[发明专利]具有集成光栅的顶部发射VCSEL阵列

说明书

顶部发射垂直腔面发射激光器(VCSEL)被描述为具有蚀刻到VCSEL中和/或在VCSEL上方制造的各种顶侧光栅，以配置光发射特性以适应各种应用。顶侧光栅被配置用于以任何所需对准/未对准跨越一个或多个发射器，使用宽范围的折射率材料和布置、维度水平(1D、2D或3D)、光栅的啁啾形式、各种光栅周期、透射/反射特性和面内耦合、衍射级范围、透射级和反射级的不同相对幅度、不同偏振、不同准直水平、不同发散水平、不同衍射和反射、不同光束漫射、光输出的固定或变化旋转以及光输出的远场工程化。

相关申请的交叉引用

本申请要求2020年3月13日提交的美国专利申请序列号16/818,700的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。本申请要求2019年11月29日提交的美国临时专利申请序列号62/942,065的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。

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背景

1.技术领域

本公开的技术总体上涉及垂直腔面发射激光器，并且更具体地涉及集成到顶部发射VCSEL结构中的光栅。

2.背景技术

垂直腔面发射激光器(VCSEL)已经提供了作为用于光学感测和通信的光源的许多优点。这些优点包括低成本、晶片级测试和筛选、良好的波束质量、大型或密集阵列的可能性等。然而，目前的VCSEL通常难以集成到系统级电路中。

因此，需要一种具有增强的光学特性的VCSEL结构以适合一定范围的应用。本公开满足了该需求并且提供了优于先前技术的附加益处。

发明内容

在一个实施例中，本公开描述了在发射表面上具有集成的工程化光栅的顶部发射VCSEL阵列。在顶部发射VCSEL阵列的顶侧上集成光学有源结构实现了诸如扩散、光束复制、聚焦、准直、偏振的功能以及常规通过在器件的外部添加附加光学组件而实现的其他功能。工程化光栅可被用于光学耦合一组发射器。也可以实现上述功能的组合。在具有不同电分离发射器区的VCSEL阵列中，可实现光束转向。

具有偏振发射的VCSEL阵列提供了改进的光学稳定性和感测信噪比。使用诸如工程化氧化物孔、腔体形状、电流注入分布的常规方法使得获得高偏振选择性(通常需要大于20dB)非常具有挑战性。

在各种实施例中，本公开描述了具有工程化顶部光栅的VCSEL，所述工程化顶部光栅可以是子波长(小于波长的周期)或衍射(大于或等于波长的周期)，具有1D、2D或3D中的周期性，并且具有规则、啁啾或不规则的形状。光栅也可以是准周期性的或非周期性的。

在各种实施例中，光栅可充当(1)光学元件，对阵列所发射的远场的特性进行整形，(2)腔体的偏振、角度、模式或波长选择性镜，(3)阵列的多个元件之间的光学耦合器，或(4)上述功能性的任何组合。

在各种实施例中，衍射相位光栅、高对比度光栅和其他工程化光栅可以实现在VCSEL顶侧上，设计和制造简单。

在各种实施例中，在顶部具有集成的工程化光栅的顶部发射VCSEL阵列可具有设计的远场强度和偏振分布。

在各种实施例中，当阵列的部分可以单独地或在阵列内成组地电寻址时，可以实现光束转向和偏振切换。