TW202025585A - 低發散垂直空腔表面發射雷射及結合其之模組及主裝置 - Google Patents

低發散垂直空腔表面發射雷射及結合其之模組及主裝置 Download PDF

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Abstract

本發明描述可操作以產生非常窄發散光束之垂直空腔表面發射雷射(VCSEL)。可部分藉由結合一額外磊晶層以增加VCSEL之空腔長度來獲得窄發散束。增加空腔長度可導致較高功率、較少較大直徑橫向模式，其可顯著減少輸出束發散。額外磊晶層可結合至(例如)一頂部發射VCSEL或底部發射VCSEL中。

Description

低發散垂直空腔表面發射雷射及結合其之模組及主裝置
本發明係關於包含非常低發散垂直空腔表面發射雷射(VCSEL)之光學照明源。
一VCSEL可提供用於各種照明應用之一小而緊湊之強力雷射源。在一快速增長之應用領域中應用使用VCSEL作為結構化光成像系統、光偵測及測距(LIDAR)系統及其他類型之3D感測及成像系統之一照明源。
例如，用於物體之近接或距離偵測之一典型方法涉及使用一光源(諸如一LED)來照射一物體及量測反射回位於源附近之一偵測器之光之強度。隨著物體進一步移動遠離光源及偵測器，偵測器處之反射光強度減小。方法依靠來自一強良好準直光源之良好物體照明及物體之已知反射。反射及甚至物體形狀之差異往往改良偵測光以導致距離量測之誤差。當前可用之一些光源以一合理成本產生具有一相對較低強度及/或高度發散之一光束，其限制可準確量測之距離，因為反射強度在距離較大時變低且變得低於偵測器之偵測限制或無法與周圍光位準區分。
一VCSEL一般可產生低於(例如)一發光二極體或其他非同調源之發散束，且已利用VCSEL輸出束之減少發散來開發一些模組(例如近接感測器)。然而，標準VCSEL之半高全寬發散度通常為約15°，且此會限制此等近接感測器之敏感度。
行動電話及類似平板電腦之出現需要準確距離感測用於攝影機自動對焦應用及其他類似系統。感測器必須小型化以可與行動電話之緊湊性相容。此導致一些問題，因為其使光學偵測器靠近光源。就一發散光源而言，來自保護窗之反射可傳播回偵測器以藉此嚴格限制感測器之物體距離偵測限制。行動電話攝影機系統之增加複雜性需要更準確近接感測器，同時維持或甚至進一步減少微小佔用面積。
本發明描述可在一些情況中操作以產生非常窄發散光束之VCSEL。根據一些實施方案，本發明描述一光源，其包含可操作以產生具有(例如)不超過10°之一半高全寬光束發散度之一窄發散源光束的一VCSEL。一些實施方案甚至提供0.5°至5°範圍內之更窄發射束。
廣義而言，可部分藉由結合一額外磊晶層以增加VCSEL之空腔長度來獲得較窄發散束。增加空腔長度可導致較高功率及較少較大直徑橫向模式，其可顯著減少輸出束發散。額外磊晶層可結合至(例如)一頂部發射VCSEL或底部發射VCSEL中。
例如，在一態樣中，本發明描述一種垂直空腔表面發射雷射(VCSEL)，其包含一基板及該基板上之一磊晶VCSEL結構。該磊晶VCSEL結構包含安置於一底部鏡與一部分反射中間鏡之間的一諧振空腔，該諧振空腔包含一增益區域，該部分反射中間鏡比該底部鏡遠離該基板。該磊晶VCSEL結構亦包含安置於該部分反射中間鏡與一頂部鏡之間的一額外磊晶層，該頂部鏡比該部分反射中間鏡遠離該基板，且該額外磊晶層具有5 μm至100 μm之一範圍內之一厚度。
在另一態樣中，本發明描述一種垂直空腔表面發射雷射(VCSEL)，其包含一基板及該基板上之一磊晶VCSEL結構。該磊晶VCSEL結構包含安置於一頂部鏡與一部分反射中間鏡之間的一諧振空腔，該諧振空腔包含一增益區域，該頂部鏡比該部分反射中間鏡鏡遠離該基板。該磊晶VCSEL結構亦包含安置於該部分反射中間鏡與一底部鏡之間的一額外磊晶層，該部分反射中間鏡比該底部鏡遠離該基板，且該額外磊晶層具有5 μm至100 μm之一範圍內之一厚度。
一些實施方案包含以下特徵之一或多者。例如，在一些情況中，該頂部鏡係部分反射的，且該VCSEL可操作為一頂部發射VCSEL以產生透過該頂部鏡所發射之一輸出束。在其他情況中，該底部鏡係部分反射的，且該VCSEL可操作為一底部發射VCSEL以產生透過該底部鏡所發射之一輸出束。
一些實施方案包含以下特徵之一或多者。例如，在一些實施方案中，該額外磊晶層具有5 μm至50 μm之一範圍內之一厚度。在一些例項中，該VCSEL可操作以產生自該VCSEL發射之一光束，該光束具有不超過10°之一半高全寬光束發散度。在一些情況中，該光束具有0.5°至5°之一範圍內之一半高全寬光束發散度。該VCSEL可包含用於使電流集中於該增益區域之一特定部分中的一孔隙，其中該部分反射中間鏡安置於該增益區域與該額外磊晶層之間。
在一些例項中，該VCSEL可操作以產生自該VCSEL發射之一光束，該額外磊晶層透射該光束之一波長，且該基板不透射該光束之該波長。該額外磊晶層可由(例如) AlGaAs組成，且該基板可由(例如) GaAs組成。在一些實施方案(其中該基板由GaAs組成)中，該額外磊晶層透射小於950 nm之一波長。
多個VCSEL (其等之各者具有該額外磊晶層)可整合至一VCSEL陣列中。
本發明亦描述一種光學感測器模組，其包含一光源，該光源包含可操作以產生透過一窗導引向一物體之一窄發散源光束的一VCSEL。該模組亦包含用於感測自由該窄發散源光束照射之該物體反射回之光的一光學偵測器。一運算裝置可操作以至少部分基於來自該光學偵測器之一信號來判定至該物體之一距離或該物體之一物理特性。
本發明進一步描述一種主裝置，其包含一光學感測器模組，該光學感測器模組包含一光源，該光源包含可操作以產生一窄發散源光束之一VCSEL。該主裝置可操作以將由該光學感測器模組之該光學偵測器獲得之資料用於由該主裝置執行之一或多個功能。
將易於自以下[實施方式]、附圖及申請專利範圍明白其他態樣、特徵及優點。
如圖1中所展示，一頂部發射VCSEL裝置20包含磊晶生長於一基板22上之一VCSEL結構。VCSEL諧振空腔形成於一第一下鏡24與一第二上鏡26之間。底部鏡24可實施為(例如)高反射率分佈式布拉格反射器(DBR)。頂部鏡26 (其可實施為(例如)一DBR或一多層介電塗層)具有一較低反射率，使得其僅部分反射以藉此允許一輸出束36透過VCSEL之頂部(即，透過最遠離基板22之VCSEL 20之端)離開。包括多個量子井之一堆疊或群組之一雷射增益區域28安置於鏡24、26之間。增益(即，主動)區域28由流動於頂部接點(例如電極) 30與底部接點32之間的一電流啟動。在一些設計中，藉由使一雷射束照射量子井以光學泵激載子來啟動增益區域28中之量子井。在由電流啟動之一VCSEL中，孔隙34可用於使電流集中於中心區域中。可藉由(例如)氧化來形成此孔隙34，但可使用諸如離子植入之其他技術來形成圍繞孔隙之電絕緣區域。高增益導致鏡24、26之間的雷射振盪。
VCSEL裝置20較佳地亦包含安置於增益區域28與頂部鏡26之間的一第三(中間)鏡27。因此，VCSEL空腔係一3鏡空腔。中間鏡27可實施為(例如)一DBR。中間鏡27之反射率應經設計使得中間鏡本身(即，無頂部鏡26)不足以達成雷射發光，中間鏡27及頂部鏡26之組合反射率允許VCSEL 20達成雷射發光。
一磊晶層38安置於中間鏡27與頂部鏡26之間，使得中間鏡27及磊晶層38兩者安置於增益區域28與頂部鏡26之間。如圖1之實例中所繪示，磊晶層38可夾置於中間鏡27與頂部鏡26之間，使得磊晶層38與中間鏡27及頂部鏡26兩者直接接觸。添加磊晶層38可有助於減少輸出束36之發散。較佳地，使磊晶層38相對較厚(例如5 μm至25 μm；且在一些情況中，甚至更厚，諸如高達50 μm或甚至高達100 μm)。在一些例項中，磊晶層38具有約25 μm之一厚度。其他厚度可適合於一些實施方案。
在一些實施方案中，磊晶層38由一半導體材料組成，該半導體材料透射基板22不透射之至少一些波長。例如，在一些實施方案中，基板22由砷化鎵(GaAs)組成，且磊晶層38由砷化鋁鎵(AlGaAs)組成。在此等情況中，磊晶層38之合金組合物(例如鋁之百分比)可經控制使得AlGaAs層具有使AlGaAs層透射由VCSEL產生之光之(若干)波長的一特定能帶隙。此允許VCSEL經調適以發射相對較短波長光(例如小於950 nm)，即使GaAs基板22不透射此等波長。
本發明技術可應用於(例如)頂部發射VCSEL且如上文所提及，可有利地用於可操作以發射較短波長光(例如＜950 nm)之VCSEL。在一些實施方案中，磊晶層38由實質上晶格匹配(若干)相鄰半導體材料之其他半導體化合物組成。例如，在一些情況中，磊晶層38由包含ZnSe之InGaAsP、GaN或GaAsP組成。
圖2繪示一VCSEL裝置20A之另一實例，除厚磊晶層38生長為更靠近VCSEL空腔之底側之外，VCSEL裝置20A類似於圖1。如圖2中所展示，磊晶層38安置於底部鏡24與中間鏡27之間且與底部鏡24及中間鏡27接觸，其等所有安置於基板22與增益區域28之間。圖2之磊晶層28可具有類似於上文結合圖1之VCSEL裝置所描述之厚度及組合物的一厚度及組合物。在一些情況中，可有利地將增益區域28放置成更靠近VCSEL裝置之頂部(即，發光)表面。例如，輸出束36可具有一較小直徑。
用於減少VCSEL輸出束之發散之本發明技術可與有助於減少發散之其他技術組合。例如，在一些例項中，可藉由使用多個增益區段而非多個量子井之僅一單一增益區段群組來增加增益區域28之長度。增益區段可藉由(若干)穿隧接面來彼此分離，其中各增益區段放置於諧振空腔駐波之最大強度點處，使得半波長空腔長度因所添加之增益區段數目而增加。所得VCSEL裝置可由於較長空腔而具有一較低發散束，且亦可由於來自多個增益區段之較高增益而具有較高強度。圖3中繪示一實例，圖3展示一VCSEL裝置20B，其類似於圖1之VCSEL裝置，但其增益區域28包含由一穿隧接面42分離之多個量子井群組40。在一些情況中，此等堆疊增益區域可產生較高增益以產生較高輸出功率及效率，且亦可減小較高調變頻率之電容。具有多個堆疊增益區段之一增益區域之上述特徵可結合至本發明中所描述之任何實施方案(其包含下文將描述之實施方案)中。
此外，在一些情況中，可藉由增加底部鏡24 (或頂部鏡26)之一堆疊中之DBR鏡之數目而延伸空腔長度。例如，在GaAs/GaAlAs DBR中，減小Al濃度將需要一特定反射率之較大數目個鏡對以藉此增加空腔長度。增加空腔長度將減少較高階模式之數目且將因此減小發散角。在一些例項中，DBR鏡堆疊包含由具有1%至7%之一範圍內之一折射率差之不同材料之交替層組成的多個DBR鏡對。上述特徵可結合至本發明中所描述之任何實施方案(其包含下文將描述之實施方案)中。
添加一相對較厚磊晶層亦可結合至底部發射VCSEL結構中。圖4及圖5繪示此等VCSEL裝置之實例。在圖4及圖5中，底部鏡24及中間鏡27之各者係部分反射的，且束36透過GaAs或其他基板22自VCSEL裝置發射。如圖4中所展示，VCSEL裝置20D包含安置於中間鏡27與頂部鏡26之間的一磊晶層38。中間鏡27及磊晶層38兩者安置於增益區域28與頂部鏡26之間。另一方面，如圖5中所展示，VCSEL裝置20E包含安置於底部鏡24與中間鏡27之間的一磊晶層38。在此實施方案中，底部鏡24及中間鏡27兩者及磊晶層38安置於基板22與增益區域28之間。圖4及圖5之磊晶層28可具有類似於上文結合圖1之VCSEL裝置所描述之厚度及組合物的一厚度及組合物。
底部發射VCSEL有時操作以發射基板22透射之較長波長。可在一些例項(例如圖4之VCSEL裝置20D)中達成之一優點係較佳冷卻，因為一散熱器可放置於頂部接點30上，更靠近VCSEL結構。此外，在圖5之實例中，厚磊晶層38生長於VCSEL空腔之底側上，使得增益區域38更靠近VCSEL裝置之頂面。在一些情境中，此甚至可導致增益區域38之較佳冷卻。
在上述各實施方案中，額外磊晶層38由其組合物不同於相鄰鏡結構之組合物的一半導體材料(例如一半導體化合物)組成。
多個VCSEL (其等各具有上文所描述之一額外磊晶生長層)可結合至一VCSEL陣列中。例如，陣列中之VCSEL 50可經規則間隔使得其等配置成一規則圖案(圖6A)，或經隨機間隔使得其等呈一隨機配置(圖6B)。VCSEL 50可藉由各自電連接件54來連接至各自電接點52使得VCSEL可定址，且可經個別或群組啟動或撤銷啟動。
圖7繪示包含一低光束發散VCSEL源(諸如上述VCSEL源之一者(例如圖1、圖2、圖3、圖4或圖5))之一近接感測器模組之一實例。VCSEL 150及一光偵測器(例如一測光器) 151一起緊密安裝於一共同基板153上。VCSEL束透過一窗107傳播出且自模組外之一物體反射及散射。反向散射輻射108之一部分透過窗107返回且由偵測器151擷取。來自偵測器之信號強度由處理電路用於判定物體與感測器之距離。在所繪示之實例中，VCSEL束發散足夠小，使得來自窗107之鏡面反射152返回至VCSEL附近且不落在偵測器151上。因此，此反射152不添加一雜訊信號而修改由偵測器151接收之反向散射信號且因此不退降距離判定。
因此，所繪示之光學感測器模組包含一VCSEL裝置作為一光源，VCSEL裝置可操作以產生透過一窗導引向一物體之一窄發散源光束，在一些情況中，窄發散源光束具有不超過10°之一半高全寬光束發散度。模組進一步包含：一光學偵測器，其感測自由窄發散源光束照射之物體反射回之光；及一運算裝置160，其包含可操作以至少部分基於來自光學偵測器之一信號來判定至物體之一距離或物體之一物理特性的處理電路。處理電路可實施為(例如)具有適當數位邏輯及/或其他硬體組件(例如讀出暫存器、放大器、類比轉數位轉換器、時脈驅動器、時序邏輯、信號處理電路及/或微處理器)之一或多個半導體晶片中之一或多個積體電路。因此，處理電路經組態以實施與此電路相關聯之各種功能。
一些實施方案提供(例如) 0.5°至5°範圍內之較窄發散束以提供一較小佔用面積總成之高很多之近接感測準確度。
可藉由使用來自VCSEL之低發散束來獲得額外益處。照射物體之光束相對小以藉此導致一較高入射功率密度。因此，散射及反射功率成比例提高。此等特徵可導致具有較短脈衝之改良距離量測解析度及量測較長距離之能力。由於可維持VCSEL與偵測器之間的一小距離，所以可在一小佔用面積中實現此等益處。
以上描述係關於用於諸如攝影機自聚焦及其他運動偵測應用之應用之物體近接感測。然而，應易於明白技術之其他應用。例如，非常低發散VCSEL源光束亦可用於藉由量測(例如)血流量、心率及/或化學組合物來監測健康。在此等應用中，將源光束導引至樣本或物體處，且偵測器量測依一或多個波長反射之光之數量或與來自心跳之脈衝效應有關之反射光之波動。在VCSEL之此等其他應用中，具有上述相同非常低發散性質同樣重要。亦可藉由結合本發明之技術來提高此等應用之敏感度。本發明技術亦可用於(例如)其他光學感測模組，諸如用於手勢感測或辨識。
上述VCSEL或結合一或多個此等VCSEL之模組可整合至各種主裝置(諸如智慧型電話、膝上型電腦、可穿戴裝置、其他電腦及汽車)中。主裝置可包含處理器及其他電子組件及經組態以收集資料之其他補充模組(諸如攝影機、飛行時間成像器)。可包含諸如環境照明、顯示螢幕、汽車頭燈及其類似者之其他補充模組。主裝置可進一步包含其中儲存用於操作光電子模組及在一些例項中，操作補充模組之指令的非揮發性記憶體。
圖8繪示作為一主裝置之一實例之一智慧型電話270，其包含用於三維光學成像及/或感測之一模組。模組可操作以發射光及偵測入射束。模組包含可操作以產生一非常低發散束之一VCSEL光源274，如上文所描述。模組進一步包含可操作以感測入射束之一感測器276。VCSEL光源274及感測器276可安裝於(例如)一印刷電路板或其他基板278上。模組亦可包含投射光學器件279A及/或收集光學器件279B，其等可實施為(例如)透鏡或其他被動光學元件。信號處理電路可操作以處理由感測器276偵測之信號且判定(例如)至智慧型電話270外之一物體(其將一些光反射回智慧型電話)之距離及/或用於手勢辨識。
由於在一些情況中，使用上述VCSEL之模組可獲得更準確資料，且資料可用於由智慧型電話執行之功能(例如對使用者近接之螢幕回應)，所以可更準確執行此等及其他功能以藉此給智慧型電話或其他主裝置本身帶來實質優勢。
在一些情況中，多個上述VCSEL可結合成一VCSEL陣列。在一些實施方案中，一或多個VCSEL配置於可操作以產生結構化光之一模組中。
儘管已參考一些較佳實施例來描述本發明之一廣義架構，但可藉由應用本發明中所描述之元件之組合及子組合來組態其他實施方案。因此，其他實施方案係在申請專利範圍之範疇內。
20:頂部發射垂直空腔表面發射雷射(VCSEL)裝置 20A:VCSEL裝置 20B:VCSEL裝置 20C:VCSEL裝置 20D:VCSEL裝置 22:基板 24:第一下鏡/底部鏡 26:第二上鏡/頂部鏡 27:第三(中間)鏡 28:雷射增益區域 30:頂部接點 32:底部接點 34:孔隙 36:輸出束 38:磊晶層 40:量子井群組 42:穿隧接面 50:VCSEL 52:電接點 54:電連接件 107:窗 108:反向散射輻射 150:VCSEL 151:光偵測器 152:鏡面反射 153:共同基板 160:運算裝置 270:智慧型電話 274:VCSEL光源 276:感測器 278:印刷電路板/其他基板 279A:投射光學器件 279B:收集光學器件
圖1繪示一頂部發射VCSEL結構。
圖2繪示另一頂部發射VCSEL結構。
圖3繪示另一頂部發射結構。
圖4繪示一底部發射VCSEL結構。
圖5繪示另一底部發射VCSEL結構。
圖6A及圖6B繪示VCSEL陣列之實例。
圖7繪示包含一低光束發散VCSEL之一近接感測器模組之一實例。
圖8繪示包含一低光束發散VCSEL之一主裝置之一實例。
20:頂部發射垂直空腔表面發射雷射(VCSEL)裝置
22:基板
24:第一下鏡/底部鏡
26:第二上鏡/頂部鏡
27:第三(中間)鏡
28:雷射增益區域
30:頂部接點
32:底部接點
34:孔隙
36:輸出束
38:磊晶層

Claims (27)

  1. 一種垂直空腔表面發射雷射(VCSEL)，其包括： 一基板； 一磊晶VCSEL結構，其位於該基板上，其中該磊晶VCSEL結構包含： 一諧振空腔，其包含一增益區域，該諧振空腔安置於一底部鏡與一部分反射中間鏡之間，該部分反射中間鏡比該底部鏡遠離該基板；及 一額外磊晶層，其安置於該部分反射中間鏡與一頂部鏡之間，該頂部鏡比該部分反射中間鏡遠離該基板，且該額外磊晶層具有5 μm至100 μm之一範圍內之一厚度。
  2. 如請求項1之VCSEL，其中該額外磊晶層具有5 μm至50 μm之一範圍內之一厚度。
  3. 如請求項1或2中任一項之VCSEL，其中該頂部鏡係部分反射的，且該VCSEL可操作為一頂部發射VCSEL以產生透過該頂部鏡所發射之一輸出束。
  4. 如請求項1或2中任一項之VCSEL，其中該底部鏡係部分反射的，且該VCSEL可操作為一底部發射VCSEL以產生透過該底部鏡所發射之一輸出束。
  5. 如請求項1或2中任一項之VCSEL，其中該VCSEL可操作以產生自該VCSEL發射之一光束，該光束具有不超過10°之一半高全寬光束發散度。
  6. 如請求項5之VCSEL，其中該VCSEL可操作以產生自該VCSEL發射之一光束，該光束具有0.5°至5°之一範圍內之一半高全寬光束發散度。
  7. 如請求項1或2中任一項之VCSEL，其包含用於使電流集中於該增益區域之一特定部分中的一孔隙，其中該部分反射中間鏡安置於該增益區域與該額外磊晶層之間。
  8. 如請求項3之VCSEL，其中該VCSEL可操作以產生自該VCSEL發射之一光束，該額外磊晶層透射該光束之一波長，且該基板不透射該光束之該波長。
  9. 如請求項8之VCSEL，其中該額外磊晶層由AlGaAs組成，且該基板由GaAs組成。
  10. 如請求項8之VCSEL，其中該基板由GaAs組成，且該額外磊晶層透射小於950 nm之一波長。
  11. 一種垂直空腔表面發射雷射(VCSEL)，其包括： 一基板； 一磊晶VCSEL結構，其位於該基板上，其中該磊晶VCSEL結構包含： 一諧振空腔，其包含一增益區域，該諧振空腔安置於一頂部鏡與一部分反射中間鏡之間，該頂部鏡比該部分反射中間鏡鏡遠離該基板；及 一額外磊晶層，其安置於該部分反射中間鏡與一底部鏡之間，該部分反射中間鏡比該底部鏡遠離該基板，且該額外磊晶層具有5 μm至100 μm之一範圍內之一厚度。
  12. 如請求項11之VCSEL，其中該額外磊晶層具有5 μm至50 μm之一範圍內之一厚度。
  13. 如請求項11或12中任一項之VCSEL，其中該頂部鏡係部分反射的，且該VCSEL可操作為一頂部發射VCSEL以產生透過該頂部鏡所發射之一輸出束。
  14. 如請求項11或12中任一項之VCSEL，其中該底部鏡係部分反射的，且該VCSEL可操作為一底部發射VCSEL以產生透過該底部鏡所發射之一輸出束。
  15. 如請求項11或12中任一項之VCSEL，其中該VCSEL可操作以產生自該VCSEL發射之一光束，該光束具有不超過10°之一半高全寬光束發散度。
  16. 如請求項15之VCSEL，其中該VCSEL可操作以產生自該VCSEL發射之一光束，該光束具有0.5°至5°之一範圍內之一半高全寬光束發散度。
  17. 如請求項11或12中任一項之VCSEL，其包含用於使電流集中於該增益區域之一特定部分中的一孔隙，其中該部分反射中間鏡安置於該額外磊晶層與該增益區域之間。
  18. 如請求項13之VCSEL，其中該VCSEL可操作以產生自該VCSEL發射之一光束，該額外磊晶層透射該光束之一波長，且該基板不透射該光束之該波長。
  19. 如請求項18之VCSEL，其中該額外磊晶層由AlGaAs組成，且該基板由GaAs組成。
  20. 如請求項18之VCSEL，其中該基板由GaAs組成，且該額外磊晶層透射小於950 nm之一波長。
  21. 2、11或12中任一項之VCSEL，其中該增益區域包含藉由一或多個穿隧接面來彼此分離之複數個堆疊量子井群組。
  22. 一種VCSEL陣列，其包括： 複數個如請求項1至21中任一項之VCSEL；及 複數個接點，其等之各者電連接至該等VCSEL之一或多者。
  23. 如請求項22之VCSEL陣列，其中該等VCSEL配置成一規則圖案。
  24. 如請求項22之VCSEL陣列，其中該等VCSEL呈一隨機配置。
  25. 一種光學感測器模組，其包括： 一光源，其包含如請求項1至21中任一項之VCSEL，該VCSEL可操作以產生透過一窗導引向一物體之一窄發散源光束； 一光學偵測器，其感測自由該窄發散源光束照射之該物體反射回之光；及 一運算裝置，其可操作以至少部分基於來自該光學偵測器之一信號來判定至該物體之一距離或該物體之一物理特性。
  26. 一種主裝置，其包括如請求項25之光學感測器模組，其中該主裝置可操作以將由該光學感測器模組之該光學偵測器獲得之資料用於由該主裝置執行之一或多個功能。
  27. 如請求項26之主裝置，其中該主裝置係一智慧型電話。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115882335B (zh) * 2021-09-29 2023-12-12 常州纵慧芯光半导体科技有限公司 具有小发散角的vcsel激光器、芯片及用于lidar系统的光源
JP7473272B2 (ja) * 2021-09-29 2024-04-23 常州縦慧芯光半導体科技有限公司 小さい広がり角を有するｖｃｓｅｌレーザー装置、チップ、およびｌｉｄａｒシステム用光源

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DK1371120T3 (da) * 2001-03-09 2013-07-22 Alight Photonics Aps Bølgetypekontrol ved anvendelse af transversal båndgabsstruktur i vcsels
JP2005259951A (ja) * 2004-03-11 2005-09-22 Nec Corp 面発光レーザとその製造方法、および、光通信システム
US7372886B2 (en) * 2004-06-07 2008-05-13 Avago Technologies Fiber Ip Pte Ltd High thermal conductivity vertical cavity surface emitting laser (VCSEL)
US20060227823A1 (en) * 2005-03-30 2006-10-12 Edris Mohammed Electroabsorption vertical cavity surface emitting laser modulator and/or detector
GB0512523D0 (en) * 2005-06-20 2005-07-27 Univ Bruxelles Monolithic micro-lasers with stabilised polarization
JP2009010248A (ja) * 2007-06-29 2009-01-15 Canon Inc 面発光レーザおよびその製造方法
CN102246367B (zh) * 2008-12-10 2013-05-29 皇家飞利浦电子股份有限公司 具有改进的空间模式的高功率vcsel
JP5950523B2 (ja) * 2010-10-16 2016-07-13 キヤノン株式会社 面発光レーザ、面発光レーザアレイ、画像形成装置
US9118162B2 (en) * 2011-01-14 2015-08-25 University Of Central Florida Research Foundation, Inc. Composite semiconductor light source pumped by a spontaneous light emitter
US9268012B2 (en) * 2013-07-12 2016-02-23 Princeton Optronics Inc. 2-D planar VCSEL source for 3-D imaging
US20150260830A1 (en) * 2013-07-12 2015-09-17 Princeton Optronics Inc. 2-D Planar VCSEL Source for 3-D Imaging
CN105552715B (zh) * 2016-01-29 2018-07-27 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 适合高温工作的高增益垂直腔面发射半导体激光器

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