KR102390693B1 - 필터들을 사용하는 개선된 자체-혼합 모듈 - Google Patents

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Abstract

자체-혼합의 조건 하에서 레이저의 진폭 및 위상 변조를 발생시키고, 강화하고, 검출하기 위한 시스템 및 방법이 제공된다. 시스템은 특징적인 자체-혼합 신호를 추출하기 위해 레이저 및 검출기를 포함할 수 있고, 특징적인 자체-혼합 신호는 그 후에 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현된 알고리즘들을 이용하여 해석된다. 레이저가 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL)인 경우, 출력 신호는 빔 스플리터에 의해 표면 광 방출을 모니터링함으로써, 또는 일부 실시예들에서 레이저의 하단 표면으로부터의 방출로서 검출될 수 있다. 일부 실시예들에서, 시스템은 신호 경로에서의 에탈론과 같은 파장 필터를 더 포함할 수도 있다.

Description

필터들을 사용하는 개선된 자체-혼합 모듈
관련된 출원들에 대한 상호-참조
이 출원은 2016년 6월 13일자로 출원된 "Improved Self-Mix Module Utilizing Filters"라는 명칭의 미국 특허 가출원 제62/349,123호의 이익 및 우선권을 주장하고, 그 내용들은 이에 의해 전체적으로 본 명세서에 참조로 포함된다.
발명의 분야
본 발명의 개시내용은 레이저 자체-혼합(laser self-mixing)의 메커니즘에 기초한 신호들의 프로세싱 및 센서들에 관련된다. 또한, 센서들을 위한 개선된 패키징을 위한 수단이 개시된다.
본원에서 제공된 배경 설명은 개시내용의 맥락을 일반적으로 제시하는 목적을 위한 것이다. 배경 섹션에서 설명되는 한도까지의, 현재 거명된 발명자들의 작업뿐만 아니라, 출원 시에 종래 기술로서 달리 자격부여하지 않을 수도 있는 설명의 양태들은 본 개시내용에 대하여 종래 기술로서 명시적으로도 또는 묵시적으로도 인정되지 않는다.
레이저들 및 레이저 다이오드들에서 또한 알려진 바와 같은 자체-혼합 또는 광학적 피드백 간섭계법(optical feedback interferometry)은 모션(motion)에 관련된 물리적 현상들을 감지하기 위한 감지 메커니즘이다. 이 감도는 광학적 피드백의 심지어 작은 레벨들에 대한 레이저들의 극단적인 감도, 이 피드백에서의 상대적인 상 변화들, 및 이 상 변화들이 광 자체의 광학적 파장의 순서로 거리 스케일들에 걸쳐 발생한다는 사실로부터 기인한다. 추가적으로, 이 변화들에 대한 레이저들의 시간적 응답은, 제한에 있어서, 레이저 공동 내에서의 광자(photon)의 수명, 그 자체로 대략 수십 피코초(picosecond)에 의해 오직 한정되므로, 응답은 매우 빠를 수 있다. 따라서, 높은 속력, 감도, 및 공간적 분해능에 대한 가능성은 자체-혼합을 매우 매력적인 센서 기술이 되게 한다.
자체-혼합은 그 구현예가 외부 컴포넌트들의 최소치를 요구하므로 또한 매력적인 기술이고, 하드웨어의 복잡성은 상대적으로 낮을 수 있다. 추가의 장점은 기술이 본래 자체-정렬(self-align)된다는 것이다. 이 센서들은, 특정한 애플리케이션 및 관심 있는 측정량(measurand)에 통상적으로 고도로 맞춤화되는 잡음 감소 및 정보 추출 알고리즘들과 같은 신호 프로세싱의 다양한 레벨들을 또한 편입시킬 수도 있다. 고속(high-speed) 애플리케이션 특정 회로들(application specific circuits)(ASICS)의 이용가능성은 간결하고 높은 성능의 자체-혼합 센서들을 허용한다.
자체-혼합에 기초한 레이저 센서들은 진동계측(vibrometry), 변위(displacement), 프로필계측(profilometry), 및 속도계측(velocimetry)에서 오랫 동안 주로 이용되었다. 그 전체적으로 본원에 참조로 편입되는, "Laser Self-Mixing Measuring Device"라는 명칭의 미국 특허 제8,416,424 B2호에서 설명된 디바이스와 같은 기존의 디바이스들은 레이저와 검출기 사이의 광학적 경로에서 이동하는 회절 격자(diffraction grating)를 갖는 하나의 이러한 자체-조립 측정 디바이스를 개시하는 것으로 보인다. 대부분은 달성가능한 신호 레벨들이 신뢰성 있는 검출 및 센서 감도를 위하여 적절한 상대적으로 단거리 산업적 애플리케이션들에서 이용된다. 따라서, 달성가능한 신호 레벨들을 증가시키는 것은 이 기술에 의해 해결가능한 애플리케이션 공간의 폭넓은 확장으로 이어질 것이다.
수직 공동 표면 방출 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting laser)(VCSEL)는 자체-조립을 위한 반도체 레이저의 특히 적당한 형태일 수 있다. VCSEL들에서의 자체-혼합이 알려져 있다. 그러나, VCSEL들은 전통적인 레이저들의 동일한 제한들의 많은 것, 즉, 낮은 달성가능한 신호 레벨들을 겪는다. VCSEL 자체-조립 성능을 개선시키기 위하여 VCSEL들을 최적화하도록 노력이 행해졌지만, 개선의 정도는 여기에서 상상된 다수의 관심 있는 소비자 애플리케이션들에 대하여 여전히 적절하지 않다. 아마도, 대부분의 성공적인 애플리케이션 및 상대적으로 최근의 개발은 광학적 마우스(optical mouse)들을 위한 자체-혼합 기반 센서들에서의 VCSEL들의 이용이고, 여기서, 타겟 거리는 대략 센티미터이다. 또한, VCSEL들에 기초한 간결한 저-비용 패키징 접근법은 그 유용성으로부터 상당히 이익을 얻을 소비자 애플리케이션들 및 시장들로의 자체-혼합 센서들의 증가된 침투를 가능하게 할 것이다.
다음은 이러한 실시예들의 기본적인 이해를 제공하기 위하여, 본 개시내용의 하나 이상의 실시예들의 간략화된 개요를 제시한다. 이 요약은 모든 고려된 실시예들의 철저한 개관은 아니고, 모든 실시예들의 핵심적인 또는 중요한 엘리먼트들을 식별하지도 않고, 임의의 또는 모든 실시예들의 범위를 묘사하지도 않도록 의도된 것이다.
본 개시내용의 시스템들 및 방법들은 예를 들어, 필터, 특히 패브리-페롯(Fabry-Perot) 필터를 사용함으로써 개선된 자체-혼합을 위한 시스템들, 디바이스들, 및 방법들을 포함할 수도 있다. 본 개시내용의 시스템들 및 방법들은 예를 들어, VCSEL들, 특히 하단 방출(bottom emission)의 증가된 레벨들을 위하여 설계되거나 에탈론(etalon)들과 통합된 VCSEL들을 사용하는 개선된 자체-혼합 센서들을 위한 시스템들, 디바이스들, 및 방법들을 또한 포함할 수도 있다. 본 개시내용의 시스템들 및 방법들은 다른 및/또는 추가적인 이익들 또는 장점들을 제공할 수도 있다.
자체-혼합 센서들의 확장가능성(scalability) 및 감도에서의 개략적으로 기술된 제한들을 고려하면, 이 개시내용의 하나 이상의 실시예들의 목적은 자체-혼합 디바이스로부터의 출력 신호를 효과적으로 증폭시키기 위한 수단을 제공하는 것이다. 본 개시내용의 적어도 하나의 실시예는 필터 통과대역(passband)들 중의 하나의 에지 상에서의 파장에서 동작함으로써 신호 진폭을 강화하기 위하여 파장 필터, 바람직하게는 패브리-페롯 에탈론의 이용에 기초한다. 파장 필터는 그러므로, 검출기 이전에, 모니터링 신호의 광학적 경로에서 배치된다. 이 개시내용의 하나 이상의 실시예들의 추가의 목적은 수직-공동 레이저들의 이용을 통해 더 작고 더 비용-효과적인 자체-혼합 센서들을 가능하게 하는 것이다. 구체적으로, VCSEL로부터의 기판-면(후방) 방출을 사용함으로써, 별도의 빔-스플리터(beam-splitter) 컴포넌트에 대한 필요성이 없고, 효율적인 수직-적층된(vertically-stacked) 패키징 구성이 가능하게 될 수도 있다. 개시내용의 적어도 하나의 실시예의 또 다른 목적은 필터를 VCSEL 구조체 자체로 직접적으로 통합하기 위하여 VCSEL의 고유한 구조체를 활용하는 것이다.
개시내용의 하나 이상의 실시예들에서는, 레이저 빔을 발생시키기 위한 레이저, 이 빔의 부분의 세기(intensity)를 모니터링하기 위한 검출기, 레이저 광의 상기 부분을 검출기로 커플링(couple)하기 위한 수단, 및 레이저와 검출기 사이의 광학적 경로에서의 광학적 필터를 포함하는 레이저 자체-혼합 디바이스가 제공된다. 레이저 빔은 외부 렌즈에 의해 부분적으로 반사하는 타겟 상으로 포커싱(focus)될 수도 있고, 이 렌즈는 반사된 광의 일부를 레이저 공동으로 다시 커플링하도록 또한 서빙(serve)한다. 광학적 필터는 레이저가 통과대역(passband)의 급격한 영역 상에서 동작하기 위하여 전류 또는 온도 또는 다른 수단을 이용하여 튜닝(tune)될 수 있도록 하는 파장 및 좁은 한도(extent)의 적어도 하나의 통과대역을 가질 수도 있다. 필터와 검출기 사이의 광학적 경로에서 위치된 애퍼처(aperture), 홀(hole), 슬릿(slit), 또는 다른 개방부(opening)가 있을 수도 있다. 다시 레이저 공동으로의 반사된 광의 일부의 커플링은 타겟 반사 표면의 상대적인 모션에 관련되는 시간, 주파수, 및 파장 정보를 갖는 자체-혼합 신호를 발생시킨다.
개시내용의 하나 이상의 실시예들에서, 레이저 자체-혼합 디바이스의 동작은 레이저 내에서 레이저 광을 발생시키는 것, 및 그 광의 부분을 부분적으로 반사하는 타겟 상으로 지향하는 것을 수반한다. 반사된 광의 일부는 그 후에 레이저 공동으로 다시 커플링된다. 레이저 광의 또 다른 부분은 타겟으로 진행하지 않고, 그 대신에, 검출기를 향해 지향된다. 이 레이저 광 또는 그 부분의 샘플은 필터를 통과하거나 필터에서 반사한 후에 검출기로 지향된다. 검출기는 그 표면 상에 입사하는 광의 양에 비례적인 출력 신호를 생성한다. 이 출력 신호는 반사된 광의 커플링에 의해 야기된 레이저 내에서의 자체-혼합 효과들로 인해 시간에 있어서 변동하고 있다. 출력 신호는 타겟에 관련된 변위 또는 모션 관련된 정보를 추출하기 위하여 측정되고 프로세싱된다.
필터의 목적은 파장에서의 매우 작은 변화들이 필터의 투과 또는 반사 특성들에서의 큰 변화들을 야기시키도록, 샘플링된 레이저 빔의 파장에 매우 민감한 신호를 검출기에 제공하는 것이다. 다시 말해서, 샘플링된 자체-혼합 변조된 광에서의 광자가 필터를 조우(encounter)한 후에 검출기에 도달할 확률은 그 파장에 강력하게 종속된다. 진폭 또는 세기 변조와 시간 동기화하여 파장 변조를 나타내는 것은 자체-혼합 신호들의 물리적 본질에 있으므로, 필터는 검출을 위하여 이용가능한 신호를 효과적으로 증폭시키거나 억제하도록 작용할 수 있다.
레이저는 방출된 광의 파장이 필터 투과 또는 반사 특성들에서의 상대적으로 급격한 변화의 영역에 대응하도록 동작될 수도 있다. 파장이 증가하고 있을 때에 투과 또는 반사가 증가하고 있고, 샘플링된 광 신호의 세기에서의 증가는 더 긴 파장으로의 시프트(shift)를 동반하는, 필터 특성의 상승 에지(rising edge) 상에서 동작할 경우, 효과는 첨가적(동상(in phase))이고, 신호의 겉보기 피크-대-피크 변조(apparent peak-to-peak modulation)가 증가될 것이다. 파장이 증가하고 있을 때에 투과 또는 반사가 감소하고 있고, 샘플링된 광 신호의 세기에서의 증가는 더 긴 파장으로의 시프트를 동반하는, 필터 특성의 하강 에지(falling edge) 상에서 동작할 경우, 효과는 감축적(이상(out of phase))이고, 신호의 겉보기 피크-대-피크 변조가 감소될 것이다. 파장이 증가하고 있을 때에 투과 또는 반사가 증가하고 있고, 샘플링된 광 신호의 세기에서의 증가는 더 짧은 파장으로의 시프트를 동반하는, 필터 특성의 상승 에지 상에서 동작할 경우, 효과는 감축적(이상)이고, 신호의 겉보기 피크-대-피크 변조가 감소될 것이다. 파장이 증가하고 있을 때에 투과 또는 반사가 감소하고 있고, 샘플링된 광 신호의 세기에서의 증가는 더 짧은 파장으로의 시프트를 동반하는, 필터 특성의 하강 에지 상에서 동작할 경우, 효과는 첨가적(동상)이고, 신호의 겉보기 피크-대-피크 변조가 증가될 것이다.
원칙적으로, 본 명세서에 개시된 다양한 실시예들의 이 양태는 자체-혼합 효과가 발생할 수 있는 모든 종류들의 레이저들과 함께 작동할 것이다. 본 명세서에 개시된 다양한 실시예들은 타겟을 향해 지향되지 않는 레이저 광을 샘플링하기 위한 빔 스플리터를 이용하는 시스템에서 채용될 수 있다. 본 명세서에 개시된 실시예들은 레이저 광의 샘플링된 부분이 에지-방출 레이저의 경우에 후방 패싯(back facet) 또는 VCSEL의 경우에 기판 표면으로부터의 방출로부터 유도되는 시스템에서 마찬가지로 이용될 수 있다. 필터 엘리먼트는 양자의 필터 및 빔 샘플링 컴포넌트, 즉, 빔-스플리터로서의 이중 기능을 서빙할 수 있는 것이 또한 가능하다.
본 명세서에 개시된 다양한 실시예들의 추가의 양태는 기판-방출 VCSEL 레이저를 이용하는 것에 의한 패키징 크기 및 복잡성의 감소이다. 전형적인 VCSEL들은 매우 높은 반사율(reflectivity)(99.9%보다 더 큼)의 하단 미러(bottom mirror)로 설계되고, 이와 같이, 광학적 파워(optical power)의 거의 전부는 전형적으로 99.6%보다 더 작은 더 낮은 반사율을 갖는 상단 표면 미러(top surface mirror)를 통해 방출된다. 하단 미러의 반사율을 감소시킴으로써, 기판을 통해 방출된 레이저 광의 양은 증가할 수 있다. VCSEL이 그 후에 검출기 위의 위치에서 장착될 경우, 이 하단-방출된 광은 자체-혼합 신호를 모니터링하기 위하여 이용가능하다. 따라서, 빔 스플리터에 대한 필요성이 제거된다. VCSEL은 검출기 상에서 직접적으로 적층될 수 있거나, 중간 에어 갭으로 어떤 거리에서 설정될 수 있다. 부분적으로 하단 방출 VCSEL은 에탈론으로 패키징하기 위하여 유리하다. 바람직하게는, VCSEL은 원하지 않는 자발적 방출 광을 억제하면서 레이저 광이 통과하도록 서빙하는 홀들 또는 애퍼처들을 갖는 기판측 상에서 패턴화된 금속을 가진다. 검출기에서의 자발적 방출의 존재는 신호-대-잡음 비율(signal-to-noise ratio)을 열화시키는 원하지 않는 검출기 신호를 야기시킬 수 있다. 기판 방출 표면은 신호 손실을 감소시키고, 투입된 전류의 함수로서의 레이저 파워 방출의 선형성을 개선시키고, 레이저 공동 광 자체에 대한 섭동(perturbation)들을 감소시키거나 최소화하기 위하여 저-반사율 코팅으로 또한 코팅될 수도 있다.
성능을 개선시키면서 센서 크기, 비용, 및 패키징 복잡성을 추가로 감소시키기 위하여, 본 명세서에 개시된 실시예들은 에탈론과 직접적으로 통합된 VCSEL 레이저를 사용할 수도 있다. 광학적으로 투명한 기판에 인접한 고도로 반사성 미러로 부분적으로 이루어지는 VCSEL은 기판 최종적 표면을 고도로-반사성(highly-reflective)(HR) 미러 코팅으로 코팅함으로써 에탈론 필터링 기능성을 편입시킬 수 있다. 이러한 경우, 기판은 하나의 측 상에서 VCSEL들 하단 DBR에 의해, 그리고 다른 측 상에서 HR 코팅에 의해 경계가 정해진, 에탈론의 공동 스페이서 영역(cavity spacer region) 자체이다. 에탈론 공동 내에서의 빔의 발산(divergence) 및 레이저 조명의 작은 빔 직경으로 인해, 예상된 성능은 이상적이지 않을 수도 있지만, 상당한 신호 강화(signal enhancement)를 산출하기 위하여 적절한 것으로 입증할 수도 있다.
본 개시내용의 하나의 실시예에서, 자체-혼합 센서 디바이스는 2:1의 상단-대-하단 방출 비율을 갖는 부분적으로 하단-방출 VCSEL이 그 상으로 고착(affix)되는 사출 성형된(injection molded) 플라스틱 하우징을 포함한다. VCSEL은 예를 들어, 940nm의 파장에서 광을 방출한다. VCSEL의 기판 표면은 패턴화된 금속 필름으로 금속화되고, 패턴은 예를 들어, VCSEL 방출 영역들의 중심 상에서 정렬된 일련의 20㎛ 직경의 애퍼처들이다. 애퍼처들의 내부는 실리콘 나이트라이드(silicon nitride)의 ¼ 광학적 파와 같은, 그러나 이것으로 제한되지는 않는 안티-반사성 코팅(anti-reflective coating)으로 코팅될 수도 있다. VCSEL은 VCSEL 칩의 상단 표면 상에서 애노드(anode) 및 캐소드(cathode) 전기적 컨택(contact)들을 가진다. VCSEL 아래에 배치된 것은 사출 성형된 하우징의 일부로서 형성되는 렌즈이다. 렌즈의 목적은 레이저 방출을 콜리메이팅(collimate)하고 빔 크기를 확대시키는 것이다. VCSEL로부터의 렌즈의 반대 측 상에는, 플라스틱 패키지에 또한 고착된 파장 필터로서 서빙하기 위한 에탈론이 있다. 하나의 실시예에서, 에탈론은 적어도 부분적으로 반사성 미러들 또는 부분적으로 반사성 코팅을 갖는 적어도 하나의 측 상에서 코팅된 용융된 실리카의 층을 포함한다. 실시예는 실리콘 검출기 및 플라스틱 하우징이 부착되는 서브-마운트(sub-mount)를 더 포함한다. 조립될 때, 검출기는 개재하는 에어 갭을 갖는 에탈론의 최종적인 표면과 대면하고 있다. 서브-마운트는 디바이스에 대한 전기적 인터페이스, 즉, 레이저 애노드 및 캐소드, 및 검출기 애노드 및 캐소드를 추가로 제공한다. 하우징의 외부에는, 타겟에서 레이저 빔을 포커싱하고 반사된 복귀 광을 수집하기 위한 렌즈가 있다. 렌즈는 복귀 광의 부분을 VCSEL 공동으로 커플링하도록 또한 서빙한다.
본 명세서에 개시된 다양한 실시예들은 타겟 모션, 변위, 진동, 및 관련된 모션 아티팩트(artifact)들을 측정하기 위한 센서들에서 이용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 그것은 대략 1 미터 이상의 거리들에서 감지하는 것을 요구하는 애플리케이션들을 위하여 적당할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 그것은 1 미터보다 더 작은 거리들에서 감지하는 것을 요구하는 애플리케이션들을 위하여 적당할 수도 있다. 이것들은 예를 들어, 타겟 모션, 변위, 진동, 및 관련된 모션 아티팩트들의 감지를 요구하는 임의의 유형의 산업적 또는 소비자 애플리케이션일 수 있다.
이 출원에서 설명된 자체-혼합 센서의 예에서, 단일-모드 레이저 소스(single-mode laser source)는 렌즈에 의해, 객체(object), 인물(figure), 또는 표면일 수도 있는 타겟으로 포커싱되거나 지향되는 광 빔을 방출한다. 레이저 신호는 타겟으로부터 산란(scatter)되고, 부분은 레이저로 복귀하고, 레이저의 패싯을 통해 레이저에 재진입(re-enter)한다. 이 복귀 신호는 발신 신호(outgoing signal)와 혼합한다. VCSEL로부터 타겟까지 그리고 그 반대의 왕복 거리가 발신 및 착신(incoming) 신호들이 동상(in phase)인 것으로 귀착될 때, 그것들은 건설적으로 간섭하여, 레이저로부터의 증가된 광학적 출력으로 귀착된다. VCSEL로부터 타겟까지 그리고 그 반대의 왕복 거리가 발신 및 착신 빔들이 이상(out of phase)인 것으로 귀착될 때, 그것들은 파괴적으로 간섭하여, 레이저로부터의 감소된 광학적 출력으로 귀착된다. 타겟이 이동할 때, 복귀 빔은 투과된 빔과 동상 및 이상으로 이동하여, 시간적 요동(fluctuation)들 또는 발진(oscillation)들에 의해 특징된 자체-혼합 신호를 생성한다. 각각의 발진은 하나의 파장과 동등한 이동에 대응한다.
하나 이상의 실시예들에서, 레이저 광 방출을 위한 센서 디바이스는 적어도 하나의 애퍼처로부터 광을 방출하는 적어도 하나의 레이저 - 레이저는 공동 및 적어도 하나의 미러를 포함함 -; 검출기; 공동에 대한 고정된 위치에서의 필터; 및 레이저 방출의 부분을 타겟 표면 상으로 거의 포커싱하고 타겟 표면으로부터 반사된 임의의 광의 부분을 다시 레이저 공동으로 커플링하는 적어도 하나의 광학적 렌즈를 포함할 수도 있고, 여기서, 제1 광학적 경로는 레이저와 타겟 표면 사이에서 레이저로부터 방출된 광의 제1 부분을 반송(carry)하고 제2 광학적 경로는 레이저와 검출기 사이에서 레이저로부터 방출된 광의 제2 부분을 반송하고, 여기서, 타겟 표면은 제1 광학적 경로 내에서 오직 배치되고, 여기서, 필터는 적어도 제2 광학적 경로 내에서 배치된다. 필터는 제1 광학적 경로 및 제2 광학적 경로 내에서 배치될 수도 있다. 레이저는 VCSEL일 수도 있다. 검출기는 레이저와 동일한 기판 상에서 성장(grow)될 수도 있다. 필터는 격자 또는 에탈론 중의 하나일 수도 있다. 레이저는 광을 방출하기 위한 다수의 애퍼처들을 가질 수도 있다. 센서 디바이스는 레이저 광 방출의 부분을 샘플링하고 그것을 검출기에 제시하는 수단을 더 포함할 수도 있다. 샘플링의 수단은 빔 스플리터일 수도 있다. 빔 스플리터는 레이저의 광학적 축에 대해 각도를 이루어 위치될 수도 있다. 필터는 레이저 광 방출의 샘플링된 부분의 광학적 경로에 있을 수도 있다. 일부 실시예들에서, 샘플링된 부분은 레이저 광 방출의 50%보다 더 크지 않다. 일부 실시예들에서, 샘플링된 부분은 레이저 광 방출의 10%보더 더 작지 않다. 레이저는 VCSEL일 수도 있고, 광은 VCSEL의 하단 표면을 통해 방출될 수도 있다. 레이저는 코팅을 갖는 하단 방출 표면을 포함할 수도 있다. 코팅은 레이저 광 방출의 파장에서 안티-반사성 또는 반사성일 수도 있다. 검출기는 광검출기(photodetector), PIN 광검출기, 공진 공동 광검출기(resonant cavity photodetector), 또는 애벌란시 광다이오드(avalanche photodiode)로 구성되는 그룹으로부터 선택될 수도 있다. 레이저는 에지-방출 레이저, VCSEL, 솔리드-스테이트 레이저(solid-state laser), 가스 레이저(gas laser), 또는 임의의 다른 적당한 레이저일 수도 있다. 광은 일부 실시예들에서, 약 800nm 내지 1000nm의 파장을 가질 수도 있다. 필터는 격자 및 공간적 필터 또는 슬릿으로 이루어질 수도 있다. 필터는 약 5nm보다 더 작은 자유 스펙트럼 범위(Free Spectral Range)를 갖는 에탈론일 수도 있다. 필터는 약 1nm보다 더 작은 자유 스펙트럼 범위를 갖는 에탈론일 수도 있다. 필터는 약 5보다 더 큰 피네스(finesse)를 갖는 에탈론일 수도 있다. 필터는 약 10보다 더 큰 피네스를 갖는 에탈론일 수도 있다. 필터는 투과 피크(transmission peak)를 가질 수도 있고, 광의 파장에 가장 근접한 투과 피크의 절반 최대 투과 대역폭에서의 전체 폭(full width at half max transmission bandwidth)은 1nm 이하이다. 레이저는 다수의 방출 애퍼처들을 가질 수도 있다. 일부 실시예들에서, 레이저는 적어도 하나의 미러 및 기판을 가지는 VCSEL일 수도 있고, 필터는 VCSEL의 적어도 하나의 미러 및 기판을 포함하는 에탈론이다. 레이저는 기판 상에서 반사성 코팅을 더 포함할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 필터는 검출기에 장착된다. 일부 실시예들에서, 레이저는 VCSEL이고, 레이저는 필터에 장착된다. 일부 실시예들에서, 레이저는 상단 표면 및 하단 표면을 가지는 VCSEL이고, 하단 표면으로부터 방출된 피크 광학적 파워에 대한 상단 표면으로부터 방출된 피크 광학적 파워의 비율은 1:1 내지 10:1이다. 일부 실시예들에서, 센서 디바이스는 하우징을 더 포함한다.
하나 이상의 실시예들에서, 패키징된 센서 디바이스는 하우징; 애퍼처로부터 광 - 광은 파장을 가짐 - 을 방출하는 레이저; 하우징의 제1 단부에서 기판에 장착된 검출기; 레이저와 검출기 사이에서 배치된 필터; 및 하우징의 제2 단부에서의 적어도 하나의 광학적 렌즈를 포함한다. 적어도 하나의 실시예에서, 적어도 하나의 광학적 렌즈는 광을 콜리메이팅하기 위하여 레이저의 하단 방출 표면과 필터 사이에서 배치된다. 일부 실시예들에서, 파장은 약 800nm 내지 1000nm일 수도 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 레이저는 VCSEL이다. 일부 실시예들에서, 하우징은 성형된 플라스틱으로 이루어진다. 적어도, 하우징이 성형된 플라스틱으로 이루어지는 실시예들에서, 적어도 하나의 광학적 렌즈는 하우징에서 일체로 형성될 수도 있다. 다른 실시예들에서, 하우징은 금속을 포함할 수도 있고, 렌즈는 하우징에 고착된 플라스틱 삽입부(plastic insert)일 수도 있다. 일부 실시예들에서, 적어도 검출기 및 필터는 하우징 공동 내에 배치된다. 일부 실시예들에서, 레이저는 하우징의 외부 표면 상의 리세스(recess) 내에서 장착된다. 일부 실시예들에서, 기판은 하우징에 장착된다. 하우징은 레이저 및 검출기로의 와이어본드 상호접속부들을 위한 충분한 유격(clearance)을 허용하는 적어도 하나의 특징부(feature)를 가질 수도 있다. 하우징은 레이저 및 필터의 수동적인 정렬 및 조립을 위한 적어도 하나의 특징부를 가질 수도 있다. 일부 실시예들에서, 검출기는 광검출기, PIN 광검출기, 공진 공동 광검출기, 또는 애벌란시 광다이오드로 구성되는 그룹으로부터 선택될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 필터는 에탈론일 수도 있다. 일부 실시예들에서, 필터는 검출기에 장착될 수도 있다. 필터는 일부 실시예들에서, 레이저로부터 분리되어 있을 수도 있다. 필터 및 레이저는 모놀리식 구조체(monolithic structure)를 형성할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 필터는 파장에서 낮은 광학적 손실을 나타내는 재료를 포함할 수도 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 필터는 2개의 면을 평행하게 가지고, 여기서, 각각의 면은 파장에서 고도로 반사성인 미러를 가진다. 일부 실시예들에서, 필터는 약 5nm보다 더 작은 자유 스펙트럼 범위를 가질 수도 있다. 일부 실시예들에서, 필터는 약 2nm보다 더 작은 자유 스펙트럼 범위를 가질 수도 있다. 필터는 5보다 더 큰 피네스를 가질 수도 있다. 일부 실시예들에서, 필터는 10보다 더 큰 피네스를 가질 수도 있다. 필터는 일부 실시예들에서, 투과 피크를 가질 수도 있고, 광의 파장에 가장 근접한 투과 피크의 절반 최대 투과 대역폭에서의 전체 폭은 1nm 이하이다. 레이저는 다수의 방출 애퍼처들을 가질 수도 있다. 일부 실시예들에서, 레이저는 적어도 하나의 미러 및 기판을 가지는 VCSEL일 수도 있고, 필터는 VCSEL의 적어도 하나의 미러 및 기판을 포함하는 에탈론일 수도 있다. 일부 실시예들에서, 기판 상에 반사성 코팅이 있을 수도 있다. 일부 실시예들에서, 레이저는 VCSEL일 수도 있고, 레이저는 필터에 장착될 수도 있다. 적어도 또 다른 실시예에서, 레이저는 상단 표면 및 하단 표면을 가지는 VCSEL이고, 하단 표면으로부터 방출된 피크 광학적 파워에 대한 상단 표면으로부터 방출된 피크 광학적 파워의 비율은 1:1 내지 10:1이다. 일부 실시예들에서, 레이저는 기판을 가지는 VCSEL일 수도 있고, 기판은 광의 자발적 방출의 억제를 위하여 적어도 하나의 측 상에서 애퍼처들의 패턴을 가진다.
하나 이상의 실시예들에서, 레이저 광 방출을 위한 센서 디바이스는 적어도 하나의 애퍼처로부터 광을 방출하는 적어도 하나의 레이저 - 레이저는 공동 및 적어도 하나의 미러를 포함함 -; 검출기; 공동에 대한 고정된 위치에서의 필터; 레이저 방출의 부분을 타겟 표면 상으로 거의 포커싱하고 타겟 표면으로부터 반사된 임의의 광의 부분을 다시 레이저 공동으로 커플링하는 적어도 하나의 광학적 렌즈; 및 광학적 렌즈와 레이저 사이의 빔 스플리터를 포함할 수도 있다. 센서 디바이스는 레이저 광 방출의 부분을 샘플링하고 그것을 검출기에 제시하는 수단을 더 포함할 수도 있다. 샘플링의 수단은 빔 스플리터일 수도 있다. 빔 스플리터는 레이저의 광학적 축에 대해 각도를 이루어 위치될 수도 있다. 필터는 레이저 광 방출의 샘플링된 부분의 광학적 경로에 있을 수도 있다. 일부 실시예들에서, 샘플링된 부분은 레이저 광 방출의 50%보다 더 크지 않다. 일부 실시예들에서, 샘플링된 부분은 레이저 광 방출의 10%보다 더 작지 않다. 레이저는 VCSEL일 수도 있고, 광은 VCSEL의 하단 표면을 통해 방출될 수도 있다. 레이저는 코팅을 갖는 하단 방출 표면을 포함할 수도 있다. 코팅은 레이저 광 방출의 파장에서 안티-반사성 또는 반사성일 수도 있다. 검출기는 광검출기, PIN 광검출기, 공진 공동 광검출기, 또는 애벌란시 광다이오드로 구성되는 그룹으로부터 선택될 수도 있다. 레이저는 에지-방출 레이저, VCSEL, 솔리드-스테이트 레이저, 가스 레이저, 또는 임의의 다른 적당한 레이저일 수도 있다. 광은 일부 실시예들에서, 약 800nm 내지 1000nm의 파장을 가질 수도 있다. 필터는 격자 및 공간적 필터 또는 슬릿으로 이루어질 수도 있다. 필터는 약 5nm보다 더 작은 자유 스펙트럼 범위를 갖는 에탈론일 수도 있다. 필터는 약 1nm보다 더 작은 자유 스펙트럼 범위를 갖는 에탈론일 수도 있다. 필터는 약 5보다 더 큰 피네스를 갖는 에탈론일 수도 있다. 필터는 약 10보다 더 큰 피네스를 갖는 에탈론일 수도 있다. 필터는 투과 피크를 가질 수도 있고, 광의 파장에 가장 근접한 투과 피크의 절반 최대 투과 대역폭에서의 전체 폭은 1nm 이하이다. 레이저는 다수의 방출 애퍼처들을 가질 수도 있다. 일부 실시예들에서, 레이저는 적어도 하나의 미러 및 기판을 가지는 VCSEL일 수도 있고, 필터는 VCSEL의 적어도 하나의 미러 및 기판을 포함하는 에탈론이다. 레이저는 기판 상에서 반사성 코팅을 더 포함할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 필터는 검출기에 장착된다. 일부 실시예들에서, 레이저는 VCSEL이고, 레이저는 필터에 장착된다. 일부 실시예들에서, 레이저는 상단 표면 및 하단 표면을 가지는 VCSEL이고, 하단 표면으로부터 방출된 피크 광학적 파워에 대한 상단 표면으로부터 방출된 피크 광학적 파워의 비율은 1:1 내지 10:1이다. 일부 실시예들에서, 센서 디바이스는 하우징을 더 포함한다.
다수의 실시예들이 개시되지만, 본 개시내용의 또 다른 실시예들은 발명의 예시적인 실시예들을 도시하고 설명하는 다음의 상세한 설명으로부터 본 기술분야의 통상의 기술자들에게 분명해질 것이다. 인식되는 바와 같이, 본 개시내용의 다양한 실시예들은 모두 본 개시내용의 사상 및 범위로부터 이탈하지 않으면서, 다양한 자명한 양태들에서 수정들이 가능하다. 따라서, 도면들 및 상세한 설명은 한정적인 것이 아니라, 본질적으로 예시적인 것으로서 간주되어야 한다.
명세서는 본 개시내용의 다양한 실시예들을 형성하는 것으로서 간주되는 발명 요지를 특히 지적하고 명백하게 청구하는 청구항들로 결론내려지지만, 발명은 동반된 도면들을 참조하여 취해진 다음의 설명으로부터 더 양호하게 이해될 것으로 믿어진다:
도 1은 본 개시내용의 하나의 실시예에 따른, 자체-혼합 광학적 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 개시내용의 하나의 실시예에 따른, 레이저 광을 샘플링하기 위한 빔-스플리터를 갖는 자체-혼합 구성의 개략도이다.
도 3은 타겟으로서 발생된 주기적 톱니 프린지(saw-tooth fringe)들을 도시하는 자체-혼합 신호가 레이저 자유-공간(free-space) 파장의 정수배(integral multiple)들을 통해 변위된다는 것을 예시하는 그래프이다.
도 4는 자체-혼합 레이저 세기 및 파장 신호들의 시간에서의 변동을 예시하는 그래프이다.
도 5는 입사 광학적 파장의 함수로서의 패브리-페롯 에탈론 투과 특성을 예시하는 그래프이다.
도 6a 내지 도 6e는 광학적 경로에서의 에탈론에 의한 자체-혼합 신호의 강화를 예시하는 그래프들이다.
도 7은 하단 방출을 위한 VCSEL 구조체의 개략도이다.
도 8은 레이저의 하나의 미러의 구조체에 기초한 레이저의 하나의 실시예로부터 방출된 총 광학적 파워의 백분율을 예시하는 그래프이다.
도 9는 부분적으로 반사하는 하단 표면으로부터의 관찰된 VCSEL 출력을 예시하는 그래프이다.
도 10은 투명한 기판들 상에서 제조된 VCSEL들을 위하여 적당한 에탈론 필터 및 광검출기와의 적층된 VCSEL 통합의 개략도이다.
도 11은 흡수하는 기판들 상에서 제조된 VCSEL들을 위하여 적당한 에탈론 필터 및 광검출기와의 적층된 VCSEL 통합의 개략도이다.
도 12는 VCSEL, 에탈론, 및 광검출기의 직접적인 적층을 갖는 센서 패키징의 개략도이다.
도 13은 에탈론 필터 전에 콜리메이팅 렌즈를 갖는 센서 패키징의 개략도이다.
도 14는 방출 애퍼처들의 8x8 어레이를 갖는 VCSEL 레이저 다이(laser die)의 개략도이다.
도 15는 본 개시내용의 하나의 실시예에 따른, 자체-혼합 광학적 시스템의 개략도이다.
도 16은 본 개시내용의 하나의 실시예에 따른, 자체-혼합 광학적 시스템의 개략도이다.
본 개시내용은 레이저 자체-혼합의 메커니즘에 기초한 신호들의 프로세싱 및 센서들뿐만 아니라, 센서를 위한 패키징에 관련된다.
다음의 상세한 설명에서는, 일부 실시예들의 철저한 이해를 제공하기 위하여, 수많은 특정 세부사항들이 기재된다. 그러나, 일부 실시예들은 이 특정 세부사항들 없이 실시될 수도 있다는 것이 본 기술분야의 통상의 기술자들에 의해 이해될 것이다. 다른 사례들에서는, 널리-공지된 방법들, 절차들, 컴포넌트들, 유닛들, 및/또는 회로들이 논의를 모호하게 하지 않도록 상세하게 설명되지 않았다.
본 개시내용의 하나 이상의 실시예들을 참조하여 본원에서 설명된 기능들, 동작들, 컴포넌트들, 및/또는 특징부들은 본 개시내용의 하나 이상의 다른 실시예들을 참조하여 본원에서 설명된 하나 이상의 다른 기능들, 동작들, 컴포넌트들, 및/또는 특징부들과 조합될 수도 있거나, 이들과 조합하여 사용될 수도 있다. 본 개시내용은 따라서, 본 명세서에서 설명되는 모듈들 또는 기능들 또는 컴포넌트들이 논의의 상이한 장소들 또는 상이한 챕터들에서 논의되더라도, 또는 그것들이 상이한 도면들 또는 다수의 도면에 걸쳐 도시되더라도, 본원에서 설명된 모듈들 또는 기능들 또는 컴포넌트들의 일부 또는 전부의 임의의 가능한 또는 적당한 조합들, 재배열들, 조립, 재조립, 또는 다른 사용을 포함할 수도 있다.
본 개시내용의 어떤 특징부들이 본원에서 예시되고 설명되었지만, 많은 수정들, 치환들, 변화들, 및 등가물들이 본 기술분야의 통상의 기술자들에게 떠오를 수도 있다. 따라서, 청구항들은 이러한 모든 수정들, 치환들, 변화들, 및 등가물들을 커버하도록 의도된다.
레이저 빔이 외부 타겟으로부터 후방-산란(back-scatter)될 때, 레이저 빔은 일부 상황들에서, 레이저 공동으로 다시 커플링된 그 반사된 파워의 부분을 가질 수도 있다. 이 후방-커플링된 광은 당연히 공동 내에서 정재파(standing wave)와 간섭할 것이고, 방출된 광의 광학적 파워 및 주파수(파장)에서의 불안정성들 또는 변동들을 도입할 것이다. 광학적 파워에서의 이 변동은 광검출기에 의해 광학적 경로에서의 임의의 포인트에서 모니터링될 수 있다. 순방향 전파 광(forward propagating light)은 주 레이저 빔에서 분할될 수도 있거나 주 레이저 빔으로부터 샘플링될 수도 있고, 검출기 상으로 지향될 수도 있다. 대안적으로, 레이저로부터 방출된 보조 빔의 형태인 역방향-전파 광(backward-propagating light)은 검출기 상에 직접적으로 입사할 수도 있다.
다시 레이저 공동으로의 커플링 시에 반사된 광과 연관된 시간 지연 및 위상(phase)이 있다. 정재파와의 상호작용은 그러므로, 상당히 복잡하고, 일반적으로, 레이저의 문턱 조건의 수정으로 이어진다. 전기적 바이어스(electrical bias) 또는 펌핑 파워가 일정하게 유지될 경우, 문턱 조건에서의 이 변화는 방출된 광학적 파워에서의 변화로서 나타난다. 알고리즘들은 이 파워 요동들(power fluctuations)을 해석함으로써 타겟 모션 및 거리의 특정된 것들을 유도하기 위하여 적용될 수도 있다. 문턱 조건에서의 변화는 정상-상태(steady-state) 캐리어 밀도에서의 변화를 또한 암시하므로, 방출된 광의 파장은 동일한 시간적 종속성으로 또한 영향받는다.
레이저는 광학적 피드백에 매우 민감하지만, 피드백 중인 레이저의 출력에서의 변화들의 절대적인 규모(magnitude)는 작을 수 있고 잡음성일 수 있다. 그러므로, 자체-혼합 신호의 강도는 이상적인 조건들 하에서도 본래 매우 낮기 때문에, 신호 대 잡음 비율을 개선시키는 것이 바람직하다.
자체-혼합 신호는 주기적 진폭 프린지들로서 나타나고, 이 프린지들의 각각은 1/2 광학적 파장, 또는 ½ 파와 동일한 반사된 광에서의 총 위상 시프트에 대응한다. 프린지들의 규모는 레이저 설계 및 피드백의 강도(즉, 공동으로 다시 커플링된 광의 양)의 특정된 것들에 종속적이다. 더 많은 커플링은 일반적으로 더 강한 신호를 부여한다. 피드백 커플링의 양을 증가시키기 위한 방법들은 큰 애퍼처 또는 높은 개구수(numerical-aperture) 광학기기를 이용하는 것, 타겟 조성 또는 반사율을 변화시키는 것, 또는 타겟까지의 거리를 감소시키는 것을 포함한다. 일부 경우들에는, 타겟 조성이 고정되거나 또는 그렇지 않을 경우에는 사용자 제어 하에 있지 않고, 센서 크기의 감소가 중요하다. 이러한 경우, 신호 강화의 주 수단은 자체-혼합에 대한 높은 감도를 위하여 레이저 설계를 최적화하는 것이다. 피드백의 일부 레벨에서, 레이저는 불안정하게 될 것이고 자체-혼합은 불규칙하게 될 것이므로, 얼마나 많은 개선에 도달될 수 있는지에 대한 제한이 있다.
자체-혼합 신호는 일반적으로, 일정한 배경 신호 레벨 또는 바이어스 상에서 중첩된, 전술한 프린지들 또는 변조된 컴포넌트(신호)로 구성된다. 바이어스 컴포넌트에 대한 변조된 컴포넌트(신호)의 비율은 변조 심도 m으로서 지칭될 수도 있다. 안정적인 동작 체제에서, 전형적인 레이저는 커플링된 광학적 피드백의 높은 레벨들 하에서 대략 0.5%보다 더 작은 변조 심도들 m을 나타낼 수도 있다. 흔히, 레이저로부터의 광학적 파워를 최소화하기 위한 희망이 있다. 레이저가 1 mW의 광학적 파워를 방출하고 있을 경우, 근사적인 신호는 그러므로, 거의 5 μW 피크-대-피크이다. 0.5 A/W의 응답성(responsivity)을 갖는 전형적인 실리콘 광검출기를 이용하면, 이것은 전기적으로 반전된 신호 값이 2.5 μA 피크-대-피크인 것을 의미한다. 이것은 검출 회로부에서 배경 잡음에 의해 압도될 수 있는 작은 값이다. 더 작은 광학기기, 감소된 타겟 반사율, 및/또는 증가된 타겟 거리로 인한 피드백의 레벨에서의 감소들은 신호 레벨에서의 상응하는 감소로 이어질 수도 있고 문제를 악화시킬 수도 있다. 그러므로, 이 신호 레벨을 증가시키는 것은 상당히 중요하다.
자체-혼합 변조 중인 레이저의 광학적 파워에서의 변화를 검출하는 대신에, 내부 접합 전압(junction voltage)이 모니터링될 수 있다. 이것은 광검출기를 제거하는 장점을 갖지만, 도달가능한 매우 낮은 신호들로 인해, 이 접근법은 본래 제한된 유용성을 가진다.
이것은 요구된 공동 및 미러들을 형성하기 위하여 활성 결정(active crystal)의 단부 패싯들을 클리빙(cleaving)함으로써 형성된 통상적인 FP 또는 패브리-페롯 레이저이다. FP 레이저들이 동일한 패키지에서의 소위 후방-패싯 모니터 광다이오드들로 전형적으로 패키징되므로, FP 레이저들은 이 애플리케이션을 위하여 편리하다. 따라서, 에지-방출 레이저가 이용되는 경우, 자체-혼합 검출기는 레이저 다이오드 자체와 공동-패키징된 후방-패싯 모니터 광다이오드일 수 있다.
자체-혼합 센서들에서 이용된 레이저들은 가스 레이저들, 솔리드-스테이트 레이저들, 또는 반도체 레이저들일 수도 있다. 많은 자체-혼합 기반 센서들은 에지-방출 레이저 다이오드들을 사용한다. 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL)는 자체-조립을 위한 반도체 레이저의 특히 적당한 형태일 수 있다. VCSEL은 제1 하단 분산된 브래그 반사기(Distributed Bragg Reflector)(DBR) 미러, 공동으로 칭해진 활성 광 발생 활성 영역, 및 제2 상단 DBR 미러가 그 상에 순차적으로 퇴적되는 기판으로 이루어진 반도체 레이저이다. 광은 디바이스 상단 표면에 대해 법선 방향으로 방출된다.
VCSEL의 수직 방출 본질은 기존의 레이저보다 훨씬 더 많은 패키징 신축성(flexibility)을 그것에 부여하고, LED들 또는 반도체 집적 회로들(integrated circuits)(ICs)을 위하여 이용가능한 폭넓은 범위의 패키지들의 이용에 대한 문호를 개방한다. VCSEL 어레이들은 수직으로 적층된 구성에서 광검출기들 또는 광학적 엘리먼트들로 패키징될 수 있다. 플라스틱 또는 세라믹 표면 장착 패키징 또는 칩-온-보드(chip-on-board) 옵션들이 VCSEL에 또한 이용가능하다.
별도의 방출 애퍼처들을 갖는 다수의 레이저들은 동일한 칩 상에서 제조될 수 있다. 이 애퍼처들은 전기적으로 직렬로, 병렬로, 또는 개별적으로 어드레싱가능하게 접속될 수도 있다. 동일한 VCSEL 칩 상의 개별적으로 어드레싱가능한 애퍼처들의 어레이의 경우, 빔-조향(beam-steering)의 효과는 하나 이상의 애퍼처들을 선택적으로 조명함으로써 달성될 수 있다. 렌즈와 함께 이용될 때, 이것은 누군가가 임의의 기계적인 모션에 대한 필요성 없이 관측 시야(field of view)에서 영역들을 조명하는 것을 허용한다. 자체-혼합 센서들의 병렬 어레이들은 VCSEL들로부터 또한 구성될 수 있다.
본 개시내용은 하나 이상의 필터들을 사용함으로써, 예를 들어, 본원에서 설명된 바와 같은 패브리-페롯 필터 및/또는 다른 적당한 필터(들)를 이용함으로써 자체-혼합(Self-Mix)(SM) 신호를 개선시키고 및/또는 증가시키기 위한 시스템들, 회로들, 방법들, 및 디바이스들을 포함할 수도 있다. 시스템은 적어도 하나의 실시예에서, 레이저-기반 송신기; 관심 있는 에어리어(area)로부터 학습된 광학적 피드백을 캡처하기 위한 광학적 센서; 및 광학적 피드백을 프로세싱하고, 광학적 피드백에 대응하는 신호(예컨대, 데이터의 스트림(stream); 데이터-스트림; 오디오 신호 또는 음향 신호에 대응하거나 이를 모방하거나 이를 에뮬레이팅(emulating)하는 데이터)를 발생시키기 위한 광학적 프로세서를 포함할 수도 있다.
레이저 구조체를 논의할 시의 용어들 "하단(bottom)" 및 "상단(top)"은 자유롭게 교환될 수 있고, 여기서, 용어 "하단"은 광학적 검출기를 향해 대면하는 보조 미러를 참조하기 위하여 일반적으로 이용된다. VCSEL의 경우, 이것은 일반적으로 디바이스의 기판측으로서 해석되어야 한다. 에지-방출 패브리-페롯 레이저, 솔리드-스테이트 레이저, 또는 가스 레이저, 또는 유사한 것과 같은 임의적인 레이저 공동 설계의 경우, 용어들 "하단" 및 "상단"은 동일한 유효성으로 "좌측" 및 "우측", 또는 "주" 및 "보조"일 수 있고, 이 용어들은 레이저 공동을 포함하는 2개의 고유한 반사 표면들을 구별하도록 오직 의도된다.
용어들 "필터" 및 "파장 선택적 엘리먼트(wavelength selective element)"는 논의에서 상호 교환가능하게 이용될 수도 있다. 필터는 에탈론 또는 격자일 수도 있고, 투과성 모드 또는 반사성 모드 중의 적어도 하나에서 동작할 수도 있다.
대부분의 상업적인 센서 애플리케이션들을 위하여, 인간 눈에 지각불가능한 광학적 파장들을 이용하는 것이 바람직하다. 이것은 스펙트럼의 근적외선(near infrared)(NIR) 범위에 있고, 가장 보편적으로 관심 있는 범위는 835nm 내지 980nm이다. 하나의 실시예에서, 940nm는 그것이 매우 낮은 가시성을 부여하므로 선호된 파장일 수도 있고, 저비용 실리콘 기반 광검출기들의 가장 높은 감도에 근접한다.
도 1은 예로서, 제1 미러(104), 광-발생 공동(106), 및 제2 미러(108)를 갖는 레이저(102); 상기 제1 미러(104)로부터 방출된 광(112)을 타겟(114) 상으로 포커싱하기 위한 제1 광학적 렌즈(110); 상기 제2 미러(108)로부터 방출된 광(118)을 거의 콜리메이팅하고 그것을 검출기(120)를 향해 지향하기 위한 제2 광학적 렌즈(116)로 이루어진 자체-혼합 센서 디바이스(100)를 도시한다. 적어도 하나의 실시예에서, 타겟(114)은 부분적으로 반사성 타겟일 수도 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 타겟(114)은 이동하는 타겟일 수도 있다. 하나의 대안적인 실시예에서, 제2 광학적 렌즈(116)는 임의적일 수도 있고, 이 경우, 제2 미러(108)로부터의 광(118)은 콜리메이팅되지 않는다. 검출기(120)와 제2 미러(108) 사이에서 배치된 것은 광학적 필터(122)일 수도 있다. 일부 실시예들에서, 필터(122)는 레이저, 검출기, 또는 양자에 대한 고정된 위치에 있다. 제2 렌즈(116)가 존재할 경우, 상기 필터(122)는 제2 렌즈(116)와 검출기(120) 사이에서 배치될 수도 있다. 그러므로, 시스템에서 정의된 2개의 광학적 경로들: 제1 미러(104)로부터 타겟(114)까지의 제1 경로(124), 및 제2 미러(108)로부터 검출기(120)까지의 제2 경로(126)가 있다. 필터(122)는 따라서 제2 경로(126)에 있을 수도 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 필터는 고정된 위치에 있다. 동작 시에, 본원에서 논의된 실시예들의 전부가 아니더라도 많은 것에 대하여, 검출기 단자들에서 존재하는 신호는 정적 타겟 또는 이동하는 타겟으로부터 반사되거나 산란된 광과의 본래의 레이저 공동 광의 인트라-공동 혼합(intra-cavity mixing)에 의해 발생된 자체-혼합 신호이다. 자체-혼합 신호는 급격하게 정의된 통과대역 에지들을 갖는 광학적 필터와 같은, 그러나 이것으로 제한되지는 않는 필터의 파장 필터링 액션에 의해 강화될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 레이저는 약 850nm 내지 940nm 사이의 범위에서 광을 방출할 수 있다. 하나의 실시예에서, 레이저는 약 850nm에서, 또는 약 850nm 근처에서 광을 방출한다. 하나의 실시예에서, 레이저는 약 940nm에서, 또는 약 940nm 근처에서 광을 방출한다.
도 2는 제1 미러(204), 광-발생 공동(206), 및 제2 미러(208)를 갖는 레이저(202); 제1 미러(204)로부터 방출된 광(212)을 부분적으로 반사성 타겟(214) 상으로 포커싱하기 위한 제1 렌즈(210); 및 제1 미러(204)로부터의 광(212)의 부분을, 광을 거의 콜리메이팅하고 그것을 검출기(220) 상으로 지향하는 제2 렌즈(218) 상으로 재지향하는 빔 샘플링 엘리먼트(216)로 다시 이루어진 대안적인 자체-혼합 센서 디바이스(200) 구성을 도시한다. 하나의 실시예에서, 빔 샘플링 엘리먼트(216)는 빔 스플리터이다. 적어도 하나의 실시예에서, 빔 스플리터는 레이저(202)의 광학적 축에 대해 각도를 이루어 위치된다. 제2 렌즈(218)와 검출기(220) 사이의 광학적 경로(221)에서 배치된 것은 광학적 필터(222)일 수도 있다. 또 다른 실시예에서, 제2 렌즈(218)는 존재하지 않고, 필터(222)는 빔 스플리터(216)와 검출기(220) 사이에서 배치될 수도 있다. 또 다른 실시예에서, 도 2의 빔 샘플링 엘리먼트(216)는 제1 렌즈(210)와 타겟(214) 사이에서 배치될 수 있고, 이 경우, 제2 렌즈(218)는 생략될 수도 있다. 다른 실시예들에서, 빔 샘플링 엘리먼트 및 필터는 조합된 샘플링 컴포넌트를 형성할 수 있다. 입사 빔의 광학적 축에 대하여 각도에서 틸팅된(tilted) 에탈론은 이러한 조합된 샘플링 컴포넌트의 예일 것이다. 이러한 실시예들에서, 틸팅된 조합된 샘플링 컴포넌트는 제1 미러(204)와 검출기(220) 사이에서 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 검출기(220) 및 필터(222)는 레이저(202)의 광학적 축과 평행하게 위치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 검출기(220) 및 필터(222)는 레이저의 광학적 축에 대해 수직으로 위치될 수 있다.
양자의 도 1 및 도 2에서, 레이저(102, 202)는 바람직하게는 반도체 레이저이지만, 가스 레이저 또는 솔리드-스테이트 레이저일 수도 있다. 바람직한 실시예에서, 레이저는 VCSEL이다.
양자의 도 1 및 도 2에서, 검출기(120, 220)는 바람직하게는 광다이오드일 수도 있다. 검출기(120, 220)는 광대역 광검출기 또는 공진-공동 광다이오드일 수도 있다. 검출기(120, 220)는 광 에너지를, 광 에너지, 세기, 또는 파워에 비례적인 전류와 같은 신호로 변환한다. 이 전류는 추가의 신호 프로세싱을 위하여 증폭될 수 있다.
도 3은 타겟이 레이저 공동에 대해 움직이고 있을 때에 타겟으로부터 산란되거나 반사된 광이 제1 렌즈에 의해 제1 미러를 통해 레이저 공동으로 커플링될 때, 검출기에서 존재하는 특징적인 자체-혼합 신호(300)를 도시한다. 신호(300)는 공동에서의 존재하는 정재파와의 커플링된 광의 코히어런트 혼합(coherent mixing)으로 인해 주기적 또는 그렇지 않을 경우에 시간-종속적인 "톱니(sawtooth)" 프린지들(302)을 가진다. "톱니" 프린지들(302)의 형태 및 시간 종속성은 타겟 로케이션(location) 및 모션의 특정된 것들에 관련된 정보를 인코딩한다. 신호(300)는 도 3에서 도시된 바와 같은 그 피크-대-피크 진폭 및 DC 오프셋에 의해 추가로 특징된다. 피크-대-피크 요동들의 진폭은 그것이 신호 프로세싱이 환경적 교란(disturbance)들 및 전자기기 배경 잡음에 의해 야기된 본래의 잡음성 배경으로부터 모션 데이터를 추출할 수 있는 신뢰성에 영향을 주기 때문에 중요할 수 있다. 프린지들의 시간적 빈도, 형상, 및 기울기는 소스(source)에 대한 타겟의 상대적인 모션뿐만 아니라, 타겟까지의 절대적인 거리에 대한 정보를 산출한다.
도 4는 자체-혼합 신호(400) 진폭에서의 시간-변화가 어떻게 레이저 파장의 절대값에서의 동시 및 상관된 시프트를 동반하는지를 표시한다. 하나의 톱니(402)의 주기 상에서, 레이저 파장의 절대값은 양
Figure 112019003658297-pct00001
만큼 변화하고, 여기서,
Figure 112019003658297-pct00002
은 피드백의 조건들에 종속되고, 대략 피코미터(picometer) 이상일 수도 있다. 자체-혼합 신호가 계단 응답의 중간-포인트(mid-point)에 거의 중심을 둔 신호의 중심 파장을 갖는 계단-유사 근접한 응답을 갖는 광학적 필터를 통과할 경우, 필터 투과는 신호의 스펙트럼 및 진폭 컴포넌트들을 컨볼루션(convolve)할 것이고, 검출기에 의해 관찰가능한 투과된 신호의 상당한 겉보기 증폭으로 이어질 것이다.
광학적 필터는 고도로 분산적인 회절 격자 및 슬릿을 이용하는 것에 의한 것과 같이, 다수의 방법들로 구현될 수 있다. 하나의 실시예에서, 필터는 패브리-페롯 에탈론이다. 에탈론은 광학적으로 투명한 스페이서 공동 영역에 의해 분리된 2개의 평면-평행(plane-parallel) 미러들로 구성되는 광학적 엘리먼트이다. 에탈론 공동 내에서의 다수의 반사들의 건설적 및 파괴적 간섭으로 인해, 에탈론의 투과 특성들은 공진이 발생하는 파장들에서 다수의 협대역 피크들을 나타낼 수도 있다.
도 5는 이러한 에탈론 투과 특성 대 파장의 예를 도시한다. 투과(500)는 그 자유 스펙트럼 범위(Free Spectral Range)(FSR), 통과대역 대역폭(BW), 피크 주파수들, 및 피크 투과 퍼센트에 의해 특징된다. 에탈론의 자유 스펙트럼 범위(FSR)는 에탈론 투과에서의 2개의 인접한 피크들의 파장에서의 차이이다. FSR은 에탈론의 두께, 즉, 에탈론을 포함하는 미러들의 표면들 사이의 거리에 의해 주로 결정된다. 공동이 더 두꺼울수록, 502에서 도시된 공진 투과 피크들이 더 근접한다. 각각의 투과 피크의 대역폭은 주로 구성성분 미러 반사율들에 의해 결정된다. 그것은 일반적으로 50% 투과에서 통과대역의 전체 폭으로서 취해진다. 반사율이 더 높을수록, 대역폭이 더 좁다. 원칙적으로, 무한대에 근접한 좁은 대역폭은 100%에 접근하는 반사율들에 대하여 달성될 수 있다. 총 퍼센트 투과는 구성의 품질 및 입력 빔의 특성들에 의해 제한된다. 피네스 f는 에탈론 성능의 척도이고, 대역폭에 대한 FSR의 비율(즉, f = FSR/BW)과 동일하다. 여기서 설명된 바와 같은 이용을 위하여, 에탈론은 바람직하게는, 레이저의 튜닝가능한 범위 내에서 다수의 투과 피크들을 가질 것이다. 이것은 레이저가 504에서 도시된 통과대역의 상승 또는 하강 에지 상에서 동작해야 하기 때문이다. 동상(상호 증가하거나 상호 감소함) 또는 이상(반대 방향들로 변화함)인 자체-혼합 신호의 파장 및 진폭 변화는 올바른 동작 포인트가 필터 통과대역의 상승 에지 또는 하강 에지인 것을 기술할 것이다.
단순화된 가정에서는, 예시적인 목적들을 위하여, 에탈론의 피크 통과대역 투과가 100%인 것으로 가정될 수 있고, 각각의 투과 통과대역은 2*BW의 밑변 폭(base width)을 갖는 삼각형에 의해 근사화될 수 있다. 이 가정 하에서, 투과는 그 후에,
Figure 112019003658297-pct00003
= BW의 파장 시프트의 스펙트럼 범위 상에서 거의 제로로부터 100%로 간다. 하나의 자체-혼합 톱니의 주기 상에서의 총 파장 시프트
Figure 112019003658297-pct00004
는 20 피코미터, 또는 0.02nm인 것으로 추가로 가정될 수 있다. 최소치에서, 우리가 신호 레벨에서의 50% 강화를 달성하는 것을 희망할 경우, 이것은 BW =
Figure 112019003658297-pct00005
= 0.04nm의 요구된 대역폭을 암시한다. 요구된 에탈론의 피네스는 그 후에 거의 f = 15, 실제의 에탈론을 위한 달성가능한 성능 타겟이다. 통과대역 대역폭에서의 추가의 감소는 비례적으로 더 큰 정도의 신호 강화를 산출할 것이다. 따라서, 증가하게 더 높은 피네스가 바람직할 수 있다. 1nm보다 더 작은 FSR로, 5의 최소 피네스는 관찰가능한 강화를 전형적으로 제공하고, f~10은 상당한 강화를 전형적으로 제공한다.
도 6a 내지 도 6e는 f~15를 갖는 에탈론을 이용하는 에탈론 필터링된 자체-혼합 신호의 일 예의 출력들을 도시한다. 도 6e는 명확함을 위하여 스케일링된 투과 곡선을 도시하고, f = 15 에탈론의 정확한 표면인 것으로 의도되지는 않는다. 에탈론 투과가 최소인 도 6e 상의 포인트 "A"에서, 총 신호는 도 6a에서 도시된 바와 같이 에탈론을 침투하는 임의의 광의 결여로 인해 소멸된다. 도 6e 상의 포인트 "C"에서, 에탈론 투과는 최대이고 제로 기울기를 갖는 변곡점에 있으므로, 신호는 도 6c에서 도시된 바와 같이 상대적으로 변화하지 않는다. 도 6e 상의 포인트 "D"에서, 투과 기울기 변화의 절대값은 높지만, 진폭 변화의 방향과 이상이고, 따라서, 신호 변조는 도 6d 상에서 도시된 바와 같이 소멸된다. 일반적으로 최적의 동작 포인트일 수도 있는, 도 6e 상의 포인트 "B"에서, 진폭 및 파장 변화들은 동상이어서, 도 6b 상에서 도시된 바와 같이 상당한 신호 강화로 귀착된다.
하나의 실시예에서, VCSEL-기반 자체-혼합 센서는 하단 표면으로부터 그 광의 상당한 부분을 방출하는 VCSEL을 이용하여 작은 패키지에서 에탈론과 밀접하게 통합된다. 쟁점을 예시하기 위하여, 도 7은 일 예의 VCSEL(700)의 단면의 도면이고, 본 명세서에 개시된 VCSEL 및 VCSEL 어레이 실시예들을 위하여 예로서 사용될 수도 있는 일반적인 구조적 엘리먼트들 및 컴포넌트들을 포함한다. 본원에서의 개시내용은 임의의 특정한 VCSEL, VCSEL 구성, 또는 VCSEL 어레이로 제한되도록 의도된 것이 아니고, 수정된 또는 비수정된, 지금 공지되거나 더 이후에 개발된 임의의 VCSEL에 적용가능할 수도 있다. 도 7은 광학적 공동 스페이서 영역(704) 내에 위치된 양자-우물 활성 영역(quantum-well active region)(702)으로 이루어진 일반적인 VCSEL 구조체(700)를 도시한다. 하나의 측 상의 공동 영역(704) 옆에는, 그 자체가 다수의 높은/낮은 굴절률 층 쌍들(707)로 이루어진 제1 DBR 미러(706)가 배치된다. 공동(704)으로부터의 반대 측 상의 이 제1 DBR 미러(706) 상에서 배치된 것은 레이저 광이 이를 통해 공동(704)을 탈출할 수 있는 제1 홀 또는 애퍼처(710)를 갖는 제1 부분적 금속 층(708)이다. 제1 DBR 미러로부터의 공동의 반대 측 상에는, 그 자체가 다수의 높은/낮은 굴절률 층 쌍들(713)로 이루어진 제2 DBR 미러(712)가 있다. 제2 DBR 미러(712)는 레이저 방출 파장에서 높은 투명도를 가질 수도 있는 재료의 기판 층(714) 상에서 배치된다. 제2 DBR 미러로부터의 반대 측 상의 이 기판 층(714) 상에서 배치된 것은 레이저 광이 이를 통해 공동을 탈출할 수 있는 광 방출의 축을 따라 제2 홀 또는 애퍼처(720)를 갖는 제2 부분적 금속 층(718)이다. 이 제2 금속 층에서 제2 홀을 정의하는 영역에서의 기판의 표면은 코팅 층(722)과 같은, 추가적인 재료 또는 재료들로 코팅될 수도 있거나 코팅되지 않을 수도 있다. 코팅될 경우, 이 추가적인 재료 또는 재료들은 기판을 낮은 반사도(reflectance) 또는 높은 반사도로 하기 위하여 기판 최종 표면의 반사 특성들을 변경할 수도 있다. 하나의 실시예에서, 이 표면은 그것을 낮은 반사도로 하기 위한 재료로 코팅된다. 적어도 하나의 실시예에서, 코팅 재료는 실리콘 나이트라이드일 수도 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 코팅은 레이저 동작 파장에서 약 ¼ 광학적 파들의 두께를 가질 수도 있다. 다른 재료들 및 다른 두께들은 이 개시내용의 범위 내에 있다.
더 구체적으로, 그러나 여전히 일반적인 레벨에서, VCSEL의 에피택셜 층(epitaxial layer)들은 GaAs 기판과 같은 기판 재료 상에서 전형적으로 형성될 수도 있다. 기판 상에서, 단결정 1/4 파장 두께의 반도체 층들은 수직 방향에서 레이저 공동을 만들기 위한 양자 우물 기반 활성 영역 주위에서 미러들(예컨대, n- 및 p-분산된 브래그 반사기들(DBR들))을 형성하기 위하여 "성장"되는 것으로 말해질 수도 있다. 본원에서 이용된 바와 같이, 용어들 "성장된"은 "발생된", "형성된", 또는 "생성된", 또는 다른 유사한 용어들과 유사한 의미를 가지는 것으로 고려될 수도 있다. 마찬가지로, 본원에서 이용된 바와 같이, 용어들 "형성된"은 "발생된" 또는 "생성된", 또는 다른 유사한 용어들과 유사한 것으로 고려될 수도 있다. 예를 들어, 기판 상에서, AlGaAs n-DBR을 형성하는 층들과 같은, 그러나 이것으로 제한되지는 않는 제1 미러 층들이 성장될 수도 있고, 여기서, n-은 n-형 도핑을 지정한다. AlGaAs와 같은, 그러나 이것으로 제한되지는 않는 스페이서(spacer)는 제1 미러 층들 상에서 형성될 수도 있거나, 생성될 수도 있거나, 발생될 수도 있다. 그 후에, AlGaAs/InGaAs 다중 양자 우물(multiple quantum well)(MQW) 활성 영역과 같은, 그러나 이것으로 제한되지는 않는 양자 우물 기반 활성 영역은 AlGaAs 스페이서와 같은, 그러나 이것으로 제한되지는 않는 또 다른 스페이서 층을 따라 형성될 수도 있거나, 생성될 수도 있거나, 발생될 수도 있다. 그 상에서, AlGaAs p-DBR을 형성하는 층들과 같은, 그러나 이것으로 제한되지는 않는 제2 미러 층들이 성장될 수도 있고, 여기서, p-는 p-형 도핑을 지정하고, 이 도핑 상에서, AlGaAs/GaAs 전류 확산기/캡 층과 같은, 그러나 이것으로 제한되지는 않는 전류 확산기/캡 층이 형성될 수도 있다. 접촉하는 금속 층은 캡 층 상에서 형성될 수도 있어서, VCSEL의 축 상에서 일반적으로 중심이 두어진 희망된 직경의, 둥근 형상을 전형적으로 갖는 애퍼처를 남길 수도 있다. 일부 실시예들에서, 유전체 캡(dielectric cap)은 애퍼처 내에서 형성될 수도 있다. VCSEL 구조체 및 제조뿐만 아니라, VCSEL들을 제조하고 이용하기 위한 추가적인 VCSEL 실시예들 및 방법들에 관한 더 특정 세부사항들은 예를 들어, "Push-Pull Modulated Coupled Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers and Method"라는 명칭의 미국 특허 제8,249,121호; "Direct Modulated Modified Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers and Method"라는 명칭의 미국 특허 제8,494,018호; "Push-Pull Modulated Coupled Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers and Method"라는 명칭의 미국 특허 제8,660,161호; "Method and Apparatus Including Movable-Mirror MEMS-Tuned Surface-Emitting Lasers"라는 명칭의 미국 특허 제8,989,230호; "Method and Apparatus Including Improved Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers"라는 명칭의 미국 특허 제9,088,134호; "Red Light Laser"라는 명칭의 미국 재등록 특허 제RE41,738호; "Method and Apparatus Including Improved Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers"라는 명칭의 미국 특허 공개 제2015/0380901호; 및 "VCSELS and VCSEL Arrays Designed for Improved Performance as Illumination Sources and Sensors"라는 명칭의 미국 특허 공개 제2016/0352074호에서 개시되고, 그 각각의 내용들은 이로써 그 전체적으로 본원에서 참조로 편입된다. 본원에서의 개시내용은 임의의 특정한 VCSEL, VCSEL 구성, 또는 VCSEL 어레이로 제한되도록 의도된 것이 아니고, 전술한 특허들 또는 특허 출원들 중의 임의의 것의 수정되거나 수정되지 않은 임의의 VCSEL, 및 지금 공지되거나 더 이후에 개발된 임의의 다른 VCSEL에 적용가능할 수도 있다. 전술한 특허들 또는 특허 출원들 중의 임의의 하나에서 설명된 VCSEL들에 전적으로 제한되지 않으면서, 본 개시내용의 다양한 실시예들을 위하여 적당하거나 본 개시내용에 따라 적당하게 수정가능한 VCSEL들은 거기에서의 종래 기술의 VCSEL들뿐만 아니라, 전술한 특허들 또는 특허 출원들 중의 임의의 것의 심사 동안에 인용된 종래 기술의 참조들 중의 임의의 것에서 개시된 VCSEL들의 임의의 논의를 포함하여, 전술한 특허들 또는 특허 출원들에서 개시된 VCSEL들을 포함한다. 더 일반적으로, 구체적으로 또는 명백히 이와 다르게 설명되지 않으면, 지금 공지되거나 더 이후에 개발된 임의의 VCSEL은 본 개시내용의 다양한 실시예들을 위하여 적당할 수도 있거나, 본 개시내용에 따라 적당하게 수정가능할 수도 있다.
각각의 VCSEL은 하나 이상의 DBR 미러들을 가질 수도 있고, 일부 실시예들에서, 각각의 VCSEL은 2개의 DBR 미러들을 가진다. 각각의 VCSEL은 하나 이상의 DBR 미러 쌍들을 가질 수도 있다. 구성성분 1/4 파장(quarter-wave) 미러 층들의 수에 의해 결정된 바와 같은 2개의 DBR 미러들의 상대적인 반사율들 및 층들이 이루어지는 재료들에 따라, 상단 제1 표면으로부터 방출된 파워의 양 내지 하단 제2 표면으로부터 방출된 것 사이의 비율은 변동될 수도 있다. 위의 VCSEL 구조체에서, 제1 미러 및 제2 미러에서의 DBR 미러 쌍들의 수는 제1 애퍼처 및 제2 애퍼처로부터 방출된 광학적 파워의 양을 함께 결정하고, 광학적 파워의 양의 합은 총 레이저 파워이다. 전달-행렬 모델(transfer-matrix model)을 이용하면, 제2 애퍼처에 대한 제1 애퍼처로부터의 광 방출 파워의 비율이 결정될 수 있다. 도 8은 파워 및 미러 쌍들 사이의 비율을 예시하고, 여기서, 19로부터 37까지의 범위인 제2 DBR에서의 미러 쌍 카운트에 대하여, 제2 애퍼처로부터 방출된 총 레이저 파워의 백분율은 단조적으로 약 65%로부터 약 0%까지의 범위인 것을 알 수 있다.
제2 애퍼처 방출의 희망된 양, 센서 검출기에 커플링될 것은 수신기 전자기기 감도 및 잡음에 대한 제한들에 의해 낮은 단부 상에서, 그리고 적절한 제1 애퍼처 방출이 타겟을 조명하고 적절한 반사된 복귀 신호를 발생시켜서 레이저 내에서의 자체-혼합으로 이어지게 함으로써 높은 단부에 의해 경계가 정해진다. 제2 애퍼처로부터 방출된 10% 내지 50% 총 레이저 파워의 범위에서의 샘플링된 부분은 관심 있는 애플리케이션들의 범위를 적절하게 캡처한다. 일부 실시예들에서, 샘플링된 부분은 10 내지 50 퍼센트, 또는 15 내지 49 퍼센트, 또는 20 내지 50 퍼센트, 또는 25 내지 50 퍼센트, 또는 50 퍼센트보다 더 적은, 또는 50 퍼센트보다 더 많지 않은, 또는 10 퍼센트보다 더 적지 않은, 또는 18 퍼센트보다 더 적지 않은, 또는 40 퍼센트보다 더 많지 않은, 또는 12 내지 33 퍼센트 사이의 범위에 있을 수도 있고; 다른 적당한 범위들 또는 값들이 이용될 수도 있다. 임의의 주어진 애플리케이션에 대하여, 그리고 이 특정한 VCSEL 설계에 대하여, 제2 DBR에서의 미러 쌍들의 가능한 수는 일부 실시예들에서 21로부터 29까지의 범위일 수도 있지만, 미러들의 임의의 수가 이용될 수도 있다.
레이저 광은 자발적 방출 및 자극된 방출로 구성된다. 자극된 방출은 희망된 고도로 지향성 레이저 빔이다. 자발적 방출은 많은 방향으로 폭넓게 방출된 등방성 광이고, 변조된 레이저 빔의 정보 내용을 포함하지 않는다. 그러므로, 검출 시스템으로 커플링된 자발적 광은 바람직하지 않은 DC 오프셋, 및 센서 성능을 열화시키는 잡음 소스를 나타낸다. 패턴화된 제2 애퍼처를 갖는 제2 부분적 금속 층은 자발적 광의 대부분이 검출기 표면에 도달하는 것을 정지시키는 광-차단 메커니즘 또는 공간적 필터로서 서빙한다.
위에서 설명된 바와 같이, 에탈론이 동일-평면 표면들과 본질적으로 평면인 광학적으로 투명한 기판으로 이루어지고, 미러들은 2개의 표면 각각 상에 배치된다. 도 7에서 도시된 VCSEL은, 일부 구성들에 대하여, 투명한 재료를 사용할 수 있는 평면 투명한 기판 상에서 배치된 DBR 미러로 부분적으로 이루어진다. 특히, GaAs는 940nm에서 필수적으로 투명하다. DBR과 반대인 기판의 측은 VCSEL을 제조하는 수단으로 인해, 일반적으로 고도로 평면이고, DBR에 대해 평행하다. 그러므로, 다층 고도로 반사성 코팅으로 DBR과 반대인 기판 표면을 코팅함으로써, 낮은 비용 및 복잡성으로 VCSEL과 직접적으로 통합되는 에탈론이 형성될 수 있다. 일체로 형성된 에탈론의 성능은 빔 크기 및 발산으로 인해 콜리메이팅 빔 및 외부 에탈론으로 달성가능한 것보다 더 낮을 것이지만, 그것은 그럼에도 불구하고, 자체-혼합 신호를 상당히 강화하기 위하여 적절한 성능을 산출할 수도 있다. 예시하기 위하여, 도 9는 디바이스 구동 전류를 스위핑(sweep)함으로써, 그리고 약 100㎛의 VCSEL 기판 두께를 갖는 광검출기를 이용하여 하단 방출된 광을 모니터링함으로써 획득된 거의 30% 기판 방출을 위하여 설계된 VCSEL로부터의 하단측 방출을 도시한다. 광 출력에서의 주기적 업-앤드-다운들(ups-and-downs) 또는 프린지들은 VCSEL 하단 DBR에 의해 형성된 에탈론, 및 VCSEL이 25㎛보다 더 작은 본드라인(bondline) 두께로 그 상에서 접착되는 실리콘 검출기의 표면의 특성들이다. VCSEL의 하단 표면은 안티-반사성(AR) 코팅으로 코팅되고, 그러므로, 5%보다 작은 것으로 추정된 반사율을 가질 수도 있는 반면, 실리콘 검출기 반사율은 10% 이하인 것으로 추정된다. DBR 미러는 다른 한편으로, 99.9%보다 더 큰 반사율을 가질 수도 있다. 구동 전류에 의한 VCSEL 파장의 알려진 튜닝 특성에 기초하여, VCSEL-기판 에탈론의 FSR은 약 0.180nm에서 추정될 수도 있는 반면, 피네스는 1보다 더 작다. 다층 유전체 코팅을 갖는 기판-공기 계면의 반사율을 바람직하게는, 50%보다 더 많은 반사도로 증가시킴으로써, 그리고 기판 두께를 200㎛보다 더 많이 증가시킴으로써, 자체-혼합 강화를 위한 에탈론 성능의 바람직한 레벨, 즉, 5보다 더 큰 피네스를 갖는 약 0.6nm보다 더 작은 FSR이 달성될 수 있다.
도 10 및 도 11은 디바이스(1000, 1100)에 대한 칩-스케일 하이브리드 접근법에서의 광다이오드 및 부분적으로 하단-방출 VCSEL과 함께, 패브리-페롯 에탈론 필터와 같은 필터를 통합하기 위한 2개의 접근법을 예시한다. 도 10은 VCSEL 기판이 VCSEL 파장을 투과하는 경우를 예시한다. 이 접근법은 900nm 내지 1300nm의 범위에서의 파장들을 위하여 적당할 것이고, 여기서, VCSEL은 GaAs 기판 상에서 여전히 퇴적될 수도 있지만, GaAs는 VCSEL로부터 방출된 광의 파장에 대해 투과성일 것이다. 물론, 접근법은 다른 파장들에서의 방출들을 위하여 이용될 수 있다. 도 10은 상단 DBR 미러(1022), 하단 DBR 미러(1024), 및 투명한 기판(1026)을 갖는 VCSEL(1020)을 포함하는 디바이스(1000)를 도시한다. VCSEL(1020)은, 궁극적으로, PIN 광다이오드 또는 p-i-n 광다이오드와 같은, 그러나 이것으로 제한되지는 않는 광다이오드(1040)의 상단 상에 직접적으로 장착되는 필터(1030)의 상단 상에 직접적으로 장착된다. 도 11은 VCSEL 기판이 VCSEL에 의해 방출된 파장에 대하여 흡수하고 있는 경우를 예시한다. 이것은 680nm 내지 900nm의 범위에서의 파장들을 위하여 적당한 접근법일 것이고, 여기서, VCSEL은 그 파장들에서 흡수하고 있는 GaAs 기판 상에서 정상적으로 성장될 것이다. 물론, 접근법은 다른 파장들에서의 방출들을 위하여 이용될 수 있다. 도 11은 상단 DBR 미러(1122), 하단 DBR 미러(1124), 및 기판(1126)을 갖는 VCSEL(1120)을 포함하는 디바이스(1100)를 도시한다. 기판(1126)은 기판으로 에칭된 채널(1128)을 가질 수도 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 채널(1128)은 에피택셜 층들, VCSEL, 또는 하단 DBR 미러(1124)까지 계속 에칭될 수도 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 채널(1128)은 도시된 바와 같이 V-형상일 수도 있거나, 채널(1128)은 다른 구성들을 가질 수도 있다. 채널(1128)은 기판의 전체 길이를 통해 축상으로 연장될 수도 있거나, 그것은 기판의 부분에 대하여 오직 연장될 수도 있다. VCSEL(1120)은, 궁극적으로, PIN 광다이오드 또는 p-i-n 광다이오드와 같은, 그러나 이것으로 제한되지는 않는 광다이오드(1140)의 상단 상에 직접적으로 장착되는 필터(1130)의 상단 상에 직접적으로 장착된다. 도 10 또는 도 11의 어느 하나의 경우, 필터(1030, 1130)는 완전히 생략될 수 있고, VCSEL 레이저는 광다이오드(1040, 1140), 또는 검출기에 직접적으로 장착될 수 있다는 것이 주목되어야 한다. 이것은 에탈론 필터의 신호 강화 특징부들을 필요로 하지 않았던 자체-혼합 센서의 경우에 바람직할 수도 있다.
도 12는 VCSEL, 필터, 및 검출기의 직접적인 적층을 갖는 본 개시내용의 하나 이상의 실시예들의 센서 디바이스(1200)를 패키징하기 위한 하나의 실시예를 도시한다. 하나 이상의 실시예들에서, 디바이스(1200)는 하우징(1210), 상단 표면(1222) 및 하단 표면(1224)을 가지는 VCSEL(1220), 필터 또는 에탈론(1230), 검출기(1240), 복수의 컨택들(1260), 렌즈(1270), 및 기판(1280)을 포함한다. 적어도 하나의 실시예에서, VCSEL(1220)은 부분적으로 하단-방출 VCSEL일 수도 있다. VCSEL(1220)의 하단 표면(1224)은 필터 또는 에탈론(1230) 상으로 직접적으로 장착될 수도 있고, 필터 또는 에탈론(1230)은 디바이스 조립체(1250)를 형성하기 위하여 검출기(1240)에 직접적으로 장착될 수도 있다. 검출기(1240)와는 물리적 한도에서 유사한 필터(1230)는 공기 캡이 광학적 표면들 사이에서 유지되도록 하는 접착제를 이용하여, 또는 다른 적당한 수단에 의해 검출기(1240)에 장착될 수도 있다. 일부 실시예들에서, VCSEL(1220)은 공기 갭이 광학적 표면들 사이에서 유지되도록, 에탈론 필터(1230)의 상단 상에 마찬가지로 장착될 수도 있다. 디바이스 조립체(1250)는, VCSEL(1220) 근처의 하우징의 하나의 단부에서의 렌즈(1270), 및 렌즈(1270)에 반대인 하우징의 단부에서 복수의 컨택 패드들(1260)을 갖는 기판(1280)을 포함하는 하우징(1210) 내에서 위치될 수도 있다. 렌즈는 하우징(1210) 내에서 일체로 형성될 수도 있거나, 하우징의 개구부에서 하우징(1210)에 부착될 수도 있다. 검출기(1240)는 접착제 또는 다른 적당한 수단으로 기판(1280) 상에서 장착될 수 있고, 검출기(1240)는 적어도 하나의 컨택 패드(1260)에 전기적으로 접속될 수 있다. 기판(1280)은 와이어본딩 또는 전도성 접착제를 통해 검출기(1240) 및/또는 VCSEL(1220)에 대한 전기적 컨택을 만들기 위한 특징부들을 포함할 수도 있다. 누군가는 또한 p-n 기능인 광다이오드 또는 검출기(1240)에 대한 전기적 컨택을 만들어야 한다. 광다이오드가 전도성 기판 상에서 제조될 경우, 접합의 하나의 측은, 조립체가 장착되는 보드 또는 서브-마운트 상의 전도성 패드에 그 후에 부착되는 기판 측 상에서 금속 컨택을 퇴적함으로써 액세스될 수 있다. 전기적 접착은 납땜 또는 전도성 에폭시 재료를 이용함으로써, 또는 접착을 위한 다른 적당한 수단에 의해 발생한다. 광다이오드를 원주(periphery)에서의 필터 및 와이어본딩보다 약간 더 크게 함으로써, p-n 광다이오드의 다른 측에 대한 컨택이 만들어진다. 적어도 하나의 실시예에서, VCSEL(1220)은 컨택 패드들(1260)과 전기적으로 통신한다.
필터(1230)가 패브리-페롯 에탈론 필터일 경우, 필터(1230)는 VCSEL(1220)에 의해 방출된 광을 투과한다. 하나의 실시예에서, 필터(1230)는 서로에 대해 실질적으로 평행한 상단 및 하단 표면을 가질 수도 있다. 필터(1230)의 파장 종속성에 대한 제어를 가지기 위하여, 필터(1230)는 모델링에 의해 특정될 수도 있는 바와 같이, 요구된 반사율들을 달성하도록 설계된 어느 한 측 상의 반사성 코팅들을 갖는 유리, 사파이어(sapphire), 또는 석영(quartz)과 같은 시트 재료로 이루어질 가능성이 있다. 패브리-페롯 필터를 위한 이 재료들은 전형적으로 절연성이므로, VCSEL은 동일-평면 컨택들(1290)로 제조될 수도 있고, 즉, p-n 접합의 양측들에 대한 컨택들은 VCSEL 다이의 상단 표면(1222)으로부터 만들어진다. 이것은 칩의 상단 측으로부터 접합의 n-측으로 아래로 에칭함으로써, 그리고 VCSEL 다이의 상단으로부터 에칭된 영역으로 아래로 라우팅되는 금속 컨택을 패턴화함으로써 통상적으로 달성된다. VCSEL에 대한 전기적 컨택은 상면 프로세싱된 애노드 및 캐소드 접속들과, 전면 및 후면 접속들 및 전도성 에폭시를 갖는 에탈론 표면 상에서의 패턴화된 금속화의 조합의 어느 하나를 이용하여 와이어본딩(wirebond)될 수 있다. 컨택들은 필터 및 VCSEL의 풋프린트(footprint) 외부에 위치되는 광다이오드 칩 상에서 금속 컨택 패드를 가짐으로써 "데이지-체인(daisy-chain)"될 수 있다. 이것은 그 후에 와이어 본딩에 의해 전기적으로 액세스될 수 있다. 기판, 패키지, 또는 캐리어(1280)는 하우징(1210)과 짝을 이루고, 여기서, 하우징(1210)은 디바이스 조립체(1250)에 대한 환경적 또는 기밀성 보호를 제공한다. 적어도 하나의 실시예에서, 하우징(1210)은 디바이스 조립체(1250)를 보호하기 위한 사출 성형된 플라스틱 또는 다른 적당한 재료들로 만들어진다. 하우징(1210)은, 타겟으로 VCSEL 광을 지향하기 위한 콜리메이팅 또는 포커싱 렌즈(1270)를 부착하고, 다시 레이저 공동으로 커플링하기 위하여 후방-반사된 광을 수집하기 위한 제공부들을 가질 수 있다.
도 13은 내부 공동(1312)을 정의하는 하우징(1310), VCSEL(1320), 필터(1330), VCSEL의 하나의 애퍼처로부터 방출된 광에 응답하여 광전류를 발생하기 위한 검출기(1340), 또 다른 애퍼처로부터 방출된 VCSEL 광을 타겟(도시되지 않음) 상으로 포커싱하기 위한 제1 렌즈(1350), 및 필터(1330) 상에 입사하기 이전에 광을 조절하거나 콜리메이팅하기 위한 제2 렌즈(1360)를 포함하는 자체-혼합 센서 디바이스(1300)를 위한 또 다른 실시예를 도시한다. VCSEL(1320)은 위의 실시예들의 일부에서 설명된 바와 같은 부분적으로 하단-방출 VCSEL일 수도 있거나, 그것은 본 개시내용의 임의의 다른 VCSEL일 수도 있다. 필터(1330)는 본원에서 설명된 바와 같은 에탈론 또는 다른 필터일 수도 있다. 검출기(1340)는 그 상에서 부과된 자체-혼합 변조를 갖는 실리콘 광검출기 및 제2 렌즈를 포함하는, 본원에서 설명된 바와 같은 임의의 유형의 검출기일 수도 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 검출기(1340)는 기판(1370)에 장착된다. VCSEL(1320), 필터(1330), 검출기(1340), 및 적어도 제2 렌즈(1360)는, 요구된 활성 정렬을 갖지 않는 정렬 및 수동적인 조립을 위한 수단을 제공하는 성형된 또는 스탬핑된 플라스틱, 유기물, 또는 금속 하우징(1310)에서 조립될 수도 있다. 다양한 컴포넌트들은 하우징에 고착될 수도 있고, 하우징에 의해 그리고 하우징 내에서 정렬될 수도 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 적어도 필터(1330) 및 검출기(1340)는 하우징의 공동(1312) 내에서 배치된다. 제2 렌즈(1360)는, 유리 또는 플라스틱으로 이루어지거나, 바람직하게는 하우징(1310)의 일체부로서 성형된 별도의 컴포넌트일 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 하우징(1310)은 기판(1370)에 또한 부착될 수도 있다. 기판(1370)은 와이어본딩 또는 전도성 접착제를 통해 검출기(1340) 및/또는 VCSEL(1320)에 대한 전기적 컨택을 만들기 위한 특징부들을 포함할 수도 있다. 하우징(1310)은 일부 실시예들에서, 와이어본딩 또는 전도성 접착제를 통해 VCSEL(1320) 및/또는 검출기(1340)와의 전기적 접속을 위한 전기적 상호접속 특징부들을 편입시킬 수도 있다. 이 전기적 상호접속 특징부들은 본딩 "랜드들(lands)", 팬아웃(fanout)들, 또는 금속화된 기판을 갖는 인쇄 배선 보드(printed wiring board)(PWB)(1390)를 포함할 수도 있지만, 이것으로 제한되지는 않는다. 하우징(1310)은 와이어본드들을 위한 절개부들과 같은 유격 특징부들을 편입시킬 수도 있다.
도 13에서 도시된 본 개시내용의 하나의 실시예에서, 자체-혼합 센서 디바이스(1300)는 2:1의 상단-대-하단 방출 비율 또는 다른 방출 비율들을 가질 수도 있는 부분적으로 하단-방출 VCSEL(1320)이 그 상으로 고착되는 사출 성형된 플라스틱 하우징(1310)을 포함한다. 도 13에서 도시된 적어도 실시예에서, 하우징(1310)은 VCSEL(1320)을 수용하기 위한 리세스 또는 다른 개구부(1314)를 가질 수도 있다. VCSEL은 940nm의 파장에서 광을 방출한다. 그러나, 다른 파장들이 적당하다. VCSEL의 기판 표면은 패턴화된 금속 필름으로 금속화될 수도 있고, 패턴은 예를 들어, VCSEL 방출 영역들의 중심들 상에서 정렬된 일련의 20㎛ 직경의 애퍼처들일 수도 있다. 20㎛ 직경 애퍼처들의 내부는 실리콘 나이트라이드의 ¼ 광학적 파로 구성되는 안티-반사성 코팅으로 코팅될 수도 있다. VCSEL은 VCSEL 칩의 상단 표면 상에서 애노드 및 캐소드 전기적 컨택들을 가질 수도 있다. VCSEL(1320) 아래에 배치된 것은 사출 성형된 하우징(1310)의 일부로서 형성되는 렌즈(1360)일 수도 있다. 렌즈(1360)의 목적은 레이저 방출을 콜리메이팅하고 빔 크기를 확대시키는 것일 수도 있다. VCSEL(1320)로부터의 렌즈(1360)의 반대 측 상에는, 하우징(1310)에 또한 고착될 수도 있는 파장 필터로서 서빙하기 위한 에탈론(1330)이 있을 수도 있다. 예로서, 에탈론(1330)은 80% 반사성 미러들을 갖는 어느 하나의 측 상에서 코팅된 거의 500㎛ 두께 용융된 실리카일 수도 있어서, 13.8의 피네스, 0.04nm의 대역폭, 및 0.6nm의 자유 스펙트럼 범위를 산출할 수도 있다. 실시예는 실리콘 검출기(1340) 및 플라스틱 하우징(1310)이 부착되는 서브-마운트 또는 기판(1370)을 더 포함한다. 조립될 때, 검출기(1340)는 개재하는 에어 갭을 갖는 에탈론(1330)의 최종적인 표면과 대면하고 있을 수도 있다. 기판(1370)은 디바이스에 대한 전기적 인터페이스, 즉, 레이저 애노드 및 캐소드, 및 검출기 애노드 및 캐소드를 추가로 제공한다. 하우징의 외부에는, 타겟에서 레이저 빔을 포커싱하고 반사된 복귀 광을 수집하기 위한 렌즈(1350)가 있을 수도 있다. 렌즈(1350)는 복귀 광의 부분을 VCSEL 공동으로 커플링하도록 또한 서빙한다.
또 다른 실시예는 병렬 접속된 또는 개별적으로 어드레싱가능한 VCSEL 디바이스들의 어레이들을 이용한다. VCSEL들, 예를 들어, 도 7에서 도시된 하나는 동일한 기판에서의 개별적으로 어드레싱가능한 레이저들의 어레이에서 제조될 수 있거나, 칩-레벨 또는 패키지-레벨에서 병렬로 접속될 수 있다. 도 14는 동일한 다이 또는 칩 상에서 개별적으로 어드레싱가능한 VCSEL 레이저들(1420)의 8x8 어레이를 가지는 칩(1400)의 레이아웃이다. 외부 렌즈와 함께 이용될 때, 이 구성은 빔 조향의 하나의 형태를 구현하기 위한 수단을 제시한다. 빔 조향은 센서의 재배향 없이, 이동하는 부분들을 갖지 않는 센서 관측 시야에서 단일 또는 다수의 공간적으로 별도의 로케이션들 또는 타겟들을 프로빙(probing)하기 위하여 유리할 수도 있다. 빔 조향은 어레이에서 하나 이상의 레이저들을 선택적으로 턴 온(turn on) 함으로써 달성될 수 있다. 어레이 구성은 다른 실시예들의 다수 및 이 개시내용의 혁신적인 양태들, 특히, 에탈론 필터를 이용하는 기판 방출 및 자체-혼합 강화를 통한 광다이오드들의 통합과 양립가능하다.
도 15 내지 도 16은 도 10 내지 도 11에서 도시된 것들과 유사한 모놀리식 조립체를 갖는 실시예들을 도시한다. 도 15에서 도시된 바와 같이, 자체-혼합 센서 디바이스(1500)는 제1 미러(1522), 광-발생 공동(1524), 및 제2 미러(1528)를 갖는 레이저(1520); 상기 제1 미러(1522)로부터 방출된 광(1532)을 부분적으로 반사성 타겟(1540) 상으로 포커싱하기 위한 제1 광학적 렌즈(1530); 및 모놀리식 광다이오드(1550)로 이루어진다. 모놀리식 광다이오드(1550)와 제2 미러(1528) 사이에서 배치된 것은 광학적 필터(1560)이다. 도 16은 제1 미러(1622), 광-발생 공동(1624), 및 제2 미러(1628)를 갖는 레이저(1620); 상기 제1 미러(1622)로부터 방출된 광(1632)을 부분적으로 반사성 타겟(1640) 상으로 포커싱하기 위한 제1 렌즈(1630); 모놀리식 광다이오드(1650); 및 제1 미러(1622)로부터의 광(1632)의 부분을 모놀리식 광다이오드(1650) 상으로 재지향하는 빔 샘플링 엘리먼트(1660)로 다시 이루어진 대안적인 자체-혼합 센서 디바이스(200) 구성을 도시한다. 하나의 실시예에서, 빔 샘플링 엘리먼트(1660)는 빔 스플리터일 수도 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 빔 스플리터는 레이저(1620)의 광학적 축에 대해 각도를 이루어 위치된다. 적어도 도시된 실시예에서, 필터(1670)는 레이저(1620) 및 모놀리식 광다이오드(1650)에 접속된다. 적어도 하나의 실시예에서, 레이저(1620) 및 모놀리식 광다이오드(1650)는 필터(1670)의 동일한 측 상에서 평행하게 위치된다.
명확함의 목적을 위하여, 일부 실시예들은 연속적으로 동작될 필요가 없을 수도 있거나, 방출된 레이저 빔이 의도된 타겟을 연속적으로 타격하거나 의도된 타겟에 도달할 것을 요구하지 않을 수도 있다. 오히려, 일부 실시예들은 이러한 방출된 레이저가 실제로 의도된 타겟을 타격할 때에, 또는 타격할 경우에만, 또는 이러한 방출된 레이저 빔이 실제적으로 자체-혼합 신호가 발생되게 하는 시간-슬롯들 동안에만 동작할 수도 있고 개선된 자체-혼합 신호(들)를 제공할 수도 있다. 다른 실시예들에서는, 임의적으로, 레이저 빔은 예를 들어, 인간 조작자에 의해 의도된 타겟을 향해 수동적으로 지향될 수도 있거나; 또는 레이저 빔은 예를 들어, (예컨대, 모터 또는 기계적 아암을 가지는) 슬랜팅 메커니즘(slanting mechanism)에 의해 의도된 타겟을 향해 자동적으로 지향될 수도 있다.
일부 실시예들에서, 사용된 레이저(들)는, 레이저로부터 방출된 레이저 빔 또는 광이 인간 신체, 얼굴, 또는 눈을 타격하더라도, 이러한 레이저가 그 인간에게 유해성 또는 손상을 야기시키지 않도록, 오직 "안전한 레이저들"이다. 일부 실시예들에서, 레이저는 인간이 특정한 신체 부분을 보호하기 위하여 안전용 고글들 또는 안전용 안경 또는 다른 신체-피복 기어를 착용할 경우에, 또는 그러한 경우에만 이용될 수도 있지만, 이것은 다른 실시예들에서 반드시 요구되지는 않을 수도 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 실시예들은 예를 들어, 자동적 조준 메커니즘을 이용함으로써, 또는 안전하거나 더 안전한 신체 부분 또는 타겟을 향해 레이저 빔을 수동적으로 조준함으로써, 레이저가 비-인간 타겟(들)을 향해, 또는 조준하기 위하여 안전하거나 더 안전한 인간의 영역을 향해 조준될 경우에만, 또는 그러한 때에 레이저를 사용할 수도 있다.
본원에서 설명된 임의의 실시예의 임의의 특징부는 임의의 실시예에서, 그리고 임의의 다른 실시예의 임의의 특징부들과 함께 이용될 수도 있다.
본원에서 이용된 바와 같이, 용어들 "실질적으로(substantially)" 또는 "일반적으로(generally)"는 액션(action), 특성, 성질, 상태, 구조, 항목, 또는 결과의 완전한 또는 거의 완전한 한도 또는 정도를 지칭한다. 예를 들어, "실질적으로" 또는 "일반적으로" 밀폐되는 객체는 객체가 완전히 밀폐되거나 거의 완전히 밀폐되는 것의 어느 하나를 의미할 것이다. 절대적 완전함으로부터의 편차의 정확한 허용가능한 정도는 일부 경우들에 있어서 특정 문맥에 종속될 수도 있다. 그러나, 일반적으로 말하면, 완전함의 근접성은 절대적 및 전체적인 완전함이 획득된 경우와 동일한 전반적인 결과를 일반적으로 가지도록 할 것이다. "실질적으로" 또는 "일반적으로"의 이용은 액션, 특성, 성질, 상태, 구조, 항목, 또는 결과의 완전한 또는 거의 완전한 결여를 지칭하기 위하여 부정적인 함축으로 이용될 때에 동일하게 적용가능하다. 예를 들어, 엘리먼트가 "실질적으로 없는" 또는 "일반적으로 없는" 엘리먼트, 조합, 실시예, 또는 조성은 그 상당한 효과가 일반적으로 없는 한, 이러한 엘리먼트를 여전히 실제적으로 포함할 수도 있다.
전술한 설명에서, 본 개시내용의 다양한 실시예들은 예시 및 설명의 목적을 위하여 제시되었다. 그것들은 철저하거나, 발명을 개시된 정확한 형태로 제한하도록 의도된 것이 아니다. 자명한 수정들 또는 변동들은 위의 교시사항들을 고려하여 가능하다. 다양한 실시예들은 개시내용 및 그 실제적인 응용의 주요부들의 최상의 예시를 제공하기 위하여, 그리고 본 기술분야의 통상의 기술자가 고려된 특정한 용도에 적합한 바와 같은 다양한 수정들을 갖는 다양한 실시예들을 사용하는 것을 가능하게 하기 위하여 선택되고 설명되었다. 이러한 모든 수정들 및 변동들은 청구항에 공정하게, 상당히, 법률적으로, 그리고 공평하게 부여되는 폭에 따라 해석될 때에 첨부된 청구항들에 의해 결정된 바와 같은 본 개시내용의 범위 내에 있다.

Claims (104)

  1. 레이저 광 방출을 위한 센서 디바이스로서,
    적어도 하나의 애퍼처(aperture)로부터 광을 방출하는 적어도 하나의 부분적으로 하단 방출 VCSEL 레이저 - 상기 레이저는 공동(cavity), 상단 표면 미러 및 하단 표면 미러를 포함함 -;
    검출기;
    상기 공동에 대한 고정된 위치에서의 파장 필터; 및
    상기 레이저에 의해 방출된 광의 부분을 타겟 표면 상으로 거의(approximately) 포커싱하기 위한 제1 광학적 렌즈
    를 포함하고,
    제1 광학적 경로는 상기 레이저, 상기 제1 광학적 렌즈 및 상기 타겟 표면 사이에서 상기 레이저로부터 방출된 광의 제1 부분을 반송(carry)하고, 제2 광학적 경로는 상기 레이저와 상기 검출기 사이에서 상기 레이저로부터 방출된 광의 제2 부분을 반송하고;
    상기 타겟 표면은 상기 제1 광학적 경로 내에서만 배치되고;
    상기 필터는 상기 레이저와 상기 검출기 사이에서 적어도 상기 제2 광학적 경로 내에서 배치되고;
    상기 필터는 상기 광의 상기 제2 부분의 신호 진폭을 강화하는 센서 디바이스.
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  4. 제1항에 있어서, 상기 검출기는 상기 레이저와 동일한 기판 상에서 성장(grow)되는 센서 디바이스.
  5. 제1항에 있어서, 상기 필터는 격자(grating) 또는 에탈론(etalon) 중의 하나인 센서 디바이스.
  6. 제1항에 있어서, 상기 레이저는 광을 방출하기 위한 다수의 애퍼처들을 가지는 센서 디바이스.
  7. 제1항에 있어서, 상기 레이저 광 방출의 부분을 샘플링하고 그것을 상기 검출기에 제시(presenting)하는 수단을 더 포함하는 센서 디바이스.
  8. 제7항에 있어서, 상기 샘플링의 수단은 빔 스플리터(beam splitter)인 센서 디바이스.
  9. 제8항에 있어서, 상기 빔 스플리터는 상기 레이저의 광학적 축에 대해 각도를 이루어 위치되는 센서 디바이스.
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  36. 패키징된 센서 디바이스로서,
    하우징;
    적어도 하나의 미러 및 기판을 갖는 VCSEL 레이저 - 상기 VCSEL 레이저는 애퍼처로부터 광을 방출하고, 상기 광은 파장을 갖고, 상기 VCSEL은 상기 하우징에 의해 적어도 부분적으로 수용됨 -;
    상기 하우징의 제1 단부에서 기판에 장착된 검출기;
    상기 레이저와 상기 검출기 사이에서 배치된 파장 필터; 및
    상기 하우징의 제2 단부에서의 적어도 하나의 광학적 렌즈
    를 포함하고;
    상기 광의 제1 부분은 상기 적어도 하나의 렌즈를 통해 타겟 상으로 지향되고, 상기 광의 제2 부분은 상기 필터를 통해 상기 검출기 상으로 지향되며;
    상기 필터는 상기 광의 상기 제2 부분의 신호 진폭을 강화하는 패키징된 센서 디바이스.
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  45. 제36항에 있어서, 상기 필터는 에탈론인 패키징된 센서 디바이스.
  46. 제36항에 있어서, 상기 검출기는 광검출기, PIN 광검출기, 공진 공동 광검출기, 또는 애벌란시 광다이오드로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 패키징된 센서 디바이스.
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  54. 제36항에 있어서, 상기 필터는 상기 VCSEL의 적어도 하나의 미러 및 상기 기판을 포함하는 에탈론인 패키징된 센서 디바이스.
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  63. 제36항에 있어서, 상기 필터는 2개의 면(face)을 평행하게 가지고, 각각의 면은 상기 파장에서 고도로 반사성인 미러를 가지는 패키징된 센서 디바이스.
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  65. 제36항에 있어서, 상기 하우징은 상기 레이저와 상기 필터의 수동적인 정렬 및 조립을 위한 적어도 하나의 특징부를 가지는 패키징된 센서 디바이스.
  66. 제36항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광학적 렌즈는 상기 광을 콜리메이팅하기 위하여 상기 레이저의 하단 방출 표면과 상기 필터 사이에서 배치되는 패키징된 센서 디바이스.
  67. 제36항에 있어서, 상기 기판은 광의 자발적 방출(spontaneous emission)을 억제하기 위하여 적어도 하나의 측면 상에서 애퍼처들의 패턴을 가지는 패키징된 센서 디바이스.
  68. 레이저 광 방출을 위한 센서 디바이스로서,
    적어도 하나의 애퍼처로부터 광을 방출하는 적어도 하나의 VCSEL 레이저 - 상기 레이저는 공동 및 적어도 하나의 미러를 포함함 -;
    검출기;
    상기 공동에 대한 고정된 위치에서의 파장 필터 - 상기 필터는 상기 검출기로 지향되는 광의 신호 진폭을 강화함 -;
    상기 레이저에 의해 방출된 광의 제1 부분을 타겟 표면 상으로 거의 포커싱하는 제1 광학적 렌즈; 및
    상기 제1 광학적 렌즈와 상기 레이저 사이의 빔 스플리터
    를 포함하고,
    상기 빔 스플리터는 상기 광의 제2 부분을 상기 미러로부터 상기 검출기 상으로 재지향시키고;
    제1 광학적 경로는 상기 레이저와 상기 타겟 표면 사이에서 상기 광의 제1 부분을 반송하고, 제2 광학적 경로는 상기 빔 스플리터와 상기 검출기 사이에서 상기 광의 제2 부분을 반송하는 센서 디바이스.
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  95. 제68항에 있어서, 상기 빔 스플리터와 상기 검출기 사이에 제2 광학적 렌즈를 더 포함하고, 상기 제2 광학적 렌즈는 상기 빔 스플리터로부터의 광을 거의 콜리메이팅하여 상기 검출기 상으로 지향시키는 센서 디바이스.
  96. 제68항에 있어서, 상기 타겟 표면은 상기 제1 광학적 경로 내에만 배치되는 센서 디바이스.
  97. 제68항에 있어서, 상기 필터는 상기 제2 광학적 경로 내에만 배치되는 센서 디바이스.
  98. 제97항에 있어서, 상기 빔 스플리터는 상기 레이저의 광학적 축에 대해 각도를 이루어 위치되는 센서 디바이스.
  99. 제1항에 있어서, 상기 하단 표면 미러로부터 방출된 광을 거의 콜리메이팅하여 상기 검출기를 향해 지향시키기 위한 제2 광학적 렌즈를 더 포함하는 센서 디바이스.
  100. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 부분적으로 하단 방출 VCSEL 레이저는 2:1의 상단-대-하단 방출 비율을 갖는 센서 디바이스.
  101. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 부분적으로 하단 방출 VCSEL 레이저는 1:1 내지 10:1의 상단-대-하단 방출 비율을 갖는 센서 디바이스.
  102. 제1항에 있어서, 기판을 더 포함하고, 상기 하단 표면은 저-반사율 코팅으로 코팅되는 센서 디바이스.
  103. 제1항에 있어서, 상기 상단 표면 미러 및 상기 하단 표면 미러의 상대적 반사율들은 상단 표면으로부터 방출된 광 대 하단 표면으로부터 방출된 광의 선택된 비율에 대하여 선택되는 센서 디바이스.
  104. 제1항에 있어서, 상기 필터는 상기 광이 통과대역의 급격한 영역 상에서 동작하도록 튜닝될 수 있도록 하는 파장 및 좁은 한도의 적어도 하나의 통과대역을 갖는 센서 디바이스.
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