ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ:
Изобретение относится к лазерному прибору с внутренне присущей безопасностью, содержащему лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL), осветительное устройство, содержащее такой лазерный прибор, и способ изготовления лазерного прибора.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ:
Лазерные приборы, содержащие VCSEL или матрицу VCSEL, могут использоваться в качестве устройства инфракрасного освещения. При использовании коротких импульсов матрицы VCSEL, например, применяются во времяпролетных приложениях. Такие приложения содержат, например, распознавание жестов на малой дальности для переносных устройств и трехмерное пространственное распознавание. Для таких приложений рассматриваются матрицы VCSEL площадью около 1 мм² с выходной мощностью в диапазоне 1–10 Вт. Конкретная область освещения определяется системой (например, времяпролетная камера, наблюдающая например, 70°×50°). Типичная диаграмма направленности матрицы VCSEL является осесимметричной с конусом размером, например, 20°.
Безопасность при работе с лазерами в случае лазерного прибора, входящего в состав потребительского товара, важна для улучшения восприятия потребителем и выполнения правил техники безопасности. В первую очередь, необходимо исключить возможность игнорирования мер безопасности при работе с лазером простыми средствами, например, путем манипулирования лазерным прибором.
В этой связи в US 2007/0103643 A1 описывается блок источника лазерного излучения, в котором при снятии лазера с шасси или чего-либо подобного его лазер однозначно становится неспособным излучать. Блок источника лазерного излучения содержит узел источника лазерного излучения, в котором имеется узел генерирования излучения, испускающий излучение, фиксирующий элемент, который фиксирует узел источника лазерного излучения, и прерывающее средство, которое одновременно с движением снятия узла источника лазерного излучения с фиксирующего элемента прерывает путь тока для подачи тока в узел генерирования излучения в узле источника лазерного излучения.
В US 2007/0071056 A1 описывается лазерная дальнометрия и обнаружение путем последовательного излучения множества пучков из структуры лазера поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL), перенаправления пучков посредством оптических элементов так, чтобы они расходились веером по области наблюдения, и обнаружения любых пучков, которые могут отражаться объектами в области наблюдения. Дальность и угол направления таких объектов могут определяться по времени пролета пучка и углу пучка.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ:
Задачей настоящего изобретения является обеспечение усовершенствованного лазерного прибора с внутренне присущей безопасностью, содержащей VCSEL.
Изобретение описывается в независимых пунктах. Предпочтительные варианты осуществления описывается в зависимых пунктах или описываются в последующих частях описания.
В соответствии с первым аспектом предлагается лазерный прибор, содержащий по меньшей мере один лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором, выполненный с возможностью испускания лазерного излучения. Упомянутый по меньшей мере один лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором содержит первый электрод, полупроводниковую подложку, первый распределенный брэгговский отражатель, активный слой, второй распределенный брэгговский отражатель и второй электрод. Активный слой находится между первым распределенным брэгговским отражателем и вторым распределенным брэгговским отражателем. Первый электрод и второй электрод выполнены с возможностью подведения электрического тока через активный слой. Лазерный прибор содержит оптическую структуру, выполненную с возможностью увеличения угла испускания лазерного излучения для повышения безопасности лазерного прибора для глаз. Оптическая структура является неотъемлемым компонентом структуры полупроводниковых слоев лазерного прибора. Структура полупроводниковых слоев лазерного прибора необязательно может содержать дополнительные полупроводниковые слои, поддерживающие функции таких функциональных элементов, как электроды, отражатели, активный слой и т.п., описанных выше.
Оптическая структура может быть выполнена с возможностью уменьшения яркости лазерного прибора, чтобы лазерный прибор больше не подпадал под действие правил безопасности при работе с лазером. Могут применяться правила безопасности для светодиодов (LED), являющиеся менее ограничительными и общепринятые в потребительских товарах, в которых может оказаться невозможным решение проблем, связанных с безопасностью при работе с лазером. Интегрирование оптической структуры, выполненной с возможностью увеличения угла испускания лазерного излучения в структуре полупроводниковых слоев, обеспечивает устройство с внутренне присущей безопасностью, поскольку оптическая структура не может быть удалена без разрушения лазерного прибора. Кроме того, высокий показатель преломления полупроводниковых слоев и, в частности, подложки из арсенида галлия (n~3,5) лазерного прибора гарантирует, что угол испускания лазерного излучения значительно увеличивается даже в случае погружения в жидкость, которая обычно характеризуется показателем преломления n<1,5. Угол испускания лазерного излучения определяется полным углом, охватывающим оптическую ось соответствующей матрицы VCSEL или VCSEL, в котором интенсивность лазерного излучения в дальней зоне уменьшается до 50% по сравнению с максимальной интенсивностью лазерного излучения (полная ширина линии на половине высоты – ПШПВ), если лазерное излучение характеризуется гауссовым пучком на основной частоте. Оптическая структура может быть выполнена с возможностью увеличения конуса излучения, составляющего около 20°. Угол испускания лазерного излучения может, например, увеличиваться до конуса, равного 40° вокруг оптической оси лазерного прибора.
Оптическая структура может содержать рефракционный диффузор или дифракционный диффузор.
Рефракционный диффузор выполнен так, что лазерное излучения преломляется с помощью геометрических структур, которые интегрированы в структуру полупроводниковых слоев. Геометрические структуры могут содержать микролинзовые матрицы, в частности, нерегулярные микролинзовые матрицы с различными диаметрами и/или фокусными расстояниями и/или с расцентровкой и/или апертурами, микропризмы, микропирамиды, микро–аксиконы, волнистую поверхность произвольной формы для увеличения угла излучения произвольным образом, цилиндрические линзы и т.п. Размер элемента отдельной структуры, как правило, составляет между 5 мкм и 100 микрометрами.
Дифракционный диффузор выполнен с возможностью дифрагирования лазерного излучения и может содержать двух- или многоуровневые решетки с размером элемента в плоскости подложки между 0,1 мкм и 10 мкм и разностью высот перпендикулярно плоскости подложки приблизительно от четверти длины волны излучения лазерного прибора до нескольких длин волн.
Лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором может являться нижним излучателем, который выполнен с возможностью излучения лазерного излучения сквозь полупроводниковую подложку. Оптическая структура содержит поверхностную структуру полупроводниковой подложки. Поверхностная структура может содержать геометрические структуры, рассматриваемые применительно к рефракционному диффузору, или решетки, рассматриваемые применительно к дифракционному диффузору. Первый распределенный брэгговский отражатель, активный слой и второй распределенный брэгговский отражатель могут размещаться на первой стороне полупроводниковой подложки. Поверхностная структура может размещаться на второй стороне полупроводниковой подложки напротив первой стороны полупроводниковой подложки. Создание поверхностной структуры или оптической структуры на второй стороне полупроводниковой подложки, которая не используется для обработки полупроводниковых слоев VCSEL или VCSEL, может обеспечивать простую обработку или изготовление поверхностной структуры. Кроме того, полупроводниковая подложка обычно состоит из арсенида галлия с показателем преломления n=3,5. Полупроводниковая подложка вследствие этого обычно имеет наивысший показатель преломления, что дополнительно улучшает эффективность поверхностной структуры или оптической структуры.
Поверхностная структура может, например, быть вытравлена на второй стороне полупроводниковой подложки. Травление может выполняться до или после обработки полупроводниковых слоев одного или нескольких VCSEL или в более общем случае лазерного прибора.
Поверхностная структура может в качестве альтернативы обрабатываться путем шлифовки, притирки, травления, импринт-литографии с мягкой подкладкой и последующим травлением, УФ-мультиплицирования основной структуры полупроводниковой пластины с последующим переносным травлением мультиплицированной структуры в подложке, электронно- или ионно-лучевого формирования рисунка или полутоновой литографии и травления и т.п.
Использование очень малых размеров элементов оптической структуры или поверхностной структуры может быть предпочтительным для лучшей рандомизации, а также для уменьшения направленных обратных отражений в лазерном резонаторе, которые могут изменять характеристики лазерного излучения. Необязательно, на оптическую структуру может наноситься просветляющее покрытие. В качестве альтернативы оптическая структура содержит по меньшей мере два различных геометрических элемента. Первый элемент выполняет функцию рассеивающей структуры (например, микролинзы с размерами около 20 мкм), а второй элемент величиной менее длины волны лазера выполняет функцию просветляющего покрытия (см.: искусственные структуры типа глаза ночной бабочки).
Лазерный прибор может содержать матрицу лазеров поверхностного излучения с вертикальным резонатором, расположенную на той же полупроводниковой подложке. Толщина полупроводниковой подложки может быть выполнена такой, что лазерное излучение, испускаемое соседними лазерами поверхностного излучения с вертикальным резонатором, пересекается друг с другом в плоскости оптической структуры. Поверхностная структура может в этом случае быть выполнена так, что обеспечивается возможность однородного испускания с испускающей поверхности полупроводниковой подложки.
Практически вся площадь или размер кристалла полупроводниковой подложки нижней излучающей матрицы VCSEL может использоваться в этом случае для испускания лазерного излучения, испускаемого множеством VCSEL. Толщина полупроводниковой подложки в совокупности с оптическими структурами выполнена в этом случае таким, что матрица VCSEL выглядит как один источник излучения, в котором отдельный VCSEL не виден.
Толщина полупроводниковой подложки может, например, составлять по меньшей мере самое ближнее расстояние между соседними лазерами поверхностного излучения с вертикальным резонатором (шаг между VCSEL), деленное на двойной тангенс половины угла испускания лазерного излучения в полупроводниковой подложке. Угол испускания лазерного излучения в полупроводниковой подложке преобразуется с помощью оптической структуры в угол испускания лазерного излучения лазерного прибора. Это может обеспечивать использование оптической структуры или диффузора с очень малым углом рассеяния. Угол рассеяния определяется как полный угол, охватывающий оптическую ось и угол, при котором интенсивность составляет 50% от максимальной интенсивности позади оптической структуры (относительно источника излучения), если оптическая структура освещается коллимированным (практически параллельным) лазерным лучом.
Поверхностная структура может характеризоваться углом рассеяния между 2° и 20°, предпочтительно – между 2° и 8°, а наиболее предпочтительно – между 4° и 8°. Угол рассеяния будет в этом случае практически равен углу расходимости лазерного излучения в полупроводниковой подложке. Поверхностная структура со столь малым углом рассеяния в совокупности с полупроводниковой подложкой достаточной толщины может приводить к лазерному прибору, которая может оцениваться в соответствии со стандартом на лампы согласно IEC 62471 вместо стандарта на лазеры IEC 60825. Это может приводить к менее ограничительным правилам безопасности и лучшему восприятию продуктов, содержащих такой лазерный прибор.
Возможны по существу два различных случая. Матрица VCSEL может в первом случае (очень малый угол рассеяния около 2° или 3°) оцениваться в соответствии со стандартом на лампы. Матрица VCSEL оказывается в этом случае сильным, потенциально опасным светодиодным источником излучения. Угол рассеяния более 3° может обеспечивать совершенно безопасный для глаз лазер (лазер 1 класса).
Лазер или лазеры поверхностного излучения с вертикальным резонатором лазерного прибора могут в качестве альтернативы являться верхним излучателем, который выполнен с возможностью испускания лазерного излучения посредством второго распределенного брэгговского отражателя в направлении от полупроводниковой подложки. Второй распределенный брэгговский отражатель расположен на первой стороне активного слоя. Полупроводниковая подложка расположена на второй стороне активного слоя напротив первой стороны активного слоя. Оптическая структура содержит по меньшей мере один полупроводниковый слой, расположенный на стороне второго распределенного брэгговского отражателя напротив стороны, прикрепленной к активному слою.
Оптическая структура характеризуется размером элемента, который меньше, чем отдельный лазерный пучок на светоизлучающей грани отдельного VCSEL (как правило, диаметр составляет 10 мкм) для снижения яркости каждого отдельного VCSEL. Такой размер элемента приводит к тому, что оптическая структура не может являться частью второго распределенного брэгговского отражателя. Коэффициент отражения второго распределенного брэгговского отражателя должен вследствие этого подбираться так, чтобы каждый VCSEL начинал генерировать лазерное излучение без дополнительного вклада в коэффициент отражения со стороны границы раздела между полупроводником и воздухом. Кроме того, возможно наличие одного или более промежуточных слоев, расположенных между вторым распределенным брэгговским отражателем и одним, двумя, тремя или более полупроводниковыми слоями, входящими в оптическую структуру.
Упомянутый по меньшей мере один полупроводниковый слой может быть выполнен с возможностью увеличения угла лазерного излучения по меньшей мере до 40°. Угол лазерного излучения после прохождения через оптическую структуру может составлять между 20° и 180°.
Второй распределенный брэгговский отражатель может быть выполнен с возможностью обеспечения коэффициента отражения, составляющего по меньшей мере 95%, более предпочтительно, по меньшей мере 98%, а наиболее предпочтительно, по меньшей мере 99%. Коэффициент отражения, составляющий по меньшей мере 95%, может быть достаточным для обеспечения генерирования лазерного излучения каждого VCSEL без дополнительного вклада в коэффициент отражения со стороны любого оптического слоя между полупроводниковым слоем или слоями оптической структуры и вторым распределенным брэгговским отражателем, полупроводниковым слоем или слоями оптической структуры и границей раздела между полупроводником и воздухом.
Оптическая структура может являться дифракционным диффузором. Упомянутый по меньшей мере один полупроводниковый слой может характеризоваться в этом случае толщиной, составляющей по меньшей мере половину длины волны испускания упомянутого по меньшей мере одного лазера поверхностного излучения с вертикальным резонатором. Использование полупроводникового слоя с толщиной, равной по меньшей мере половине длины волны испускания, позволяет использовать только один полупроводниковый слой с целью обеспечения дифракционного диффузора для увеличения угла лазерного излучения лазерного прибора, содержащей VCSEL или матрицу VCSEL.
Толщина упомянутого по меньшей мере одного полупроводникового слоя может превышать в два, три, четыре или более раз длину волны излучения VCSEL с целью обеспечения требуемого угла испускания. Оптическая структура должна предпочтительно оптимизироваться для минимизации обратного отражения в лазерном резонаторе, например, путем создания дифракционного оптического элемента так, чтобы обратное отражение для длины волны лазера подавлялось благодаря деструктивной интерференции на оптических гранях. В качестве альтернативы, диффузор выполняется таким образом, чтобы обратное отражение имелось только при большом угле относительно оптической оси, в результате чего они не попадают на активный участок или не осуществляют обратную связь в лазерном резонаторе. Просветляющее покрытие может наноситься на оптическую структуру или входить в ее состав в соответствии с альтернативным вариантом осуществления, как описано выше.
В соответствии со вторым аспектом предусмотрен способ изготовления лазерного прибора, включающего в себя по меньшей мере один лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором. Способ включает в себя этапы:
обеспечения подложки,
обеспечения первого электрода,
обеспечения первого распределенного брэгговского отражателя,
обеспечения активного слоя,
обеспечения второго распределенного брэгговского отражателя так, чтобы активный слой находился между первым распределенным брэгговским отражателем и вторым распределенным брэгговским отражателем,
обеспечения второго электрода так, чтобы мог подводиться электрический ток через активный слой с помощью первого электрода и второго электрода, и
интегрирования оптической структуры в структуру полупроводниковых слоев лазерного прибора, причем оптическая структура выполнена с возможностью увеличения угла испускания лазерного излучения для повышения безопасности лазерного прибора для глаз.
Эти этапы не обязательно должны выполняться в приведенном выше порядке. Металлические слои, которые используются для формирования, например, первого и второго электродов, формируются после эпитаксиальных полупроводниковых слоев. Интегрирование оптической структуры может, например, осуществляться до или после изготовления лазерного резонатора. Этап формирования первого электрода может зависеть от того, изготавливается ли верхний излучатель или нижний излучатель.
Оптическая структура может интегрироваться несколькими способами, среди которых шлифовка, притирка, травление, импринт-литография с мягкой подкладкой и последующим травлением, УФ-мультиплицирование основной структуры на полупроводниковой пластине с последующим переносным травлением мультиплицированной структуры в подложке и т.п.
Оптическая структура может покрываться выравнивающим слоем. Выравнивающий слой характеризуется более низким показателем преломления, чем материал оптической структуры. Оптическая структура может быть выполнена в отношении показателя преломления выравнивающего слоя так, чтобы обеспечивать требуемый угол испускания лазерного излучения. Выравнивающий слой может использоваться для сглаживания неровностей поверхности, вызываемых оптической структурой. Выравнивающий слой может содержать такие материалы, как кремний, эпоксидная смола, полиимид, SiN и т.п. Разность между показателем преломления структуры полупроводниковых слоев (подложки или одного или более полупроводниковых слоев), который используется для изготовления оптической структуры, и показателем преломления выравнивающего слоя является достаточной для увеличения угла лазерного излучения с целью выполнения требований по безопасности. Выравнивающий слой защищает оптическую структуру и препятствует манипулированию, например, с помощью силиконовых масел.
В соответствии с еще одним аспектом предлагается светоизлучающее устройство. Светоизлучающее устройство содержит по меньшей мере один лазерный прибор, как описано выше, и драйвер для возбуждения лазерного прибора.
Понятно, что лазерный прибор по п. 1–12 и способ по п. 14 имеют аналогичные и/или одинаковые варианты осуществления, в частности, определенные в прилагаемой формуле изобретения.
Понятно, что предпочтительный вариант осуществления изобретения может также являться любой комбинацией зависимых пунктов и соответствующего независимого пункта
Другие варианты осуществления описываются ниже.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ:
Эти и другие аспекты изобретения будут понятны из описываемых ниже вариантов осуществления и объяснены применительно к ним.
Далее изобретение описывается в качестве примера на основе вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи.
На чертежах:
На фиг. 1 изображена принципиальная схема первого лазерного прибора.
На фиг. 2 изображена принципиальная схема второго лазерного прибора.
На фиг. 3 изображена принципиальная схема для объяснения терминов «угол рассеяния» и «угол испускания лазерного излучения».
На фиг. 4 изображена принципиальная схема третьего лазерного прибора.
На фиг. 5 изображена принципиальная схема последовательности операций способа изготовления лазерного прибора.
На всех этих чертежах одинаковые числа относятся к одинаковым объектам. Объекты на чертежах не обязательно выполнены в масштабе.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ:
Далее с помощью чертежей описываются различные варианты осуществления изобретения.
На фиг. 1 изображена принципиальная схема первого лазерного прибора, содержащего один VCSEL. VCSEL представляет собой излучающий вниз VCSEL, испускающий лазерное излучение в направлении полупроводниковой подложки 101. На первой стороне полупроводниковой подложки 101 предусмотрен второй РБО 120, содержащий, например, 18 пар слоев с переменными показателями преломления. Коэффициент отражения второго РБО составляет около 95%, предпочтительно - около 99%. Предусмотрен нижний контактный слой 121, выполненный с возможностью распределения тока, обеспечиваемого с помощью второго электрода 125. Нижний контактный слой 121 может являться отдельным слоем, предусмотренным сверху второго РБО 120, или одним из слоев второго РБО 120. Сверху второго РБО 120 предусмотрен активный слой 115, за которым следует первый РБО 110 и который содержит, например, 30 пар слоев с переменными показателями преломления. Коэффициент отражения первого РБО 110 составляет по меньшей мере 99,9%. Сверху первого РБО 110A предусмотрен первый электрод 100. Первый РБО 110, активный слой 115 и второй РБО, а также необязательные промежуточные слои (не показаны) составляют оптический резонатор 130 VCSEL. Оптическая структура 140 предусмотрена на второй стороне полупроводниковой подложки 101 напротив первой стороны, на которой расположен второй РБО 120. Оптическая структура 140 представляет собой поверхностную структуру, которая вытравлена на поверхности второй стороны полупроводниковой подложки 101. Поверхностная структура является рефракционным диффузором, который выполнен с возможностью обеспечения угла испускания лазерного излучения, равного 40°, для лазерного излучения 150, испускаемого первым лазерным прибором. Угол испускания в полупроводниковой подложке 101 может в этом случае составлять около 3° по отношению к оптической оси первого лазерного прибора. Угол испускания лазерного излучения без оптической структуры 140 в этом случае составлял бы около 20° ввиду показателя преломления, составляющего около 3,5, полупроводниковой подложки 101 из арсенида галлия. Оптическая структура 140 увеличивает угол испускания лазерного излучения 150 с 20° до 40°.
На фиг. 2 изображена принципиальная схема поперечного сечения второго лазерной прибора. Второй лазерный прибор содержит матрицу VCSEL, которые расположены в двумерной матрице. На фиг. 2 изображено поперечное сечение поперек одной линии лазерных резонаторов или оптических резонаторов 130 VCSEL. Шаг между центрами оптических резонаторов 130 может составлять 40 мкм. Угол испускания лазерного излучения внутри полупроводниковой подложки 101 может составлять около 6° (с кругообразной симметрией вокруг оптической оси соответствующего VCSEL). Толщина полупроводниковой подложки 101 должна составлять по меньшей мере около 380 мкм, чтобы обеспечивать наложение лазерного излучения отдельных VCSEL в плоскости оптической структуры 140. Наложение лазерного излучения VCSEL в плоскости оптической структуры 140 приводит к тому, что практически вся нижняя поверхность полупроводниковой подложки 101 оказывается однородным источником излучения. Угол испускания лазерного излучения 150, испускаемого вторым лазерным прибором, может составлять 30°. Конус испускания каждого VCSEL в матрице VCSEL лишь незначительно расширяется с помощью оптической структуры 140. Толщина полупроводниковой подложки 101 (например, GaAs) в совокупности с относительно небольшим углом рассеяния оптической структуры 140 действуют так, что поверхность полупроводниковой подложки 101, сквозь которую испускается лазерное излучение 150, оказывается однородной поверхностью испускания. Второй лазерный прибор может вследствие этого оцениваться в соответствии со стандартом на лампы согласно IEC 62471 вместо стандарта на лазеры IEC 60825, как отмечалось выше.
На фиг. 3 изображена принципиальная схема для объяснения терминов «угол 154 рассеяния» и «угол 156 испускания лазерного излучения». Коллимированное лазерное излучение 152 испускается посредством полупроводниковой подложки 101 и рассеивается оптической структурой 140. Угол 154 рассеяния представляет собой полный угол, охватывающий оптическую ось 160, которая лежит на одной прямой с коллимированным лазерным излучением 152, и углы, при которых распределение интенсивности лазерного излучения 150 в дальней зоне после прохождения через оптическую структуру 140 составляет 50% от максимальной интенсивности в распределении интенсивности, что может, например, в случае гауссова распределения интенсивности быть на оптической оси 160. Угол 156 испускания лазерного излучения представляет собой полный угол между углами относительно оптической оси 160, при которых интенсивность в дальней зоне составляет 50% от максимальной интенсивности, как упоминалось выше. Угол 156 испускания лазерного излучения в частном случае коллимированного лазерного излучения 152 является таким же, как и угол 154 рассеяния.
Угол испускания в лазерном излучении полупроводниковой подложки 101, испускаемый VCSEL, не является полностью коллимированным, как упоминалось выше. Профиль лазерного излучения 150, испускаемого сквозь оптическую структуру 140, является вследствие этого сверткой профиля, например, лазерного излучения, испускаемого VCSEL без оптической структуры 140, и диффузионного профиля оптической структуры 140. Диффузионный профиль оптической структуры 140 размыт профилем лазерного излучения. Оптическая структура 140, которая обеспечивает, например, диффузионный профиль в виде последовательности прямоугольных импульсов, может, например, быть преобразована в трапециевидную форму (если смотреть в поперечном сечении). Угол 156 испускания лазерного излучения может вследствие этого быть шире по сравнению со случаем коллимированного лазерного излучения 152. Разумеется, диффузионный профиль должен быть оптимизирован так, чтобы профиль лазерного излучения подбирался в соответствии с требованиями применения. Поскольку лазерный луч самого VCSEL известен, это может учитываться при расчете конструкции диффузора.
На фиг. 4 изображена принципиальная схема поперечного сечения третьего лазерного прибора. Третий лазерный прибор содержит излучающий вверх VCSEL, который испускает лазерное излучение 150 в направлении от подложки 101. На нижней стороне полупроводниковой подложки 101 предусмотрен первый электрод 100. На верхней стороне полупроводниковой подложки 101 предусмотрен первый РБО 110, содержащий 30 пар слоев с первым и вторым показателями преломления. Пары слоев первого РБО 110 содержат слои AlGaAs/GaAs. Толщина слоев подбирается по длине волны испускания VCSEL, чтобы обеспечивать требуемый коэффициент отражения, составляющий более 99,9%. Сверху первого РБО 110 предусмотрен активный слой 115. Активный слой 115 содержит структуру с квантовыми ямами для генерации излучения. n-слой инжекции носителей заряда (не показан) может размещаться между первым РБО 110 и активным слоем 115. Второй РБО 120 предусмотрен сверху активного слоя 115. Второй РБО содержит 15 пар слоев с различными показателями преломления. Пары слоев второго РБО 120 содержат слои AlGaAs/GaAs. Толщина слоев подбирается по длине волны испускания VCSEL, чтобы обеспечивать требуемый коэффициент отражения, составляющий около 99%. p–слой инжекции носителей заряда и апертура тока (не показана) могут размещаться между активным слоем 115 и вторым РБО 120. Верхний контактный слой 122 предусмотрен между вторым РБО 120 и интегрированной оптической структурой 140. Оптическая структура 140 представляет собой структурированный слой GaAs (дифракционную решетку), выполненный с возможностью рассеивания лазерного излучения 150, испускаемого лазерным прибором, с целью увеличения угла лазерного излучения, как описано выше. Кольцеобразный второй электрод 125 электрически соединен с верхним контактным слоем 122, распределяющим ток, который может подаваться с помощью второго электрода 125.
На фиг. 5 изображена принципиальная схема последовательности операций способа изготовления лазерного прибора, содержащего VCSEL. На этапе 410 обеспечивают полупроводниковую подложку 101 из GaAs. На этапе 420 первый РБО 110 обеспечивают на верхней стороне подложки 101, а на следующем этапе 430 активный слой 115 обеспечивают сверху первого РБО. На этапе 440 сверху активного слоя 115 обеспечивают второй РБО. На этапе 450 структурированный слой GaAs обеспечивают сверху второго РБО 120. Структурированный слой GaAs размещают в виде рассеивающей оптической структуры 140, увеличивающей угол испускания лазерного излучения лазерного прибора. На этапе 460 обеспечивают первый электрод 100. Первый электрод прикрепляют к нижней стороне полупроводниковой подложки 101. На этапе 470 обеспечивают второй электрод 125 для формирования контактов лазерного прибора. Слои первого РБО 110, активного слоя 115, второго РБО, интегрированного оптического диффузора 140 и любого другого слоя, такого как слои инжекции носителей заряда и т.п., могут осаждаться эпитаксиальными методами, такими как химическое осаждение из паров металло–органических соединений (MOCVD).
Основная идея настоящего изобретения состоит в интегрировании оптической структуры 140, выполненной с возможностью увеличения угла испускания лазерного излучения 150, испускаемого лазерным прибором, в структуру полупроводниковых слоев лазерного прибора. Структура полупроводниковых слоев содержит полупроводниковую подложку 101, на которой сформированы дополнительные эпитаксиальные полупроводниковые слои. Лазерный прибор может в конечном итоге быть герметизирован с помощью корпуса. Интегрирование рассеивающей оптической структуры 140 в структуру полупроводниковых слоев делает почти невозможным осуществление доступа к оптической структуре 140. Кроме того, структура полупроводниковых слоев лазерного прибора должна обрабатываться, чтобы избежать увеличения угла испускания лазерного излучения. Обработка чувствительной структуры полупроводниковых слоев обычно действует таким образом, что испускающая лазерное излучение 150 структура лазерного прибора разрушается. Решение проблем с оптической структурой 140 с помощью материала (например, жидкостей), который может использоваться для сглаживания оптической структуры 140, по существу неэффективно, поскольку почти невозможно получить доступ к оптической структуре 140 и ввиду высокого показателя преломления полупроводниковых слоев, в частности, полупроводниковой подложки 101.
Несмотря на то, что изобретение подробно проиллюстрировано и описано на чертежах и в приведенном выше описании, такие иллюстрирование и описание следует рассматривать как наглядные или приводимые в качестве примера, а не как ограничительные.
По результатам ознакомления с настоящим изобретением специалистам будут очевидны другие модификации. Такие модификации могут предполагать другие признаки, которые уже известны на данном уровне техники и которые могут использоваться вместо или помимо признаков, уже описанных в данном документе.
По результатам изучения чертежей, описания и прилагаемой формулы изобретения специалисты могут понять и реализовать модификации описанных вариантов осуществления. В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает другие элементы или этапы, а упоминание элемента в единственном числе не исключает множества элементов или этапов. Само по себе то обстоятельство, что некоторые критерии излагаются в различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что совокупность этих критериев не может использоваться с пользой.
Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не должны толковаться как ограничивающие объем изобретения.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ:
Изобретение относится к лазерной технике. Лазерный прибор содержит матрицу лазеров поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL), расположенных на одной и той же полупроводниковой подложке (101). Лазеры содержат первый электрод (100), первый распределенный брэгговский отражатель (110), активный слой (115), второй распределенный брэгговский отражатель (120) и второй электрод (125). Активный слой (115) находится между указанными брэгговскими отражателеми (110, 120). Электроды (100 и 125) выполнены с возможностью подачи электрического тока через активный слой (115) для генерирования лазерного излучения (150). Лазеры являются нижними излучателями, которые выполнены с возможностью испускания лазерного излучения (150) сквозь полупроводниковую подложку (101). Лазерный прибор содержит оптическую структуру (140), выполненную с возможностью увеличения угла (156) испускания лазерного излучения (150) для повышения безопасности лазерного прибора для глаз. Указанная структура (140) является неотъемлемой частью структуры полупроводниковых слоев лазерного прибора, причем оптическая структура (140) содержит поверхностную структуру полупроводниковой подложки (101), причем толщина полупроводниковой подложки (101) выполнена такой, что лазерное излучение (150), испускаемое соседними лазерами поверхностного излучения с вертикальным резонатором, пересекается друг с другом в плоскости поверхностной структуры, и причем поверхностная структура выполнена так, что обеспечена возможность однородного испускания с испускающей поверхности полупроводниковой подложки (101). Технический результат заключается в обеспечении возможности безопасной эксплуатации лазерного прибора. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил.
1. Лазерный прибор, содержащий матрицу лазеров поверхностного излучения с вертикальным резонатором, расположенных на одной и той же полупроводниковой подложке (101) и выполненных с возможностью испускания лазерного излучения (150), причем лазеры поверхностного излучения с вертикальным резонатором содержат первый электрод (100), первый распределенный брэгговский отражатель (110), активный слой (115), второй распределенный брэгговский отражатель (120) и второй электрод (125), причем активный слой (115) находится между первым распределенным брэгговским отражателем (110) и вторым распределенным брэгговским отражателем (120), причем первый электрод (100) и второй электрод (125) выполнены с возможностью подачи электрического тока через активный слой (115) для генерирования лазерного излучения (150), причем лазеры поверхностного излучения с вертикальным резонатором являются нижними излучателями, которые выполнены с возможностью испускания лазерного излучения (150) сквозь полупроводниковую подложку (101), причем лазерный прибор содержит оптическую структуру (140), выполненную с возможностью увеличения угла (156) испускания лазерного излучения (150) для повышения безопасности лазерного прибора для глаз, причем оптическая структура (140) является неотъемлемой частью структуры полупроводниковых слоев лазерного прибора, причем оптическая структура (140) содержит поверхностную структуру полупроводниковой подложки (101), причем толщина полупроводниковой подложки (101) выполнена такой, что лазерное излучение (150), испускаемое соседними лазерами поверхностного излучения с вертикальным резонатором, пересекается друг с другом в плоскости поверхностной структуры, и причем поверхностная структура выполнена так, что обеспечена возможность однородного испускания с испускающей поверхности полупроводниковой подложки (101).
2. Лазерный прибор по п. 1, причем оптическая структура (140) содержит рефракционный диффузор или дифракционный диффузор.
3. Лазерный прибор по п. 1, причем первый распределенный брэгговский отражатель (110), активный слой (115) и второй распределенный брэгговский отражатель (120) расположены на первой стороне полупроводниковой подложки (101) и причем поверхностная структура расположена на второй стороне полупроводниковой подложки (101) напротив первой стороны полупроводниковой подложки (101).
4. Лазерный прибор по п. 3, причем поверхностная структура вытравлена на второй стороне полупроводниковой подложки (101).
5. Лазерный прибор по п. 1, причем толщина полупроводниковой подложки (101) составляет по меньшей мере самое ближнее расстояние между соседними лазерами поверхностного излучения с вертикальным резонатором, деленное на двойной тангенс угла испускания лазерного излучения (150) в полупроводниковой подложке (101).
6. Лазерный прибор по п. 5, причем поверхностная структура характеризуется углом рассеяния между 2 и 20°, предпочтительно между 2 и 8°, наиболее предпочтительно между 4 и 8°.
7. Лазерный прибор по любому из предыдущих пунктов, причем оптическая структура (140) покрыта выравнивающим слоем, причем выравнивающий слой характеризуется более низким показателем преломления, чем материал оптической структуры (140).
8. Лазерный прибор по любому из предыдущих пунктов, причем оптическая структура (140) содержит просветляющее покрытие, причем просветляющее покрытие выполнено с возможностью уменьшения обратного отражения лазерного излучения (150) в оптический резонатор (130) лазера поверхностного излучения с вертикальным резонатором.
9. Лазерный прибор по п. 8, причем оптическая структура (140) содержит по меньшей мере два различных геометрических элемента, причем первый геометрический элемент выполнен с возможностью увеличения угла испускания лазерного излучения и причем второй геометрический элемент с размером элемента менее длины волны испускания лазерного излучения (150) выполняет функцию просветляющего покрытия.
10. Способ изготовления лазерного прибора, содержащего матрицу лазеров поверхностного излучения с вертикальным резонатором, причем лазеры поверхностного излучения с вертикальным резонатором являются нижними излучателями, которые выполнены с возможностью испускания лазерного излучения (150) сквозь полупроводниковую подложку (101), причем способ включает в себя этапы:
обеспечения подложки (101),
обеспечения первого электрода (100),
обеспечения первого распределенного брэгговского отражателя (110),
обеспечения активного слоя (115),
обеспечения второго распределенного брэгговского отражателя (120) так, чтобы активный слой (115) находился между первым распределенным брэгговским отражателем (110) и вторым распределенным брэгговским отражателем (120),
обеспечения второго электрода (125) так, чтобы мог подаваться электрический ток через активный слой (115) с помощью первого электрода (100) и второго электрода (125), и
интегрирования оптической структуры (140) в структуру полупроводниковых слоев лазерного прибора, причем оптическая структура (140) выполнена с возможностью увеличения угла (156) испускания лазерного излучения (150) для повышения безопасности лазерного прибора для глаз, причем оптическая структура (140) содержит поверхностную структуру полупроводниковой подложки (101), причем толщина полупроводниковой подложки (101) выполнена такой, что лазерное излучение (150), испускаемое соседними лазерами поверхностного излучения с вертикальным резонатором, пересекается друг с другом в плоскости поверхностной структуры, и причем поверхностная структура выполнена такой, что обеспечивается возможность однородного испускания с испускающей поверхности полупроводниковой подложки (101).
| US 2007071056 A1, 29.03.2007 | |||
| Устройство для выдачи из стопы штучных предметов | 1974 |
|
SU488772A1 |
| WO 2016162236 A1, 13.10.2016 | |||
| US 20160352074 A1, 01.12.2016. | |||
