WO2020087337A1 - 激光二极管芯片、封装模块、发射及测距装置、电子设备 - Google Patents

激光二极管芯片、封装模块、发射及测距装置、电子设备 Download PDF

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Definitions

  • the single-line sensor method is equivalent to drawing on paper with a pen.
  • the blank area between the strokes can be understood as a blind area detected within a certain period of time.
  • time-sharing helps to reduce mutual interference between different channels and improve system performance.
  • the present invention provides a laser diode chip, which is characterized by comprising:
  • a laser diode array including at least two laser diodes formed on the substrate;
  • the substrate has a first surface
  • a circuit board, the substrate in the laser diode packaging module is attached to the circuit board, so that the laser diode in the laser diode packaging module is electrically connected to the circuit board.
  • the current multi-line laser diode chip has a problem that the output power or pulse energy is large, which is easy to cause damage to human eyes, which limits its application in the realization of multi-line laser light source.
  • the P electrodes 21 of adjacent laser diodes 20 are separated by an intrinsic doped region or a lightly doped region 24 located on the first surface 201 of the substrate 200.
  • the intrinsic doped region or the lightly doped region 24 refers to the region between the adjacent P electrodes 21 in the substrate 200, these regions are the initial state of the substrate 200 (intrinsic or N-type), without further doping, With this, isolation between adjacent P electrodes 21 can be achieved.
  • the P electrodes 21 of the adjacent laser diodes 20 are separated by an isolation structure (such as STI) or an isolation channel on the first surface 201 of the substrate 200.
  • the laser diode chips of this embodiment are isolated from each other between adjacent N electrodes 22, they can still achieve time-sharing light emission when driven by N electrodes, so they have lower pulse energy and output power, avoiding human Eye damage.
  • the pulse width generated due to the N electrode driving method is smaller, and accordingly the pulse energy is also smaller, which is not easy to cause damage to the human eye, and due to the N electrode between adjacent laser diodes It is isolated from each other, so it can still achieve time-sharing, which not only reduces the interference between different laser diodes, but also reduces the total peak radiation power and avoids damage to the human eye.
  • At least part of different laser diodes in the laser diode tube packaging module are used to emit laser pulse sequences at different times.
  • the optical beam expansion unit 412 may be implemented using a one-stage or multi-stage beam expansion system. Wherein, the optical beam expansion processing may be reflective or transmissive, or a combination of the two. In one example, a holographic filter can be used to obtain a large-angle beam composed of multiple sub-beams.
  • a coaxial optical path may be used in the distance measuring device, that is, the light beam emitted by the distance measuring device and the reflected light beam share at least part of the optical path in the distance measuring device.
  • the distance measuring device may also adopt an off-axis optical path, that is, the light beam emitted by the distance measuring device and the reflected light beam are respectively transmitted along different optical paths in the distance measuring device.
  • 6 shows a schematic diagram of an embodiment of the distance measuring device of the present invention using a coaxial optical path.
  • the scanning module 602 may include one or more optical elements, such as lenses, mirrors, prisms, gratings, optical phased arrays (Optical Phased Array), or any combination of the above optical elements.
  • multiple optical elements of the scanning module 602 can rotate about a common axis 609, and each rotating optical element is used to continuously change the direction of propagation of the incident light beam.
  • multiple optical elements of the scanning module 602 can rotate at different rotation speeds.
  • the multiple optical elements of the scanning module 602 can rotate at substantially the same rotational speed.
  • the first optical element 614 includes a prism whose thickness varies along at least one radial direction. In one embodiment, the first optical element 614 includes a wedge-angle prism that aligns the straight beam 619 for refraction. In one embodiment, the first optical element 614 is coated with an antireflection coating, and the thickness of the antireflection coating is equal to the wavelength of the light beam emitted by the light source 603, which can increase the intensity of the transmitted light beam.

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Abstract

本发明提供了一种激光二极管芯片、激光二极管封装模块及发射装置、测距装置、电子设备。所述激光二极管芯片包括：衬底，具有第一表面和第二表面；激光二极管阵列，包括形成在所述衬底上的至少两个激光二极管；其中，每个所述激光二极管的P电极均形成在所述衬底的第一表面上，每个所述激光二极管的N电极均形成在所述衬底的第二表面上，每个所述激光二极管的发光区分别形成在所在的激光二极管的P电极和N电极之间；其中，所述激光二极管采用N电极驱动方式，且相邻的所述激光二极管的所述N电极之间彼此隔离。通过本发明所述设置可以利用微纳加工工艺保证多线光源之间相对位置的准确性，同时又能够实现各个光源之间的独立的快速驱动。

Description

激光二极管芯片、封装模块、发射及测距装置、电子设备
说明书
技术领域
本发明总地涉及集成电路领域，更具体地涉及一种激光二极管芯片、激光二极管封装模块及发射装置、测距装置、电子设备。
背景技术
激光雷达是对外界的感知系统，可以获知外界的立体三维信息，其原理为主动对外发射激光脉冲信号，探测到反射的回波信号，根据发射—接收之间的时间差，判断被测物体的距离；结合光脉冲的发射方向信息，便可重建获知物体的三维深度信息。如何在特定的时间内实现对视场中尽可能多的方位进行测量是激光雷达的一个技术难点。一种解决方法是使用多线光源对多个方向进行探测，这能够有效地增大探测的方位，从而获取空间分辨率更高的环境数据。
以扫描方式激光雷达为例，单线传感器方式，相当于用一支笔在纸上画。采用多线传感器，则相当于手握多支笔，在纸上画，那么笔画之间的空白区域(可以理解为在一定时间段内探测的盲区)便会更小。而在这过程中，我们期望不同通道的传感器能够分时发光，这样能够减少总的辐射峰值功率，满足激光安全规范，避免对人眼造成危害。另外，分时发光也有助于减少不同通道之间的相互干扰，提高系统的性能。
半导体激光二极管由于其便于量产，成本低廉等而在激光雷达中得到了广泛的应用。由于激光二极管辐射的光发散角通常很大，通常需要用透镜进行准直，这需要精细的调节激光二极管和透镜的相对位置。在传统方案中，通过机械加工将已经封装好的单个激光二极管芯片器件集成在一起，这种方法机械加工精度难以满足用透镜准直发射激光所需要的位置精度，需要分别对每个通道进行反复多次的调节，增大了系统的复杂度和成本。通过用微纳加工的方法对激光二极管进行多线封装，能够使不同通道之间 的相对位置与设计值的偏离尽可能小，方便各个不同的激光器实现同时对焦，并确保不同通道探测方向的准确性。
然而目前的激光二极管的多线封装方法存在不同的问题：一、将单独的未封装的激光二极管芯片封装在一起实现多线传感器，这种方法需要通过机台来控制芯片的相对位置，对封装机台精度要求较高。另外，当线数较多时，会提高封装的复杂度和成本，工艺流程管控难度增加。二、在激光二极管芯片的制作过程中，用微纳加工的方法在外延片上刻蚀结构，限制注入电流区域或者利用横向的折射率分布形成光波导，由于在微纳加工中，这个精度可以控制的很高，达到亚微米量级，因此如果直接切割出多线的激光二极管芯片，便可以获得间距(pitch)精确的多线传感器。然而，在目前的成熟工艺条件下，激光器芯片的N级是连接在一起的；在激光雷达的应用场景中，为了保证脉冲质量，往往需要采用N端驱动的方式，这会导致多线激光器同时发光，出射功率高，容易对人眼造成伤害的问题。由于以上问题的存在，限制了其在激光雷达多线光源实现中的应用。
因此，为了便于激光雷达的大规模量产和应用需要对目前所述多线激光二极管芯片进行改进。
发明内容
为了解决上述问题中的至少一个而提出了本发明。本发明提供一种激光二极管芯片，其可以改进目前的微纳加工切割形成的多线激光二极管芯片存在的问题，便于激光雷达的大规模量产和应用。
具体地，本发明提供一种激光二极管芯片，其特征在于，包括：
衬底，具有第一表面和第二表面；
激光二极管阵列，包括形成在所述衬底上的至少两个激光二极管；
其中，每个所述激光二极管的P电极均形成在所述衬底的第一表面上，每个所述激光二极管的N电极均形成在所述衬底的第二表面上，每个所述激光二极管的发光区分别形成在所在的激光二极管的P电极和N电极之间；
其中，所述激光二极管采用N电极驱动方式，且相邻的所述激光二极管的所述N电极之间彼此隔离。
示例性地，还包括设置在相邻的所述激光二极管的所述N电极之间的隔离道，用于实现相邻的所述N电极之间的隔离。
示例性地，所述隔离道包括在所述相邻的所述N电极之间通过刻蚀或切割形成的凹槽。
示例性地，所述凹槽内还填充有空气或绝缘材料
示例性地，所述隔离道在所述衬底厚度方向的尺寸大于或等于所述N电极的在所述衬底厚度方向尺寸，且小于所述衬底的厚度。
示例性地，每个所述激光二极管的N电极由形成在所述衬底的第二表面上的一个公用N电极切割而成。
示例性地，所述N电极在所述衬底长度方向的尺寸大于所述P电极在所述衬底长度方向的尺寸。
示例性地，相邻的所述激光二极管的所述P电极之间通过位于所述衬底的第一表面上的本征掺杂区或轻掺杂区隔离。
示例性地，所述衬底为本征半导体衬底或N型半导体衬底。
示例性地，相邻的所述激光二极管的所述N电极之间通过位于所述衬底的第二表面上的本征掺杂区或轻掺杂区隔离。
示例性地，所述至少两个激光二极管之间共用一个形成在所述衬底的第一表面上的P电极。
示例性地，所述衬底为本征半导体衬底或P型半导体衬底。
本发明还提供了一种激光二极管封装模块，所述封装模块包括：
基板，具有第一表面；
罩体，设置在所述基板的第一表面上，所述基板和所述罩体之间形成容纳空间；
以及设置于所述容纳空间内的上述的激光二极管，用于出射激光脉冲序列；
其中，所述基板用于贴装于电路板上，以将所述激光二极管与所述电路板进行电连接。
示例性地，所述衬底的第一表面朝向所述基板的第一表面。
示例性地，在所述衬底和基板之间设置有用于缓冲热膨胀的过渡板。
示例性地，所述基板包括PCB基板或陶瓷基板。
示例性地，所述激光二极管中相邻的激光二极管的发光区之间的距离满足预设距离。
示例性地，所述激光二极管管封装模块中的至少部分不同激光二极管用于在不同时刻出射激光脉冲序列。
本发明还提供了一种激光发射装置，包括：
上述的激光二极管封装模块；
电路板，所述激光二极管封装模块中的基板贴装于所述电路板上，以使所述激光二级管封装模块中的激光二极管与所述电路板电连接。
本发明还提供了一种测距装置，包括：
上述的激光发射装置，用于出射激光脉冲序列；
至少两个光电转换模块，分别与所述激光发射装置中的至少两个激光二极管芯片一一对应；
其中，每个所述光电转换模块用于接收对应的激光二极管芯片所出射的激光脉冲序列经物体反射回的至少部分光束，以及将所述至少部分光束转换成电信号；
数据处理模块，用于根据每个所述光电转换模块输出的电信号，确定反射所述电信号对应的光束的物体与所述测距装置之间的距离。
示例性地，所述激光发射装置中的不同激光二极管的发光区之间的距离满足预设距离，使得每个所述发光区分别与所述光电转换模块一一对应。
本发明还提供了一种电子设备，包括上述的激光二极管封装模块，所述电子设备包括无人机、自动驾驶汽车或机器人。
本发明提供了一种激光二极管芯片，其具有包括至少两个激光二极管的激光二极管阵列，并且所述激光二极管采用N电极驱动方式，且相邻的所述激光二极管的所述N电极之间彼此隔离。通过本发明的所述设置使得能够利用微纳加工工艺保证多线光源之间相对位置的准确性，同时又能够实现各个光源之间的独立的快速驱动，并且在保证不会对人眼造成伤害的同时使激光雷达的测距性能、噪声特性达到最优。
附图说明
图1A示出目前一种多线激光二极管芯片的示意性剖面图；
图1B示出图1A所示的多线激光二极管芯片的示意性俯视图；
图2A示出根据本发明一实施例的激光二极管芯片的示意性剖面；
图2B-图2C示出图2A所示激光二极管芯片的形成过程示例；
图3示出根据本发明一实施例的激光二极管芯片的示意性剖面；
图4示出根据本发明一实施例的距离探测装置的示意性结构图；
图5示出根据本发明一实施例的测距装置的示意性框图；
图6示出根据本发明一实施例的测距装置的示意性结构图。
具体实施方式
为了使得本发明的目的、技术方案和优点更为明显，下面将参照附图详细描述根据本发明的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是本发明的全部实施例，应理解，本发明不受这里描述的示例实施例的限制。基于本发明中描述的本发明实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的情况下所得到的所有其它实施例都应落入本发明的保护范围之内。
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。
在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的 结构，以便阐释本发明提出的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
如前所述，目前的多线激光二极管芯片存在出射功率或脉冲能量大，容易对人眼造成伤害的问题，限制了其在激光雷达多线光源实现中的应用。下面结合图1A和图1B对此进行说明，以便更好地理解本发明。
图1A示出目前一种多线激光二极管芯片的示意性剖面图；图1B示出图1A所示的多线激光二极管芯片的示意性俯视图。如图1A和图1B所示，目前的多线激光二极管芯片一般器件包括衬底100，在衬底100的一面形成N电极，在另一面形成间隔布置的多个P电极，N电极101和P电极102分别由N型和P型掺杂区/注入区构成，并且所有激光二极管的N电极是连接在一起的，也即所有激光二极管共用一个公共的N电极，也可以理解为这种多线激光二极管是形成在N衬底上，P电极分开。如果直接用这种激光二极管芯片来实现用于激光雷达的多线激光器，则存在以下问题：
(1)如果共用N端驱动方式，则所有激光二极管会同时发光，不仅不同线之间会有干扰，且同时出射功率较大，容易对人眼造成伤害。
(2)如果采用P端驱动，虽然可以实现分时发光，但是由于PMOS参数的限制，P侧驱动方案产生的脉冲宽度要大于N端驱动方案。这导致在相同的峰值功率下脉冲能量增大了很多，容易对人眼造成伤害。
由于以上问题的存在，限制了这种激光二极管芯片在激光雷达多线光源实现中的应用。而用前述中提到的其他两种多线封装方案均会增大实现的复杂度和成本，限制了激光雷达的大规模量产和应用，本发明基于此对目前的激光二极管进行改进，以便利用微纳加工方法制作并直接切割形成的激光二极管芯片可以克服上述问题，在保证多线光源之间相对位置的准确性(即图1A和图1B中间距的准确性)，同时又能够实现各个光源(激光二极管)之间的独立的快速驱动。
实施例一
为了解决上述问题，本发明提供了一种激光二极管芯片，下面参照附图2A至图2C对本发明所提供的激光二极管芯片进行详细的描述。
如图2A所示，所述激光二极管芯片包括：
衬底200，具有第一表面201和第二表面202；
激光二极管阵列，包括形成在所述衬底200上的至少两个激光二极管20，每个所述激光二极管20的P电极21均形成在所述衬底200的第一表面201上，每个所述激光二极管20的N电极22均形成在所述衬底200的第二表面202上，每个所述激光二极管20的发光区23分别形成在所在的激光二极管20的P电极21和N电极22之间；
其中，所述激光二极管20采用N电极驱动方式，且相邻的所述激光二极管20的所述N电极22之间彼此隔离。
根据本实施例的激光二极管芯片，由于采用N电极驱动方式因此产生的脉冲宽度较小，相应地脉冲能量也较小，不易对人眼造成伤害，并且由于相邻的激光二极管的N电极之间彼此隔离，因此可以仍然可以实现分时发光，不仅减少了不同激光二极管之间的干扰，而且能减少总的辐射峰值功率，避免对人眼造成伤害。
示例性地，衬底200可以为各种合适的半导体衬底，例如可以是以下所提到的材料中的至少一种：Si、Ge、SiGe、SiC、SiGeC、InAs、GaAs、InP或者其它III/V化合物半导体，还包括这些半导体构成的多层结构等或者为绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上层叠硅(SSOI)、绝缘体上层叠锗化硅(S-SiGeOI)、绝缘体上锗化硅(SiGeOI)以及绝缘体上锗(GeOI)等。作为示例，在本实施例中，衬底200的构成材料选用单晶硅。进一步地，衬底200可以为本征半导体衬底(即无掺杂半导体)或N型半导体衬底，例如掺杂磷元素的半导体衬底。示例性地，当衬底200为N型半导体衬底时，衬底200为轻掺杂N型半导体衬底。
P电极21形成在衬底200的第一表面201上，并且相邻的P电极21彼此间隔分离布置。P电极21可以通过向衬底200的第一表面201掺杂P型元素，例如硼形成。示例性地，P电极21为P型重掺杂。在形成P电极21时，可以在衬底200的第一表面201上形成相应的掩膜层，通过掩膜层来定义P电极的形状、位置、大小以及相邻P电极21之间的间距(如前所述，在微纳加工中该间距的精度可以控制的很高)，然后以该掩膜层为掩膜进行离子注入或其他方式的掺杂来制作P电极21。进一步地，在本实施例中，示例性地，相邻的激光二极管20的P电极21之间通过位于衬底200的第一表面201上的本征掺杂区或轻掺杂区24隔离。本征掺杂区或轻掺杂 区24指的是衬底200中相邻P电极21之间的区域，这些区域为衬底200的初始状态(本征或N型)，没有进一步掺杂，通过其可以实现相邻P电极21之间的隔离。当然，在其它实施例中，相邻的激光二极管20的P电极21之间通过位于衬底200的第一表面201上的隔离结构(例如STI)或隔离道等隔离。
N电极22形成在衬底200的第二表面202上，并且相邻的激光二极管20的N电极22之间设置有隔离道25，用于实现相邻的N电极22之间的隔离。N电极22可以通过向衬底200的第二表面202掺杂N型元素，例如磷形成。示例性地，N电极22为N型重掺杂。示例性地，在本实施例中，N电极22的制作过程为：首先对衬底200的第二表面202进行掺杂N型重掺杂，形成一个所述多个P电极21共用的N电极，然后再形成隔离道25将该N电极划分成多个彼此隔离的N电极22，每个N电极22对应一个P电极21，共同构成一个激光二极管。也即，在本实施例中，每个所述激光二极管的N电极22由形成在衬底200的第二表面202上的一个公用N电极切割而成。因此，N电极22在衬底200长度方向(即图2A中水平方向)的尺寸大于P电极21在衬底200长度方向的尺寸。隔离道25包括在相邻的所述N电极22之间通过刻蚀或切割形成的凹槽，通过该凹槽实现相邻的N电极22之间的隔离，以实现分时发光。并且为了实现相邻的N电极22之间的隔离，优选地，隔离道25在衬底200厚度方向(即图2A中高度/竖直方向)的尺寸大于或等于所述N电极的在衬底200厚度方向尺寸，且小于衬底200的厚度。示例性地，所述凹槽内还填充有空气或二氧化硅等绝缘材料，通过填充可以使相邻的N电极22实现更好的隔离。
发光区23位于P电极21和N电极22之间，当在N电极22上施加激励信号或驱动信号后，发光区23便可以发出激光脉冲信号。
本实施例的激光二极管芯片由于相邻的N电极22之间彼此隔离，因此可以在采用N电极驱动的情形中仍然实现分时发光，因此具有较低的脉冲能量和出射功率，避免了对人眼的伤害。
本实施例的激光二极管芯片可以有多种实现方法，下面结合图2B至图2C对其中一种实现方法进行描述。
首先，如前所述，利用微纳加工的方法在衬底200上多个彼此间隔布置 的P电极21和一个公用的N电极22A，然后如图2B所示，将该形成激光二极管芯片放置在封装基板400上，其中，形成有P电极21的一面朝向封装基板400，然后如图2C所示，通过切割或刻蚀方法对形成有N电极22A的一面进行切割或刻蚀，从而将公用的N电极22A划分为多个N电极22，每个N电极22对应一个P电极21，切割或刻蚀过程中形成的隔离道25对相邻的N电极22起隔离作用，并且在封装的后续过程中还可以向隔离道25内填充物质以实现更好的隔离。
实施例二
下面参照附图3对本发明的另外一个实施例作进一步的说明。
如图3所示，所述激光二极管芯片包括：
衬底300，具有第一表面301和第二表面302；
激光二极管阵列，包括形成在所述衬底300上的至少两个激光二极管30，每个所述激光二极管30的P电极31均形成在所述衬底300的第一表面301上，每个所述激光二极管30的N电极32均形成在所述衬底300的第二表面302上，每个所述激光二极管30的发光区33分别形成在所在的激光二极管30的P电极31和N电极32之间；
其中，所述激光二极管30采用N电极驱动方式，且相邻的所述激光二极管30的所述N电极32之间彼此隔离。
根据本实施例的激光二极管芯片，由于采用N电极驱动方式因此产生的脉冲宽度较小，相应地脉冲能量也较小，不易对人眼造成伤害，并且由于相邻的激光二极管的N电极之间彼此隔离，因此可以仍然可以实现分时发光，不仅减少了不同激光二极管之间的干扰，而且能减少总的辐射峰值功率，避免对人眼造成伤害。
示例性地，衬底300可以为各种合适的半导体衬底，例如可以是以下所提到的材料中的至少一种：Si、Ge、SiGe、SiC、SiGeC、InAs、GaAs、InP或者其它III/V化合物半导体，还包括这些半导体构成的多层结构等或者为绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上层叠硅(SSOI)、绝缘体上层叠锗化硅(S-SiGeOI)、绝缘体上锗化硅(SiGeOI)以及绝缘体上锗(GeOI)等。作为示例，在本实施例中，衬底300的构成材料选用单晶硅。进一步地， 衬底300可以为本征半导体衬底(即无掺杂半导体)或P型半导体衬底，例如掺杂硼元素的半导体衬底。示例性地，当衬底300为P型半导体衬底时，衬底300为轻掺杂P型半导体衬底。
P电极31形成在衬底300的第一表面301上，在本实施例中，所述至少两个激光二极管之间共用一个形成在衬底200的第一表面301上的P电极31。示例性地，在本实施例中，激光二极管芯片上形成有4个激光二极管，该4个激光二极管共用一个P电极31。P电极31可以通过向衬底300的第一表面301进行掺杂形成P型元素，例如硼等形成。示例性地，P电极31为P型重掺杂，即其掺杂浓度高于衬底300的掺杂浓度。
N电极32形成在衬底300的第二表面302上，并且相邻的N电极32彼此间隔分离布置。N电极32可以通过向衬底300的第二表面302掺杂N型元素，例如磷形成。示例性地，N电极32为N型重掺杂。在形成N电极32时，可以在衬底300的第二表面302上形成相应的掩膜层，通过掩膜层来定义N电极的形状、位置、大小以及相邻N电极32之间的间距(如前所述，在微纳加工中该间距的精度可以控制的很高)，然后以该掩膜层为掩膜进行离子注入或其他方式的掺杂来制作N电极32。进一步地，在本实施例中，示例性地，相邻的激光二极管30的N电极32之间通过位于衬底300的第二表面302上的本征掺杂区或轻掺杂区34隔离。本征掺杂区或轻掺杂区24指的是衬底200中相邻P电极21之间的区域，这些区域为衬底300的初始状态(本征或N型)，没有进一步掺杂，通过其可以实现相邻N电极32之间的隔离。当然，在其它实施例中，相邻的激光二极管30的N电极32之间通过位于衬底300的第二表面302上的隔离结构(例如STI)或隔离道等隔离。
发光区33位于P电极31和N电极32之间，当在N电极32上施加激励信号或驱动信号后，发光区33便可以发出激光脉冲信号。
本实施例的激光二极管芯片可以有多种实现方法，例如直接在P型衬底上制作多个N电极的方式或者其它方式等来制作。
如上，实施例一和实施例二中分别就激光二极管芯片的不同结构方式分别进行了说明，应当理解，本发明所述的激光二极管芯片由于能在采用N电极驱动时实现分时发光，因此使得既能够利用微纳加工工艺保证多线光 源之间相对位置的准确性，同时又能够实现各个光源之间的独立的快速驱动，并且在保证不会对人眼造成伤害的同时使激光雷达的测距性能、噪声特性达到最优。
实施例三
如图4所示，本发明所提供的距离探测装置401包括光发射模块410和反射光接收模块420。其中，光发射模块410包括至少一个激光二极管封装模块，用于发射光信号，且光发射模块410所发射的光信号覆盖距离探测装置401的视场角FOV；反射光接收模块420用于接收光发射模块410发射的光遇到待测物体后反射的光，并计算距离探测装置401距离所述待测物体的距离。
其中，所述激光二极管封装模块包括：基板，具有第一表面；罩体，设置在所述基板的第一表面上，所述基板和所述罩体之间形成容纳空间；以及设置于所述容纳空间内的上述的激光二极管，用于出射激光脉冲序列；其中，所述基板用于贴装于电路板上，以将所述激光二极管与所述电路板进行电连接。
示例性地，所述衬底的第一表面朝向所述基板的第一表面。
示例性地，在所述衬底和基板之间设置有用于缓冲热膨胀的过渡板。
示例性地，所述基板包括PCB基板或陶瓷基板。
示例性地，所述激光二极管中相邻的激光二极管的发光区之间的距离满足预设距离。
示例性地，所述激光二极管管封装模块中的至少部分不同激光二极管用于在不同时刻出射激光脉冲序列。
反射光接收模块420包括至少两个光电转换模块，分别与光发射模块410中的至少两个激光二极管芯片一一对应；其中，每个所述光电转换模块用于接收对应的激光二极管芯片所出射的激光脉冲序列经物体反射回的至少部分光束，以及将所述至少部分光束转换成电信号。
下面将参考图4描述光发射模块410及其工作原理。
如图4所示，光发射模块410可以包括光发射器411和光扩束单元412。其中，光发射器411用于发射光，光扩束单元412用于对光发射器411所 发射的光进行以下处理中的至少一项：准直、扩束、匀光和扩视场。光发射器411发出的光经过光扩束单元412的准直、扩束、匀光和扩FOV中的至少一项，使得出射光变得发散、分布均匀，能够覆盖场景中的一定的二维角度，如图4所示的，出射光能够覆盖待测物体的至少部分表面。
在一个示例中，光发射器411可以包括激光二极管。可选，光发射器411为一种激光发射装置，用于出射激光脉冲序列，其包括上述的激光二极管封装模块；电路板，所述激光二极管封装模块中的基板贴装于所述电路板上，以使所述激光二级管封装模块中的激光二极管与所述电路板电连接。示例性地，所述激光发射装置中的不同激光二极管的发光区之间的距离满足预设距离，使得每个所述发光区分别与所述光电转换模块一一对应。
对于光发射器411所发射光的波长，在一个示例中，可以选择波长位于895纳米到915纳米之间的光，例如选择905纳米波长的光。在另一个示例中，可以选择波长位于1540纳米到1560纳米之间的光，例如选择1550纳米波长的光。在其他示例中，也可以根据应用场景和各种需要选择其他合适波长的光。
在一个示例中，光扩束单元412可以采用一级或多级扩束系统来实现。其中，该光扩束处理可以是反射式的或透射式的，也可以是二者的结合。在一个示例中，可以采用全息滤光片(holographic filter)来得到多个子光束组成的大角度光束。
在又一个示例中，也可以采用激光二极管阵列，利用激光二极管形成多束光，也可以得到类似于扩束的激光(例如VCSEL阵列激光器)。
在再一个示例中，也可以采用二维角度可调的微机电系统(MEMS)透镜，对发出的光进行反射，通过驱动MEMS微镜时刻改变自身镜面与光束间的角度，使反射光的角度时刻在变化，从而发散成一个二维的角度，以覆盖待测物体的整个表面。
该距离探测装置用于感测外部环境信息，例如，环境目标的距离信息、角度信息、反射强度信息、速度信息等。具体地，本发明实施方式的距离探测装置可应用于移动平台，所述距离探测装置可安装在移动平台的平台本体。具有距离探测装置的移动平台可对外部环境进行测量，例如，测量 移动平台与障碍物的距离用于避障等用途，和对外部环境进行二维或三维的测绘。在某些实施方式中，移动平台包括无人飞行器、汽车和遥控车中的至少一种。当距离探测装置应用于无人飞行器时，平台本体为无人飞行器的机身。当距离探测装置应用于汽车时，平台本体为汽车的车身。当距离探测装置应用于遥控车时，平台本体为遥控车的车身。
由于光发射模块410发射的光能够覆盖待测物体的至少部分表面甚至整个表面，相应地，光到达物体表面后发生反射，反射光到达的反射光接收模块420也不是单点的，而是成阵列化分布的。
反射光接收模块420包括光电感测单元阵列421和透镜422。其中，从待测物体表面反射回来的光到达透镜422后，基于透镜成像的原理，可以到达光电感测单元阵列421中的相应的光电感测单元，然后被光电感测单元所接收，引起光电感测的光电响应。
由于自光出射到光电感测单元接收到反射光这一过程中，光发射器411和光电感测单元阵列421受时钟控制模块(例如包括在距离探测装置401内的如图4所示的时钟控制模块430，或者距离探测装置401之外的时钟控制模块)对它们进行同步时钟控制，因而根据飞行时间(TOF)原理，能够得到反射光到达的点与距离探测装置401的距离。
数据处理模块440用于根据每个所述光电转换模块输出的电信号，确定反射所述电信号对应的光束的物体与所述测距装置之间的距离。此外，由于光电感测单元不是单点的，而是光电感测单元阵列421，所以经过数据处理模块(例如包括在距离探测装置401内的如图4所示的数据处理模块440，或者距离探测装置401之外的数据处理模块)的数据处理能够得到整个距离探测装置视场内所有点的距离信息，即距离探测装置所面向的外界环境距离的点云数据。
基于前文所述的根据本发明实施例的激光二极管封装模块的结构和工作原理以及根据本发明实施例的距离探测装置的结构和工作原理，本领域技术人员可以理解根据本发明实施例的电子设备的结构和工作原理，为了简洁，此处不再赘述。
实施例四
本发明各个实施例提供的激光二极管芯片可以应用于测距装置，该测距 装置可以是激光雷达、激光测距设备等电子设备。在一种实施方式中，测距装置用于感测外部环境信息，例如，环境目标的距离信息、方位信息、反射强度信息、速度信息等。一种实现方式中，测距装置可以通过测量测距装置和探测物之间光传播的时间，即光飞行时间(Time-of-Flight，TOF)，来探测探测物到测距装置的距离。或者，测距装置也可以通过其他技术来探测探测物到测距装置的距离，例如基于相位移动(phase shift)测量的测距方法，或者基于频率移动(frequency shift)测量的测距方法，在此不做限制。
为了便于理解，以下将结合图5所示的测距装置500对测距的工作流程进行举例描述。
如图1所示，测距装置500可以包括发射电路510、接收电路520、采样电路530和运算电路540。
发射电路510可以发射光脉冲序列(例如激光脉冲序列)。接收电路520可以接收经过被探测物反射的光脉冲序列，并对该光脉冲序列进行光电转换，以得到电信号，再对电信号进行处理之后可以输出给采样电路530。采样电路530可以对电信号进行采样，以获取采样结果。运算电路540可以基于采样电路530的采样结果，以确定测距装置500与被探测物之间的距离。
可选地，该测距装置500还可以包括控制电路550，该控制电路550可以实现对其他电路的控制，例如，可以控制各个电路的工作时间和/或对各个电路进行参数设置等。
应理解，虽然图5示出的测距装置中包括一个发射电路、一个接收电路、一个采样电路和一个运算电路，但是本申请实施例并不限于此，发射电路、接收电路、采样电路、运算电路中的任一种电路的数量也可以是至少两个。
一些实现方式中，除了图5所示的电路，测距装置500还可以包括扫描模块，用于将发射电路出射的激光脉冲序列改变传播方向出射。
其中，可以将包括发射电路510、接收电路520、采样电路530和运算电路540的模块，或者，包括发射电路510、接收电路520、采样电路530、运算电路540和控制电路550的模块称为测距模块，该测距模块可以独立于其他模块，例如，扫描模块。
测距装置中可以采用同轴光路，也即测距装置出射的光束和经反射回来 的光束在测距装置内共用至少部分光路。或者，测距装置也可以采用异轴光路，也即测距装置出射的光束和经反射回来的光束在测距装置内分别沿不同的光路传输。图6示出了本发明的测距装置采用同轴光路的一种实施例的示意图。
测距装置600包括光收发装置610，光收发装置610包括光源603(包括上述的发射电路)、准直元件604、探测器605(可以包括上述的接收电路、采样电路和运算电路)和光路改变元件606。光收发装置610用于发射光束，且接收回光，将回光转换为电信号。光源603用于发射光束。在一个实施例中，光源603可发射激光束。可选的，光源603发射出的激光束为波长在可见光范围之外的窄带宽光束。准直元件604设置于光源的出射光路上，用于准直从光源603发出的光束，将光源603发出的光束准直为平行光。准直元件还用于会聚经探测物反射的回光的至少一部分。该准直元件604可以是准直透镜或者是其他能够准直光束的元件。
在图6所示实施例中，通过光路改变元件606来将测距装置内的发射光路和接收光路在准直元件604之前合并，使得发射光路和接收光路可以共用同一个准直元件，使得光路更加紧凑。在其他的一些实现方式中，也可以光源603和探测器605分别使用各自的准直元件，将光路改变元件606设置在准直元件之后。
在图6所示实施例中，由于光源603出射的光束的光束发散角较小，测距装置所接收到的回光的光束发散角较大，所以光路改变元件可以采用小面积的反射镜来将发射光路和接收光路合并。在其他的一些实现方式中，光路改变元件也可以采用带通孔的反射镜，其中该通孔用于透射光源603的出射光，反射镜用于将回光反射至探测器605。这样可以减小采用小反射镜的情况中小反射镜的支架会对回光的遮挡的情况。
在图6所示实施例中，光路改变元件偏离了准直元件604的光轴。在其他的一些实现方式中，光路改变元件也可以位于准直元件604的光轴上。
测距装置600还包括扫描模块602。扫描模块602放置于光收发装置610的出射光路上，扫描模块602用于改变经准直元件604出射的准直光束619的传输方向并投射至外界环境，并将回光投射至准直元件604。回光经准直 元件604汇聚到探测器605上。
在一个实施例中，扫描模块602可以包括一个或多个光学元件，例如，透镜、反射镜、棱镜、光栅、光学相控阵(Optical Phased Array)或上述光学元件的任意组合。在一些实施例中，扫描模块602的多个光学元件可以绕共同的轴609旋转，每个旋转的光学元件用于不断改变入射光束的传播方向。在一个实施例中，扫描模块602的多个光学元件可以以不同的转速旋转。在另一个实施例中，扫描模块602的多个光学元件可以以基本相同的转速旋转。
在一些实施例中，扫描模块的多个光学元件也可以是绕不同的轴旋转。在一些实施例中，扫描模块的多个光学元件也可以是以相同的方向旋转，或以不同的方向旋转；或者沿相同的方向振动，或者沿不同的方向振动，在此不作限制。
在一个实施例中，扫描模块602包括第一光学元件614和与第一光学元件614连接的驱动器616，驱动器616用于驱动第一光学元件614绕转动轴609转动，使第一光学元件614改变准直光束619的方向。第一光学元件614将准直光束619投射至不同的方向。在一个实施例中，准直光束619经第一光学元件改变后的方向与转动轴609的夹角随着第一光学元件614的转动而变化。在一个实施例中，第一光学元件614包括相对的非平行的一对表面，准直光束619穿过该对表面。在一个实施例中，第一光学元件614包括厚度沿至少一个径向变化的棱镜。在一个实施例中，第一光学元件614包括楔角棱镜，对准直光束619进行折射。在一个实施例中，第一光学元件614上镀有增透膜，增透膜的厚度与光源603发射出的光束的波长相等，能够增加透射光束的强度。
在一个实施例中，扫描模块602还包括第二光学元件615，第二光学元件615绕转动轴609转动，第二光学元件615的转动速度与第一光学元件614的转动速度不同。第二光学元件615用于改变第一光学元件614投射的光束的方向。在一个实施例中，第二光学元件615与另一驱动器617连接，驱动器617驱动第二光学元件615转动。第一光学元件614和第二光学元件615可以由不同的驱动器驱动，使第一光学元件614和第二光学元件615的转速不同，从而将准直光束619投射至外界空间不同的方向，可以扫描较大的空 间范围。在一个实施例中，控制器618控制驱动器616和617，分别驱动第一光学元件614和第二光学元件615。第一光学元件614和第二光学元件615的转速可以根据实际应用中预期扫描的区域和样式确定。驱动器616和617可以包括电机或其他驱动装置。
在一个实施例中，第二光学元件615包括相对的非平行的一对表面，光束穿过该对表面。在一个实施例中，第二光学元件615包括厚度沿至少一个径向变化的棱镜。在一个实施例中，第二光学元件615包括楔角棱镜。在一个实施例中，第二光学元件615上镀有增透膜，能够增加透射光束的强度。
扫描模块602旋转可以将光投射至不同的方向，例如方向611和613，如此对测距装置600周围的空间进行扫描。当扫描模块602投射出的光611打到探测物601时，一部分光被探测物601沿与投射的光611相反的方向反射至测距装置600。扫描模块602接收探测物601反射的回光612，将回光612投射至准直元件604。
准直元件604会聚探测物601反射的回光612的至少一部分。在一个实施例中，准直元件604上镀有增透膜，能够增加透射光束的强度。探测器605与光源603放置于准直元件604的同一侧，探测器605用于将穿过准直元件604的至少部分回光转换为电信号。
在一些实施例中，光源603可以包括激光二极管，通过激光二极管发射纳秒级别的激光。例如，光源603发射的激光脉冲持续10ns。进一步地，可以确定激光脉冲接收时间，例如，通过探测电信号脉冲的上升沿时间和/或下降沿时间确定激光脉冲接收时间。如此，测距装置600可以利用脉冲接收时间信息和脉冲发出时间信息计算TOF，从而确定探测物601到测距装置600的距离。
测距装置600探测到的距离和方位可以用于遥感、避障、测绘、建模、导航等。
在一种实施方式中，本发明实施方式的测距装置可应用于移动平台，测距装置可安装在移动平台的平台本体。具有测距装置的移动平台可对外部环境进行测量，例如，测量移动平台与障碍物的距离用于避障等用途，和对外部环境进行二维或三维的测绘。在某些实施方式中，移动平台包括无人飞行 器、汽车、遥控车、机器人、相机中的至少一种。当测距装置应用于无人飞行器时，平台本体为无人飞行器的机身。当测距装置应用于汽车时，平台本体为汽车的车身。该汽车可以是自动驾驶汽车或者半自动驾驶汽车，在此不做限制。当测距装置应用于遥控车时，平台本体为遥控车的车身。当测距装置应用于机器人时，平台本体为机器人。当测距装置应用于相机时，平台本体为相机本身。
尽管这里已经参考附图描述了示例实施例，应理解上述示例实施例仅仅是示例性的，并且不意图将本发明的范围限制于此。本领域普通技术人员可以在其中进行各种改变和修改，而不偏离本发明的范围和精神。所有这些改变和修改意在被包括在所附权利要求所要求的本发明的范围之内。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个设备，或一些特征可以忽略，或不执行。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该本发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如相应的权利要求书所反映的那样，其发明点在于可以用少于某个公开的单个实施例的所有 特征的特征来解决相应的技术问题。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
本领域的技术人员可以理解，除了特征之间相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的替代特征来代替。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本发明实施例的一些模块的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式或对具体实施方式的说明，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明 揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (22)

  1. 一种激光二极管芯片，其特征在于，包括：
    衬底，具有第一表面和第二表面；
    激光二极管阵列，包括形成在所述衬底上的至少两个激光二极管；
    其中，每个所述激光二极管的P电极均形成在所述衬底的第一表面上，每个所述激光二极管的N电极均形成在所述衬底的第二表面上，每个所述激光二极管的发光区分别形成在所在的激光二极管的P电极和N电极之间；
    其中，所述激光二极管采用N电极驱动方式，且相邻的所述激光二极管的所述N电极之间彼此隔离。
  2. 根据权利要求1所述的激光二极管芯片，其特征在于，还包括设置在相邻的所述激光二极管的所述N电极之间的隔离道，用于实现相邻的所述N电极之间的隔离。
  3. 根据权利要求2所述的激光二极管芯片，其特征在于，所述隔离道包括在所述相邻的所述N电极之间通过刻蚀或切割形成的凹槽。
  4. 根据权利要求3所述的激光二极管芯片，其特征在于，所述凹槽内还填充有空气或绝缘材料。
  5. 根据权利要求2所述的激光二极管芯片，其特征在于，所述隔离道在所述衬底厚度方向的尺寸大于或等于所述N电极的在所述衬底厚度方向尺寸，且小于所述衬底的厚度。
  6. 根据权利要求3所述的激光二极管芯片，其特征在于，每个所述激光二极管的N电极由形成在所述衬底的第二表面上的一个公用N电极切割而成。
  7. 根据权利要求6所述的激光二极管芯片，其特征在于，所述N电极在所述衬底长度方向的尺寸大于所述P电极在所述衬底长度方向的尺寸。
  8. 根据权利要求2所述的激光二极管芯片，其特征在于，相邻的所述激光二极管的所述P电极之间通过位于所述衬底的第一表面上的本征掺 杂区或轻掺杂区隔离。
  9. 根据权利要求2所述的激光二极管芯片，其特征在于，所述衬底为本征半导体衬底或N型半导体衬底。
  10. 根据权利要求1所述的激光二极管芯片，其特征在于，相邻的所述激光二极管的所述N电极之间通过位于所述衬底的第二表面上的本征掺杂区或轻掺杂区隔离。
  11. 根据权利要求10所述的激光二极管芯片，其特征在于，所述至少两个激光二极管之间共用一个形成在所述衬底的第一表面上的P电极。
  12. 根据权利要求10所述的激光二极管芯片，其特征在于，所述衬底为本征半导体衬底或P型半导体衬底。
  13. 一种激光二极管封装模块，其特征在于，所述封装模块包括：
    基板，具有第一表面；
    罩体，设置在所述基板的第一表面上，所述基板和所述罩体之间形成容纳空间；
    以及设置于所述容纳空间内的如权利要求1至11之一所述的激光二极管，用于出射激光脉冲序列；
    其中，所述基板用于贴装于电路板上，以将所述激光二极管与所述电路板进行电连接。
  14. 根据权利要求13所述的激光二极管封装模块，其特征在于，所述衬底的第一表面朝向所述基板的第一表面。
  15. 根据权利要求13所述的激光二极管封装模块，其特征在于，在所述衬底和基板之间设置有用于缓冲热膨胀的过渡板。
  16. 根据权利要求13所述的激光二极管封装模块，其特征在于，所述基板包括PCB基板或陶瓷基板。
  17. 根据权利要求13所述的激光二极管封装模块，其特征在于，所述激光二极管中相邻的激光二极管的发光区之间的距离满足预设距离。
  18. 根据权利要求13所述的激光二极管封装模块，其特征在于，所述激光二极管管封装模块中的至少部分不同激光二极管用于在不同时刻出射激光脉冲序列。
  19. 一种激光发射装置，其特征在于，包括：
    权利要求13至16之一所述的激光二极管封装模块；
    电路板，所述激光二极管封装模块中的基板贴装于所述电路板上，以使所述激光二级管封装模块中的激光二极管与所述电路板电连接。
  20. 一种测距装置，其特征在于，包括：
    如权利要求19所述的激光发射装置，用于出射激光脉冲序列；
    至少两个光电转换模块，分别与所述激光发射装置中的至少两个激光二极管芯片一一对应；
    其中，每个所述光电转换模块用于接收对应的激光二极管芯片所出射的激光脉冲序列经物体反射回的至少部分光束，以及将所述至少部分光束转换成电信号；
    数据处理模块，用于根据每个所述光电转换模块输出的电信号，确定反射所述电信号对应的光束的物体与所述测距装置之间的距离。
  21. 根据权利要求20所述的测距装置，其特征在于，所述激光发射装置中的不同激光二极管的发光区之间的距离满足预设距离，使得每个所述发光区分别与所述光电转换模块一一对应。
  22. 一种电子设备，其特征在于，包括权利要求13至16之一所述的激光二极管封装模块，所述电子设备包括无人机、自动驾驶汽车或机器人。
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