WO2022069733A1 - Optoelectronic arrangement for generating a light pattern, method for producing same, and depth detection system - Google Patents

Optoelectronic arrangement for generating a light pattern, method for producing same, and depth detection system Download PDF

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optics
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optoelectronic arrangement
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Hubert Halbritter
Bruno JENTZSCH
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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    • H01S5/125—Distributed Bragg reflector [DBR] lasers

Definitions

  • the present invention relates to an optoelectronic arrangement for generating a light pattern in a far field. Furthermore, a production method for such an optoelectronic arrangement and a depth detection system including this are mentioned.
  • DE 102016116468 A1 discloses an electromagnetic arrangement with a superluminescence diode chip and a diffractive optical element for generating light patterns, in particular point patterns, the arrangement being used for a depth detection system.
  • a superluminescent diode chip in the form of a surface emitter is described, which excites a single mode in a direction parallel to the chip surface and includes a deflection mirror for vertical radiation decoupling.
  • surface-emitting lasers with a resonator axis parallel to the main extension direction of the active zone and a semiconductor layer sequence with facets at an angle of 45° to the resonator axis are disclosed by DE 102018105080 A1 and DE 102019100532 A1.
  • An alternative embodiment of a depth detection system is specified by DE 102015122627 A1. Mentioned is an optoelectronic arrangement with an IR light-emitting diode chip, which is structured laterally to produce a two-dimensional point pattern. On the top of the light-emitting diode chip, an aperture element is arranged, which radiates the electromagnetic radiation of the individual radiation points partially parallelized, the apertures are preferably formed so that only one fundamental mode is emitted. To further narrow the solid angle range of the radiation emission, operation in the superluminescence mode can take place. A further improvement in steel quality results when lasers in the form of VCSEls (vertical-cavity surface-emitting lasers) are used instead of light-emitting diodes. Depth-sensing systems with VCSELs typically have a high number of laser units on a relatively large support surface and separate assembly-forming optics for imaging into the far field, the latter requiring complex adjustment.
  • the invention is based on the object of specifying an optoelectronic arrangement for generating a light pattern, which is designed as a compact structural unit and provides a high luminosity and a high pattern density. Furthermore, a depth detection system with a good detection quality is to be specified, which includes such a compact optoelectronic arrangement.
  • An optical depth detection system is the subject of claim 16 and claim 17 deals with a manufacturing method.
  • the optoelectronic arrangement according to the invention for generating a light pattern comprises optics and an optoelectronic chip with a plurality of surface-emitting semiconductor lasers, the optics being integrally connected to the optoelectronic chip.
  • Each of the surface-emitting semiconductor lasers, to which a layer growth direction is assigned comprises a waveguide with a resonator axis that is aligned parallel to the main extension direction of the active zone and perpendicular to the layer growth direction, and at least one facet that is inclined to the resonator axis, in particular at least one 45° facet, for the beam decoupling in a vertical emission direction.
  • the vertical emission direction is defined as parallel to the layer growth direction of the stack sequence of the surface-emitting semiconductor lasers and runs at right angles to the respective resonator axis. Consequently, in-plane amplif ying surface emitting lasers, hereinafter “lateral resonator surface emitters” for short, produced in a common layer growth and structuring process, are used for the optoelectronic chip.
  • an optical system resulting from a separate production process can be placed directly on the optoelectronic chip, for example by means of wafer bonding, and can be connected to it in a cohesive manner, for example by gluing.
  • the positional tolerance of the two-dimensional emission pattern and of the adjustment marks on the optoelectronic chip for attaching the optics is only limited by the lithography resolution.
  • the optics and the optoelectronic chip are created in a common layer growth and structuring process.
  • the resonator axes of at least two lateral resonator surface emitters of the optoelectronic chip run parallel, it being preferred that at least part of the two-dimensional emission pattern forms a symmetrical arrangement on the surface of the optoelectronic chip.
  • the two-dimensional emission pattern and/or the arrangement of the waveguides of the lateral resonator surface emitters represents a pseudo-random arrangement.
  • the areal density of the lateral resonator surface emitters on the optoelectronic chip is increased by overlapping the waveguides of at least two lateral resonator surface emitters and/or at least one waveguide arrangement stacked in the layer growth direction. In this way, the area occupied by the emission pattern on the surface of the optoelectronic chip can be reduced, with the associated further reduction in the expansion of the beam bundle improving the ability of the optics to be integrated on the optoelectronic chip.
  • a minimum intersection angle of greater than 15° and preferably greater than 20° is maintained in each case.
  • the minimum angle of intersection is determined by the two resonator axes of the intersecting waveguides.
  • the embodiment variant for which the waveguides are stacked one on top of the other in the direction of layer growth when viewed in the direction of emission requires multi-step epitaxy to produce the layer, for which purpose molecular beam epitaxy (MBE) can be used.
  • MBE molecular beam epitaxy
  • a triple-stack structure can be formed for a possible execution.
  • configurations are conceivable for which the resonator axes for at least two waveguides assigned to different layers run parallel.
  • the two-dimensional emission pattern comprises at least two emission sub-patterns with a different mean distance between the semiconductor lasers assigned to the respective emission sub-pattern, each of the emission sub-patterns being separately controllable.
  • the second partial emission pattern can consist of a first partial emission pattern and the connection of further emitting laser light sources that reduce the average distance or of emitting laser light sources that do not belong to the first partial emission pattern.
  • the optics are designed in such a way that the first partial emission pattern is imaged onto a first light pattern in a first image plane and the second partial emission pattern onto a second light pattern in a second image plane.
  • a configuration of the lateral resonator surface emitters in particular for the infrared range, is preferred which allows the excitation of a single mode in a direction parallel to the surface of the optoelectronic chip.
  • the lateral resonator surface emitters enable wavelength stabilization that is simplified in terms of design and production technology.
  • a partially transparent Bragg mirror is provided in the beam path after the emission-side 45° facet with a flank in the gain area.
  • the optics used for the optoelectronic arrangement according to the invention has a multiplication optics which allows the number of lateral resonator surface emitters of the optoelectronic chip to be reduced.
  • the selected number of high-emission lateral resonator surface emitters is converted into a higher number of light pattern elements, in particular points of light, on an object to be illuminated by the duplication optics in the far field.
  • the optics also has collimation optics and/or imaging optics preceding the duplication optics in the beam path, which consist of either a plurality of partial optics, each of which is assigned to one of the Are assigned lateral resonator surface emitter, or the two-dimensional emission pattern on the surface of the optoelectronic chip is detected by an optical component as a whole.
  • the optics of the optoelectronic arrangement according to the invention can comprise one or more diffractive optical elements. Furthermore, the optics can contain a photonic crystal and/or a metamaterial that has a negative real part of the complex refractive index. These enable designs of the optics that fulfill the tasks of collimation, imaging and duplication of the two-dimensional emission pattern on the surface of the optoelectronic chip using a single optical element.
  • the optoelectronic arrangement forms a component of a depth detection system, which typically includes an image sensor sensitive to electromagnetic radiation, in particular a CCD sensor, and control circuits.
  • the light patterns generated by the optoelectronic arrangement strike objects in the far field and are backscattered.
  • the reflected electromagnetic radiation is recorded by the image sensor, so that information on object positions and their movements can be obtained with the aid of evaluation electronics.
  • this provides a high luminosity and a high pattern density, resulting in a depth detection system with a good detection quality that results for a preferred embodiment by the Using wavelength-stabilized lateral resonator surface emitters can be further improved.
  • the method according to the invention for producing an optoelectronic arrangement for generating a light pattern comprises the formation of a cohesive connection between optics, which includes duplication optics, and an optoelectronic chip with a plurality of surface-emitting semiconductor lasers, which are embodied as lateral resonator surface emitters.
  • optics which includes duplication optics
  • the optics are produced separately on a transparent carrier substrate and, in a further process step, are integrally connected to the optoelectronic chip by wafer bonding.
  • the optics and the optoelectronic chip are created by a common layer growth and structuring process.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of the optoelectronic arrangement according to the invention in a sectional view.
  • Fig. 2 shows a second embodiment of the optoelectronic arrangement according to the invention in a sectional view.
  • Fig. 3-5 show embodiment variants for a two-dimensional emission pattern that is generated by an optoelectronic chip of the optoelectronic arrangement according to the invention.
  • Fig. 6 shows an exemplary embodiment of the optoelectronic arrangement according to the invention with lateral resonator surface emitters in a stacked arrangement.
  • Fig. 7 shows a further development of a depth detection system with an optoelectronic arrangement according to the invention.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section of an optoelectronic arrangement 1 according to the invention, which is used to generate a light pattern (not shown in detail) lying in the far field.
  • a module 2 is shown with a material connection between an optoelectronic chip 3 that generates a two-dimensional emission pattern 14 and an optical system 4 that at least realizes the task of duplicating the two-dimensional emission pattern 14 and imaging it into the far field.
  • the optoelectronic chip 3 has a plurality of surface-emitting semiconductor lasers 5 . 1 , 5 . 2 to which a layer growth direction 6 is assigned.
  • the formation of the materially connected module 20 requires the smallest possible beam extension (etendue) of the surface-emitting semiconductor lasers 5 . 1 , 5 . 2 generated, two-dimensional emission pattern 14 .
  • the optics 4 comprise the above-mentioned multiplication optics 18 and, in addition, the surface-emitting semiconductor lasers 5 . 1 , 5 . 2 designed as a lateral resonator surface emitter 7, in particular for emission in the infrared range, which are characterized by a high radiation intensity and a high beam quality.
  • Each of the lateral resonator surface emitters 7 comprises one enclosed between cladding layers in the layer sequence Waveguide 8 with an associated resonator axis 9 which is aligned parallel to the main extension direction 10 of an active zone 11 and perpendicular to the layer growth direction 6 .
  • Facets 12 running at an angle of 45% to the resonator axis 9 adjoin the waveguide 8 . 1 , 12 . 2 at and following in the beam path direction is a highly reflective first Bragg mirror 28 at the end facet 12 . 1 and a second, partially reflecting Bragg mirror 29 on the emission-side facet 12 . 2 , at which the beam is coupled out in a vertical emission direction 13 parallel to the layer growth direction 6 .
  • 1 a vertically oriented, highly reflective Bragg mirror 43 . 1, 43. 2 on .
  • a partially transparent, second Bragg mirror 29 is provided with a slope in the gain range for wavelength stabilization, so that the thermally induced wavelength shift is less than 0.3 nm/K in normal operation.
  • an embodiment of the lateral resonator surface emitter for single-mode operation is preferred.
  • the typical resonator widths are 1 - 12 pm and the typical waveguide lengths are over 100 pm.
  • the two-dimensional emission pattern 14 generated by the lateral resonator surface emitter 7 on the surface 15 of the optoelectronic chip 3 is imaged by the optics 4 following in the beam path by means of a multiplication optics 18 in a higher number of luminous points and in a far field that is safe for the eyes.
  • This is not shown in detail in the schematic FIG.
  • each of the partial optics 32.1, 32.2 can have a diffractive optical element 34.
  • FIG. 2 shows an alternative embodiment of the optoelectronic arrangement 1 according to the invention, the same reference symbols being assigned to the components that correspond to those described above.
  • an imaging optics 31 arranged in the beam path in front of the duplication optics 18, which takes the two-dimensional emission pattern 14.1 as a whole.
  • the optics 4 can have a metamaterial that is characterized by a negative real part of the complex refractive index and by a cell size that is well below a quarter of the emitted wavelength. Such a metamaterial makes it possible to combine optical components 33 or the entire optics 4 in one element.
  • FIG. 3 shows a possible embodiment of the two-dimensional emission pattern 14.1 on the surface 15 of the optoelectronic chip 3. It can be seen that the lateral resonator surface emitters 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 form a symmetrical arrangement 21 with respect to their emission location. For an alternative configuration outlined in FIG. 4, the emission locations of the lateral resonator surface emitters 7.5, 7.6 and the associated waveguides 8.1, 8.2 form a pseudo-random arrangement 22.
  • At least two of the lateral resonator surface emitters 7.7, 7.8 are in the plane of the waveguides 8.3 8.4 cross.
  • the intersection angle 23, which is defined by the intersecting resonator axes 9.1, 9.2 of the two lateral resonator surface emitters 7.7, 7.8, should be greater than 15° and preferably greater than 20°.
  • FIG. 6 shows a sectional view of an embodiment for which a particularly high areal density of the two-dimensional emission pattern 14 is achieved by stacking the lateral resonator surface emitters 7.7, 7.8 in the layer growth direction 6, so that the integral assembly of the optics is additionally simplified.
  • the layer sequence shown can be produced by multi-step epitaxy, for example by a molecular beam method.
  • FIG. 7 shows a development of the invention for a depth detection system 37 for which the optoelectronic arrangement 1 according to the invention is held by a component carrier 41 on the side of the substrate 17 . Furthermore, a CCD sensor 40 is associated with a
  • Control circuit 42 is provided which picks up the radiation reflected back from the illuminated object.
  • the optoelectronic arrangement 1 generates a first partial emission pattern 24 which is imaged onto a first light pattern 2.1 in a first image plane 26 in the far field 19.
  • a second partial emission pattern 25 is generated, which leads to a second light pattern 2.2 in a second image plane 27.
  • a possible configuration is shown in Figure 3, with the lateral resonator surface emitter 7.1 in the first column 38 being assigned to the first partial emission pattern 24 and the lateral resonator surface emitters 7.2, 7.3, 7.3 of the other columns being assigned to the second partial emission pattern 25, the more Emission locations as the first emission sub-pattern 24 has.
  • the emission sub-patterns 24, 25 differ with regard to the mean distance between the emission locations.
  • the two-dimensional emission pattern 14 . 1 of the depth detection system 37 can be adapted to an object distance, with objects that are further away being illuminated by additional light patterns.
  • Component carrier St your circuit vertically oriented, highly reflective Bragg mirror

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Abstract

The invention relates to an optoelectronic arrangement for generating a light pattern, comprising an optoelectronic chip with a plurality of surface emitting semiconductor lasers, to which a layer growth direction is assigned, each of the surface emitting semiconductor lasers being configured as a lateral resonator surface emitter and having a waveguide with a resonator axis oriented parallel to the main direction of extent of an active zone and perpendicular to the layer growth direction, and having a facet situated obliquely to the resonator axis, for beam output coupling in a vertical emission direction parallel to the layer growth direction; the lateral resonator surface emitters being configured for generating a two-dimensional emission pattern on a surface of the optoelectronic chip; and an optical unit disposed downstream of the two-dimensional emission pattern in the beam path, with a duplicating optical unit for increasing the number of luminous points in the far field; the optical unit and the optoelectronic chip forming an integrally bonded module.

Description

OPTOELEKTRONISCHE ANORDNUNG ZUR ERZEUGUNG EINES LICHTMUSTERS , VERFAHREN ZU DESSEN HERSTELLUNG UND TIEFENERFASSUNGSSYSTEM OPTOELECTRONIC ARRANGEMENT FOR GENERATION OF A LIGHT PATTERN, METHOD FOR PRODUCTION THEREOF AND DEPTH DETECTION SYSTEM
Die vorliegende Anmeldung nimmt die Priorität der deutschen Patentanmeldung Nr . 10 2020 125 899 . 2 , vom 02 . Oktober 2020 , in Anspruch, deren Offenbarungsgehalt hiermit in die vorliegende Anmeldung auf genommen wird . The present application takes the priority of the German patent application no. 10 2020 125 899 . 2, from 02. October 2020, the disclosure content of which is hereby incorporated into the present application.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optoelektronische Anordnung zur Erzeugung eines Lichtmusters in einem Fernfeld . Des Weiteren wird ein Herstellungsverfahren für eine solche optoelektronische Anordnung und eine diese umfassendes Tiefenerfassungssystem genannt . The present invention relates to an optoelectronic arrangement for generating a light pattern in a far field. Furthermore, a production method for such an optoelectronic arrangement and a depth detection system including this are mentioned.
Aus DE 102016116468 Al ist eine elektromagnetische Anordnung mit einem Superlumineszenzdiodenchip und einem diffraktiven optischen Element zur Erzeugung von Lichtmustern, insbesondere Punktmustern, bekannt , wobei die Anordnung für ein Tiefenerfassungssystem verwendet wird . Beschrieben ist ein Superlumineszenzdiodenchip in Form eines Oberflächenemitters , der eine Einzelmode in einer zur Chipoberfläche parallelen Richtung anregt und einen Umlenkspiegel zur vertikalen Strahlungsaus kopplung umfasst . Des Weiteren werden oberflächenemittierende Laser mit einer Resonatorachse parallel zur Haupterstreckungsrichtung der aktiven Zone und einer Halbleiterschichtfolge mit in einem Winkel von 45 ° zur Resonatorachse stehenden Facetten durch DE 102018105080 Al und DE 102019100532 Al offenbart . DE 102016116468 A1 discloses an electromagnetic arrangement with a superluminescence diode chip and a diffractive optical element for generating light patterns, in particular point patterns, the arrangement being used for a depth detection system. A superluminescent diode chip in the form of a surface emitter is described, which excites a single mode in a direction parallel to the chip surface and includes a deflection mirror for vertical radiation decoupling. Furthermore, surface-emitting lasers with a resonator axis parallel to the main extension direction of the active zone and a semiconductor layer sequence with facets at an angle of 45° to the resonator axis are disclosed by DE 102018105080 A1 and DE 102019100532 A1.
Eine alternative Ausführung eines Tiefenerfassungssystems wird durch DE 102015122627 Al angegeben . Genannt ist eine optoelektronische Anordnung mit einem IR-Leuchtdiodenchip , der zur Erzeugung eines zweidimensionalen Punktmusters lateral strukturiert ist . Auf der Oberseite des Leuchtdiodenchips ist ein Blendenelement angeordnet , das die abgestrahlte elektromagnetische Strahlung der einzelnen Strahlungspunkte teilweise parallelisiert , wobei die Blendenöffnungen bevorzugt so ausgebildet sind, dass nur eine Grundmode emittiert wird . Zur weiteren Verengung des Raumwinkelbereichs der Strahlungsabgabe kann ein Betrieb im Superlumines zenzmodus erfolgen . Eine weitere Verbesserung der Stahlqualität ergibt sich dann, wenn anstatt Leuchtdioden Laser in Form von VCSEls (vertical-cavity surface-emitting laser ) verwendet werden . Tiefenerfassungssysteme mit VCSELs weisen typischerweise eine hohe Anzahl von Lasereinheiten auf einer relativ großen Trägerfläche und separate Baueinheiten bildende Optiken zur Abbildung ins Fernfeld auf , wobei für Letztere eine komplexe Justage notwendig ist . An alternative embodiment of a depth detection system is specified by DE 102015122627 A1. Mentioned is an optoelectronic arrangement with an IR light-emitting diode chip, which is structured laterally to produce a two-dimensional point pattern. On the top of the light-emitting diode chip, an aperture element is arranged, which radiates the electromagnetic radiation of the individual radiation points partially parallelized, the apertures are preferably formed so that only one fundamental mode is emitted. To further narrow the solid angle range of the radiation emission, operation in the superluminescence mode can take place. A further improvement in steel quality results when lasers in the form of VCSEls (vertical-cavity surface-emitting lasers) are used instead of light-emitting diodes. Depth-sensing systems with VCSELs typically have a high number of laser units on a relatively large support surface and separate assembly-forming optics for imaging into the far field, the latter requiring complex adjustment.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde , eine optoelektronische Anordnung zur Erzeugung eines Lichtmusters anzugeben, die als kompakte Baueinheit ausgebildet ist und eine hohe Leuchtstärke sowie eine hohe Musterdichte liefert . Des Weiteren ist ein Tiefenerfassungssystem mit einer guten Erfassungsgüte anzugeben, das eine solche kompakte optoelektronische Anordnung umfasst . The invention is based on the object of specifying an optoelectronic arrangement for generating a light pattern, which is designed as a compact structural unit and provides a high luminosity and a high pattern density. Furthermore, a depth detection system with a good detection quality is to be specified, which includes such a compact optoelectronic arrangement.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst . Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen genannt . Ein optisches Tiefenerfassungssystem ist Gegenstand von Anspruch 16 und Anspruch 17 behandelt ein Herstellungsverfahren . The object is solved by the features of claim 1 . Advantageous designs are specified in the dependent claims. An optical depth detection system is the subject of claim 16 and claim 17 deals with a manufacturing method.
Die erfindungsgemäße optoelektronische Anordnung zur Erzeugung eines Lichtmusters umfasst eine Optik und einen optoelektronischen Chip mit mehreren oberflächenemittierenden Halbleiterlasern, wobei die Optik stoff schlüssig mit dem optoelektronischen Chip verbunden ist . Jeder der oberflächenemittierenden Halbleiterlaser, denen eine Schichtwachstumsrichtung zugeordnet ist , umfasst einen Wellenleiter mit einer Resonatorachse , die parallel zur Haupterstreckungsrichtung der aktiven Zone und senkrecht zur Schichtwachstumsrichtung ausgerichtet ist , und mindestens eine schräg zur Resonatorachse stehende Facette , insbesondere mindestens eine 45 ° -Facette , für die Strahlauskopplung in eine vertikale Emissionsrichtung . Dabei ist die vertikale Emissionsrichtung als parallel zur Schichtwachstumsrichtung der Stapelabfolge der oberflächenemittierenden Halbleiterlaser definiert und verläuft rechtwinklig zur j eweiligen Resonatorachse . Mithin werden in einem gemeinsamen Schichtwachstums- und Strukturierungsprozess hergestellte In- Plane-Amplif ying-Surf ace-Emitting-Laser , im Folgenden kurz „Lateralresonator-Oberflächenemitter" , für den optoelektronischen Chip verwendet . The optoelectronic arrangement according to the invention for generating a light pattern comprises optics and an optoelectronic chip with a plurality of surface-emitting semiconductor lasers, the optics being integrally connected to the optoelectronic chip. Each of the surface-emitting semiconductor lasers, to which a layer growth direction is assigned, comprises a waveguide with a resonator axis that is aligned parallel to the main extension direction of the active zone and perpendicular to the layer growth direction, and at least one facet that is inclined to the resonator axis, in particular at least one 45° facet, for the beam decoupling in a vertical emission direction. In this case, the vertical emission direction is defined as parallel to the layer growth direction of the stack sequence of the surface-emitting semiconductor lasers and runs at right angles to the respective resonator axis. Consequently, in-plane amplif ying surface emitting lasers, hereinafter “lateral resonator surface emitters” for short, produced in a common layer growth and structuring process, are used for the optoelectronic chip.
Damit liegt auf der Oberfläche des optoelektronischen Chips ein zweidimensionales Emissionsmuster mit mehreren in Richtung der Oberflächennormale emittierenden Laserlichtquellen so hoher Leistung vor, dass deren Anzahl und die vom Emissionsmuster insgesamt eingenommene Fläche reduziert werden kann . Die daraus resultierende Verringerung der Strahlbündelausdehnung ( Etendue ) ermöglicht , die im Strahlengang nachfolgende Optik der erfindungsgemäßen optoelektronischen Anordnung, die eine Vervielfältigungsoptik zur Erhöhung der Leuchtpunkteanzahl im Fernfeld umfasst , besonders kleinbauend aus zubilden und den optoelektronischen Chip und die Optik auf demselben Trägerchip als stoff schlüssig verbundenes Modul anzulegen . Dabei kann eine aus einem separaten Herstellungsprozess resultierende Optik, beispielsweise mittels Waferbonding , direkt auf dem optoelektronischen Chip aufgesetzt und, beispielweise durch Verkleben, stoff schlüssig mit diesem verbunden werden . Die Positionstoleranz des zweidimensionalen Emissionsmusters und der Justagemarken auf dem optoelektronischen Chip für das Aufsetzen der Optik ist lediglich durch die Lithographieauf lösung begrenzt . Alternativ werden die Optik und der optoelektronische Chip in einem gemeinsamen Schichtwachstums- und Strukturierungsprozess erstellt . There is thus a two-dimensional emission pattern on the surface of the optoelectronic chip with a plurality of laser light sources emitting in the direction of the normal to the surface of such high power that their number and the total area occupied by the emission pattern can be reduced. The resulting reduction in the beam extension (etendue) enables the optics of the optoelectronic arrangement according to the invention, which follow in the beam path and which includes a multiplication optics to increase the number of light points in the far field, to be particularly compact and to construct the optoelectronic chip and the optics on the same carrier chip as a cohesively connected to create a module. In this case, an optical system resulting from a separate production process can be placed directly on the optoelectronic chip, for example by means of wafer bonding, and can be connected to it in a cohesive manner, for example by gluing. The positional tolerance of the two-dimensional emission pattern and of the adjustment marks on the optoelectronic chip for attaching the optics is only limited by the lithography resolution. Alternatively, the optics and the optoelectronic chip are created in a common layer growth and structuring process.
Für ein Ausführungsbeispiel verlaufen die Resonatorachsen von mindestens zwei Lateralresonator-Oberflächenemittern des optoelektronischen Chips parallel , wobei bevorzugt ist , dass wenigstens ein Teil des zweidimensionalen Emissionsmusters eine symmetrische Anordnung auf der Oberfläche des optoelektronischen Chips bildet . Für eine weitere Ausführungsvariante stellt das zweidimensionale Emissionsmuster und/oder die Anordnung der Wellenleiter der Lateralresonator-Oberflächenemitter eine pseudo-zuf ällige Anordnung dar . For one embodiment, the resonator axes of at least two lateral resonator surface emitters of the optoelectronic chip run parallel, it being preferred that at least part of the two-dimensional emission pattern forms a symmetrical arrangement on the surface of the optoelectronic chip. For a further embodiment variant, the two-dimensional emission pattern and/or the arrangement of the waveguides of the lateral resonator surface emitters represents a pseudo-random arrangement.
Für eine bevorzugte Ausführung der Erfindung wird die Flächendichte der Lateralresonator-Oberflächenemitter auf dem optoelektronischen Chip durch eine Überschneidung der Wellenleiter von mindestens zwei Lateralresonator- Oberflächenemittern und/oder mindestens eine in Schichtwachstumsrichtung gestapelte Wellenleiteranordnung vergrößert . Damit kann die vom Emissionsmuster auf der Oberfläche des optoelektronischen Chips eingenommene Fläche reduziert werden, wobei die damit einhergehende weitere Verringerung der Strahlbündelausdehnung die Integrierbarkeit der Optik auf dem optoelektronischen Chip verbessert . For a preferred embodiment of the invention, the areal density of the lateral resonator surface emitters on the optoelectronic chip is increased by overlapping the waveguides of at least two lateral resonator surface emitters and/or at least one waveguide arrangement stacked in the layer growth direction. In this way, the area occupied by the emission pattern on the surface of the optoelectronic chip can be reduced, with the associated further reduction in the expansion of the beam bundle improving the ability of the optics to be integrated on the optoelectronic chip.
Für eine Ausführung mit sich schneidenden Wellenleitern ist bevorzugt , dass j eweils ein Mindestschnittwinkel von größer als 15 ° und bevorzugt größer als 20 ° eingehalten wird . Dabei wird der Mindestschnittwinkel durch die beiden Resonatorachsen der sich schneidenden Wellenleiter bestimmt . Die Ausgestaltungsvariante , für die die Wellenleiter bei Betrachtung in Emissionsrichtung in Schichtwachstumsrichtung übereinandergestapelt sind, erfordert die Schichterstellung eine Mehrschritt-Epitaxie , wobei hierfür die Molekularstrahlepitaxie (MBE ) angewandt werden kann . Für eine mögliche Ausführung kann eine Triple-Stack-Struktur gebildet werden . Des Weiteren sind Ausgestaltungen denkbar , für die die Resonatorachsen für mindestens zwei , unterschiedlichen Lagen zugeordneten Wellenleitern parallel verlaufen . Alternativ liegt bei einer Betrachtung der Proj ektion der Wellenleiter auf die emittierende Oberfläche des optoelektronischen Chips in Schichtwachstumsrichtung mindestens eine Winkelstellung der proj izierten Resonatorachsen vor . For an embodiment with intersecting waveguides, it is preferred that a minimum intersection angle of greater than 15° and preferably greater than 20° is maintained in each case. The minimum angle of intersection is determined by the two resonator axes of the intersecting waveguides. The embodiment variant for which the waveguides are stacked one on top of the other in the direction of layer growth when viewed in the direction of emission requires multi-step epitaxy to produce the layer, for which purpose molecular beam epitaxy (MBE) can be used. A triple-stack structure can be formed for a possible execution. Furthermore, configurations are conceivable for which the resonator axes for at least two waveguides assigned to different layers run parallel. Alternatively, when considering the projection of the waveguides onto the emitting surface of the optoelectronic chip in the layer growth direction, there is at least one angular position of the projected resonator axes.
Für eine Weitergestaltung umfasst das zweidimensionale Emissionsmuster mindestens zwei Emissions-Teilmuster mit einem unterschiedlichen mittleren Abstand zwischen den dem j eweiligen Emissions-Teilmuster zugerechneten Halbleiterlaser , wobei j edes der Emissions-Teilmuster separat ansteuerbar ist . Dabei kann das zweite Emissions-Teilmuster aus einem ersten Emissions-Teilmuster und der Zuschaltung von weiteren, den mittleren Abstand verringernden emittierenden Laserlichtquellen oder aus nicht dem ersten Emissions- Teilmuster zugehörigen emittierenden Laserlichtquellen bestehen . For a further development, the two-dimensional emission pattern comprises at least two emission sub-patterns with a different mean distance between the semiconductor lasers assigned to the respective emission sub-pattern, each of the emission sub-patterns being separately controllable. The second partial emission pattern can consist of a first partial emission pattern and the connection of further emitting laser light sources that reduce the average distance or of emitting laser light sources that do not belong to the first partial emission pattern.
Zusätzlich ist die Optik so ausgebildet , dass das erste Emissions-Teilmuster auf ein erstes Lichtmuster in einer ersten Bildebene und das zweite Emissions-Teilmuster auf ein zweites Lichtmuster in einer zweiten Bildebene abgebildet werden . Damit kann durch die Auswahl des mittleren Abstands der emittierenden Laserlichtquellen für ein Emissions- Teilmuster eine Anpassung an den j eweiligen Abstand zwischen der Oberfläche des optoelektronischen Chips und der zugehörigen Bildebene vorgenommen werden, wobei für größere Entfernungen eine größere Anzahl emittierende Laserlichtquellen als für die Nahumgebung verwendet wird . In addition, the optics are designed in such a way that the first partial emission pattern is imaged onto a first light pattern in a first image plane and the second partial emission pattern onto a second light pattern in a second image plane. Thus, by selecting the average distance between the emitting laser light sources for an emission partial pattern, an adjustment to the respective distance between the surface of the optoelectronic chip and the associated image plane can be made, with larger Distances emitting a larger number of laser light sources than is used for the close environment.
Ferner ist eine Ausgestaltung der Lateralresonator- Oberflächenemitter, insbesondere für den Infrarotbereich, bevorzugt , die die Anregung einer Einzelmode in einer zur Oberfläche des optoelektronischen Chips parallelen Richtung erlaubt . Des Weiteren ermöglichen die Lateralresonator- Oberflächenemitter für eine bevorzugte Ausführung eine konstruktiv und fertigungstechnisch vereinfachte Wellenlängenstabilisierung . Hierzu ist ein teildurchlässiger Bragg-Spiegel im Strahlengang nach der emissionsseitigen 45 ° - Facette mit einer Flanke im Gain-Bereich vorgesehen . Dabei ist besonders bevorzugt , die thermisch bedingte Verschiebung der Wellenlänge für die unter Normalbetriebsbedingung erreichbare Temperaturspanne kleiner als 0 , 3 nm/K zu halten . Diese Maßnahmen tragen dazu bei , die Erfassungsgüte eines Tiefenerfassungssystems mit der erfindungsgemäßen optoelektronischen Anordnung zur Erzeugung eines Lichtmusters zu verbessern . Furthermore, a configuration of the lateral resonator surface emitters, in particular for the infrared range, is preferred which allows the excitation of a single mode in a direction parallel to the surface of the optoelectronic chip. Furthermore, for a preferred embodiment, the lateral resonator surface emitters enable wavelength stabilization that is simplified in terms of design and production technology. For this purpose, a partially transparent Bragg mirror is provided in the beam path after the emission-side 45° facet with a flank in the gain area. In this case, it is particularly preferred to keep the thermally induced shift in the wavelength for the temperature range that can be achieved under normal operating conditions to be less than 0.3 nm/K. These measures contribute to improving the detection quality of a depth detection system with the optoelectronic arrangement according to the invention for generating a light pattern.
Die für die erfindungsgemäße optoelektronische Anordnung eingesetzte Optik weist eine Vervielfältigungsoptik auf , die es erlaubt , die Zahl der Lateralresonator-Oberflächenemitter des optoelektronischen Chips zu reduzieren . Die gewählte Anzahl der emissionsstarken Lateralresonator- Oberflächenemitter wird durch die Vervielfältigungsoptik im Fernfeld in eine höhere Zahl von Lichtmusterelementen, insbesondere Lichtpunkten, auf einem auszuleuchtenden Obj ekt umgesetzt . The optics used for the optoelectronic arrangement according to the invention has a multiplication optics which allows the number of lateral resonator surface emitters of the optoelectronic chip to be reduced. The selected number of high-emission lateral resonator surface emitters is converted into a higher number of light pattern elements, in particular points of light, on an object to be illuminated by the duplication optics in the far field.
Für eine bevorzugte Ausführung weist die Optik zusätzlich eine im Strahlengang der Vervielfältigungsoptik vorausgehende Kollimationsoptik und/oder Abbildungsoptik auf , die entweder aus mehreren Teiloptiken besteht , die j eweils einem der Lateralresonator-Oberflächenemitter zugeordnet sind, oder das zweidimensionale Emissionsmuster auf der Oberfläche des optoelektronischen Chips wird mittels einer optischen Komponente als Ganzes erfasst . For a preferred embodiment, the optics also has collimation optics and/or imaging optics preceding the duplication optics in the beam path, which consist of either a plurality of partial optics, each of which is assigned to one of the Are assigned lateral resonator surface emitter, or the two-dimensional emission pattern on the surface of the optoelectronic chip is detected by an optical component as a whole.
Die Optik der erfindungsgemäßen optoelektronische Anordnung kann eine oder mehrere diffraktive optische Elemente umfassen . Des Weiteren kann die Optik einen photonischen Kristall und/oder ein Metamaterial enthalten, das einen negativen Realteil des komplexen Brechungsindex aufweist . Diese ermöglichen Ausführungen der Optik, die die Aufgaben Kollimation, Abbildung und Vervielfältigung des zweidimensionalen Emissionsmusters auf der Oberfläche des optoelektronischen Chips mittels eines einzigen optischen Elements erfüllen . The optics of the optoelectronic arrangement according to the invention can comprise one or more diffractive optical elements. Furthermore, the optics can contain a photonic crystal and/or a metamaterial that has a negative real part of the complex refractive index. These enable designs of the optics that fulfill the tasks of collimation, imaging and duplication of the two-dimensional emission pattern on the surface of the optoelectronic chip using a single optical element.
Für eine Weiterführung der Erfindung bildet die optoelektronische Anordnung eine Komponente eines Tiefenerfassungssystems , das typischerweise einen für elektromagnetische Strahlung empfindlichen Bildsensor , insbesondere einen CCD-Sensor , und Steuerschaltungen umfasst . For a further development of the invention, the optoelectronic arrangement forms a component of a depth detection system, which typically includes an image sensor sensitive to electromagnetic radiation, in particular a CCD sensor, and control circuits.
Beim Betrieb des Tiefenerfassungssystems treffen die von der optoelektronische Anordnung erzeugten Lichtmuster auf Obj ekte im Fernfeld und werden rückgestreut . Die reflektierte elektromagnetische Strahlung wird mittels des Bildsensors erfasst , sodass mithilfe einer Auswerteelektronik Informationen zu Ob ektpositionen und deren Bewegungen erlangt werden können . During operation of the depth detection system, the light patterns generated by the optoelectronic arrangement strike objects in the far field and are backscattered. The reflected electromagnetic radiation is recorded by the image sensor, so that information on object positions and their movements can be obtained with the aid of evaluation electronics.
Neben der kleinen Baugröße der erfindungsgemäßen optoelektronische Anordnung liefert diese eine hohe Leuchtstärke und eine hohe Musterdichte , wodurch ein Tiefenerfassungssystem mit einer guten Erfassungsgüte resultiert , die für eine bevorzugte Ausführung durch die Verwendung wellenlängenstabilisierter Lateralresonator- Oberflächenemitter weiter verbessert werden kann . In addition to the small size of the optoelectronic arrangement according to the invention, this provides a high luminosity and a high pattern density, resulting in a depth detection system with a good detection quality that results for a preferred embodiment by the Using wavelength-stabilized lateral resonator surface emitters can be further improved.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer optoelektronischen Anordnung für die Erzeugung eines Lichtmusters umfasst die Ausbildung einer stoff schlüssigen Verbindung zwischen einer Optik, die eine Vervielfältigungsoptik umfasst , und einem optoelektronischen Chip mit mehreren oberflächenemittierenden Halbleiterlasern, die als Lateralresonator-Oberflächenemitter ausgebildet sind . Dabei resultiert ein stoff schlüssig verbundenes Modul , das eine hohe Leuchtstärke und eine hohe Musterdichte erzeugt . Für eine mögliche Variante des Herstellungsverfahrens wird die Optik separat auf einem transparenten Trägersubstrat hergestellt und in einem weiteren Verfahrensschritt mit dem optoelektronischen Chip durch Waferbonden stoff schlüssig verbunden . Für eine weitere Ausführungsvariante entstehen die Optik und der optoelektronische Chip durch einen gemeinsamen Schichtwachstums- und Strukturierungsprozess . The method according to the invention for producing an optoelectronic arrangement for generating a light pattern comprises the formation of a cohesive connection between optics, which includes duplication optics, and an optoelectronic chip with a plurality of surface-emitting semiconductor lasers, which are embodied as lateral resonator surface emitters. This results in a coherently connected module that generates high luminosity and a high density of patterns. For a possible variant of the production process, the optics are produced separately on a transparent carrier substrate and, in a further process step, are integrally connected to the optoelectronic chip by wafer bonding. For a further embodiment variant, the optics and the optoelectronic chip are created by a common layer growth and structuring process.
Nachfolgend sind beispielhafte Ausgestaltungsvarianten der Erfindung im Zusammenhang mit Figurendarstellungen erläutert . Diese zeigen, j eweils schematisch, Folgendes : Exemplary embodiment variants of the invention are explained below in connection with representations in the figures. These show, each schematically, the following:
Fig . 1 zeigt eine erste Ausführung der erfindungsgemäßen optoelektronischen Anordnung in Schnittansicht . Fig. 1 shows a first embodiment of the optoelectronic arrangement according to the invention in a sectional view.
Fig . 2 zeigt eine zweite Ausführung der erfindungsgemäßen optoelektronischen Anordnung in Schnittansicht . Fig. 2 shows a second embodiment of the optoelectronic arrangement according to the invention in a sectional view.
Fig . 3 - 5 zeigen Ausführungsvarianten für ein zweidimensionales Emissionsmuster, das durch einen optoelektronischer Chip der erfindungsgemäßen optoelektronische Anordnung erzeugt wird . Fig . 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen optoelektronischen Anordnung mit Lateralresonator- Oberflächenemittern in Stapelanordnung . Fig. 3-5 show embodiment variants for a two-dimensional emission pattern that is generated by an optoelectronic chip of the optoelectronic arrangement according to the invention. Fig. 6 shows an exemplary embodiment of the optoelectronic arrangement according to the invention with lateral resonator surface emitters in a stacked arrangement.
Fig . 7 zeigt für eine Weiterentwicklung ein Tiefenerfassungssystem mit einer erfindungsgemäßen optoelektronischen Anordnung . Fig. 7 shows a further development of a depth detection system with an optoelectronic arrangement according to the invention.
Figur 1 stellt eine erfindungsgemäße optoelektronische Anordnung 1 im Längsschnitt dar , die zur Erzeugung eines im Einzelnen nicht dargestellten, im Fernfeld liegenden Lichtmusters dient . Gezeigt ist ein Modul 2 , mit einer stoff schlüssigen Verbindung zwischen einem optoelektronischen Chip 3 , der ein zweidimensionales Emissionsmuster 14 erzeugt , und einer Optik 4 , die zumindest die Aufgabe einer Vervielfältigung des zweidimensionalen Emissionsmusters 14 und dessen Abbildung ins Fernfeld realisiert . FIG. 1 shows a longitudinal section of an optoelectronic arrangement 1 according to the invention, which is used to generate a light pattern (not shown in detail) lying in the far field. A module 2 is shown with a material connection between an optoelectronic chip 3 that generates a two-dimensional emission pattern 14 and an optical system 4 that at least realizes the task of duplicating the two-dimensional emission pattern 14 and imaging it into the far field.
Der optoelektronische Chip 3 weist mehrere oberflächenemittierende Halbleiterlaser 5 . 1 , 5 . 2 auf , denen eine Schichtwachstumsrichtung 6 zugeordnet ist . Dabei erfordert die Ausbildung des stoff schlüssig verbundenen Moduls 20 eine möglichst geringe Strahlbündelausdehnung ( Etendue ) des von den oberflächenemittierenden Halbleiterlasern 5 . 1 , 5 . 2 erzeugten, zweidimensionalen Emissionsmusters 14 . Um dieses Ziel zu erreichen, weist die Optik 4 oben genannte Vervielfältigungsoptik 18 auf und zusätzlich sind die oberflächenemittierenden Halbleiterlaser 5 . 1 , 5 . 2 als Lateralresonator- Oberflächenemitter 7 , insbesondere zur Emission im Infrarotbereich, ausgestaltet , die sich durch eine hohe Strahlungsintensität und eine hohe Strahlgüte aus zeichnen . The optoelectronic chip 3 has a plurality of surface-emitting semiconductor lasers 5 . 1 , 5 . 2 to which a layer growth direction 6 is assigned. In this case, the formation of the materially connected module 20 requires the smallest possible beam extension (etendue) of the surface-emitting semiconductor lasers 5 . 1 , 5 . 2 generated, two-dimensional emission pattern 14 . In order to achieve this goal, the optics 4 comprise the above-mentioned multiplication optics 18 and, in addition, the surface-emitting semiconductor lasers 5 . 1 , 5 . 2 designed as a lateral resonator surface emitter 7, in particular for emission in the infrared range, which are characterized by a high radiation intensity and a high beam quality.
Jeder der Lateralresonator-Oberflächenemitter 7 umfasst einen in der Schichtfolge zwischen Mantelschichten eingeschlossenen Wellenleiter 8 mit einer zugeordneten Resonatorachse 9 , die parallel zur Haupterstreckungsrichtung 10 einer aktiven Zone 11 und senkrecht zur Schichtwachstumsrichtung 6 ausgerichtet ist . An den Wellenleiter 8 schließen sich in einem Winkel von 45 % zur Resonatorachse 9 verlaufende Facetten 12 . 1 , 12 . 2 an und in Strahlverlaufsrichtung nachfolgend sind ein hochreflektierender erster Bragg- Spiegel 28 an der endseitigen Facette 12 . 1 und ein zweiter, teilreflektierende Bragg-Spiegel 29 an der emissionsseitigen Facette 12 . 2 , an der die Strahlauskopplung in eine vertikale Emissionsrichtung 13 parallel zur Schichtwachstumsrichtung 6 erfolgt , angeordnet . Für eine in Figur 6 dargestellte Ausführungsalternative weist der Lateralresonator- Oberflächenemitter 7 . 7 , 7 . 8 am nicht emittierenden Ende des Wellenleiters 8 anstatt der schräg stehenden Facette 12 . 1 einen senkrecht orientierten, hochreflektierenden Bragg- Spiegel 43 . 1 , 43 . 2 auf . Each of the lateral resonator surface emitters 7 comprises one enclosed between cladding layers in the layer sequence Waveguide 8 with an associated resonator axis 9 which is aligned parallel to the main extension direction 10 of an active zone 11 and perpendicular to the layer growth direction 6 . Facets 12 running at an angle of 45% to the resonator axis 9 adjoin the waveguide 8 . 1 , 12 . 2 at and following in the beam path direction is a highly reflective first Bragg mirror 28 at the end facet 12 . 1 and a second, partially reflecting Bragg mirror 29 on the emission-side facet 12 . 2 , at which the beam is coupled out in a vertical emission direction 13 parallel to the layer growth direction 6 . For an alternative embodiment shown in FIG. 6, the lateral resonator surface emitter 7 . 7 , 7 . 8 at the non-emitting end of the waveguide 8 instead of the sloping facet 12. 1 a vertically oriented, highly reflective Bragg mirror 43 . 1, 43. 2 on .
Für eine bevorzugte Ausgestaltung ist ein teildurchlässiger , zweiter Bragg-Spiegel 29 mit einer Flanke im Gain-Bereich zur Wellenlängenstabilisierung vorgesehen, sodass die thermisch bedingte Verschiebung der Wellenlänge im Normalbetrieb kleiner als 0 , 3nm/K ist . Des Weiteren ist eine Ausführung der Lateralresonator-Oberflächenemitter für den Einmoden-Betrieb bevorzugt . Dabei liegen die typischen Resonatorbreiten bei 1 - 12 pm und die typischen Wellenleiterlängen bei über 100 pm. For a preferred embodiment, a partially transparent, second Bragg mirror 29 is provided with a slope in the gain range for wavelength stabilization, so that the thermally induced wavelength shift is less than 0.3 nm/K in normal operation. Furthermore, an embodiment of the lateral resonator surface emitter for single-mode operation is preferred. The typical resonator widths are 1 - 12 pm and the typical waveguide lengths are over 100 pm.
Das durch die Lateralresonator-Oberflächenemitter 7 erzeugte , zweidimensionale Emissionsmuster 14 auf der Oberfläche 15 des optoelektronischen Chips 3 wird durch die im Strahlengang nachfolgende Optik 4 mittels einer Vervielfältigungsoptik 18 in eine höhere Leuchtpunkteanzahl und augensicher in ein Fernfeld abgebildet . Dies ist im Einzelnen nicht in der schematisierten Figur 1 dargestellt . Des Weiteren umfasst die Optik 4 eine Kollimationsoptik 30 mit den Teiloptiken 32.1, 32.2, die jeweils einem einzelnen der Lateralresonator- Oberflächenemitter 7 zugeordnet sind. Für eine mögliche Ausführung kann jede der Teiloptiken 32.1, 32.2 ein diffraktives optisches Element 34 aufweisen. The two-dimensional emission pattern 14 generated by the lateral resonator surface emitter 7 on the surface 15 of the optoelectronic chip 3 is imaged by the optics 4 following in the beam path by means of a multiplication optics 18 in a higher number of luminous points and in a far field that is safe for the eyes. This is not shown in detail in the schematic FIG. Furthermore includes the Optics 4 collimation optics 30 with the partial optics 32.1, 32.2, which are each associated with a single one of the lateral resonator surface emitters 7. For one possible embodiment, each of the partial optics 32.1, 32.2 can have a diffractive optical element 34.
Figur 2 zeigt eine Ausführungsalternative der erfindungsgemäßen optoelektronischen Anordnung 1, wobei den mit der vorausgehend beschriebenen Aufführung übereinstimmenden Komponenten die gleichen Bezugszeichen zugeordnet sind. Skizziert ist eine im Strahlengang vor der Vervielfältigungsoptik 18 angeordnete Abbildungsoptik 31, die das zweidimensionale Emissionsmuster 14.1 als Ganzes auf nimmt . Des Weiteren kann die Optik 4 ein Metamaterial, das durch einen negativen Realteil des komplexen Brechungsindex und durch eine Zellgröße deutlich unter einem Viertel der emittierten Wellenlänge gekennzeichnet ist, aufweisen. Ein derartiges Metamaterial ermöglicht es, optische Komponenten 33 oder die gesamte Optik 4 in einem Element zusammenzufassen. FIG. 2 shows an alternative embodiment of the optoelectronic arrangement 1 according to the invention, the same reference symbols being assigned to the components that correspond to those described above. Depicted is an imaging optics 31 arranged in the beam path in front of the duplication optics 18, which takes the two-dimensional emission pattern 14.1 as a whole. Furthermore, the optics 4 can have a metamaterial that is characterized by a negative real part of the complex refractive index and by a cell size that is well below a quarter of the emitted wavelength. Such a metamaterial makes it possible to combine optical components 33 or the entire optics 4 in one element.
Figur 3 zeigt eine mögliche Ausführung des zweidimensionalen Emissionsmusters 14.1 auf der Oberfläche 15 des optoelektronischen Chips 3. Ersichtlich ist, dass die Lateralresonator-Oberflächenemitter 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 bezüglich ihres Emissionsorts eine symmetrische Anordnung 21 bilden. Für eine in Figur 4 skizzierte Ausgestaltungsalternative, bilden die Emissionsorte der Lateralresonator-Oberflächenemitter 7.5, 7.6 und die zugeordneten Wellenleiter 8.1, 8.2 eine pseudo-zuf ällige Anordnung 22. FIG. 3 shows a possible embodiment of the two-dimensional emission pattern 14.1 on the surface 15 of the optoelectronic chip 3. It can be seen that the lateral resonator surface emitters 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 form a symmetrical arrangement 21 with respect to their emission location. For an alternative configuration outlined in FIG. 4, the emission locations of the lateral resonator surface emitters 7.5, 7.6 and the associated waveguides 8.1, 8.2 form a pseudo-random arrangement 22.
Zur weiteren Verringerung der Strahlbündelausdehnung (Etendue) ist für die in Figur 5 dargestellte Variante vorgesehen, dass sich zumindest zwei der Lateralresonator- Oberflächenemitter 7.7, 7.8 in der Ebene der Wellenleiter 8.3, 8.4 kreuzen. Dabei sollte der Schnittwinkel 23, der durch die sich schneidenden Resonatorachsen 9.1, 9.2 der zwei Lateralresonator-Oberflächenemitter 7.7, 7.8 definiert ist, größer als 15° und bevorzugt größer als 20° sein. To further reduce the beam extension (etendue), it is provided for the variant shown in FIG. 5 that at least two of the lateral resonator surface emitters 7.7, 7.8 are in the plane of the waveguides 8.3 8.4 cross. The intersection angle 23, which is defined by the intersecting resonator axes 9.1, 9.2 of the two lateral resonator surface emitters 7.7, 7.8, should be greater than 15° and preferably greater than 20°.
Figur 6 zeigt in Schnittansicht eine Ausführung, für die durch eine Stapelung der Lateralresonator-Oberflächenemitter 7.7, 7.8 in Schichtwachstumsrichtung 6 eine besonders hohe Flächendichte des zweidimensionalen Emissionsmusters 14 erzielt wird, sodass die stoff schlüssige Montage der Optik zusätzlich vereinfacht wird. Die dargestellte Schichtfolge kann durch Mehrschritt-Epitaxie, beispielsweise durch ein Molekularstrahlverfahren, hergestellt werden. FIG. 6 shows a sectional view of an embodiment for which a particularly high areal density of the two-dimensional emission pattern 14 is achieved by stacking the lateral resonator surface emitters 7.7, 7.8 in the layer growth direction 6, so that the integral assembly of the optics is additionally simplified. The layer sequence shown can be produced by multi-step epitaxy, for example by a molecular beam method.
Figur 7 zeigt eine Weitergestaltung der Erfindung zu einem Tiefenerfassungssystem 37, für das die erfindungsgemäße optoelektronische Anordnung 1 auf der Seite des Substrats 17 von einem Komponententräger 41 gehaltert wird. Des Weiteren ist ein CCD-Sensor 40 mit einer zugeordnetenFIG. 7 shows a development of the invention for a depth detection system 37 for which the optoelectronic arrangement 1 according to the invention is held by a component carrier 41 on the side of the substrate 17 . Furthermore, a CCD sensor 40 is associated with a
Steuerschaltung 42 vorgesehen, der die vom ausgeleuchteten Objekt rückreflektierte Strahlung auf nimmt. Control circuit 42 is provided which picks up the radiation reflected back from the illuminated object.
Für eine bevorzugte Ausführung erzeugt die optoelektronische Anordnung 1 ein erstes Emissions-Teilmuster 24, das auf ein erstes Lichtmuster 2.1 in einer ersten Bildebene 26 im Fernfeld 19 abgebildet wird. Zusätzlich wird ein zweites Emissions-Teilmuster 25 generiert, das zu einem zweiten Lichtmuster 2.2 in einer zweiten Bildebene 27 führt. Eine mögliche Ausgestaltung ist in Figur 3 dargestellt, wobei der Lateralresonator-Oberflächenemitter 7.1 in der ersten Spalte 38 dem ersten Emissions-Teilmuster 24 und die Lateralresonator-Oberflächenemitter 7.2, 7.3, 7.3 der weiteren Spalten dem zweiten Emissions-Teilmuster 25 zugeordnet sind, das mehr Emissionsorte als das erste Emissions-Teilmuster 24 aufweist. Für eine im Einzelnen nicht dargestellte Ausführung unterscheiden sich die Emissions-Teilmuster 24 , 25 im Hinblick auf den mittleren Abstand zwischen den Emissionsorten . Damit kann, eine separate Ansteuerbarkeit vorausgesetzt , das zweidimensionale Emissionsmuster 14 . 1 des Tiefenerfassungssystems 37 an einen Obj ektabstand angepasst werden, wobei weiter entfernte Obj ekte durch zusätzliche Lichtmuster ausgeleuchtet werden . For a preferred embodiment, the optoelectronic arrangement 1 generates a first partial emission pattern 24 which is imaged onto a first light pattern 2.1 in a first image plane 26 in the far field 19. In addition, a second partial emission pattern 25 is generated, which leads to a second light pattern 2.2 in a second image plane 27. A possible configuration is shown in Figure 3, with the lateral resonator surface emitter 7.1 in the first column 38 being assigned to the first partial emission pattern 24 and the lateral resonator surface emitters 7.2, 7.3, 7.3 of the other columns being assigned to the second partial emission pattern 25, the more Emission locations as the first emission sub-pattern 24 has. For an embodiment not shown in detail the emission sub-patterns 24, 25 differ with regard to the mean distance between the emission locations. Thus, assuming separate controllability, the two-dimensional emission pattern 14 . 1 of the depth detection system 37 can be adapted to an object distance, with objects that are further away being illuminated by additional light patterns.
BEZUGSZEICHENLISTE REFERENCE LIST
I optoelektronische Anordnung I optoelectronic arrangement
2.1, 2.2 Lichtmuster 2.1, 2.2 light patterns
3 optoelektronischer Chip 3 optoelectronic chip
4 Optik 4 optics
5.1, 5.2 oberflächenemittierender Halbleiterlaser5.1, 5.2 surface emitting semiconductor laser
6 Schichtwachstumsrichtung 6 layer growth direction
7, 7,
7.1...., 7.8 Lateralresonator-Oberflächenemitter7.1...., 7.8 lateral cavity surface emitters
8, 8th,
8.1...., 8.6 Wellenleiter 8.1...., 8.6 wave guides
9, 9.1, 9.2 Resonatorachse 9, 9.1, 9.2 resonator axis
10 Haupterstreckungsrichtung 10 main extension direction
II aktive Zone II active zone
12.1, 12.2 12.1, 12.2
12.3, 12.4 Facette 12.3, 12.4 facet
13 vertikale Emissionsrichtung 13 vertical emission direction
14, 14,
14.1...., 14.3 zweidimensionales Emissionsmuster 14.1...., 14.3 two-dimensional emission pattern
15 Oberfläche 15 surface
16 Strahlengang 16 beam path
17 Substrat 17 substrate
18 Vervielfältigungsoptik 18 duplicating optics
19 Fernfeld 19 far field
20 stoff schlüssig verbundenes Modul 20 integrally connected module
21 symmetrische Anordnung 21 symmetrical arrangement
22 pseudo-zuf ällige Anordnung 22 pseudo-random arrangement
23 Schnittwinkel 23 cutting angles
24 Emissions-Teilmuster 24 emission subpatterns
25 Emissions-Teilmuster 25 emission subpatterns
26 erste Bildebene 26 first image plane
27 zweite Bildebene 27 second image plane
28 erster Bragg-Spiegel 28 first Bragg mirror
29, zweiter Bragg-Spiegel 29, second Bragg mirror
Ko 11 imat ions optik Ko 11 imat ion optics
Abbildungs optik Teiloptik optische Komponente diffraktives optisches Elementimaging optics partial optics optical component diffractive optical element
Metamaterial metamaterial
Tiefenerfassungssystem erste Spalte zweite Spalte CCD-Sensor Depth sensing system first column second column CCD sensor
Komponententräger St euer Schaltung senkrecht orientierter, hochreflektierender
Figure imgf000017_0001
Bragg -Spiegel Component carrier St your circuit vertically oriented, highly reflective
Figure imgf000017_0001
Bragg mirror

Claims

PATENTANS PRÜCHE Optoelektronische Anordnung zur Erzeugung eines Lichtmusters (2.1, 2.2) , umfassend: einen optoelektronischen Chip (3) mit mehreren oberflächenemittierenden Halbleiterlasern (5.1, 5.2) , denen eine Schichtwachstumsrichtung (6) zugeordnet ist, wobei jeder der oberflächenemittierenden Halbleiterlaser (5.1, 5.2) als Lateralresonator-Oberflächenemitter (7,PATENT AWARDS Optoelectronic arrangement for generating a light pattern (2.1, 2.2), comprising: an optoelectronic chip (3) with a plurality of surface-emitting semiconductor lasers (5.1, 5.2) to which a layer growth direction (6) is assigned, each of the surface-emitting semiconductor lasers (5.1, 5.2 ) as a lateral resonator surface emitter (7,
7.1.....7.8) ausgebildet ist und einen Wellenleiter (8,7.1.....7.8) and a waveguide (8,
8.1.....8.6) mit einer Resonatorachse (9, 9.1, 9.2) , die parallel zur Haupterstreckungsrichtung (10) einer aktiven Zone (11) und senkrecht zur Schichtwachstumsrichtung (6) ausgerichtet ist, und eine schräg zur Resonatorachse (9, 9.1, 9.2) stehende Facette (12.1,..., 12.4) , für die Strahlauskopplung in eine vertikale Emissionsrichtung (13) parallel zur Schichtwachstumsrichtung (6) aufweist; wobei die Lateralresonator-Oberflächenemitter (7, 7.1,..., 7.8) zur Erzeugung eines zweidimensionalen Emissionsmusters (14, 14.1, 14.2, 14.3) auf einer Oberfläche (15) des optoelektronischen Chips (3) ausgebildet sind; und eine dem zweidimensionalen Emissionsmuster (14, 14.1, 14.2, 14.3) im Strahlengang nachfolgende Optik (4) , mit einer Vervielfältigungsoptik8.1.....8.6) with a resonator axis (9, 9.1, 9.2) which is aligned parallel to the main extension direction (10) of an active zone (11) and perpendicular to the layer growth direction (6), and an oblique to the resonator axis (9, 9.1, 9.2) standing facet (12.1,..., 12.4), for the beam decoupling in a vertical emission direction (13) parallel to the layer growth direction (6); wherein the lateral resonator surface emitters (7, 7.1,..., 7.8) are formed on a surface (15) of the optoelectronic chip (3) to generate a two-dimensional emission pattern (14, 14.1, 14.2, 14.3); and an optical system (4) following the two-dimensional emission pattern (14, 14.1, 14.2, 14.3) in the beam path, with a multiplication optical system
(18) zur Erhöhung der Leuchtpunkteanzahl im Fernfeld(18) to increase the number of illuminated points in the far field
(19) ; wobei die Optik (4) und der optoelektronische Chip (3) ein stoff schlüssig verbundenes Modul (20) bilden. Optoelektronische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (4) und der optoelektronische Chip (3) ein durch Waferbonden hergestelltes Modul (20) bilden. Optoelektronische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (4) und der optoelektronische Chip (3) ein in einem gemeinsamen Schichtwachstums- und Strukturierungsprozess erstelltes Modul (20) bilden. Optoelektronische Anordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatorachsen (9, 9.1, 9.2) von mindestens zwei Lateralresonator-Oberflächenemittern (7, 7.1,..., 7.8) parallel verlaufen. Optoelektronische Anordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil des zweidimensionalen Emissionsmusters (14, 14.1, 14.2, 14.3) eine symmetrische Anordnung (21) auf der Oberfläche (15) des optoelektronischen Chips (3) ist. Optoelektronische Anordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil des zweidimensionalen Emissionsmusters (14, 14.1, 14.2, 14.3) eine pseudo-zuf ällige Anordnung (22) auf der Oberfläche (15) des optoelektronischen Chips (3) ist. Optoelektronische Anordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Wellenleiter (8, 8.1,... ,8.6) von mindestens zwei Lateralresonator-Oberflächenemittern (7, 7.1,..., 7.8) kreuzen . Optoelektronische Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schnittwinkel (23) , mit dem sich die zwei Lateralresonator-Oberflächenemitter (7,(19) ; wherein the optics (4) and the optoelectronic chip (3) form a cohesively connected module (20). Optoelectronic arrangement according to Claim 1, characterized in that the optics (4) and the optoelectronic chip (3) form a module (20) produced by wafer bonding. Optoelectronic arrangement according to Claim 1, characterized in that the optics (4) and the optoelectronic chip (3) form a module (20) produced in a common layer growth and structuring process. Optoelectronic arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the resonator axes (9, 9.1, 9.2) of at least two lateral resonator surface emitters (7, 7.1,..., 7.8) run parallel. Optoelectronic arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that at least part of the two-dimensional emission pattern (14, 14.1, 14.2, 14.3) is a symmetrical arrangement (21) on the surface (15) of the optoelectronic chip (3). Optoelectronic arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that at least part of the two-dimensional emission pattern (14, 14.1, 14.2, 14.3) is a pseudo-random arrangement (22) on the surface (15) of the optoelectronic chip (3). Optoelectronic arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the waveguides (8, 8.1,..., 8.6) of at least two lateral resonator surface emitters (7, 7.1,..., 7.8) intersect. Optoelectronic arrangement according to Claim 7, characterized in that the intersection angle (23) at which the two lateral resonator surface emitters (7,
7.1,..., 7.8) kreuzen, größer als 15° und bevorzugt größer als 20° ist. - 18 - Optoelektronische Anordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenleiter (8, 8.1,..., 8.6) von mindestens zwei Lateralresonator- Oberflächenemittern (7, 7.1,..., 7.8) in Schichtwachstumsrichtung (6) übereinandergestapelt angeordnet sind. Optoelektronische Anordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweidimensionale Emissionsmuster (14, 14.1, 14.2, 14.3) mindestens zwei Emissions-Teilmuster (24, 25) mit einem unterschiedlichen mittleren Abstand zwischen den Emissionsorten der dem jeweiligen Emissions-Teilmuster (24, 25) zugerechneten Lateralresonator- Oberflächenemitter (7, 7.1,... ,7.8) aufweist, wobei jedes der Emissions-Teilmuster (24, 25) separat ansteuerbar ist . Optoelektronische Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (4) so ausgebildet ist, dass ein erstes Emissions-Teilmuster (24) auf ein erstes Lichtmuster (2.1) in einer ersten Bildebene (26) und ein zweites Emissions-Teilmuster (25) auf ein zweites Lichtmuster (2.2) in einer zweiten Bildebene (27) abgebildet werden. Optoelektronische Anordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lateralresonator-Oberflächenemitter (7, 7.1,... ,7.8) wellenlängenstabilisiert sind. Optoelektronische Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch bedingte Verschiebung der Wellenlänge für die unter Normalbetriebsbedingung erreichbare Temperaturspanne kleiner als 0,3 nm/K ist. - 19 - Optoelektronische Anordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (4) eine im Strahlengang der Vervielfältigungsoptik (18) vorausgehende Kollimationsoptik (30) und/oder Abbildungsoptik (31) umfasst. Optoelektronische Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollimationsoptik (30) und/oder Abbildungsoptik (31) aus mehreren Teiloptiken (32.1, 32.2) besteht, die jeweils einem der Lateralresonator- Oberflächenemitter (7, 7.1,... ,7.8) zugeordnet sind. Optoelektronische Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollimationsoptik (30) und/oder die Abbildungsoptik (31) das zweidimensionale Emissionsmuster (14, 14.1, 14.2, 14.3) auf der Oberfläche (15) des optoelektronischen Chips (3) mittels einer optischen Komponente (33) als Ganzes erfasst. Optoelektronische Anordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (4) eine diffraktives optisches Element (34) und/oder einen photonischen Kristall und/oder ein Metamaterial (36) umfasst . Tiefenerfassungssystem, umfassend eine optoelektronische Anordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche und einen für elektromagnetische Strahlung empfindlichen Bildsensor, insbesondere einen CCD-Sensor (40) . Verfahren zur Herstellung einer optoelektronischen Anordnung nach einem der Ansprüche 1 - 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (4) stoff schlüssig mit dem optoelektronischen Chip (3) verbunden wird. 7.1,..., 7.8) is greater than 15° and preferably greater than 20°. - 18 - Optoelectronic arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the waveguides (8, 8.1,..., 8.6) of at least two lateral resonator surface emitters (7, 7.1,..., 7.8) in the layer growth direction (6) are stacked on top of each other. Optoelectronic arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the two-dimensional emission pattern (14, 14.1, 14.2, 14.3) has at least two emission partial patterns (24, 25) with a different average distance between the emission locations of the respective emission partial pattern (24 , 25) assigned lateral resonator surface emitters (7, 7.1,..., 7.8), each of the partial emission patterns (24, 25) being separately controllable. Optoelectronic arrangement according to Claim 10, characterized in that the optics (4) are designed in such a way that a first partial emission pattern (24) is incident on a first light pattern (2.1) in a first image plane (26) and a second partial emission pattern (25 ) are imaged onto a second light pattern (2.2) in a second image plane (27). Optoelectronic arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the lateral resonator surface emitters (7, 7.1,..., 7.8) are wavelength-stabilised. Optoelectronic arrangement according to Claim 12, characterized in that the thermally induced shift in the wavelength for the temperature range which can be achieved under normal operating conditions is less than 0.3 nm/K. - 19 - Optoelectronic arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the optics (4) comprises collimating optics (30) and/or imaging optics (31) preceding the duplication optics (18) in the beam path. Optoelectronic arrangement according to Claim 14, characterized in that the collimation optics (30) and/or imaging optics (31) consists of a plurality of partial optics (32.1, 32.2), which each correspond to one of the lateral resonator surface emitters (7, 7.1,..., 7.8) assigned. Optoelectronic arrangement according to Claim 15, characterized in that the collimating optics (30) and/or the imaging optics (31) the two-dimensional emission pattern (14, 14.1, 14.2, 14.3) on the surface (15) of the optoelectronic chip (3) by means of an optical Component (33) recorded as a whole. Optoelectronic arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the optics (4) comprises a diffractive optical element (34) and / or a photonic crystal and / or a metamaterial (36). Depth detection system, comprising an optoelectronic arrangement according to one of the preceding claims and an image sensor sensitive to electromagnetic radiation, in particular a CCD sensor (40). Method for producing an optoelectronic arrangement according to one of Claims 1 - 17, characterized in that the optics (4) are cohesively connected to the optoelectronic chip (3).
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