БЕЗОПАСНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЙ ОПТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
SAFE LASER DEVICE FOR OPTICAL PROBING APPLICATIONS

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к лазерному прибору, причем лазерный прибор в особенности предназначен для применений зондирования. Изобретение также относится к лазерному модулю и к оптическому датчику, содержащему такое лазерный прибор, и к мобильному устройству связи, содержащему такой оптический датчик. Изобретение также относится к способу изготовления такого лазерного прибора.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Лазерные приборы могут использоваться в мобильных устройствах связи, таких как смартфоны, для применений зондирования. Такими применениями зондирования могут быть измерения времени пролета для определения расстояния, автофокусировки камеры, трехмерного отображения местности или жестового интерфейса пользователя. Безопасность для зрения таких лазерных приборов может стать главным препятствием для широкого признания таких применений зондирования.
US 2013/0266326 A1 раскрывает многолучевое оптоэлектронный прибор, называемый VCSEL-матричным прибором, который имеет большую мощность и высокочастотные характеристики и различные структуры микролинз, которые могут быть сформированы на нем, а также различные способы его использования. VCSEL-матричный прибор представляет собой монолитную матрицу VCSEL, состоящую из двух или более VCSEL, и матрицу короткозамкнутых приборов с меза-структурой. VCSEL из VCSEL-матрицы могут располагаться симметрично или асимметрично, могут располагаться согласно математической функции для улучшения силовых или скоростных характеристик или могут располагаться для фазовых соотношений рядом друг с другом в электрически параллельном контуре. VCSEL из VCSEL-матрицы электрически соединены с первой металлической контактной площадкой, образованной на теплоотводящей подложке или носителе.
US 2002/0075911 A1 описывает дифракционную оптическую схему (ДОС), выполненную с возможностью отклонять часть входящего пучка каждого лазера поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL) в параллельный канал оптической матрицы, так что все VCSEL можно контролировать одновременно. Для каждого канала матрицы существует детектор для контроля оптической выходной мощности связанного VCSEL и система обратной связи для регулирования входного тока. ДОС содержит область ввода коллимирующего пучка с одной стороны, область вывода пучка с противоположной стороны и выходную область регистрации. ДОС способен пропускать первую часть пучка из области ввода коллимирующего пучка в область вывода пучка для передачи данных и отклонять вторую часть из области ввода коллимирующего пучка в выходную область детектирования для контроля. Область ввода коллимирующего пучка включает в себя дифракционный элемент, который может быть как генерируемой компьютером голограммой (ГКГ), так и решеткой.
US 6618414 B1 раскрывает лазер с вертикальным резонатором, который включает в себя оптический резонатор, расположенный рядом с первым зеркалом, причем оптический резонатор имеет полупроводниковый участок и диэлектрический разделительный слой. Рядом с диэлектрическим разделительным слоем расположен диэлектрический распределенный брэгговский отражатель (РБО). Поверхность между полупроводниковым участком оптического резонатора и диэлектрическим разделительным слоем преимущественно расположена в нуле или близко к нулю распределения интенсивности картины стоячей волны лазера с вертикальным резонатором, чтобы уменьшить потери или рассеяние, связанные с этой поверхностью.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание лазерного прибора с улучшенной лазерной безопасностью.
Согласно первому аспекту предлагается лазерный прибор. Лазерный прибор содержит от двух до шести меза-структур, обеспеченных на одном полупроводниковом чипе. Меза-структуры соединены электрическим параллельно, так что эти меза-структуры выполнены с возможностью одновременно испускать лазерное излучение, если на меза-структуры подается заданная входная электрическая мощность. Лазерный прибор, дополнительно выполнен так, что ухудшение по меньшей мере одной меза-структуры приводит к уменьшению мощности излучения, испускаемого лазерным прибором в заданном телесном угле при возбуждении заданной входной электрической мощностью, так что лазерный прибор остается безопасным для зрения.
Лазерные резонаторы лазерного прибора содержат активный слой, который расположен между двумя зеркалами, такими как распределенные брэгговские отражатели (РБО). Первое зеркало является сильно отражающим (>99%), и второе зеркало имеет немного меньший коэффициент отражения (>95%) для обеспечения лазерного излучения. Коэффициент отражения второго зеркала, например, влияет на порог генерации лазера и на наклон кривой лазерной мощности относительно входной электрической мощности. Уменьшенный коэффициент отражения второго зеркала, наоборот, увеличивает порог генерации лазера и увеличивает наклон кривой. Уменьшенный порог генерации лазера снижает оптическую мощность, испускаемую при данной входной электрической мощности, тогда как увеличенный наклон кривой увеличивает оптическую мощность при данной входной электрической мощности. Например, результаты экспериментов показали, что, включая типичное рассеяние в процессе получения, существует множество факторов, влияющих на испускаемую оптическую мощность при данной входной электрической мощности, такие как высокая вероятность возрастания испускаемой оптической мощности при снижении коэффициента отражения второго зеркала (например, при ухудшении). Более того, необходимость зондирования на больших расстояниях и хорошего различения внешнего света в применениях зондирования, таких как времяпролетные измерения, увеличивает потребность в как можно более высокой испускаемой лазером мощности. Последние разработки в области лазерных приборов обеспечивают максимально возможную мощность лазерного излучения, оставаясь ниже порога безопасности лазера или предела безопасности. Уменьшение коэффициента отражения второго зеркала может, таким образом, приводить к превышению пределов безопасности в определенных телесных углах конуса лазерного излучения. Более того, ухудшение одного из слоев меза-структур лазерного прибора может влиять на селекцию мод внутри соответствующего лазерного резонатора, так что яркость лазерного излучения, испускаемого в заданных телесных углах, может увеличиваться.
Лазерный прибор, следовательно, выполнен так, что ухудшение по меньшей мере одной меза-структуры приведет к уменьшению мощности лазерного излучения, излучаемой лазерным прибором в заданном телесном угле и в целом к уменьшению мощности лазерного излучения при возбуждении заданной входной электрической мощностью. Заданный телесный угол является телесным углом, в котором испускается максимальная мощность лазера, причем величина телесного угла определяется исходя из безопасности лазерного прибора для зрения. Может случиться, что мощность лазерного излучения, излучаемая в этом заданном телесном угле, снизится, например, из-за изменения селекции мод в одном из резонаторов лазера. В этом случае пределы безопасности могут быть не превышены, поскольку человеческий глаз воспринимает свет только в ограниченном телесном угле. Безопасность лазерного прибора для зрения, таким образом, сохраняется. Лазерный прибор может быть обязан, например, удовлетворять требованию о том, что максимум оптической мощности на расстоянии 70 мм, измеренный за апертурой диаметром 7 мм, должен быть меньше заданного порога при любом положении апертуры на этом расстоянии. Из-за мультимодовой структуры лазеров, например, лазера поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL), максимальная мощность может и не излучаться вдоль всей оптической оси лазера. Таким образом, заданный телесный угол должен определяться посредством сканирования с апертурой, равной 7 мм, на расстоянии 70 мм. Такое измерение соответствует стандарту IEC/EN:60825-1:2007, включенному в настоящий документ по ссылке.
Каждая меза-структура лазерного прибора может содержать поверхность раздела полупроводник-воздух. Поверхность раздела полупроводник-воздух может быть верхним слоем РБО, через который испускается лазерное излучение. Поверхность раздела полупроводник-воздух может также быть поверхностью полупроводникового слоя, покрытого другим слоем так, что изначально нет прямого контакта между этим полупроводниковым слоем и воздухом. Поверхность раздела полупроводник-воздух может в этом случае быть результатом дефекта слоя, покрывающего полупроводниковый слой. Лазерный прибор выполнен так, что ухудшение по меньшей мере одной поверхности раздела полупроводник-воздух одной меза-структуры приведет к уменьшению мощности лазерного излучения, испускаемого лазерным прибором, при возбуждении заданной входной электрической мощностью.
Поверхность раздела полупроводник-воздух может, например, быть расположена в узле картины стоячей волны при возбуждении заданной входной электрической мощностью. Лазерные приборы, такие как, например, лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL), разрабатываются с поверхностью раздела полупроводник-воздух, расположенной в пучности, чтобы иметь максимальный вклад в коэффициент отражения и, следовательно, иметь меньше слоев РБО. Проектирование поверхности раздела полупроводник-воздух в узле картины стоячей волны оптического поля в резонаторе лазера или по меньшей мере на достаточном расстоянии от пучности приводит к уменьшению мощности лазерного излучения, испускаемого лазерным прибором в заданном телесном угле при возбуждении заданной входной электрической мощностью. В этом случае ухудшение поверхности границы раздела с воздухом увеличит коэффициент отражения, то есть, уменьшит вывод, и мощность испускаемого лазерного излучения будет меньше. Более того, из-за функциональной связи между коэффициентом отражения и углом падения, «положение в узле» поверхности раздела полупроводник-воздух максимизирует вывод излучения для мод более низкого порядка с малым углом испускания. Ухудшение такого слоя, таким образом, увеличит угол испускания, что является предпочтительным для сохранения лазерного прибора безопасным благодаря снижению мощности лазерного излучения, испускаемого в заданном телесном угле.
Каждая меза-структура содержит защитное покрытие согласно альтернативному варианту осуществления, причем защитное покрытие выполнено так, что ухудшение по меньшей мере одного защитного покрытия одной меза-структуры приведет к уменьшению мощности лазерного излучения, испускаемого лазерным прибором при возбуждении заданной входной электрической мощностью.
Защитное покрытие может содержать один или более слоев оксида кремния или нитрида кремния, предпочтительно их комбинацию, чтобы гарантировать, что возможные точечные дефекты, которые могут возникать в одном соединении, не перейдут наружу. Толщина обычно составляет 10-l00 нм, предпочтительно, четко выраженную часть длины волны, например λ/2 или λ/4. Альтернативно или дополнительно, в качестве защитных покрытий могут использоваться оксиды других веществ, например, титана, тантала иди ниобия. Защитное покрытие может содержать толстое дихроическое многослойное покрытие, которое не только играет роль защитной оболочки, но и вносит вклад в коэффициент отражения полупроводникового РБО, который, в свою очередь, может быть сделан более тонким. Защитное покрытие является герметичным, чтобы замедлить ухудшение покрываемых полупроводниковых слоев.
Защитное покрытие может, например, может быть расположено так, чтобы полупроводниковый слой (например, верхний слой выходного РБО) был расположен в положении узла или вблизи положения узла картины стоячей волны оптического поля при возбуждении заданной входной электрической мощностью как описано выше. Защитное покрытие будет в этом случае предпочтительно иметь толщину, равную половине длины волны испускания, чтобы защитное покрытие и ухудшение покрытия не влияли на коэффициент отражения.
Защитное покрытие может быть расположено так, чтобы коэффициент отражения зеркала, покрытого защитным покрытием, снижался по меньшей мере незначительно.
Ухудшение защитного покрытия приведет к увеличению коэффициента отражения, так что выходное лазерное излучение, испускаемое при заданной электрической мощности, снизится. Полупроводниковый слой (например, верхний слой выходного РБО) расположен в положении пучности картины стоячей волны оптического поля при возбуждении заданной мощностью электрического поля, и защитное покрытие расположено так, что коэффициент отражения выходного РБО снижена. Поэтому ухудшение защитного покрытия увеличит коэффициент отражения и снизит выход лазерного излучения. Защитное покрытие может дополнительно содержать пространственную структуру, например, регулярные картины, поддерживающие заданную селекцию мод в резонаторах лазера. Моды лазера, подавляемые защитным покрытием, расположены так, что ухудшение защитного покрытия и соответствующей пространственной структуры изменит моды лазера так, что пиковая мощность лазерного излучения, испускаемого лазерным прибором в заданном телесном угле, снизится.
Лазерный прибор может дополнительно быть выполнен так, что конус испускания лазерного излучения, испускаемого лазерным прибором, увеличивается в случае ухудшения по меньшей мере одной меза-структуры при возбуждении заданной входной электрической мощностью. Меза-структуры могут, например, быть расположены так, что в случае ухудшения меза-структур будут поддерживаться кольцевые моды лазера при возбуждении заданной входной электрической мощностью. Структура полупроводникового слоя меза-структур может, например, быть расположена так, что будет поддерживаться кольцевая инжекция тока в случае ухудшения меза-структуры при возбуждении заданной входной электрической мощностью. Кольцевые моды лазера снижают оптическую мощность, испускаемую в заданном телесном угле.
Лазерный прибор согласно дополнительному, не заявленному, варианту осуществления содержит от двух до шести меза-структур, расположенных на одном полупроводниковом чипе. Меза-структуры электрически соединены параллельно, так что меза-структуры выполнены с возможностью одновременно испускать лазерное излучение, если на меза-структуры подана заданная входная электрическая мощность. Лазерный прибор дополнительно выполнен так, что ухудшение по меньшей мере одной меза-структуры приводит к уменьшению мощности лазерного излучения, испускаемого лазерным прибором в заданном телесном угле при возбуждении заданной входной электрической мощностью, так что сохраняется безопасность лазерного прибора для зрения. Лазерный прибор необязательно может быть выполнен так, что конус лазерного излучения, излученного лазерным прибором, увеличивается в случае ухудшения по меньшей мере одной меза-структуры при возбуждении при заданной входной электрической мощности. Меза-структуры могут альтернативно или дополнительно быть расположены так, что будут поддерживаться кольцевые моды лазера при возбуждении заданной входной электрической мощностью. Структура полупроводникового слоя меза-структур необязательно может быть расположена так, что будет существовать кольцевая инжекция тока при возбуждении заданной входной электрической мощностью. Каждая меза-структура может альтернативно или дополнительно содержать пространственно структурированное защитное покрытие, причем пространственно структурированное защитное покрытие поддерживает кольцевые моды лазера при возбуждении заданной входной электрической мощностью.
Согласно второму, не заявленному, аспекту предлагается лазерный прибор. Лазерный прибор содержит от двух до шести меза-структур, обеспеченных на одном полупроводниковом чипе. Меза-структуры электрически соединены параллельно, так что меза-структуры выполнены с возможностью одновременно испускать лазерное излучение, если на меза-структуры подана заданная входная электрическая мощность. Меза-структуры содержат слаболегированные p-РБО с концентрацией примесей примерно 1E18 или короткие РБО в комбинации с дихроическим зеркалом, каждый в комбинации с относительно слаболегированными защитными/частично защитными структурами (<1E19) приводит к кольцевой инжекции тока. Это способствует появлению кольцевых мод и, следовательно, расширяет спектр излучения. Структура этих меза-структур может комбинироваться с каждым признаком, описанным выше согласно первому аспекту.
Согласно третьему, не заявленному, аспекту предлагается лазерный прибор. Лазерный прибор содержит от двух до шести меза-структур, обеспеченных на одном полупроводниковом чипе. Меза-структуры электрически соединены параллельно так, что меза-структуры выполнены с возможностью одновременно испускать лазерное излучение, если на меза-структуры подана заданная входная электрическая мощность. Каждая меза-структура может содержать пространственно структурированное защитное покрытие, причем пространственно структурированное защитное покрытие поддерживает кольцевые моды лазера при возбуждении заданной входной электрической мощностью. Пространственно структурированное защитное покрытие или защитный слой, может выбирать требуемые моды. Разность высот в несколько l0 нм достаточна для изменения фазового условия для выходного зеркала и, таким образом, коэффициента отражения для отдельных мод, имеющих большее или меньшее перекрытие со структурированной частью. В качестве примера, кольцевое неглубокое травление защитного слоя на величину порядка l0 нм способно проводить различие между предпочитаемой работой на основной моде (если фазовое условие оптимально для центральной части) или на кольцевой моде (для внешней части, являющейся оптимальной для максимального коэффициента отражения). Пространственно структурированное защитное покрытие меза-структур может быть объединено с каждой мерой, описанной выше согласно первому или второму аспектам.
В общем, согласно конструкции, главным образом пространственно структурированный защитный слой и кольцевая инжекция тока, описанные выше, определяют селекцию мод внутри резонатора лазера. Эта конструкция делает лазерный прибор менее чувствительным к небольшим отклонениям при изготовлении или к изменениям в течение срока службы. Это можно количественно описать чистом n-мод, вносящих вклад в лазерное излучение, когда дополнительные моды подавляются до минимального значения (как по величине дБ при подавлении мод, так и по разнице в пороге генерации лазера). Лазерный прибор может, например, отличаться излучением 3, 4, 5 или более мод при пороговом значении генерации лазера. Подавленные моды начинают генерироваться при величинах тока по меньшей мере от 1,2 до 1,5 раз выше обычного рабочего тока лазерного прибора.
Согласно четвертому, не заявленному, аспекту изобретения предлагается лазерный прибор. Лазерный прибор содержит от двух до шести меза-структур, обеспеченных на одном полупроводниковом чипе. Меза-структуры электрически соединены параллельно так, что меза-структуры выполнены с возможностью одновременно испускать лазерное излучение, если на меза-структуры подана заданная входная электрическая мощность. Каждая меза-структура окружена углублением, так что высота полупроводникового чипа за углублением по меньшей мере так же велика, как выходное окно меза-структур лазера. Углубление можно комбинировать с каждой мерой, описанной выше согласно первому, второму или третьему аспекту. Большая часть области полупроводникового чипа остается неуглубленной и поэтому имеет исходную высоту. Пассивация и осаждение контактных веществ могут привести к большим областям полупроводникового чипа расположены на том же или даже на более высоком уровне, чем чувствительная грань лазера меза-структур лазерного прибора.
Дополнительно к более высокой механической устойчивости лазерного прибора существует и другое преимущество при изготовлении чипа такой структуры. Гораздо меньшее количество вытравленного вещества делает возможным более постоянный процесс травления со сниженным влиянием побочных продуктов травления. Меза-структуры могут предпочтительно быть расположены так, чтобы минимизировать количество удаляемого вещества. Меза-структуры могут, например, в случае трех меза-структур, быть расположены в виде равностороннего треугольника. Расстояние между меза-структурами может быть выбрано таким, чтобы углубления соседних меза-структур перекрывались.
Согласно пятому аспекту предлагается лазерный модуль. Лазерный модуль содержит лазерный прибор, как описано выше. Лазерный прибор дополнительно содержит схему возбуждения для электрического возбуждения меза-структур, причем схема возбуждения выполнена с возможностью подавать заданную электрическую мощность на меза-структуры.
Согласно шестому аспекту предлагается оптический датчик. Оптический датчик содержит лазерный модуль, как описано выше. Оптический датчик может содержать по меньшей мере фотодетектор, выполненный с возможностью принимать отраженное лазерное излучение соответствующего лазерного импульса, испущенного лазерным прибором. Оптический датчик может дополнительно содержать анализатор, выполненный с возможностью идентифицировать отраженное лазерное излучение соответствующего лазерного импульса. Анализатор может быть дополнительно выполнен с возможностью определять время пролета между временем приема отраженного лазерного излучения и временем испускания соответствующего лазерного импульса.
Оптические датчики для измерений времени пролета могут использоваться в мобильных устройствах (например, в смартфонах) для многих целей, например, для определения расстояния, автофокусировки камеры, 3D изображения места или для жестового интерфейса пользователя. Преимущественная система использует VCSEL, объединенный с фотодиодом (например, лавинным фотодиодом) и электроникой для измерения времени в пути света от VCSEL к месту и обратно к датчику. Использование VCSEL имеет преимущества по сравнению с LED или EEL из-за его стабильности и узкого спектра испускания (что позволяет стабильно отфильтровать естественный свет на лавинном датчике) и из-за подходящей картины излучения (вращательная симметрия с 20-30° FW1/e2). Для дополнительной оптимизации конуса излучения может использоваться дополнительная оптика. Множество каналов, то есть, матриц из нескольких VCSEL и/или фотодиодов, в особенности в комбинации с оптикой, дают хорошее угловое покрытие. В комбинации с алгоритмами, связывающими сигналы от разных каналов, можно получить высокое угловое разрешение с минимальными усилиями и, в особенности, без перемещения каких-либо механических устройств, например, сканеров. Лазерные приборы, такие как описаны выше, гарантируют определение расстояний в широком диапазоне при увеличении безопасность лазера.
Анализатор может дополнительно быть способен определять, например, на основе управляющего сигнала, испущенного лазерным прибором, среднюю принятую оптическую мощность, так что входная электрическая мощность может быть снижена для улучшения безопасности лазера. Оптическая мощность, испускаемая лазерным прибором, может быть откалибрована посредством структуры обратной связи с известным коэффициентом отражения, которая расположена вблизи фотодетектора и отражает меньшую часть испускаемого лазерного излучения. Структура обратной связи может, например, быть поверхностью прозрачного покровного стекла или листа, защищающего лазерный прибор оптического датчика, а также, например, фотодетектором. Небольшое расстояние между лазерным прибором, структурой обратной связи и фотодетектором позволяет использовать детектирующий сигнал, испущенный лазерным прибором, в качестве управляющего. Малое время между испусканием и приемом позволяет различать калибровочный и измерительный сигнал. Альтернативно, может также существовать возможность использования дополнительного управляющего сигнала, обеспеченного между двумя измерительными импульсами. Интенсивность принятого управляющего сигнала можно сравнивать посредством анализатора с интенсивностью исходного сигнала, определенной перед каким-либо ухудшением лазерного прибора. Анализатор может содержать процессор, микропроцессор и т.п. с соответствующими устройствами памяти. Электрическая мощность, подаваемая на лазерный прибор, может быть снижена, как только интенсивность принятого калибровочного сигнала превысит пороговое значение, связанное с исходными интенсивностями сигнала.
Согласно дополнительному аспекту обеспечен способ изготовления лазерного прибора. Способ содержит этапы:
обеспечения от двух до шести меза-структур на одном полупроводниковом чипе;
электрического соединения меза-структур параллельно, так что меза-структуры одновременно испускают лазерное излучение, если на меза-структуры подана заданная входная электрическая мощность, причем каждая меза-структура вмещает оптический резонатор лазера поверхностного излучения с вертикальным резонатором, выполненный с возможностью испускания лазерного излучения на длине волны испускания при возбуждении заданной входной электрической мощностью, причем каждая меза-структура содержит поверхность раздела полупроводник-воздух;
выполнение лазерного прибора так, что ухудшение по меньшей мере одной поверхности раздела полупроводник-воздух приводит к уменьшению мощности лазерного излучения, испускаемого лазерным прибором в заданном телесном угле при возбуждении заданной входной электрической мощностью, так что сохраняется безопасность лазерного прибора для зрения, причем заданный телесный угол является телесным углом, в котором излучается максимальная мощность лазерного излучения;
расположение поверхности раздела полупроводник-воздух на расстоянии от пучности картины стоячей волны оптического поля в резонаторе лазера при возбуждении заданной входной электрической мощностью так, что ухудшение по меньшей мере одной поверхности раздела полупроводник-воздух снижает вывод лазерного излучения при возбуждении заданной входной электрической мощностью посредством увеличения коэффициента отражения лазерного прибора.
Согласно дополнительному аспекту обеспечен способ изготовления лазерного прибора. Способ содержит этапы:
обеспечения от двух до шести меза-структур на одном полупроводниковом чипе;
электрического соединения меза-структур параллельно, так что меза-структуры одновременно испускают лазерное излучение, если на меза-структуры подана заданная входная электрическая мощность, причем в каждую из меза-структур встроен оптический резонатор лазера поверхностного излучения с вертикальным резонатором, выполненный с возможностью испускания лазерного излучения на длине волны излучения при возбуждении заданной входной электрической мощностью, причем каждая меза-структура содержит поверхность раздела полупроводник-воздух;
выполнения лазерного прибора так, что ухудшение по меньшей мере одной поверхности раздела полупроводник-воздух приводит к уменьшению мощности лазерного излучения, испускаемой лазерным прибором в заданном телесном угле при возбуждении заданной входной электрической мощностью, так что сохраняется безопасность лазерного прибора для зрения, причем заданный телесный угол является телесным углом, в котором излучается максимальная мощность лазерного излучения;
расположение поверхности раздела полупроводник-воздух на расстоянии от пучности картины стоячей волны оптического поля в резонаторе лазера при возбуждении заданной входной электрической мощностью, так что ухудшение упомянутой по меньшей мере одной поверхности раздела полупроводник-воздух снижает вывод лазерного излучения при возбуждении заданной входной электрической мощностью посредством увеличения коэффициента отражения лазерного прибора.
Согласно дополнительному аспекту, предлагается другой способ изготовления лазерного прибора. Способ содержит этапы:
обеспечения от двух до шести меза-структур на одном полупроводниковом чипе;
электрического соединения меза-структур параллельно так, что меза-структуры одновременно испускают лазерное излучение, если на меза-структуры подана заданная входная электрическая мощность, причем в каждую из меза-структур встроен оптический резонатор лазера поверхностного излучения с вертикальным резонатором, выполненный с возможностью испускания лазерного излучения на длине волны излучения при возбуждении заданной входной электрической мощностью, причем каждая из меза-структур содержит защитное покрытие;
выполнение лазерного прибора так, что ухудшение по меньшей мере одного защитного покрытия приводит к уменьшению мощности лазерного излучения, испускаемого лазерным прибором в заданном телесном угле при возбуждении заданной входной электрической мощностью, так что сохраняется безопасность лазерного прибора для зрения, причем заданный телесный угол является телесным углом, в котором излучается максимальная мощность лазерного излучения;
расположение поверхности раздела между верхним слоем выходного диэлектрического брэгговского отражателя лазера поверхностного излучения с вертикальным резонатором и защитным покрытием на расстоянии от пучности картины стоячей волны оптического поля в резонаторе лазера при возбуждении заданной входной электрической мощностью, так что ухудшение упомянутого по меньшей мере одного защитного покрытия снижает вывод лазерного излучения при возбуждении заданной входной электрической мощностью посредством увеличения коэффициента отражения лазерного прибора.
Этапы способа необязательно осуществляются в описанной последовательности. Лазерный прибор может, например, быть выполнен согласно третьему этапу во время изготовления слоев меза-структур с учетом технических мер, описанных выше для лазерного прибора.
Следует понимать, что лазерный прибор и способ изготовления лазерного прибора имеют похожие и/или идентичные варианты осуществления, в частности те, которые определены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Следует понимать, что предпочтительный вариант осуществления может также быть любой комбинацией зависимых пунктов формулы изобретения с соответствующим независимым пунктом.
Другие полезные варианты осуществления описаны ниже.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие аспекты изобретения станут понятны и прояснены со ссылкой на варианты осуществления, описанные далее.
Теперь изобретение будет раскрыто в качестве примера на основе вариантов осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи.
На чертежах:
Фигура 1 показывает принципиальную схему полупроводникового чипа, содержащего три меза-структуры.
Фигура 2 показывает принципиальную схему полупроводникового чипа, содержащего четыре меза-структуры.
Фигура 3 показывает сечение полупроводникового чипа, показанного на фигуре 2.
Фигура 4 показывает сечение VCSEL, имеющего оптический резонатор, встроенный в меза-структуру, согласно первому варианту осуществления.
Фигура 5 показывает сечение VCSEL, имеющего оптический резонатор, встроенный в меза-структуру, согласно второму варианту осуществления.
Фигура 6 показывает сечение оптического датчика согласно первому варианту осуществления.
Фигура 7 показывает принципиальную схему мобильного устройства, содержащего оптический датчик.
Фигура 8 показывает принципиальную схему способа изготовления лазерного прибора.
На фигурах одинаковые номера относятся к одинаковым объектам. Объекты на фигурах не обязательно выполнены в масштабе.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Различные варианты осуществления изобретения будут теперь описаны посредством чертежей.
Фигура 1 показывает принципиальную схему первого варианта осуществления лазерного прибора, содержащего полупроводниковый чип 110, содержащий три меза-структуры 120. Каждая из меза-структур содержит оптический резонатор. Принципиальная схема такого оптического резонатора показана на фигурах 4 и 5. Слой 130 металлизации структурирован так, что обеспечена контактная площадка 160 для электрического соединения полупроводникового чипа 110 слоистого прибора.
Фигура 2 показывает принципиальную схему второго варианта осуществления лазерного прибора, содержащего полупроводниковый чип 110, содержащий четыре меза-структуры 120. Меза-структуры расположены в виде квадрата. Каждая меза-структура 120 окружена углублением 140 в слоистой структуре полупроводникового чипа 110. Шаг между меза-структурами 120 и ширина углублений 140 выбираются так, чтобы углубления 140 между соседними меза-структурами 120 перекрывались. Количество вытравливаемого вещества минимизируется. Гораздо меньшее количество вытравливаемого вещества позволяет сделать процесс травления более постоянным и снизить влияние побочных продуктов травления. Полупроводниковый чип 110 дополнительно содержит контактную площадку 160, и электрический контакт обеспечен снизу полупроводникового чипа 110 для электрического соединения лазерного прибора со схемой возбуждения (смотри, например, фигуру 6) для обеспечения заданной электрической входной мощности.
Фигура 3 показывает сечение полупроводникового чипа 110, показанного на фигуре 2, вдоль линии A-A, показывая детали углубления 140, обеспеченного вокруг меза-структур 120. Углубления 140 заполнены электроизолирующим материалом. Сверху электроизолирующего материала находится структурированный электропроводящий материал, обеспечивая первую область 131 контакта и вторую область 132 контакта для электрического контакта с лазерным прибором 100. Первая область 131 контакта электрически соединена с p-легированными слоями меза-структур 120, и вторая область 132 контакта электрически соединена с n-легированными слоями меза-структур 120. Меза-структуры 120 и, в частности, более чувствительная грань 125 лазера окружены поверхностью (верх поверхностей первой и второй областей 131, 132 электрического контакта), которая находится на большей высоте, чем поверхность грани 125 лазера. Эта более высокая окружающая поверхность упрощает обращение с полупроводниковым чипом 110, поскольку снижает вероятность дотронуться до одной из меза-структур 120 и, в особенности, до поверхности грани 125 лазера.
Фигура 4 показывает сечение VCSEL, показывающее оптический резонатор, встроенный в меза-структуру 120 согласно первому варианту осуществления. Оптический резонатор содержит нижний РБО 230 и верхний РБО 240 и активный слой 260, помещенный между нижним РБО 230 и верхним РБО 240. Нижний РБО 230 является сильно отражающим (>99%), и верхний РБО 240 имеет несколько меньший коэффициент отражения (>95%), чтобы способствовать излучению лазера через верхний РБО 240. Поэтому VCSEL является так называемым верхним излучателем. Активный слой 260 содержит несколько слоев, образующих структуру квантовой ямы. Нижний РБО 230 расположен на подложке, такой как подложка из GaAs. VCSEL приводится в контакт посредством нижнего электрода 210 и кольцевого электрода 220. Нижний электрод 210 обеспечен на стороне подложки, противоположной нижнему РБО 230. Кольцевой электрод 220 обеспечен сверху верхнего РБО 240. Первая область 131 контакта, показанная на фигурах 2 и 3, может использоваться для приведения в контакт с кольцевым электродом 220, а вторая область 132 контакта может использоваться для приведения в контакт с нижним электродом 210, например, посредством контактного отверстия. Удерживающий слой 250 используется для ограничения протекания тока через активную область в определенную в данном случае круговую область активного слоя. Удерживающий слой 250 содержит область практически электрически непроводящего оксида с круглым отверстием, полученным латеральной оксидизацией удерживающего слоя 250 после травления меза-структуры. Удерживающий слой 250 в этом случае расположен сверху активного слоя 260. Удерживающий слой может также быть расположен внутри нижнего РБО 230 или верхнего РБО 240. Вариации расположения слоев, не влияющие на функциональность слоев, хорошо известны специалистам в данной области техники. Лазерный прибор 100 выполнен так, что поверхность 242 раздела полупроводник-воздух или поверхность верхнего слоя верхнего РБО 240 расположена в узле картины стоячей волны при возбуждении заданной входной электрической мощностью. Проектирование поверхности 242 раздела полупроводник-воздух в узле картины стоячей волны оптического поля в резонаторе лазера или по меньшей мере на значительном расстоянии от пучности приводит в случае ухудшения поверхности 242 раздела полупроводник-воздух к снижению мощности лазерного излучения, испускаемого лазерным прибором в заданном телесном угле при возбуждении заданной входной электрической мощностью. Ухудшение поверхности 242 раздела полупроводник-воздух увеличило бы коэффициент отражения верхнего РБО 240, так что будет испущена меньшая мощность лазерного излучения.
Далее, из-за функционального соотношения между коэффициентом отражения и углом падения положение поверхности раздела полупроводник-воздух в узле максимизирует выход для мод более низкого порядка с малым углом испускания. Ухудшение такого слоя увеличивает угол излучения и поэтому уменьшает максимальную оптическую мощность, испускаемую в заданном телесном угле.
Фигура 5 показывает сечение VCSEL, показывающее оптический резонатор, встроенный в меза-структуру 120 согласно второму варианту осуществления. Структура полупроводникового слоя довольно похожа на первый вариант осуществления, показанный на фигуре 4. Верхний РБО 240 является слабо легированным p-РБО с концентрацией примесей примерно 1E18. Слабо легированный p-РБО в комбинации с относительно слабо легированными защитными/частично защитными структурами (<1E19) (не показаны) приводит к кольцевой инжекции тока. Это способствует кольцевым модам и, таким образом, расширяет спектр испускания. Кроме того, защитное покрытие 280 содержит последовательность слоев оксида кремния и нитрида кремния, обеспеченных поверх верхнего слоя верхнего РБО 240. Защитное покрытие 280 замедляет ухудшение полупроводниковой слоистой структуры меза-структур 120. Кроме того, поверхность верхнего слоя верхнего РБО 240 расположена в положении узла картины стоячей волны, как описано на фигуре 4. Повреждение защитного покрытия 280 с толщиной в половину длины волны испускания и последующее ухудшение «новой» поверхности 242 раздела полупроводник-воздух уменьшит, таким образом, максимальную оптическую мощность, испускаемую в заданном телесном угле.
Фигура 6 показывает сечение оптического датчика 300 согласно первому варианту осуществления. Оптический датчик 300 содержит лазерный прибор 100, окно 310 пропускания и схему 320 возбуждения для электрического возбуждения лазерного прибора 100. Схема 320 возбуждения электрически соединена с лазерным прибором 100 для передачи электрической мощности лазерному прибору 100 определенным образом. Схема 320 возбуждения содержит устройство памяти для хранения данных, инструкций по задействованию схемы 320 возбуждения и блок обработки для исполнения данных и инструкций по задействованию схемы 320 возбуждения. Оптический датчик 300 дополнительно содержит фотодетектор 350 и анализатор 360. Фотодетектор 350 является в данном случае фотодиодом, но может быть любым, предпочтительно полупроводниковым прибором, который может использоваться для детектирования лазерного излучения, испускаемого лазерным прибором. Фотодетектор 350 должен быть как можно более чувствительным к фотонам, испускаемым лазером, и должен иметь быстрое время измерения. Предпочтительными технологиями являются, например, лавинные фотодиоды или даже так называемые однофотонные лавинные диоды, а также их массивы. Анализатор 360 содержит по меньшей мере одно устройство памяти, такое как микросхема памяти и по меньшей мере одно устройство обработки, такое как микропроцессор. Анализатор 360 выполнен с возможностью принимать данные от схемы 320 возбуждения и, необязательно, от лазерного прибора 100, для определения времени t1, при котором испускаемый лазерное излучение 315 покидает протяженный резонатор в виде лазерного импульса. Анализатор 360 дополнительно определяет на основе этого времени t1 и частоты повторений, посредством схемы 320 возбуждения, происходит ли отраженное лазерное излучение 317, зарегистрированный фотодиодом, из лазерного импульса, испущенного во время t1. Время t2 записывается, если отраженное лазерное излучение 317 происходит из лазерного импульса, а расстояние до объекта, отразившего лазерный импульс, вычисляется на основе времени пролета Δt=t2-t1 и скорости лазерного импульса c. Малая часть испускаемого лазерного излучения 315 отклоняется у окна 310 пропускания и используется в качестве управляющего сигнала 319. Управляющий сигнал 319 принимается посредством фотодетектора 350 гораздо раньше, чем отраженное лазерное излучение 317. Анализатор 360, таким образом, способен делать различие между принятым управляющим сигналом 319 и отраженным лазерным излучением 317. Интенсивность принятого управляющего сигнала 319 сравнивается посредством анализатора 360 с опорным значением интенсивности сигнала, записанным в устройстве памяти анализатора 360. Анализатор 360 отправляет сигнал о снижении мощности схеме 320 возбуждения, как только интенсивность принятого управляющего сигнала 319 превысит пороговое значение, основанное на опорном значении интенсивности сигнала, чтобы гарантировать безопасность для зрения оптического датчика 300.
Время между приемом управляющего сигнала 319 и отраженного лазерного излучения 317 может быть довольно коротким. Поэтому может быть предпочтительным использование отдельного управляющего сигнала 319, независимого от испускаемого лазерного излучения 315. Отдельный управляющий сигнал 319 может быть очень коротким лазерным импульсом, испущенным между двумя лазерными импульсами испущенного лазерного излучения 315. Более того, может быть предпочтительным осуществление структуры обратной связи в окне 310 пропускания, так чтобы интенсивность управляющего сигнала 319 была достаточно высока. Структура обратной связи может, например, быть небольшой частью поверхности окна 310 пропускания, наклоненной относительно оставшейся поверхности окна 310 пропускания. Положение и угол наклона выбирают так, чтобы управляющий сигнал 319 был направлен к фотодетектору 350.
Фигура 7 показывает принципиальную схему мобильного устройства 400 связи, содержащего оптический датчик 300. Оптический датчик 300 может, например, использоваться в комбинации с программным приложением, запущенным на мобильном устройстве 400 связи. Программное приложение может использовать оптический датчик 300 для применений зондирования. Такими применениями зондирования могут быть измерения времени пролета для определения расстояний, автофокусировка камеры, трехмерное отображение места или жестовый интерфейс пользователя.
Фигура 8 показывает принципиальную схему способа изготовления лазерного прибора 100. На этапе 510 от двух до шести меза-структур обеспечивают на одном полупроводниковом чипе 110. Меза-структуры 120 электрически соединяют параллельно на этапе 520, так что меза-структуры 120 испускают лазерное излучение одновременно, если на меза-структуры 120 подана заданная электрическая входная мощность. Лазерный прибор 100 выполняют на этапе 530 так, что ухудшение по меньшей мере одной меза-структуры 120 приводит к снижению мощности лазерного излучения, испускаемого лазерным прибором при возбуждении заданной электрической входной мощностью, так что безопасность лазерного прибора для зрения сохраняется. Лазерный прибор 100 может, например, быть выполнен с обеспечением возможности расположения поверхности 242 раздела полупроводник-воздух в узле картины стоячей волны в оптическом резонаторе при возбуждении заданной электрической входной мощностью.
Основной идеей настоящего изобретения является создание лазерного прибора 100, содержащего от двух до шести меза-структур 120, причем лазерный прибор 100 выполнен так, что безопасность лазерного прибора 100 для зрения гарантируется на весь срок службы лазерного прибора 100. Безопасность для зрения может быть гарантирована разработкой полупроводниковой структуры или, более широко, структуры слоев меза-структур 120 лазерного прибора 100 так, чтобы ухудшение одного или более слоев слоистой структуры приводило к снижению максимума оптической мощности, испускаемой в заданном телесном угле. Альтернативно или дополнительно, электрическую входную мощность, подаваемую на лазерный прибор 100, можно подобрать и управлять ею в зависимость от испускаемой оптической мощности, так чтобы не превышать пределов безопасности.
Хотя изобретение было проиллюстрировано и описано подробно на чертежах и в предшествующем описании, эти иллюстрация и описание должны считаться иллюстративными и примерными, а не ограничивающими.
После чтения настоящего описания специалистам в данной области техники станут понятны другие модификации. Эти модификации могут включать в себя другие устройства, уже известные из области техники, которые могут использоваться вместо или вместе с устройствами, описанными здесь.
Варианты раскрытых вариантов осуществления могут быть поняты и осуществлены специалистами в области техники после изучения чертежей, описания и прилагаемой формулы изобретения. В формуле слово «содержит» не исключает других элементов или этапов, а единственное число не исключает множества элементов или этапов. Только тот факт, что некоторые признаки перечислены во взаимно различных зависимых пунктах формулы, не означает, что комбинация этих признаков не может использоваться с выгодой.
Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не должны рассматриваться как ограничивающие ее объем.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
100 лазерный прибор
110 полупроводниковый чип
120 меза-структура
125 грань лазера
131 первая область контакта
132 вторая область контакта
135 изолирующий слой
140 углубление
160 контактная площадка
210 нижний электрод
220 кольцевой электрод
230 нижний РБО
240 верхний РБО
250 удерживающий слой
260 активный слой
270 подложка
280 защитное покрытие
300 оптический датчик
310 окно пропускания
315 испущенное лазерное излучение
317 отраженное лазерное излучение
319 управляющий сигнал
320 схема возбуждения
350 фотодетектор
360 анализатор
400 мобильное устройство связи
510 этап обеспечения меза-структур
520 этап электрического соединения меза-структур
530 этап выполнения лазерного прибора