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CN111834890A - 垂直腔表面发射激光模式控制 - Google Patents

垂直腔表面发射激光模式控制 Download PDF

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CN111834890A
CN111834890A CN202010304399.8A CN202010304399A CN111834890A CN 111834890 A CN111834890 A CN 111834890A CN 202010304399 A CN202010304399 A CN 202010304399A CN 111834890 A CN111834890 A CN 111834890A
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乔鹏飞
C-Y.陆
A.袁
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Lumentum Operations LLC
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Abstract

垂直腔表面发射激光器(VCSEL)可以包括顶部接触部，其中顶部接触部与特定形状相关联，并且其中特定形状是具有特定数量的齿的齿形。垂直腔表面发射激光器可以包括至少一个植入区域。垂直腔表面发射激光器可以包括至少一个顶部接触段。

Description

垂直腔表面发射激光模式控制
技术领域
本公开涉及激光器和垂直腔表面发射激光器的模式控制，该模式控制使用齿形顶部接触部、成形的植入区域和/或一组顶部接触段来引起垂直腔表面发射激光器的特定一组发射模式。
背景技术
垂直腔表面发射激光器(VCSEL)可以单独使用和/或用于成像系统、制造系统、通信系统等的VCSEL阵列中。例如，在三维(3D)感测应用中，VCSEL提供可用于面部识别、手势识别等的光束。VCSEL可以包括在智能电话设备、游戏设备、传感设备等中。VCSEL可用于产生结构光(例如，在泛光照明器中)、飞行时间(TOF)测量光束和/或类似情况，以实现3D传感应用。
VCSEL阵列可以包括以特定配置布置的多个VCSEL。例如，VCSEL阵列可以设置有VCSEL的方形栅格、VCSEL的径向栅格、VCSEL的六边形栅格、VCSEL的可变间距栅格、VCSEL的随机栅格等。通过选择相应的VCSEL阵列配置，可以获得VCSEL阵列的集体输出的特定光束轮廓(例如，距离大于瑞利距离的多个光束集体形成光束)。
VCSEL的参数可以影响VCSEL的发射模式(例如，近场发射模式或远场发射模式)，这可以影响包括VCSEL的系统的操作和/或包括VCSEL的VCSEL阵列的操作。例如，对VCSEL的氧化孔的改变可用于限制平面内方向或径向方向上的光场分布。此外，氧化孔的配置可以允许将载体流限制到VCSEL的相对小的区域，这可以相对于其他氧化孔配置改善VCSEL的电流注入。
对于VCSEL，发射模式是基于VCSEL的本体内的电磁能量分布而形成的。载体流分布的扰动可以改变VCSEL的电磁能量分布、光子分布等，这会导致发射模式的改变。这种扰动会因将VCSEL设计为实现预期发射模式而发生。
发明内容
根据一些实施方式，垂直腔表面发射激光器(VCSEL)可以包括顶部接触部，其中该顶部接触部与特定形状相关联，并且其中该特定形状是具有特定数量的齿的齿形。
在一些实施方式中，VCSEL可以包括顶部接触部和设置在顶部接触部的至少一部分下方的至少一个植入区域，其中至少一个植入区域与植入区域配置相关联，并且其中植入区域配置是在至少部分位于顶部接触下方的区域中的植入部的特定数量或图案。
在一些实施方式中，VCSEL可以包括多个顶部接触段，其中多个顶部接触段与顶部接触段配置相关联，其中顶部接触段配置是顶部接触段的特定数量或图案。
在一些实施方式中，VCSEL可以包括被配置成发射图案化光发射的一个或多个部件，其中图案化光发射由成形的顶部接触区、植入区域或分段顶部接触区中的至少一个产生。
在一些实施方式中，光学系统可以包括被配置成发射图案化光发射的VCSEL，其中图案化光发射由成形的顶部接触区、植入区域或分段顶部接触区中的至少一个产生。
附图说明
图1是如本文所述的VCSEL的示例横截面图。
图2A-2D是如本文所述的控制VCSEL的发射模式的顶部接触配置的示例性实施例图。
图3A-3D是如本文所述的用于控制VCSEL的发射模式的植入区域配置的示例性实施例的示意图。
图4A-4D是如本文所述的用于控制VCSEL的发射模式的顶部接触段配置的示例实施方式的图。
具体实施方式
示例性实施例的以下详细描述参考了附图。不同附图中相同的附图标记可以表示相同或相似的元件。
如上所述，垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的腔内的电磁能量分布可为VCSEL发射造成特定发射图案。VCSEL可以包括氧化孔，该氧化孔可以限制平面内或径向方向上的光场分布，并且可以将载体流限制在VCSEL的相对小(例如，小于阈值)的区域，以优化电流注入。通过调整腔结构、氧化孔和/或诸如此类，可以针对VCSEL输出实现发射模式的特定图案。
对VCSEL的腔中电磁能量分布的扰动(perturbation)可能导致VCSEL发射模式的改变。例如，VCSEL可以在VCSEL的表面上包括金属接触部，其形成与VCSEL的半导体表面的欧姆接触。然而，随着VCSEL阵列内VCSEL的密度增加，VCSEL阵列的VCSEL之间的可用间隔量减少。结果，氧化孔和VCSEL的金属接触部之间的间距会减小到例如小于5微米。这可能导致载体流注入低效，并降低每个VCSEL相对于另一个VCSEL的绝缘量，这可能导致对电磁能量分布的扰动的增加。由于金属接触部越来越靠近氧化孔，增加的扰动可能影响载体和VCSEL腔内的光子分布，导致对发射图案的影响。
本文所述的一些方面提供了一种VCSEL，其具有顶部接触部、一组植入区域(implanted region)和/或一组顶部接触段的构造，以控制VCSEL的电流路径。例如，VCSEL可以包括齿形顶部接触部、一组植入区域和/或一组顶部接触段。这样，选择VCSEL的电流路径来控制VCSEL发射的发射模式。此外，VCSEL的构造可以通过控制VCSEL发射的光子能量分布来补充氧化孔的影响。以这种方式，控制发射模式，从而改进包括VCSEL的系统，例如成像系统、制造系统、通信系统和/或诸如此类。
图1是本文描述的示例VCSEL 100的示意图。如图1所示，示例VCSEL100可以包括阴极105、衬底110、反射镜115(其可以包括底反射镜115-1和顶反射镜115-2)、离子植入区域120、活性层125、氧化物孔130、电介质层135、p-欧姆金属区140和/或诸如此类。
如图1中进一步所示，电流可以从阴极105附近流过氧化孔130并流向p-欧姆金属区140，并且光发射可以从与氧化孔130近似对准的光学孔向外引导。
在一些实施方式中，p-欧姆金属区140可以形成顶部接触部，该顶部接触部可以覆盖VCSEL 100的顶表面的至少一部分、VCSEL 100的所有顶表面和/或诸如此类。例如，p-欧姆金属区140可以形成齿状布置-如本文针对图2A-2D更详细描述的，分段布置-如针对图4A-4D更详细描述的，和/或诸如此类。在一些实施方式中，p-欧姆金属区140包括沉积和/或形成在VCSEL100的顶表面上的导电表面。例如，p-欧姆金属区域140可以形成具有特定数量的齿的齿形，例如2个齿、3个齿、4个齿、5个齿、6个齿和/或诸如此类。在一些实施方式中，p-欧姆金属区域140的内边缘是齿形的，而p-欧姆金属区域140的外边缘是环形的。在一些实施方式中，p-欧姆金属区域140对于每个齿可以具有特定的齿形。例如，p-欧姆金属区域140可以具有方形齿形、三角形齿形、矩形齿形、圆形齿形、其组合(例如，具有直线边和圆边缘的齿)和/或诸如此类。在一些实施方式中，p-欧姆金属区域140可以包括多种不同类型的齿形，例如具有方形齿形的第一齿和具有三角形齿形的第二齿，以实现特定的发射模式。
在一些实施方式中，p-欧姆金属区140可以形成比氧化孔130大的环，以避免阻挡来自VCSEL 100内的发射。
尽管本文根据由使用p-欧姆材料形成的p-欧姆金属区140形成的顶部接触部进行了描述，但是顶部接触部可以是使用n-欧姆材料形成的n-欧姆金属区域。在这种情况下，电流可以从顶表面上的n-欧姆金属区穿过VCSEL100的氧化物孔(130)向下流动。如上针对p-金属接触所述，n-金属接触可以包括齿，该齿可以相对于现有技术的环形顶部接触部改变电流路径，从而控制VCSEL 100的发射模式。
通过将齿形内边缘用于顶部接触部(例如，由p-欧姆金属区域140形成)，VCSEL100可以相对于具有环形内边缘而约束电流路径。基于约束电流路径，VCSEL 100可以提供具有特定发射模式配置的发射模式，例如对于N个齿(例如，5个齿)具有N倍(N-fold)(例如，5倍)径向对称性的模式。
在一些实施方式中，离子植入区域120可以形成这样的植入区域，该植入区域可以包围至少一部分VCSEL结构和/或覆盖VCSEL 100的顶表面的一部分。在一些实施方式中，离子植入区域120可以设置在p-欧姆金属区140的一部分之下，以限制电流。例如，VCSEL100可以在VCSEL100的一表面上和下包括一组离子植入区域120。以这种方式，VCSEL 100可以使用齿状布置、分段布置、植入区域和/或诸如此类中的一个或多个来控制电流。
离子植入区域120包括图案化植入部(pattered implantation)，该图案化植入部包围VCSEL结构的至少一部分和/或覆盖VCSEL 100的顶表面的一部分。例如，离子植入区域120可以形成在VCSEL100上，以限制载体流向VCSEL100的特定区域，并且可以被配置成引起按特定图案的光发射。在一些实施方式中，离子植入区域120可以包括会抑制离子植入区域120中的电流的离子植入部。例如，离子植入区域120可以是相对于非植入区域增加电阻的电流阻挡器。在这种情况下，离子植入区域120相对于VCSEL100的另一部分的电阻差可以在大于大约100∶1的数量级。换句话说，离子植入区域120的电导系数可以比镜面区115和活性区125的电导系数的1/100更小。离子植入区域120的额外细节参照图3A-3D进行描述。
如上所述，图1仅作为示例提供。其他示例可以与针对图1所描述的不同。
图2A-2D是本文描述的示例性实施例200-230的图。
如图2A所示，并且通过示例性实施例200，顶部接触部(例如，由p-欧姆金属区域140形成)的第一配置可以包括均匀分布在VCSEL周围的三个一组的齿。如附图标记202所示，该三个一组的齿导致具有3倍径向对称性的三个一组的发射模式。例如，基于使电流流入/流出三个齿，顶部接触部可以形成三种发射模式，以用于VCSEL的输出。
如图2B所示，并且通过示例性实施例210，顶部接触部的第二配置可以包括均匀分布在VCSEL周围的4个一组的齿。如附图标记212所示，该4个一组的齿导致具有4倍径向对称性的4个一组的发射模式。如图2C所示，通过示例性实施例220，顶部接触部的第三配置可以包括均匀分布在VCSEL周围的5个一组的齿。如附图标记222所示，5个一组的齿导致一组具有5倍径向对称性的5种发射模式。如图2D所示，通过示例性实施例230，顶部接触部的第四配置可以包括均匀分布在VCSEL周围的6个一组的齿。如附图标记232所示，该6个一组的齿导致具有6倍径向对称性的6个一组的发射模式。
在一些实施方式中，VCSEL的顶部接触部的齿图案可以是对称的(例如，均匀分布在VCSEL周围)。例如，如图2A-2D所示，齿可以均匀地分布在VCSEL的主体周围。另外，或者可替换地，齿可以不规则地布置，以形成不规则布置的模式。另外，或者替代地，齿可以是异质的。例如，顶部接触部的第一齿可以与第一形状、尺寸和/或位置相关联，并且顶部接触部的第二齿可以与第二形状、尺寸和/或位置相关联。以这种方式，VCSEL可以例如抑制高阶模式，引起每个模式的能量差异，和/或类似情况。基于对发射模式的控制，VCSEL可以产生特定的近场发射图案、特定的远场发射图案和/或诸如此类。
如上所述，图2A-2D仅作为一个或多个示例提供。其他示例可以与关于图2A-2D所描述的不同。
图3A-3D是本文描述的示例性实施例300-320的图。
如图3A和3B所示，并且通过示例性实施例300，植入区域(例如，由离子植入区域120形成)的第一配置可以包括均匀分布在VCSEL周围的4个一组的植入部。如附图标记302所示，该4个一组的植入部造成具有4倍径向对称性的4个一组的发射模式。由于与该4个一组的植入部相关联的电阻水平增加，电流会被引向未被植入部覆盖的顶部接触部的区域，导致VCSEL的发射模式与电流流动区域一致。如示例性实施例300所示，该4个一组的植入部可以从VCSEL的顶表面延伸，并部分包围VCSEL。尽管一些实施方式是根据植入部的特定对称性来描述的(例如，均匀分布的植入区域导致径向对称性)，但是非对称和/或其他不规则形状和布置的植入部也是可以的。
如图3C所示，通过示例性实施例310，植入区域的第二配置可以包括均匀分布在VCSEL周围的三个一组的植入部。如附图标记312所示，该三个一组的植入部导致具有3倍旋转对称的三个一组的发射模式。如图3D所示，通过示例性实施例320，植入区域的第三配置可以包括均匀分布在VCSEL周围的5个一组的植入部。如附图标记322所示，该5个一组的植入部导致具有5倍径向对称性的5个一组的发射模式。
如上所述，图3A-3D仅作为一个或多个示例提供。其他示例可以与针对图3A-3D所描述的不同。
图4A-4D是本文描述的示例性实施例400-430的图。
如图4A所示，并且通过示例性实施例400，VCSEL的第一配置可以包括均匀分布在VCSEL顶表面周围的三个一组的顶部接触段(例如，由p-欧姆金属区140形成)。如附图标记402所示，三个一组的顶部接触段导致具有3倍径向对称性的三个一组的发射模式。在一些实施方式中，该组顶部接触段可以具有特定的形状。例如，顶部接触段可以具有矩形、弧形(如图所示)和/或类似形状。尽管一些实施方式是根据对称(例如，均匀分布的)顶部接触段来描述的，但是非对称和/或其他不规则形状和排列的顶部接触段也是可以的。
如图4B所示，通过示例性实施例410，VCSEL的第二配置可以包括4个一组的顶部接触段，其均匀分布在VCSEL的顶表面周围。如附图标记412所示，4该个一组的顶部接触段导致具有4倍径向对称性的4个一组的发射模式。如图4C所示，通过示例性实施例420，VCSEL的第三配置可以包括5个一组的顶部接触段，其均匀分布在VCSEL的顶表面周围。如附图标记422所示，该5个一组的顶部接触段导致具有5倍径向对称性的5个一组的发射模式。如图4D所示，并且通过示例性实施例430，VCSEL的第四配置可以包括6个一组的顶部接触段，其均匀分布在VCSEL的顶表面周围。如附图标记432所示，6个一组的顶部接触段导致具有6倍径向对称性的6个一组的发射模式。
如上所述，图4A-4D仅作为一个或多个示例提供。其他示例可以与针对图4A-4D所描述的不同。
前述公开内容提供了说明和描述，但并不旨在穷举或将实现限制为所公开的精确形式。可以根据上述公开内容进行修改和变化，或者可以从实现的实践中获得修改和变化。
本文结合阈值描述了一些实施例。如本文所使用的，满足阈值可以根据上下文指的是大于阈值、多于阈值、高于阈值、大于或等于阈值、小于阈值、少于阈值、低于阈值、小于或等于阈值、等于阈值等的值。
即使特征的特定组合在权利要求中陈述和/或在说明书中公开，这些组合并不旨在限制各种实施方式的公开。事实上，这些特征中的许多可以以权利要求中未具体列举和/或说明书中未公开的方式组合。尽管下面列出的每个从属权利要求可以直接仅依赖于一个权利要求，但是各种实现的公开包括每个从属权利要求与权利要求集中的每个其他权利要求的组合。
除非明确说明，否则本文中使用的任何元素、动作或指令都不应被解释为关键或必要的。此外，如这里所使用的，冠词“一”旨在包括一个或多个项目，并且可以与“一个或多个”互换使用此外，如本文所用，冠词“该”旨在包括与冠词“该”相关的一个或多个项目，并且可以与“一个或多个”互换使用此外，如本文所用，术语“组”旨在包括一个或多个项目(例如，相关项目、不相关项目、相关和不相关项目的组合等)，并且可以与“一个或多个”互换使用如果只打算使用一个项目，则使用短语“只有一个”或类似的语言。此外，如在此使用的，术语“具有”等旨在是开放式术语。此外，短语“基于”旨在表示“至少部分基于”，除非另有明确说明。此外，如本文所用，术语“或”在一系列中使用时旨在是包含性的，并且可以与“和/或”互换使用，除非另有明确说明(例如，如果与“任一”或“仅其中之一”结合使用)。
相关申请
本申请要求2019年4月18日提交的美国临时专利申请62/835,787的优先权，其名称为“METHOD FOR VERTICAL CAVITY SURFACE EMITTING LASER(VCSEL)MODE CONTROL ANDOPTICAL PROPERTIES MANIPULATION”，其全部内容通过引用结合于此。

Claims (25)

1.一种垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，包括:
顶部接触部，
其中顶部接触部与特定形状相关联，
其中该特定形状是具有特定数量齿的齿形。
2.根据权利要求1所述的VCSEL，进一步包括:
至少一个植入区域，设置在顶部接触部的至少一部分下方。
3.根据权利要求1所述的VCSEL，其中所述顶部接触部的至少一部分被分段以形成一组顶部接触段。
4.根据权利要求1所述的VCSEL，其中所述顶部接触部的特定形状被配置为引起用于VCSEL的发射的特定发射模式配置。
5.根据权利要求1所述的VCSEL，其中所述顶部接触部是p-欧姆顶部接触部或n-欧姆顶部接触部。
6.根据权利要求1所述的VCSEL，其中所述齿形是方形齿形、矩形齿形或三角形齿形中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的VCSEL，其中所述顶部接触部大于VCSEL的氧化孔。
8.根据权利要求1所述的VCSEL，其中所述顶部接触部包括与特定数量的齿相关联的特定对称性，并且
其中特定对称性和特定数量的齿分别是以下之一:
带3个齿的3倍径向对称性，
带4个齿的4倍径向对称性，
带5个齿的5倍径向对称性，或
带6个齿的6倍径向对称性。
9.一种VCSEL，包括:
顶部接触部；和
至少一个植入区域，设置在顶部接触部的至少一部分之下，
其中至少一个植入区域与植入区域配置相关联，
其中植入区域配置是顶部接触部中的植入部的特定数量或图案。
10.根据权利要求9所述的VCSEL，其中所述顶部接触部被分段以形成多个顶部接触部段。
11.根据权利要求9所述的VCSEL，其中，所述植入区域配置被配置为引起用于VCSEL的发射的特定发射模式配置。
12.根据权利要求9所述的VCSEL，其中所述至少一个植入区域限制去往或来自所述顶部接触部的电流流动。
13.根据权利要求9所述的VCSEL，其中所述植入区域的第一导电系数小于所述VCSEL的反射镜区的第二导电系数。
14.根据权利要求13所述的VCSEL，其中所述第一导电系数小于所述第二导电系数的1/100。
15.根据权利要求9所述的VCSEL，其中植入部的特定数量是以下之一:
3个植入部，
4个植入部，
5个植入部，或
6个植入部。
16.根据权利要求9所述的VCSEL，其中由VCSEL形成的光束的发射模式与N倍对称相关联。
17.根据权利要求9所述的VCSEL，其中所述顶部接触部与齿形相关联。
18.一种垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，包括:
多个顶部接触段，
其中所述多个顶部接触段与顶部接触段配置相关联，
其中顶部接触段结构是特定数量或图案的顶部接触段。
19.根据权利要求18所述的VCSEL，其中，所述顶部接触段配置被配置为使得所述VCSEL的发射具有特定的发射模式配置。
20.根据权利要求18所述的VCSEL，还包括至少一个植入区域，所述至少一个植入区域至少部分地设置在所述多个顶部接触段中的至少一个顶部接触段的表面之下，以限制所述至少一个顶部接触段中的电流流动。
21.一种垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，包括:
一个或多个部件，配置为:
发射图案化的光发射，
其中图案化的光发射来自成形的顶部接触区域、植入区域或分段的顶部接触区域中的至少一个。
22.根据权利要求21所述的VCSEL，其中所述成形的顶部接触区域是齿形的。
23.根据权利要求21所述的VCSEL，其中所述植入区域设置在VCSEL的顶部接触部的至少一部分之下。
24.一种光学系统，包括:
垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，其被配置成发射图案化的光发射，
其中图案化的光发射来自成形的顶部接触区域、植入区域或分段的顶部接触区域中的至少一个。
25.根据权利要求24所述的光学系统，其中，所述光学系统是光学成像系统。
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