[发明专利]光学器件、光子检测器、以及制造光学器件的方法

说明书

一种用于光学传感器的光学器件，包括：半导体激光器(1)的增益元件(11)、波长选择反馈元件(2)、以及传感元件(3)。波长选择反馈元件(2)的至少一部分和传感元件(3)被设置在公共传感器封装件(4)中。增益元件(11)被设置成产生和放大光学信号。增益元件(11)和波长选择反馈元件(2)形成半导体激光器(1)的外腔(15)的至少一部分，从而提供反馈机制以根据光学信号维持激光振荡。波长选择反馈元件(2)被设置成耦合输出光学信号的一部分，并将光学信号的所述部分朝向传感元件(3)引导，以探测传感元件(3)的物理特性。

以下涉及光学传感器的领域，包括光学器件、光子检测器和制造光学器件的方法。

光学传感器通常配备有集成在同一传感器封装件中的其自身的光源。示例包括飞行时间传感器、光谱传感器和接近传感器等。诸如垂直腔面发射激光器VCSEL或法布里-珀罗(Fabry-Perot)边缘发射半导体激光器之类的半导体激光器是可能的光源，因为它们能够与光学传感器的其他部件一起在晶圆级制造，然后可以集成到同一传感器封装件中，从而提供高度集成和专用的传感器解决方案。

尤其是当外腔用诸如布拉格光栅之类的衍射光栅或类似物来补充时，外腔能够用于改善半导体激光器的性能。外腔还可以提高模式稳定性，从而提高激光器的相位稳定性，并降低激光光谱线宽和噪声。作为外腔一部分的衍射光栅提高了频率稳定性和调谐范围。借助于外部光栅，多模激光二极管可以变成单模的。示例包括DFB和DBR半导体激光器，尽管具有长腔，但它们通常是单模的。作为副作用，外腔可以提高激光转换效率。当半导体激光器与干涉仪一起使用时，上面提到的一些特性，如单模操作、模式和频率稳定性、低线宽和噪声，可能被证明是必不可少的。

外腔能够用诸如布拉格光栅之类的衍射光栅来补充。衍射光栅可以具有多个衍射级，由其光栅方程确定。例如，如果一个衍射级被设置成将来自激光过程的入射波引导回激光腔中，则光栅可以充当用于半导体激光器的波长选择反馈元件。例如，光栅基本上可以取代激光器的前反射镜或后反射镜。例如，衍射光栅的另一个衍射级能够被引导到激光腔外并对准激光目标。存在放置衍射光栅以形成激光器的外腔的多种设置，诸如Littrow(图5a)、Littman Metcalf(图5b)或传输配置(图5c)。

许多集成光学传感器系统基于干涉仪的原理工作。这种光学传感器可以由半导体激光源和传感元件组成。传感元件将物理测量值(例如压力、温度等)转换为光学路径变化，例如该光学路径变化通过与参考路径的干涉来感测。光学传感器可以具有诸如布拉格光栅之类的一个或多个衍射元件。这些光栅可以在传感器的输入、输出或核心内部用作耦合器。衍射光栅是波长选择的，并且激光波长与光栅周期之间的失配可能会降低系统性能。

然而，为了使干涉仪具有良好的灵敏度，激光源应该是单模的，它支持稳定的波长、较小的噪声和线宽。法布里-珀罗边缘发射半导体激光器在纵向上是多模的。通常需要采取特殊措施来获得单模单波长光源。通常这种激光器被分布式反馈激光器(DFB)或分布式布拉格反射激光器(DBR)所取代。VCSEL半导体激光器可以被设计为在纵向上是单模的，但在横向上能够是多模的。半导体激光器通常与温度有关，即其激光波长随温度升高而增加。

激光器和传感元件之间的波长匹配通常由激光二极管和传感元件各自良好的波长精度来支持。通常使用DFB或DBR激光器来代替法布里-珀罗激光器。这些激光二极管分别在其激光腔的末端集成了布拉格光栅，因此主要以单模工作。然而，在制造过程中，一些激光二极管可能在纵向上是双模的，例如在DFB激光器的情况下。因此，它们在制造过程中被分类，这进一步提高了它们的价格。借助于由一个或更多个衍射光栅构成的外腔，从激光二极管获得更精确、更稳定的波长。然而，这是一个庞大的解决方案，更适合实验室环境，而不是大规模制造。为确保温度稳定性，激光二极管模块通常使用珀尔贴电池(Peltier cell)或类似装置进行热补偿。以上所有解决方案都很昂贵或体积庞大。