[发明专利]一种衬底型衍射光学元件VCSEL分光结构及制备方法

说明书

本发明公开了一种衬底型衍射光学元件VCSEL分光结构及制备方法，自下而上依次包括：热沉、底发射VCSEL阵列芯片、带有二元衍射光栅的衬底层、超表面结构层、保护层和增透膜层；所述衬底层的底部设有所述底发射VCSEL阵列芯片，所述衬底层的顶部设有二元衍射光栅，所述超表面结构层的组成微元呈正方形网格结构排布。本发明在底发射VCSEL芯片上键合衍射光学元件，将VCSEL芯片每个发光单元发射的激光分束，使输出激光束数量级增大；以及在衍射光学元件之上键合超表面结构层，用于激光分束后聚焦。本发明设计的衬底型衍射光学元件的VCSEL分光结构可以在半导体工艺下一步制成，且不需要外部光学元件，易实现器件小型化、芯片化。

技术领域

本发明涉及激光分束技术领域，具体涉及一种衬底型衍射光学元件VCSEL分光结构及制备方法。

背景技术

结构光技术在现代生活、生产中具有广阔的发展前景和广泛的应用领域。结构光技术和ToF相比，计算量相对少，且功耗低，在近距离识别范围内精度更高，所以在人脸识别、手势识别方面极具优势。

结构光技术的关键在于衍射光学元件(Diffractive Optical Elements，DOE)对于激光束的整型分束。采用结构光技术的相关光学设备，通过红外激光器，将具有一定结构特征的光线投射到被拍摄物体上，再由专门的红外摄像头进行采集反射的结构光图案，根据三角测量原理进行深度信息的计算。而采用ToF技术的相关光学设备通过红外发射器发射调制过的光脉冲，遇到物体反射后，用接收器接收反射回来的光脉冲，并根据光脉冲的往返时间计算与物体之间的距离，或者调制成脉冲波(一般采用正弦波)，当遇到障碍物发生漫反射，再通过特制的CMOS传感器接收反射的正弦波，波形已经产生了相位偏移，通过相位偏移可以计算物体到深度相机的距离。所以ToF这种方式，对发射器和接收器的要求较高，对于时间的测量有极高的精度要求，并且将发射、接收等模块小型化并不容易。

本发明在顶发射VCSEL芯片上键合衍射光学元件，将VCSEL芯片每个发光单元发射的激光分束，将VCSEL阵列芯片输出激光束数量级增大。以及在衍射光学元件之上键合超表面结构，用于激光分束后聚焦。本发明设计的衬底型衍射光学元件的VCSEL分光结构可以在半导体工艺下一步制成，且不需要外部光学元件，易实现器件小型化、芯片化。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种衬底型衍射光学元件VCSEL分光结构及制备方法。

本发明公开了一种衬底型衍射光学元件VCSEL分光结构，自下而上依次包括：热沉、底发射VCSEL阵列芯片、带有二元衍射光栅的衬底层、超表面结构层、保护层和增透膜层；

所述衬底层的底部设有所述底发射VCSEL阵列芯片，所述衬底层的顶部设有二元衍射光栅，所述超表面结构层的组成微元结构排布。

作为本发明的进一步改进，所述二元衍射光栅在所述衬底层通过光刻工艺刻蚀出，将VCSEL阵列激光均匀光强分束为一百到一百万个子光束的阵列。

作为本发明的进一步改进，所述二元衍射光栅可经过G-A迭代算法、G-S迭代算法、Y-S优化算法，使得输出子光束强度不随衍射级次变化而变化，使衍射率、分束比、均匀率得到优化，输出均匀光强的子光束阵列。

作为本发明的进一步改进，所述衬底层包括GaAs、GaN和InP衬底中的一种，厚度为200-1000μm。

作为本发明的进一步改进，所述超表面结构层由不同长宽比的亚波长尺度的纳米微柱周期排布构成，可实现对经过二元衍射光栅分束后的激光进行聚焦。

作为本发明的进一步改进，所述保护层采用氮化硅材料，填充在超表面结构上，并经过磨薄、抛光处理。

作为本发明的进一步改进，所述增透膜的透过率为70％-100％。

本发明还公开了一种VCSEL分光结构的制备方法，包括：