as this structure directs some of the light from each laser to the laser next to it. Reflectance, distance, and angle are calculated very accurately by those skilled in the art of optical modeling. Over the years, coherent behavior is an advantage that has avoided the behavior of laser arrays. FIG. 16 is:
161 Large aperture laser with wide divergence that emits only a portion of the light 162 A portion of the light from the laser 161 is reflected towards the aperture 163 163 A laser whose reflectance matches the phase of the light from 162 Aperture 164 Large aperture laser with wide divergence that emits only part of the light 165 Output Angled reflective surface on the back of the laser chip just outside the aperture 166 Reflected beam 167 in phase with the laser grid 164 Shown is a large aperture laser with a wide divergence that emits only a portion.

米国特許出願公開第2017/0033535号の実施形態7
図17は第7の実施形態を示す。図17では、レージンググリッドチップの背面側が、特に有益なエリアの方にレーザ光172の向きを変えるための、エッチングされたパターンを有する。これが回折光学素子(DOE)171によって達成され、それはエッチングされた表面を有し、エッチングは光がこの部分を通って移動するときに、DOEの表面の角度に応じて、この表面の角度がビームまたは光の向きを変える175ようになされる。これが、光をコリメートするかまたは光を発散させるのに、あるいは光を導くかまたは均質化するのに、使用される。図17は電気導波管を示していない。モードは、アパーチャのサイズならびに反射面173および174の特性によって制御される。図17は:
171 ビーム172からの向きを変えられたレーザグリッドビーム
172 アパーチャから放射されたレーザグリッドビーム
173 背面発光のレーザグリッドのための、鏡のコンタクトおよび背面
174 背面発光のレーザグリッドのための、鏡のコンタクトおよび背面
175 レーザグリッドからの向きを変えられたビーム
を示す。
Embodiment 7 of U.S. Patent Application Publication No. 2017/0033535
FIG. 17 shows a seventh embodiment. In FIG. 17, the back side of the lasing grid chip has an etched pattern for reorienting the laser beam 172 towards a particularly beneficial area. This is achieved by the Diffractive Optical Element (DOE) 171, which has an etched surface, and when light travels through this portion, the angle of this surface is a beam, depending on the angle of the surface of the DOE. Or it is done like 175 to change the direction of the light. It is used to collimate or diverge light, or to guide or homogenize light. FIG. 17 does not show an electrical waveguide. The mode is controlled by the size of the aperture and the characteristics of the reflective surfaces 173 and 174. Figure 17 shows:
171 Beam 172 Diverted Laser Grid Beam 172 Laser Grid Beam Emitted from Aperture 173 Mirror Contact and Back 174 Back Emitting Laser Grid Mirror Contact And the back 175 shows a reoriented beam from the laser grid.

米国特許出願公開第2017/0033535号の実施形態8
図18は第8の実施形態を示す。図18では、パターニングされた回折格子184(これは図17のDOEの反対の角度パターンである)が、背面発光VCSEL設計のレーザウエハーの背面側において、発光点181の上に設置されるか、またはエッチングされ、レージングポイントをこのグリッドの外側185に向ける。このレンズからは、すべてのレーザがチップの後方の単一のポイント186から来ているように見え、仮想的な点の源が形成され、ここでは、マイクロレンズ187が、チップの後方の仮想的な集束的な源からのビームをコリメートするのに使用され得る。図18は:
181 背面発光レーザグリッドのための鏡のコンタクトおよび背面
182 レーザ特性を作るアパーチャ
183 レーザグリッドからのレーザビーム
184 固有の全体のビームグリッド特性のために角度付けされる回折光学素子(DOE)の表面
185 レーザグリッドからの向きを変えられたビーム
186 レンズ187から見るときの、すべてのビームからの集束的な仮想的な光源
187 仮想的な集束的な点186上に焦点を有するマイクロレンズ
を示す。
Embodiment 8 of U.S. Patent Application Publication No. 2017/0033535
FIG. 18 shows an eighth embodiment. In FIG. 18, a patterned diffraction grating 184 (which is the opposite angular pattern of the DOE in FIG. 17) is installed on the back side of the laser wafer designed for back emission VCSEL, above the emission point 181. Alternatively, it is etched to direct the lazing point to the outside 185 of this grating. From this lens, all lasers appear to come from a single point 186 behind the chip, forming a virtual point source, where the microlens 187 is a virtual behind the chip. It can be used to collimate a beam from a focused source. FIG. 18 is:
181 Mirror contacts and back for back emitting laser grid 182 Aperture making laser characteristics 183 Laser beam from laser grid 184 Surface of diffractive optics (DOE) angled for unique overall beam grid characteristics 185 Diverted beam from the laser grid 186 A focused virtual light source from all beams when viewed from lens 187 187 A microlens with focus on a virtual focused point 186.

米国特許出願公開第2017/0033535号の実施形態9
図19は第9の実施形態を示す。図19は、接着され、エッチングされ、および酸化が行われた実施形態3の断面を示しているが、ただし、1つのマイクロレンズを他のマイクロレンズに位置合わせして、さらにはこの単一メサ構造から放射されるレーザビームの向きを変えることを目的として1つのマイクロレンズの位置をわずかにずらすような形で、位置付けされる、レーザチップの背面上に加工されているマイクロレンズを有することを除いてである。実施形態3はこの構成のために参照されるものであるが、上記の背面発光の実施形態のうちの任意の実施形態と、チップに取り付けられるかまたはアウトプットグリッドの上方に位置付けされるマイクロレンズアレイとが、使用され得ることを理解されたい。このマイクロレンズアレイは光伝導グリッドポイントのピッチに関連する値を有することができるが、レージングポイントによって放射される光が、チップの前方またはチップの後方においてビームが仮想的な点源のところで一体となるか、または一体となっているように見えるようになるところの単一のエリアまで、導かれるようなわずかに異なるピッチを有するレンズ74を用いる。マイクロレンズのピッチがレーザのピッチより小さい場合、マイクレンズが中心から離れるレーザをチップの前方の点の方向に導くかまたは内側に導く。マイクロレンズアレイのピッチがレーザのグリッドのピッチより大きい場合、光が図19にように外側に導かれることになる。図19は:
71 レーザ基板
72 N型鏡
73 N型コンタクト領域
74 レーザ光を外側に導くための、レーザからわずかにオフセットされるマイクロレンズ
75 アクティブ領域または量子井戸
76 アクティブ領域への電流閉じ込めを作り出す酸化層
77 単一グラウンド構造およびアクティブな単一メサ構造からの分離を作り出すエッチングトレンチ
78 P型金属コンタクト
79 酸化がおきるのを可能にするために、単一メサ構造にエッチングされる孔
80 レーザチップおよび高速電気導波管を電気的に接続するはんだ
81 GSG電気導波管の信号パッド
82 P型鏡
83 GSG導波管基板
84 GSG電気導波管のグラウンドパッドに電気コンタクトしているN型コンタクト層、および単一グラウンドメサの上に置かれるN型金属を短絡するめっき
85 GSG電気導波管のグラウンドパッド
を示す。
Embodiment 9 of U.S. Patent Application Publication No. 2017/0033535
FIG. 19 shows a ninth embodiment. FIG. 19 shows a cross section of embodiment 3 that has been glued, etched, and oxidized, provided that one microlens is aligned with the other microlens and even this single mesa. Having a microlens machined on the back of the laser chip, positioned in such a way that the position of one microlens is slightly offset for the purpose of redirecting the laser beam emitted from the structure. Except. Embodiment 3, which is referenced for this configuration, is any embodiment of the rear emission embodiment described above and a microlens array mounted on a chip or positioned above the output grid. It should be understood that and can be used. This microlens array can have values related to the pitch of the photoconducting grid points, but the light emitted by the lasing points is integrated with the beam at the virtual point source in front of or behind the chip. Lenses 74 with slightly different pitches are used to guide them to a single area where they become or appear to be one. If the pitch of the microlens is less than the pitch of the laser, the microphone lens directs the laser away from the center towards or inward the point in front of the chip. If the pitch of the microlens array is greater than the pitch of the laser grid, the light will be directed outward as shown in FIG. Figure 19 shows:
71 Laser substrate 72 N-type mirror 73 N-type contact area 74 Microlens slightly offset from the laser to guide the laser light outward 75 Active region or quantum well 76 Oxide layer that creates current confinement in the active region 77 Single Etching trench creating separation from one-ground structure and active single mesa structure 78 P-type metal contact 79 Holes etched into single mesa structure to allow oxidation 80 Laser tip and fast electrical conduction Solder that electrically connects the wave tube 81 GSG electric waveguide signal pad 82 P-type mirror 83 GSG waveguide board 84 N-type contact layer that is in electrical contact with the ground pad of the GSG electric waveguide, and a single A ground pad for a plated 85 GSG electrical waveguide that short-circuits an N-type metal placed on a ground mesa is shown.

米国特許出願公開第2017/0033535号の実施形態10
図20は第10の実施形態を示している。図20が、レージングしない点の方への、N型エピタキシャル出力鏡31の反射性を低減して、ついでキャビティを延長するレージンググリッドの背面において、反射面231の方への反射性を増大させることにより、単一のグリッド構造を使用して延長されたキャビティレーザ設計が実現され得ることを示している。この構造が、キャビティ内の高次モード構造233のフィードバックを低減し、それによりグリッドからのアウトプットビーム235のためのより基本的なモードの構造を形成する。図20は:
230 不完全なN型出力鏡のエピタキシャル領域を示す矢印
231 変化する屈折率を有する誘電層で作られる反射領域
232 レーザビームのキャビティが、ここでは、モード排除のためのキャビティを延長するレーザウエハー材料を有する
233 キャビティの方に戻るようには反射されない、高次モードの反射
234 キャビティ内のシングルモードまたは低次モード
235 延長されたキャビティデバイスから出力される、シングルモードまたは低次モード
を示す。
Embodiment 10 of U.S. Patent Application Publication No. 2017/0033535
FIG. 20 shows a tenth embodiment. FIG. 20 shows reducing the reflectivity of the N-type epitaxial output mirror 31 towards the non-lasing point and then increasing the reflectivity towards the reflective surface 231 on the back of the lazing grid extending the cavity. Shows that an extended cavity laser design can be achieved using a single grid structure. This structure reduces the feedback of the higher mode structure 233 in the cavity, thereby forming a more basic mode structure for the output beam 235 from the grid. Figure 20:
230 Arrow indicating the epitaxial region of an incomplete N-type power mirror 231 Reflection region made of a dielectric layer with a varying index of refraction 232 Laser beam cavity, here a laser wafer material that extends the cavity for mode exclusion Higher-order mode reflections that are not reflected back towards the 233 cavity with 234 Single-mode or lower-order mode in the cavity 235 Indicates single-mode or lower-order mode output from the extended cavity device.

米国特許出願公開第2017/0033535号の実施形態11
図21は第11の実施形態を示す。図21では、VCSEL構造が上記の実施形態のようにレーザグリッド設計に適合され得、レージンググリッドの出力レフレクタ(レンズ形状241の上に堆積される)が光を放射するところのレージングチップの背面が、集束フィードバック機構(焦点の矢印243)をより良好に形成するためにレフレクタの下に凸形形状241または凹形形状を有することができ、この集束フィードバック機構は高次モードを排除するものであり、各グリッドエリアからのシングルモードのレージング出力245を有するように設計され得る。この場合、全体のレージング構造が低いM2値を有することになる。アウトプットをコリメートするためにレンズまたはマイクロレンズが追加され得る。図21は:
240 不完全なN型出力鏡のエピタキシャル領域を示す矢印
241 レーザ基板またはウエハーにエッチングされるマイクレンズ構造の上に堆積される、変化する屈折率を有する誘電層で作られる反射領域
242 延長されたキャビティ内で反射されているシングルモードビーム
243 チップの表面上にある光学素子からの、延長されたキャビティに戻るように導かれている縁部からの光
244 図20のシングルモードビームよりも、より大きいパワーを有し、より高く選択的な、シングルモードである
245 高品質のシングルモードビームのアウトプット
246 より強く反射するエピタキシャル鏡
を示す。
Embodiment 11 of U.S. Patent Application Publication No. 2017/0033535
FIG. 21 shows an eleventh embodiment. In FIG. 21, the VCSEL structure can be adapted to the laser grid design as in the above embodiment, with the back of the lasing chip where the output reflector of the lasing grid (deposited on the lens shape 241) emits light. , The focusing feedback mechanism (focus arrow 243) can have a convex shape 241 or concave shape under the reflector to better form, and this focusing feedback mechanism eliminates higher order modes. , Can be designed to have a single mode lasing output 245 from each grid area. In this case, the overall lasing structure will have a low M2 value. Lenses or microlenses may be added to collimate the output. FIG. 21 is:
240 Arrow indicating the epitaxial region of an incomplete N-type power mirror 241 Reflection region 242 made of a dielectric layer with a variable index of refraction deposited on a microphone lens structure etched on a laser substrate or wafer. Single-mode beam reflected in the cavity 243 Light from the optics on the surface of the chip, from the edge guided back to the extended cavity 244 More than the single-mode beam in Figure 20. Higher selective, higher selective, single mode 245 high quality single mode beam output 246 shows an epitaxial mirror that reflects more strongly.

米国特許出願公開第2017/0033535号の実施形態12
図22は第12の実施形態を示す。図22では、VCSEL構造は上記の実施形態のようなレーザグリッド設計に適合され得るが、ただし、レンズから真っすぐ外に出るビームが外部のマイクロレンズアレイを通り、この外部のマイクロレンズアレイがレーザのピッチとは異なるピッチのマイクロレンズを有するように設計されており、それにより、上記の実施形態のうちの多くの実施形態と同様に、単一のロケーションまでのまたは単一のロケーションからのビームの向きを変えるのを可能にし得る、ということを除いてである。このテクニックの他の形態が、レーザグリッドに位置合わせされてレーザグリッドと等しいピッチを有する外部レンズアレイの底部に形成される凹形レンズを使用することもでき、対してレーザグリッドとは異なるピッチを有する凸形レーザアレイが頂部側にある。ビームを導くための別のテクニックとして、外部レンズアレイの上にある凸形マイクロレンズの代わりに頂部側の光学素子としてDOEを使用するテクニックがある。252はより強力なシングルモードビームを作るためにアパーチャの中心に戻るように反射される光であり、他方、253がレーザ出力鏡のキャビティを完成する反射コーティングを有する。254がキャビティであり、外部レンズキャビティの内側に堆積される反射防止コーティングを有し、他方で頂部側のマイクロレンズアレイ上に反射防止コーティングも堆積させる。別のテクニックは、キャビティ鏡を完成するために、図20のような平面的な反射特性を使用することであり、これは、ビームの向きを変えるために頂部側にあるオフセットされるマイクロレンズアレイまたは頂部側にあるDOEを有するものである。図22が以下のものを示している:
250 不完全なN型出力鏡のエピタキシャル領域を示す矢印
251 延長されたキャビティ内で反射されているシングルモードビーム
252 チップの表面上にある光学素子からの、強いシングルモードキャビティを作り出す中心に戻るように導かれている、縁部からの光
253 レーザ基板またはウエハーにエッチングされるマイクレンズ構造の上に堆積される、変化する屈折率を有する誘電層で作られる反射領域
254 エッチングされるレンズが外部レンズアレイに触れないようにするのための、キャビティ
255 外部レンズアレイの透過性材料
256 延長されたキャビティレーザによって出力されるシングルモードビーム
257 ビームを導くレーザのピッチとは異なるピッチを有するレンズアレイからのマイクロレンズ
258 導かれるシングルモードビーム
Embodiment 12 of U.S. Patent Application Publication No. 2017/0033535
FIG. 22 shows a twelfth embodiment. In FIG. 22, the VCSEL structure can be adapted to a laser grid design as in the above embodiment, except that the beam coming straight out of the lens passes through an external microlens array, which is the external microlens array of the laser. It is designed to have microlenses with a pitch different from the pitch, thereby, as in many of the above embodiments, of the beam to or from a single location. Except that it can be possible to turn around. Another form of this technique can also use a concave lens that is aligned with the laser grid and formed at the bottom of an external lens array with a pitch equal to the laser grid, whereas with a different pitch than the laser grid. The convex laser array with is on the top side. Another technique for guiding the beam is to use DOE as the top optic instead of the convex microlens above the external lens array. 252 is the light reflected back to the center of the aperture to create a stronger single-mode beam, while 253 has a reflective coating that completes the cavity of the laser power mirror. Reference numeral 254 is a cavity, which has an antireflection coating deposited inside the outer lens cavity, while also depositing an antireflection coating on the top microlens array. Another technique is to use a planar reflection characteristic as shown in Figure 20 to complete the cavity mirror, which is an offset microlens array on the top side to divert the beam. Or it has a DOE on the top side. FIG. 22 shows:
250 Arrow indicating the epitaxial region of an imperfect N-power mirror 251 Single-mode beam reflected within an extended cavity 252 Return to the center that creates a strong single-mode cavity from an optical element on the surface of the chip Light from the edge, guided by 253 Reflective region made of a dielectric layer with varying refractive index deposited on a microphone lens structure that is etched onto a laser substrate or wafer 254 The lens to be etched is external Cavity 255 External Lens Array Transmissive Material to Avoid Touching the Lens Array 256 Single Mode Beam Output by Extended Cavity Laser 257 From a lens array with a pitch different from the pitch of the laser leading the beam Microlens 258 Guided Single Mode Beam

Claims (30)

装置であって、
前面および背面を有するレーザ発光エピタキシャル構造であって、レーザ発光エピタキシャル構造が背面発光であり、単一メサ構造内に複数のレーザ領域を備え、各レーザ領域がアパーチャを有し、レーザビームがアパーチャを通して制御可能に放射される、レーザ発光エピタキシャル構造と、
レーザ発光エピタキシャル構造の背面上に置かれるマイクロレンズアレイであって、マイクロレンズアレイの各マイクロレンズがレーザ発光エピタキシャル構造のレーザ領域に位置合わせされる、マイクロレンズアレイと、
アパーチャから放射される複数のレーザビームを非コヒーレントに結合するように位置付けされる非コヒーレントなビームコンバイナと
を備える、
装置。
It ’s a device,
A laser emission epitaxial structure having a front surface and a back surface, the laser emission epitaxial structure is back emission, has a plurality of laser regions in a single mesa structure, each laser region has an aperture, and a laser beam passes through the aperture. A laser emission epitaxial structure that is radiated in a controllable manner,
A microlens array that is placed on the back surface of the laser emission epitaxial structure and in which each microlens of the microlens array is aligned with the laser region of the laser emission epitaxial structure.
It features a non-coherent beam combiner that is positioned to combine multiple laser beams emitted from the aperture in a non-coherent manner.
apparatus.
複数のレーザ領域の各々が、レーザ発光エピタキシャル構造の背面まで延在するレーザキャビティを備える、請求項1に記載の装置。 The apparatus according to claim 1, wherein each of the plurality of laser regions includes a laser cavity extending to the back surface of the laser emission epitaxial structure. レーザキャビティの各々がレーザビーム放射のための光学軸を有し、光学軸がレーザ発光エピタキシャル構造の背面に対して垂直である、請求項2に記載の装置。 The apparatus according to claim 2, wherein each of the laser cavities has an optical axis for emitting a laser beam, and the optical axis is perpendicular to the back surface of the laser emission epitaxial structure. マイクロレンズが反射コーティングで覆われて、放射されたレーザビームからのレーザ光をレーザキャビティを通して後方に反射する、請求項2または3に記載の装置。 The device according to claim 2 or 3, wherein the microlens is covered with a reflective coating and the laser beam from the emitted laser beam is reflected rearward through the laser cavity. 反射されたレーザ光がレーザキャビティの中心に集中されるように、マイクロレンズがスムーズな曲率半径を有する、請求項4に記載の装置。 The device of claim 4, wherein the microlens has a smooth radius of curvature so that the reflected laser light is concentrated in the center of the laser cavity. マイクロレンズアレイがフォトリソグラフィックマイクロレンズアレイである、請求項1から5のいずれか一項に記載の装置。 The apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein the microlens array is a photolithographic microlens array. マイクロレンズアレイが複数のグラフェンレンズ構造を備える、請求項1から6のいずれか一項に記載の装置。 The apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein the microlens array includes a plurality of graphene lens structures. 非コヒーレントなビームコンバイナが、重複する集束点を有する二次元(2D)の非コヒーレントなビームコンバイナを備える、請求項1から7のいずれか一項に記載の装置。 The apparatus according to any one of claims 1 to 7, wherein the non-coherent beam combiner comprises a two-dimensional (2D) non-coherent beam combiner having overlapping focusing points. 非コヒーレントなビームコンバイナが、複数の重複する集束点を有する三次元(3D)の非コヒーレントなビームコンバイナを備える、請求項1から7のいずれか一項に記載の装置。 The apparatus according to any one of claims 1 to 7, wherein the non-coherent beam combiner comprises a three-dimensional (3D) non-coherent beam combiner having a plurality of overlapping focusing points. レーザ領域に電流を提供するように構成される電気導波管をさらに備える、請求項1から9のいずれか一項に記載の装置。 The apparatus according to any one of claims 1 to 9, further comprising an electrical waveguide configured to provide an electric current to the laser region. 各レーザ領域が、単一メサ構造内で、単一メサ構造の他のレーザ領域に対し、電気的に絶縁される、請求項10に記載の装置。 The apparatus according to claim 10, wherein each laser region is electrically insulated from other laser regions of the single mesa structure within the single mesa structure. レーザ発光エピタキシャル構造が、垂直共振器面発光レーザ(VCSEL)エピタキシャル構造を備える、請求項1から11のいずれか一項に記載の装置。 The apparatus according to any one of claims 1 to 11, wherein the laser emission epitaxial structure includes a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) epitaxial structure. レーザ発光エピタキシャル構造が、垂直延長共振器面発光レーザ(VECSEL)エピタキシャル構造を備える、請求項1から11のいずれか一項に記載の装置。 The apparatus according to any one of claims 1 to 11, wherein the laser emission epitaxial structure includes a vertically extended resonator surface emitting laser (VECSEL) epitaxial structure. 複数のレーザ発光エピタキシャル構造と、レーザグリッドアレイとして構成される複数のマイクロレンズアレイとをさらに備える、請求項1から13のいずれか一項に記載の装置。 The apparatus according to any one of claims 1 to 13, further comprising a plurality of laser emission epitaxial structures and a plurality of microlens arrays configured as a laser grid array. 装置が、ドローン防衛用の指向性エネルギー兵器として、レーザ領域からレーザビームを制御可能に放射するように構成される、請求項1から14のいずれか一項に記載の装置。 The device according to any one of claims 1 to 14, wherein the device is configured to controlally emit a laser beam from the laser region as a directed energy weapon for drone defense. 方法であって、
前面および背面を有するレーザ発光エピタキシャル構造に電流を選択的に印加することにより複数のレーザビームを発生させるステップであって、レーザ発光エピタキシャル構造が背面発光であり、単一メサ構造内に複数のレーザ領域を備え、各レーザ領域がアパーチャを有し、レーザビームがアパーチャを通して放射される、ステップと、
レーザ発光エピタキシャル構造の背面上に置かれるマイクロレンズアレイまで、発生されたレーザビームを導くステップであって、マイクロレンズアレイの各マイクロレンズがレーザ発光エピタキシャル構造のレーザ領域に位置合わせされる、ステップと、
アパーチャから放射されるレーザビームを非コヒーレントに結合するステップと
を含む、
方法。
The way
A step of generating a plurality of laser beams by selectively applying a current to a laser emission epitaxial structure having a front surface and a back surface. The laser emission epitaxial structure is back emission, and a plurality of lasers are contained in a single mesa structure. With regions, each laser region has an aperture, and the laser beam is radiated through the aperture, with steps.
A step of guiding the generated laser beam to a microlens array placed on the back surface of the laser emission epitaxial structure, in which each microlens of the microlens array is aligned with the laser region of the laser emission epitaxial structure. ,
Including the step of non-coherently coupling the laser beam emitted from the aperture,
Method.
複数のレーザ領域の各々が、レーザ発光エピタキシャル構造の背面まで延在するレーザキャビティを備える、請求項16に記載の方法。 16. The method of claim 16, wherein each of the plurality of laser regions comprises a laser cavity that extends to the back of the laser emission epitaxial structure. レーザキャビティの各々がレーザビーム放射のための光学軸を有し、光学軸がレーザ発光エピタキシャル構造の背面に対して垂直である、請求項17に記載の方法。 17. The method of claim 17, wherein each of the laser cavities has an optical axis for laser beam emission, the optical axis being perpendicular to the back surface of the laser emission epitaxial structure. マイクロレンズアレイのマイクロレンズを覆う反射コーティングを介して、レーザキャビティを通って戻るように、放射されたレーザビームからのレーザ光を反射するステップをさらに含む、請求項17または18に記載の方法。 17. The method of claim 17 or 18, further comprising reflecting the laser light from the emitted laser beam such that it returns through the laser cavity through a reflective coating that covers the microlenses of the microlens array. 反射されたレーザ光がレーザキャビティの中心に集中されるように、マイクロレンズがスムーズな曲率半径を有する、請求項19に記載の方法。 19. The method of claim 19, wherein the microlens has a smooth radius of curvature so that the reflected laser light is concentrated in the center of the laser cavity. マイクロレンズアレイがフォトリソグラフィックマイクロレンズアレイである、請求項16から20のいずれか一項に記載の方法。 The method according to any one of claims 16 to 20, wherein the microlens array is a photolithographic microlens array. マイクロレンズアレイが複数のグラフェンレンズ構造を備える、請求項16から21のいずれか一項に記載の方法。 The method according to any one of claims 16 to 21, wherein the microlens array comprises a plurality of graphene lens structures. 非コヒーレントに結合するステップが、重複する集束点を用いて二次元(2D)の非コヒーレントなビーム結合を実施するステップを含む、請求項16から22のいずれか一項に記載の方法。 The method of any one of claims 16-22, wherein the non-coherently coupling step comprises performing a two-dimensional (2D) non-coherent beam coupling using overlapping focusing points. 非コヒーレントに結合するステップが、複数の重複する集束点を用いて三次元(3D)の非コヒーレントなビーム結合を実施するステップを含む、請求項16から22のいずれか一項に記載の方法。 The method of any one of claims 16-22, wherein the non-coherently coupled step comprises performing a three-dimensional (3D) non-coherent beam coupling using a plurality of overlapping focusing points. 電気導波管を介してレーザ発光エピタキシャル構造に電流を印加するステップをさらに含む、請求項16から24のいずれか一項に記載の方法。 The method according to any one of claims 16 to 24, further comprising the step of applying an electric current to the laser emission epitaxial structure via an electrical waveguide. 各レーザ領域が、単一メサ構造内で、単一メサ構造の他のレーザ領域に対して電気的に絶縁される、請求項25に記載の方法。 25. The method of claim 25, wherein each laser region is electrically insulated from the other laser regions of the single mesa structure within the single mesa structure. レーザ発光エピタキシャル構造が、垂直共振面発光レーザ(VCSEL)エピタキシャル構造を備える、請求項16から26のいずれか一項に記載の方法。 The method according to any one of claims 16 to 26, wherein the laser emission epitaxial structure comprises a vertical resonant surface emitting laser (VCSEL) epitaxial structure. レーザ発光エピタキシャル構造が、垂直延長共振面発光レーザ(VECSEL)エピタキシャル構造を備える、請求項16から26のいずれか一項に記載の方法。 The method according to any one of claims 16 to 26, wherein the laser emission epitaxial structure comprises a vertically extended resonant surface emitting laser (VECSEL) epitaxial structure. 複数のレーザ発光エピタキシャル構造と、レーザグリッドアレイとして構成される複数のマイクロレンズアレイとをさらに備える、請求項16から28のいずれか一項に記載の方法。 The method according to any one of claims 16 to 28, further comprising a plurality of laser emission epitaxial structures and a plurality of microlens arrays configured as a laser grid array. 結合されるレーザビームがドローン防衛用の指向性エネルギー兵器として機能する、請求項16から29のいずれか一項に記載の方法。 The method of any one of claims 16-29, wherein the combined laser beam functions as a directed energy weapon for drone defense.
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