用于高頻率操作的光電器件的多光束陣列的微透鏡的制作方法
【專利摘要】一種由電觸頭上的凸起的VCSEL的單片陣列和連接至電觸頭的凸起的非活動區(qū)形成的VCSEL陣列器件。VCSEL可以以提高功率或速度的方式對稱地或不對稱地間隔開或者同相位地且平行地間隔開。凸起的VCSEL和凸起的非活動區(qū)被設置在電觸頭與電波導之間。VCSEL可以被分成子陣列，并且每個VCSEL可以被覆蓋有用于對光進行定向的集成或接合的微透鏡而沒有外部透鏡?？梢云莆⑼哥R以收集光或者對光進行準直，并且可以使微透鏡成形為形成各種透鏡輪廓。
【專利說明】
用于高頻率操作的光電器件的多光束陣列的微透鏡
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本國際申請要求2013年5月24日提交的美國專利申請No. 13/902，555的權益;并且 設及2011 年3月31 日提交的題為''Multibeam Arrays of Optoelectronic Devices for 化曲化equency化eration(用于高頻率操作的光電器件的多光束陣列Γ的美國專利申請 No. 13/077,769;2010年2月17 日提交的題為''Multibeam Arrays of Optoelectronic Devices for High Frequen巧Operation!；用于高頻率操作的光電器件的多光束陣列Γ的 美國專利申請齡.12/707,657，現(xiàn)在為美國專利齡.7,949,024;^及2009年2月17日提交的 題為''Multibeam Arrays of Optoelectronic Devices for High Frequency Operation 用于高頻率操作的光電器件的多光束陣列r的美國專利申請No. 61 /153，190。
[0003] 本國際申請還要求2013年4月22日提交的題為"AcMressable Illuminator with Eye-Saf ety Circui try (利用對眼睛安全的電路的可尋址照明器Γ的美國專利申請No. 13/ 868,034的權益，該美國專利申請要求20 12年4月20日提交的題為"Addressable Illuminator with Eye-Safety Circuihy(利用對眼睛安全的電路的可尋址照明器Γ的 臨時美國專利申請No. 61/636，570的權益，W上內容通過引用整體并入本文中。
技術領域
[0004] 本申請設及半導體器件，并且更具體地設及用于高功率和高頻率應用的光子器件 的多光束陣列的微透鏡結構W及制造和使用該微透鏡結構的方法。
【背景技術】
[0005] 半導體激光器由于其較高的效率、在尺寸、重量和功率(SWAP)上優(yōu)于其他形式的 高功率激光器的優(yōu)點W及其較低的成本在高功率激光器應用方面已經(jīng)產(chǎn)生了影響。許多激 光器應用需要高功率和高頻率響應，例如工業(yè)切割和焊接、激光探測和測距(LADAR)、醫(yī)學 工程、航空防御、光學累浦滲稀±元素光纖激光器、二極管累浦固態(tài)激光器(DPSS)中的光學 累浦固態(tài)晶體、光纖通信W及融合研究等。由于它們的高功率陣列輸出，所W在運樣的應用 中廣泛使用邊緣發(fā)射半導體激光器。然而，運些邊緣發(fā)射激光器的降級是常見的，運主要是 因為由于暴露的發(fā)射端面處的高光功率密度而引起災難性光學損傷(COD)的發(fā)生。
[0006] 相比而言，垂直腔面發(fā)射激光器(VCS化)不經(jīng)受災難性光學損傷，因為增益區(qū)域被 嵌入在外延結構中并因此不暴露于外部環(huán)境。另外，與邊緣發(fā)射器結相關聯(lián)的光波導具有 相對較小的區(qū)域，從而導致與VCSK^相比顯著更高的功率密度。實際結果是，與典型的邊緣 發(fā)射激光器相比，VCS化可W具有較低的故障率。
[0007] 迄今為止，VCS化已被更常見地用于需要較高頻率調制但不需要較多功率的數(shù)據(jù) 和電信應用。VCS化在此類型的應用中提供了優(yōu)于邊緣發(fā)射激光器的優(yōu)點，所述優(yōu)點包括易 于制造、可靠性更高W及高頻調制特性更好。VCSK^陣列還可比邊緣發(fā)射激光器陣列高 得多的成本有效地制造。然而，關于現(xiàn)有的VCS化設計，由于陣列的面積增大，所W頻率響應 受由多元件設計、寄生阻抗W及由高電流所需的焊線或引線的頻率響應而產(chǎn)生的熱復雜性 所影響。因而，陣列的調制頻率減小。
[000引 VCS化和用于制造 VCS化的方法是已知的。參見例如美國專利No . 5，359，618和 No.5,164,949,所述專利通過引用被并入本文中。將VCSH^形成為二維陣列W用于數(shù)據(jù)顯示 也是已知的。參見美國專利No. 5，325，386和No. 5，073，041，所述專利通過引用被并入本文 中。尤其是在美國專利No. 5,812,571中，已經(jīng)提到了用于較高輸出功率的倒裝忍片多光束 VCS化陣列，其通過被引用并入本文中。
[0009] 然而，提供高頻率調制和高功率二者的VCSK^陣列尚未被充分開發(fā)。此外，將運樣 的設備排列到一起增加了熱量產(chǎn)生，從而增加了對高頻率操作的負面影響。
[0010] 此外，用于短程移動設備通信的自由空間光鏈路一般被設計有用于(使用準直光 學元件)高效傳輸?shù)桶l(fā)散光束的光學元件和用于(使用聚光透鏡)有效接收入射光的光學元 件。因為高速檢測器非常小，在5-10化/s的速度下直徑為約60皿，所W收集光學元件使光向 下聚焦成小光斑，W獲得良好的信噪比。因此，運樣的系統(tǒng)對對準非常敏感，因為如果某物 移動或擾動對準，則小光斑可能輕易地錯過小探測器。運使得難W在移動設備之間進行自 由空間光通信。例外是IrDA(紅外數(shù)據(jù)協(xié)會)標準，其將基于L抓的傳輸使用到非常寬的傳輸 光束和半球形收集光學器件中。盡管自由空間光學鏈路W相對較低的速度流行一時，但是 隨著移動設備構思已經(jīng)發(fā)展，需要開發(fā)在實際上可W彼此接觸的或隔開僅數(shù)毫米的兩個設 備之間的高帶寬通信。盡管存在有將在運些近場范圍內工作的射頻方法，但運些射頻方法 具有包括是安全問題的全向發(fā)送W及由于RF干擾問題而引起的監(jiān)管問題在內的缺點。

【發(fā)明內容】

[0011] 實施方式設及:被稱為VCSEL陣列器件的具有高功率和高頻率響應的多光束光電 器件、可W在該多光束光電器件上形成的各種微透鏡結構W及使用各種微透鏡結構的各種 方法。VCS化陣列器件是由兩個或更多個VCS化和短路臺面器件陣列構成的VCSEL的單片陣 列。VCS化陣列的VCS化可W對稱或不對稱地間隔開、根據(jù)用于改進功率或速度特性的數(shù)學 函數(shù)而間隔開或W彼此相鄰的相位關系設置在電并聯(lián)電路中。VCSEL陣列的VCS化電連接到 在散熱基底（substrate)或載體上形成的第一金屬接觸焊盤。短路臺面陣列器件形成在 VCS化陣列旁邊，并且設備被接合到散熱基底或載體上的第二金屬接觸焊盤。運些臺面器件 形成從基底接地到第二金屬接觸焊盤的短路。VCS化陣列的每個VCS化包括:金屬散熱片結 構，其增加了每個VCS化臺面的高度;散熱片結構；W及焊料。散熱片結構、VCS化陣列和臺面 器件陣列之間的關系降低了VCSH^陣列器件的寄生阻抗特性，由此增加其輸出功率W及提 高其高頻響應。VCS化陣列和短路臺面器件陣列還可W被設置成在接合的光電子器件中W 接地-信號-接地配置形成共面波導引線。該配置提供了優(yōu)良的信號調制特性?？蒞使用多 種技術在陣列的各個VCSHJM牛上形成微透鏡。微透鏡可W被構造成和/或圖案化為利用輸 出激光實現(xiàn)多個效果而不是利用外部透鏡來實現(xiàn)。
【附圖說明】
[0012] 提供了附圖來圖示本文所描述的示例性實施方式，并非意在限制本公開內容的范 圍。
[0013] 圖1是示出VCSHJM牛和短路臺面器件二者的臺面結構的簡化的截面圖，包括根據(jù) 實施方式的電介質沉積、金屬沉積和氧化結構w及其他特征；
[0014] 圖2是示出VCSHJM牛和短路臺面器件的另一簡化的截面圖，還示出了根據(jù)實施方 式的散熱片、粘合層W及其他特征；
[0015] 圖3A是圖案化的散熱基底的俯視圖，示出了由包圍接地平面、到接地平面間隙分 離的信號引線W及根據(jù)實施方式的信號引線形成的共面波導；
[0016] 圖3B是圖3A的共面波導的實施方式，其中接地平面延伸到散熱片的邊緣并且在 VCS化器件的接觸焊盤周圍形成回路；
[0017] 圖4是在接合之前的圖2的VCSH^陣列器件和圖3A的散熱基底的截面圖；
[0018] 圖5是在鍛覆之后的VCSH^陣列器件的實施方式的示意圖；
[0019]圖6是示出VCSEL陣列器件的實施方式的心1-￥特性的曲線圖；
[0020] 圖7是示出VCSH^陣列器件的實施方式的調制頻率的曲線圖；
[0021] 圖8是示出VCS化陣列器件的實施方式的在450mA偏置電流下的不同陣列位置的激 光調制頻率的示圖。
[0022] 圖9是示出來自VCSH^陣列器件的實施方式的脈沖寬度的曲線圖；
[002引圖10是設置在根據(jù)實施方式的VCSEL陣列器件上的多個透鏡的局部斷開 (partially-broken)的截面圖；
[0024] 圖11是在VCSK^陣列器件的每個VCSKJ&件上方將多個透鏡中的每個透鏡放置在 偏移位置中的方式的示意圖；
[0025] 圖12是具有位于VCSK^陣列器件后面的聚焦光斑(focus spot)的微透鏡的實施方 式的示意圖；
[00%]圖13是VCS化陣列器件利用倒裝忍片來接合到基板(submount)的實施方式的示意 圖；
[0027] 圖14是VCSH^陣列器件利用子陣列倒裝忍片來接合到基板的實施方式的示意圖；
[0028] 圖15是圖14的基板的電觸頭和傳輸線路的示意圖；
[0029] 圖16是VCSH^陣列器件的兩個子陣列在探測器上形成圓的實施方式的示意圖；
[0030] 圖17是針對檢測器對形成較大圓的子陣列進行分組的實施方式的示意圖；
[0031 ]圖18是基板上的收發(fā)器的實施方式的示意圖；
[0032] 圖19是子陣列的線性陣列和外部微距透鏡(macro lens)的實施方式的示意圖；
[0033] 圖20是圖17的開關應用的線性陣列的實施方式的示意圖；
[0034] 圖21是將非線性激光器陣列和微距透鏡操作為數(shù)字開關設備的實施方式的示意 圖；
[0035] 圖22是連接至數(shù)字開關激光器陣列的計算或通信設備的實施方式的示意圖；
[0036] 圖23是線性收發(fā)器的實施方式的示意圖；
[0037] 圖24是4X4光開關的實施方式的示意圖；
[003引圖25是12 X 12光開關的實施方式的示意圖；W及
[0039] 圖26是在空間中聚焦于不同點的激光器器件陣列的實施方式的示意圖。
【具體實施方式】
[0040] VCS化陣列器件（例如在美國專利No. 5，812，571中所描述的VCS化陣列器件）為采 用金屬接觸層的倒裝忍片VCSK^陣列器件，該金屬接觸層還用作頂部反射鏡的反射器并且 形成在每個臺面上方。通常利用例如電子束(e-beam)蒸發(fā)或瓣射W創(chuàng)建高度均勻或反射表 面的技術來沉積該單一金屬層。盡管運些沉積技術對于所述應用是正常的，但是他們在尋 求實現(xiàn)包圍臺面的厚金屬層時是不恰當?shù)?，在運樣的設備中運對改進的熱減少是至關重要 的。為了使用現(xiàn)有技術來沉積足夠厚的層，必須使用大量的金屬，如金(Au)，運顯著提高了 運種設備的成本。該類型的設計W及其他現(xiàn)有VCSK^陣列器件的設計還使系統(tǒng)的總阻抗升 高并且使熱管理復雜，從而限制了由運樣的陣列可獲得的功率和速度。
[0041] 在本文所述的實施方式中，通過將公共P接觸區(qū)域減小到最小尺寸并且增加共同 接觸焊盤與基底地之間的距離來實現(xiàn)來自光學半導體器件陣列的熱耗散，W及寄生電容和 電感二者的減小(在此統(tǒng)稱為"寄生阻抗的減小"），同時圍繞在從共面波導的屬性導出的距 離處具有接地平面的公共接觸焊盤，W及形成與陣列中的每個有源臺面元件和接地臺面靠 近的凸起的散熱片。實施方式的最小化的公共P接觸區(qū)域顯著地背離于需要擴展的公共P接 觸區(qū)域的現(xiàn)有設計，W便與焊線(wire bond)進行接觸。實施方式消除了對焊線的需要。引 線的消除使電感降低，同時在從基底地到散熱基底上的接觸焊盤的電偏壓下所得到的臺面 和散熱片結構的凸起高度使負電位與正電位之間的距離增加，從而降低了系統(tǒng)的整體寄生 電容。運通過使用晶種層(seed layer)形成厚鍛覆金屬散熱片來實現(xiàn)，該厚鍛覆金屬散熱 片使得能夠通過每個VCSHJ勺邊緣減少大量的熱，W及改善頻率響應。
[0042] 此外，地(或負的）電連接通過短路臺面器件使電流流動通過共面引線并且到達散 熱器或減熱基底來接觸，而無需使用焊線。焊線在現(xiàn)有設計中用于將基底的頂部連接到封 裝件的地，而焊線是不期望的，因為焊線引入寄生電感，運對VCSK^陣列器件的頻率響應具 有負面影響。此外，現(xiàn)有設計所要求的大量引線引入了顯著的制造復雜性、較大的缺陷可能 性W及增加的成本。
[0043] 圖1示出了根據(jù)實施方式的VCSK^陣列器件100的簡化的示意性截面。應當理解的 是，本實施方式中的VCSK^陣列器件的示意圖示出了半導體器件陣列W及制造和接合半導 體器件陣列的方法。然而，應當理解的是，其中所公開的方法可W用于制造其他半導體器件 的陣列，例如發(fā)光二極管、光電檢測器、邊緣發(fā)射激光器、調制器、高電子遷移率晶體管、諧 振隧穿二極管、異質結雙極晶體管、量子點激光器等。此外，應當理解的是，實施方式中的 VCS化陣列器件100的示意圖僅出于說明的目的，而不W任何方式意在限制本發(fā)明的范圍。
[0044] 在本實施方式中，VCS化陣列器件100包括含有神化嫁(GaAs)的基底102,但是其他 材料如憐化銅（InP)、神化銅（InAs)、娃(Si)、外延生長材料等也可W用于形成基底102。還 應當理解的是，基底102通常包括晶格常數(shù)，晶格常數(shù)被選擇來使在基底102上隨后生長的 材料層中的缺陷最小化。還應當理解的是，對隨后生長的材料層的組合物和厚度中的至少 一個的選擇將提供期望的操作波長。通過使用分子束外延(MBE)、金屬有機化學氣相沉積 (M0CVD)等的外延生長來在基底102上沉積隨后的層。
[0045] 在本實施方式中，在基底102上外延地沉積有晶格匹配的下部分布布拉格反射器 (DBR)104，W形成VCS化臺面103和短路/短接/接地臺面105的第一凸起層。下部DBR 104由 交替的材料的多個層形成，通過改變(高的和低的）折射率或通過介質波導的一些特性(如 高度)的周期性變化，從而引起波導中有效折射率的周期性變化。每個層邊界引起光波的部 分反射，其中所得到的層的組合用作在期望的操作波長下的高品質反射鏡。因此，盡管下部 DBR 104(和如下面進一步描述的上部DBR 108)包括多于一個材料層，但是本文中為了簡單 和便于討論，在圖1中示出為下部DBR 104包括單個層。還可W使下部DBR 104的一部分具有 導電性，W允許與VCSH^陣列器件進行電接觸(未示出）。
[0046] 在實施方式中，在下部DBR 104上外延地沉積了活性區(qū)106。盡管被示為單個層（同 樣是為了簡單和便于討論），但是活性區(qū)106包括覆層(和/或波導)層、阻擋層W及能夠W期 望的操作波長發(fā)射大量光的活性材料。在實施方式中，操作的波長是在從約620nm到約 1600nm的大致給定范圍內的波長(對于GaAs基底）。然而，應當理解的是，其他波長范圍可W 是合乎期望的，并且運將取決于具體應用。
[0047] 如本領域技術人員理解的，根據(jù)對用于創(chuàng)建下部DBR 104和上部DBR 108的材料W 及活性區(qū)106的組合物的選擇來基本上確定發(fā)射的波長。此外，應當理解的是，活性區(qū)106可 W包括各種發(fā)光結構，例如量子點、量子阱等。在實施方式中，上部DBR 108被設置在活性區(qū) 106上，并且類似的下部DBR 104是導電的W使得能夠形成歐姆電連接(未示出）。在一些實 施方式中，下部DBR 104為η滲雜并且上部DBR 108為P滲雜，但是運可W反過來，其中，下部 DBR 104為Ρ滲雜并且上部DBR 108為η滲雜。在其他實施方式中，可W采用電絕緣的DBR(未 示出），其利用比較靠近活性區(qū)的腔內觸頭和層。
[004引在一些實施方式中，上部反射鏡接觸層109被設置在上DBR 108上。接觸層109-般 為重滲雜，W便于與沉積在接觸層109上的金屬進行歐姆電連接并且因此與電路(未示出） 進行歐姆電連接。在一些實施方式中，接觸層109可W形成為上部DBR 108的一部分。
[0049] 可W使用光刻和蝕刻來限定W上所述的臺面103和臺面105中的每一個W及它們 的結構。運可W通過共同的光刻步驟對外延生長的層進行圖案化(例如對正厚抗蝕劑進行 涂布、曝光W及顯影)來實現(xiàn)?？刮g劑的厚度可W如本領域已知的那樣根據(jù)抗蝕劑與外延層 之間的蝕刻選擇性W及所需臺面幾何形狀進行變化。
[0050] 對于GaAs基材料，通常使用氯(C1)基干式蝕刻等離子體(如Cl2:BCl3)來完成蝕刻， 但可W使用任何數(shù)目的氣體或混合物。還可W通過許多濕式蝕刻劑來完成蝕刻。還可W使 用其他形式的蝕刻如離子研磨或反應性離子束蝕刻等。蝕刻的深度被選擇為足夠深W隔離 陣列中的臺面的活性區(qū)。在N個反射鏡(下部DBR 104)上、在N個反射鏡(下部DBR104)中所形 成的蝕刻停止/接觸層上或者通過N個反射鏡（下部DBR 104)到基底102中，蝕刻終止。在蝕 刻W形成臺面之后，去除剩余的光刻膠。運可W使用濕溶劑清潔或干燥氧氣(〇2)蝕刻或兩 者的組合來實現(xiàn)。
[0051] 還可W在每個臺面內形成約束區(qū)110。在VCSK^臺面103內，約束區(qū)110限定設備的 孔112。約束區(qū)110可W被形成為索引引導區(qū)、電流導向區(qū)等，并且向孔112提供光學約束和/ 或載流子約束。可W通過氧化、離子注入和蝕刻來形成約束區(qū)110。
[0052] 例如，侶(A1)含量高的層（或多層）的氧化可W通過對晶片或樣品在通過水化2〇) 產(chǎn)生鼓泡并被注入到通常超過40(TC的爐中的加熱的氮(化）的環(huán)境中的放置進行定時來實 現(xiàn)。還可W使用針對電流約束用于限定離子注入?yún)^(qū)的光刻步驟W及運些技術與本領域中已 知的其他技術的組合。
[0053] 應當理解的是，約束區(qū)110、限定孔112可W包括多于一個的材料層，但是為了簡單 和便于討論，在本實施方式中示出為包括一個層。還應當理解的是，可W使用多于一個的約 束區(qū)。
[0054] 在附圖中所示的實施方式中，臺面尺寸W及產(chǎn)生VCSKJ勺光的孔是相同的并且具 有均勻的間距。然而，在一些實施方式中，陣列中的設備的各個VCSH^臺面尺寸可W不同。此 夕h陣列中的VCSK^臺面間隔可W不同。在一些實施方式中，陣列100中的產(chǎn)生VCSK^臺面的 光的間隔在約20WI1與200WI1之間。然而，更大和更小的間隔也是可行的。
[0055] 可W使用或處理電介質沉積，W限定接觸表面的開口。第一，通常由等離子體增強 化學氣相沉積(PECVD)來實現(xiàn)電介質材料114在器件100的整個表面上的沉積，但是還可W 使用其他的技術，例如原子層沉積(ALD)。在實施方式中，電介質覆層114是在上表面(包括 臺面?zhèn)缺?上方的保形覆層（conformal coating)，并且電介質覆層114足夠厚W防止漏電 流從其后的金屬層通過針孔。
[0056] 當選擇該膜的厚度時所要考慮的其他的性質是在(下面參照圖2進一步描述的)鍛 覆金屬散熱片124與基底102接之間產(chǎn)生的電容，其中電介質層114越厚越有利，并且需要在 VCSEL 103的側壁上的電介質層114將熱從活性區(qū)傳遞到散熱片124,其中較薄的層將是有 益的。在一些實施方式中，使用不同的沉積技術的多次沉積可W用于實現(xiàn)具有運兩種性質 的層。運種技術的示例是在陽CVD氮化娃(Si3N4)的沉積與Si3N4的電子束沉積之后，或可W W較高的定向沉積速率來沉積另一電介質，從而在入射表面上設置更厚的電介質材料。一 旦電介質層114已經(jīng)形成，然后使用光刻處理來限定每個VCSK^臺面上方的電介質中的開 口，其中要進行與頂部反射鏡接觸層109的接觸。在每個VCSK^臺面103之間的基底102上方、 在接地臺面105周圍的基底102上方、在每個接地臺面105的頂部和側面上方還去除了電介 質層114。
[0057] 現(xiàn)在轉到圖2,下一個處理步驟是用于限定在頂部反射鏡108上方的接觸的光刻處 理，其中，在上述步驟中使電介質形成開口，使得在隨后的步驟中能夠在其中形成P金屬層。 在實施方式中，光刻膠的開口區(qū)域通常為約幾微米寬，略微大于電介質的開口。在其他實施 方式中，光刻膠開口的直徑可W小于電介質開口的直徑或者與在后面的步驟鍛覆的短路臺 面上方的散熱片材料的直徑一樣大。除非電介質覆層是共形的并且覆蓋臺面基底處的N個 反射鏡部分，否則該開口不可能大于在有源光產(chǎn)生臺面中的臺面直徑或者隨后的金屬將使 P電位和η電位短路。
[005引一旦限定了光刻膠中的開口區(qū)域，則可W在開口區(qū)域上方通常利用Ρ型金屬進行 金屬化。Ρ金屬接觸層120通常是通過電子束、阻性蒸發(fā)、瓣射或任何其他的金屬沉積技術所 沉積的多層沉積。首先沉積薄的鐵(Ti)層W供下一層的粘合。此粘合層的厚度可W顯著地 變化，但一般被選擇為介于約501與約400ii之間，由于Ti膜是應力的并且阻性大于后續(xù) 層的阻性。在實施方式中，粘合層為約200A厚?？蒞用其他粘合劑金屬層（如銘(Cr)、鈕 (Pd)、儀(Ni)等)來替代該層。此外，該層可W用作反射器層，W增加接觸反射鏡的反射率。
[0059]在沉積期間不破壞真空的情況下，在粘合層的頂部上直接沉積下一層。在許多情 況下，該層用作保護W防止金(Au)或其他頂部金屬由于在接合階段的過度加熱而擴散得太 遠進入觸頭中（擴散阻擋）。所選擇的金屬通常是鈕、銷(Pt)、儀、鶴(W)或其他金屬或者為了 此目的所選擇的運些金屬的組合。所選擇的厚度應當取決于在倒裝忍片處理中所需的特定 粘合溫度。該層的厚度一般介于約1,00化4至約10,000乂之間。在使用低溫接合處理的 實施方式中，例如在銅接合處理中，擴散阻擋層可W是可選的并且不被沉積為金屬接觸堆 疊（s化ck)的一部分。
[0060] 下一層通常為Au，但也可W是鈕或銷或者混合物，例如金被(AuBe)或金鋒(Au化）。 在下面描述的實施方式中，該層的厚度為約2000產(chǎn)。然而，該層一般可W具有寬范圍的厚 度，運取決于照片抗蝕屬性和沉積的加熱特性。在一些實施方式中，此時還可W沉積另一種 金屬，W增加金屬厚度并在此階段形成金屬散熱片，從而減少了處理步驟的數(shù)目，但是該技 術并不是必要的并且在如下所述的示范設備中沒有利用該技術。
[0061] 針對此光刻處理通常選擇常見的剝離技術，W使沉積在表面上的金屬可W容易地 與覆有光刻膠的表面區(qū)域分離，使得光刻膠上的任何金屬被去除而不會粘附到半導體或不 會影響金屬與半導體的粘合。如上所述，然后使用光刻處理限定基底102的各個部分和短路 的η接觸臺面105上方的開口，其中電介質是在前一步驟中被形成開口。在實施方式中，在與 η金屬沉積相對應的光刻膠的開口區(qū)域應當略微大于關于η金屬的電介質開口中的開口。然 后沉積Ν金屬層122,并且可W通過下部DBR 104(如果η反射鏡）、在下部DBR 104內或者到基 底102本身的通常重滲雜的蝕刻終止和接觸層來與基底102形成電路。形成η金屬層122的處 理類似于Ρ金屬層120的處理。金屬層可W被選擇為包括Ni/Ge/Au、Ge/Au/Ni/Au或許多運樣 的組合。在一些實施方式中，第一層或多個層被選擇成通過擴散到基底102的η滲雜外延材 料來減小接觸電阻。在其他實施方式中，由于材料的各種擴散性能，多層金屬堆疊的第一層 還可W被選擇作為擴散限制層，如Ni，使得在退火處理中金屬不"結塊"并且是獨立的。對運 些金屬的均勻分配擴散是合乎期望的并且可W用于降低接觸電阻，運也會減少熱。運種多 層金屬堆疊的厚度可W顯著地變化。在將要描述的本實施方式中，分別使用厚度為 40化4/城0藻/2000乂的Ni/Ge/Au金屬堆疊。
[0062] 然后，在晶片上進行快速熱退火(RTA)步驟W降低接觸電阻。對于所述的實施方 式，處理溫度迅速上升到~400°C、保持約30秒并且降至室溫。RTA步驟的溫度和時間條件取 決于金屬化，并且可W如本領域的普通技術人員已知的那樣使用實驗的設計(DOE)來確定。
[0063] 在其他實施方式中，該步驟可W在處理流程的較早階段或較晚階段進行，但是一 般在沉積焊料之前完成，從而減少焊料或粘合性金屬的氧化。使用并開發(fā)光刻處理(使用光 亥IJ膠薄層，通常約Ιμπι至3μπι)來限定基底102上方的接觸開口和短路的N接觸臺面105上方的 接觸開口 W及有源臺面103上方的接觸開口，其中將鍛覆或建立散熱片結構。下一步驟是金 屬晶種層的沉積，并且通常是多層沉積W及通過電子束、阻性蒸發(fā)、瓣射或任何其他金屬沉 積技術來沉積。可W選擇金屬層如Ti/Au、20Α/600乂或許多運樣的組合，其中，第一層或 多個層被沉積用于粘合并易于蝕刻掉并且第二層被沉積用于導電并易于蝕刻掉。如果該技 術用于建立散熱片，則晶種層在允許鍛覆的電連接的表面上是連續(xù)的。
[0064] 在實施方式中，然后通過鍛覆來沉積厚的金屬，W形成散熱片124。然而，還可W使 用其中不需要金屬晶種層的其他沉積方法。對于鍛覆，使用光刻處理來限定利用前一晶種 層抗蝕劑所限定的開口上方的開口。在將發(fā)生沉積的區(qū)域中去除光刻膠。光刻膠的厚度必 須被選擇為使得其在限定了厚金屬之后容易脫落，并且通常在約4WI1至約12WI1的厚度范圍 內。使用化或水與氨氧化錠(NH40H)組合進行等離子清潔，W清除在金晶種層上留下的任何 抗蝕劑。接下來借助于標準鍛覆程序來鍛覆散熱片124金屬。在所描述的實施方式中，銅 (化）由于其熱傳導屬性而被選擇為用于鍛覆的金屬，但是能夠提供良好導熱性并提供不會 降低器件可靠性的界面的非氧化金屬如Au、Pd、Pt等可能更合適。鍛覆厚度可W變化。在所 描述的實施方式中，使用約3WI1厚度。
[0065] 接下來，將晶片或樣品放置在焊料鍛覆劑(如銅(In)鍛覆）中W形成接合層126。在 該步驟，針對它們的接合特性可W選擇其他金屬。厚度可W顯著地變化。在所描述的實施方 式中，在散熱片上沉積了約2皿的鍛覆In。然而，還可W使用其他焊料，如金錫(AuSn)合金， 并且還可W使用可替換的沉積技術，例如瓣射。在金屬沉積完成之后，然后如前所述的那樣 使用溶劑、等離子體清洗或二者的組合來去除光刻膠，并且利用蝕刻Au的干式蝕刻或濕式 蝕刻來蝕刻晶種層，然后W蝕刻Ti和/或去除Ti化的干式蝕刻或濕式蝕刻來蝕刻晶種層。然 后利用標準抗蝕劑清潔方法來清除掉晶種層光刻膠。此時，VCS化陣列基底完成并且準備接 厶 1=1 〇
[0066] 具有厚散熱材料的臺面的完整包裝是實施方式的重要方面。由于臺面的活性區(qū)最 靠近于其中形成有厚散熱材料的邊緣，所W具有良好的導熱性，從而使得實施方式的設計 能夠高效率地且有效地去除由運些活性區(qū)產(chǎn)生的熱。如前所述，運與將散熱材料放置在臺 面的頂部上的現(xiàn)有VCSK^陣列器件減熱技術顯著地不同。運些現(xiàn)有或W前的設計需要熱移 動通過一系列較高導熱性材料(反射鏡)或電介質，由此導致較低效率且不太有效的減熱。
[0067] 盡管一些現(xiàn)有設計包括具有用于減熱的目的的散熱材料薄層的臺面，但是運些設 計沒有考慮到所得到的散熱片的高度。通過使用厚的散熱層并添加至散熱基底上的η基底 接地電位與Ρ接觸面之間的距離，本實施方式隨著散熱層的高度增加來降低系統(tǒng)的寄生電 容。此外，除了減熱，附加材料的積聚(bui 1 d-up)使頻率響應增大。在另一實施方式中，電介 質層114覆蓋整個η反射鏡或臺面周圍的基底并且不形成開口，使得散熱材料可W完全涵蓋 全部臺面并且形成一個大的散熱片結構，而不是散熱片的各個臺面。在此情況下，僅需要將 η觸頭從短路的臺面延伸到基底。實施方式的散熱片還通過減少由相鄰臺面產(chǎn)生的熱量來 改進VCSK^陣列的操作。在大多數(shù)電氣設備內，耐熱性的降低將增大每個器件的頻率響應。 通過改進本設備的VCS化陣列器件的散熱性能，VCS化陣列器件的高速性能的顯著增加成為 可能。另外，在本實施方式中還明顯的是，由于與現(xiàn)有陣列電路相比加厚的散熱積聚，給定 額外高度的臺面通過增加基底接地平面與連接平行的所有有源臺面的正接觸板之間的距 離來減少電容。所得效果是電路的寄生阻抗的降低，寄生阻抗的降低還增加了整個陣列的 頻率響應。
[0068] 另外，形成圍繞活性區(qū)的子陣列的短路臺面設計使得電流能夠從制造的VCS化基 底直接流到散熱器上的接地平面，而無需使用形成多個焊線的操作。實施方式的該方面降 低了制造的復雜性，并且還使來自現(xiàn)有陣列中顯示的多條引線的寄生電感減少。短路的臺 面設計在被倒裝忍片式接合到散熱器基底時形成共面波導，運有益于陣列的頻率響應。該 設計特征還使得包裝設計更簡單而不需要凸起的焊線，運還會影響可靠性和定位。
[0069] 現(xiàn)在參照圖3A，描述了用于制備W不導電的方式附接到陣列100的散熱基底或減 熱基底200的處理。首先，在基底的表面上方沉積并限定光刻膠。然后針對下一個光刻處理 選擇一般常見的剝離技術，使得金屬被沉積在表面上并且可W易于從覆有光刻膠的表面區(qū) 域去除。然后利用任何方法來沉積金屬層。通過任何標準抗蝕劑清潔技術將光刻膠清除掉。 一旦運已經(jīng)完成，則散熱器或減熱基底準備倒裝忍片式接合。然后創(chuàng)建兩個接觸焊盤:第一 接觸焊盤202,用于與VCSK^器件103進行連接；W及第二接觸焊盤204,用于與短路的臺面器 件105進行連接。
[0070] 在另一實施方式中，可W將金屬沉積在電介質材料的整個表面上并且然后利用光 刻處理來限定金屬，同時將暴露的區(qū)域蝕刻掉，從而留下兩個非連接的金屬焊盤202和204。 在實施方式中，第一接觸焊盤(或信號焊盤)202為大致圓形并且第二接觸焊盤(或接地焊 盤)204形成圍繞第一接觸焊盤202的環(huán)路，從而W接地-信號-接地配置形成共面波導引線。 該配置就優(yōu)良的信號特性來說是公知的，并且允許靈活的設備測試和封裝。在其他實施方 式中，接觸焊盤202可W為正方形或另一形狀，其中接地焊盤204形成如圖3B所示的圍繞接 觸焊盤202的回路。接地平面或回路必須具有從接觸焊盤202起的一致間隙206寬度，W保持 最佳的操作特性，然而，接地金屬的其余部分可W延伸超出圖3A所示的環(huán)，甚至到如圖3B所 示的基底的邊緣，W便于接地連接。
[0071] 共面波導可W被設計成:基于給定的金屬和非導電基底厚度和材料特性，通過簡 單地調整間隙寬度206和/或信號引線寬度來匹配驅動器電路的阻抗。用于對具有有限厚度 的電介質基底的共面波導的阻抗進行計算的公式是公知的，并且過長而在運里不再重復。 然而，通過示例，對于電介質常數(shù)為5.5、金屬層厚度為20皿、信號引線的寬度為1mm和驅動 器的期望阻抗為50歐姆的金剛石的基底，所計算出的（在信號焊盤與地面之間的）間隙的寬 度應當為2(Κ)μπι或0.2mm。還可W進行更精確的計算，運需要許多較高階的考慮，如電流限 審IJ、遲滯、溫度、表面特征和背景考慮。
[0072] 如圖3A和圖3B所示的，VCS化陣列和短路臺面陣列被示為虛線，W表示VCS化陣列 和短路臺面陣列將在何處被接合到散熱器基底，并且因而表示在接合之后兩個陣列的位 置。可選地，還可W在散熱器基底200上的運些位置處形成用于接合沉積的In鍛覆等。然后 將激光發(fā)射定向為通過反射鏡104W及通過基底102從而形成多光束陣列。在實施方式中， 減小基底厚度，W減少由基底傳輸特性所引起的光功率損耗。
[0073] 在底部具有散熱基底的兩個基底上進行倒裝忍片式接合。圖4示出了在接合之前 的VCSH^陣列100和基底200對準。由下述機器來完成接合處理:該機器將兩個基底對準到一 起;然后將兩個基底放置成彼此接觸；W及在接觸所述基底之前或之后對基底中的一個或 二者進行加熱。在所描述的實施方式中，將底部基底加熱至約285Γ，并且在該溫度下保持 約10分鐘。在向下基底位置上使用20克的重量。使接合的晶片冷卻至室溫，從而結束處理。
[0074] 在另一實施方式中，在倒裝忍片式接合之后，可W通過添加具有高侶(A1)含量等 的選擇性地蝕刻層（例如侶神化嫁(AlGaAs)(~98%，A1)層)或者由憐化銅嫁（InGaP)或其 他運樣的將W與神化嫁(GaAs)基底顯著不同的速率進行蝕刻的選擇性材料構成的層來從 反射鏡104去除基底102。該層生長在基底102與反射鏡104的第一外延沉積之間的外延生長 中。在添加蝕刻之前，使用底部填充材料(如抗蝕劑或環(huán)氧樹脂)來保護器件制造特征。
[0075] 由于蝕刻將不會侵蝕它或蝕刻速率急劇減慢，可W使用主要包含過氧化氨化2〇2) 與少量氨氧化錠(NH40H)的蝕刻來快速地蝕刻掉基底，從而留下蝕刻選擇性層。在去除基底 材料之后，可W在不破壞其下的材料表面的情況下通過在鹽酸化cl)溶劑中蝕刻層來選擇 性地去除蝕刻層。如果基底去除完成，則通常低電阻接觸層也生長為第一層，W用于形成η 接觸層，作為反射鏡104的一部分。在基底和選擇性蝕刻層被去除之后，可W在表面104上形 成觸頭并且還可W利用上述常見的光刻步驟來形成電路。
[0076] 如果將臺面蝕刻到基底上，則該處理可W使VCSK^元件和短路臺面中的每一個彼 此分隔，通過去除與基底相關聯(lián)的熱膨脹系數(shù)(CTE)，運將有利于VCSH^陣列。CTE是材料的 物理屬性，其被表示為材料的每攝氏度的膨脹量。許多次，當使用多種材料來構建設備并且 運些材料的CTE不緊密匹配時，隨著任何溫度變化在設備內可能產(chǎn)生應力。對于蝕刻到基底 的臺面器件，除了在形成與散熱基底的接觸的小得多區(qū)域的上方之外，運些設備將W與散 熱基底相同的速率膨脹。在另一個實施方式中，用于去除基底的蝕刻處理可W使用基于等 離子體化學過程代替上述的化學濕式蝕刻技術。
[0077]僅W示例的方式給出了上述的處理流程。應當理解的是，可W交換所描述的一些 步驟的順序，例如金屬沉積的順序或在氧化步驟之前沉積η金屬或P金屬中的一個或二者的 順序。另外，可W用電介質DBR堆疊來代替頂部反射鏡結構108,或者通過在臺面的頂部表面 上蝕刻光柵來完全地或部分地代替反射鏡堆疊。通常由電子束平版印刷代替光刻來限定光 柵，然后將光柵干式蝕刻至特定深度。運反映了較高效率的光返回（li曲t back),并且可能 比它所替換的外延生長的反射鏡或反射鏡的一部分成本更低。
[007引上述陣列已經(jīng)被制造并且被測試。已經(jīng)制造出了 980nm的高功率底部發(fā)射VCSHJ勺 高速陣列。已經(jīng)在24WI1直徑臺面中創(chuàng)建了具有18皿的活性區(qū)直徑的器件，W形成具有70皿 器件間距的圓形VCSK^陣列。圖5示出了 W類似的方式和形狀所形成的陣列的示例。在VCSEL 陣列中的單個VCSK^器件中的每一個(在圖5中由實線圓表示）W電氣方式并聯(lián)連接，W形成 單一的高功率高速光源。關于信號路徑和接地路徑二者的并聯(lián)配置減小了串聯(lián)電阻和倒裝 忍片陣列的電感。在被制造和被測試的另一陣列中，所述陣列使用均勻地間隔開的28個有 源光產(chǎn)生臺面。它們被形成為圓形圖案并且活性區(qū)（接觸焊盤）的整個面積小于0.2mm2。在 圍繞VCSKJ&件的圓形圖案的接地環(huán)中存在有18個短路臺面(其類似于較大陣列器件的由 圖5的虛線圓表示的短路臺面）。
[0079] 所測試器件的激光器(和陣列）由使用在η型GaAs基底上沉積的分子束外延(M肥） 所生長的層來制成。圖1的器件中的活性區(qū)域106的光產(chǎn)生部分包含Ξ個銅神化嫁 (InO. 18GaO. 82As)量子阱。該VCS化設計采用增益模式偏移，其中當在室溫下活性區(qū)的波長 設計與反射鏡的波長設計不同時發(fā)生增益模式偏移。當器件升溫時，來自活性區(qū)的發(fā)射波 長將轉變?yōu)槊繑z氏度特定量。增益模式偏移將此轉變考慮在內，因此當設計反射鏡時它們 與發(fā)射波長在升高的溫度下匹配。增益模式偏移設計很適合于在高偏置電流下陣列的高溫 操作。然而，較小的偏移將增強在低溫下的調制響應并且較低反射率底部反射鏡104將增大 輸出功率。利用W上所提到的處理的對該器件的制造針對與該陣列中的用作元件的臺面相 同的單個臺面將熱阻力降低到425°C/W。
[0080] 使用Keithley 2400源表和娃光電二極管W及光衰減器來提取示例性陣列的DC特 性。圖6示出了示例性陣列的光電流（I)-電壓化-I-V)特性。闊值電流和電壓分別為40mA和 1.7V。在兩條線(表示電壓VS.電流W及功率VS.電流)上方的虛線圓表示圖表的邊，每條線 代表運樣的單元可W被正確讀取。在500mA偏置電流和室溫下，陣列的連續(xù)波(CW)輸出功率 大于120mW。
[0081] 為了測量所測試陣列的調制響應，在固定電流處偏置最大達到用于測量的 化scade Microtech高頻探頭的最大500mA電流額定值。將輸出光禪合到多模裸的忍直徑為 62.5μπι的光纖。然后通過Miteq射頻低噪聲放大器在不同偏置電流處對發(fā)現(xiàn)半導體 (DiscoveiT Semiconducto;r)DS30S p-i-n光電二極管的輸出信號進行放大。圖7示出了所 選擇的偏置電流在20°C下的調制響應。陣列在500mA的偏置電流處表現(xiàn)出7.5G化的3dB頻 率。運里所采用的高電流皮秒脈沖實驗室偏置器(bias tee)的切斷頻率呈現(xiàn)IGHzW下的精 確測量?？蒞通過增加偏置電流來將帶寬擴展到更高的頻率。對于標稱與構成測試陣列的 激光器相同的單個1祉m有源直徑激光器的頻率響應測量示出了可W實現(xiàn)多達10G化并且高 于10細Z的3地調制頻率。
[0082] 采用裸多模光纖來掃描整個陣列區(qū)域并且測量在不同位置處的陣列元件的頻率 響應。圖8示出了在從陣列的中屯、測量的不同半徑處陣列的元件的頻率響應幾乎與位置無 關。陣列中的每個點表示單個器件的頻率響應。該結果表明，在整個陣列上方，各激光性能 和電流分布二者是相對均勻的。因此，根據(jù)本實施方式的VCSH^陣列可W擴展到數(shù)百個元件 或數(shù)千個元件W實現(xiàn)瓦級CW功率，其中調制頻率接近lOGHz。該類型的VCS化陣列被預計用 于中等距離、高分辨率激光雷達化IDAR)和自由空間通信W及許多其他應用。
[0083] 圖9示出了在FWHM(半幅最大值)處具有50ps脈沖的示例性陣列的脈沖響應，其中 FWHM表明了在其最大功率的一半處的脈沖寬度。圖表的線代表40ps間隔。
[0084] 通過金屬鍛覆和利用倒裝忍片式接合的器件的有效散熱允許被測試的陣列在室 溫下的CW操作。因此，所制造和測試的該類型的單片多光束VCSK^陣列可W具有高于其他多 光束半導體陣列的良好頻率響應，使得VCSEL光束質量、可靠性、調制靈活性和成本效率的 益處能夠與需要高功率的應用的邊緣發(fā)射半導體激光器陣列競爭。
[0085] 如在圖10和圖11中進一步示出的，不依賴于對由VCSK^陣列發(fā)射的光進行準直或 聚焦的單獨透鏡結構和擔負運種透鏡的物理限制，可W通過在基底102的表面的背側上使 用許多不同的處理來制造微透鏡。一種用于形成運樣的微透鏡的技術包括如下光刻處理： 利用光刻膠來限定透鏡，例如呈圓筒或其他形狀，然后在通過蝕刻將運些透鏡形狀轉印到 基底上之前將光刻膠烙化到基底上。蝕刻可W是基于氯(C1)的干式蝕刻，該基于氯(C1)的 干式蝕刻被調整用于或接近在基底材料與光刻膠之間的均勻蝕刻選擇性，W便W接近速率 或相同速率來蝕刻運兩種材料。使用在工業(yè)中常用的背側晶片對準系統(tǒng)來完成用于創(chuàng)建透 鏡的光刻步驟。在VCSK^晶片的制造結束時或更早時但一般在上述倒裝忍片處理之前進行 該步驟。
[0086] 可用于形成透鏡的其他處理包括灰度平版印刷，其中可W使用部分透射光掩模來 在光刻膠中產(chǎn)生浮雕輪廓。例如，所得的透鏡可W使得能夠逐漸改變通過透鏡的不同部分 的光量，例如使得較多的光通過邊緣周圍并且較少的光通過中屯、處，或者使得較少的光通 過邊緣周圍并且較多的光通過中屯、處。還可W使用各種直接寫入平版印刷處理來限定表面 輪廓W用于聚合物抗蝕劑涂覆。還可W在每個激光器器件上方的基底的表面上沉積少量的 聚合物材料，少量的聚合物材料在聚合物固化時形成透鏡，如來自墨（ink jet)的常用沉積 環(huán)氧樹脂。代替直接在激光器陣列基底上制造微透鏡，可W在被附接到并對準到激光器陣 列的單獨透明基底上制造微透鏡。所使用的基底材料可W是透射激光波長的任何材料。其 可W通過注射成型、誘鑄、熱壓或直接機械加工處理來形成?？蒞將微透鏡與每個發(fā)射器的 光軸偏移的相同策略與單獨的微透鏡陣列一起使用。
[0087] 如本文所述的所制造的微透鏡的輪廓可W是簡單的，如圖10和圖11中所示的半球 形透鏡;或者可W是較復雜的，例如可W用于場應用的擴展深度的非球面輪廓。在半球形透 鏡的情況下，其還可W控制非球面輪廓?？蒞被形成的其他復雜光學器件包括:全息光學器 件，其將光束定向到各個方向上;或者衍射光學器件，其將由激光器器件產(chǎn)生的光束分成子 光束，每個子光束可能指向略微不同的方向。除了光學器件的形狀之外，光學器件可W具有 形成在表面上的各種圖案，所述各種圖案可W用于形成高度像散光束輪廓。同樣地，光學器 件可W被形成或圖案化來改變或控制偏振。
[0088] 如為便于示范而不是按比例繪制的圖10中所示，每個所得透鏡的孔徑(直徑)和曲 率將在W期望的方式對由每個VCS化器件發(fā)射的光進行聚焦。為了對來自在VCS化陣列中的 每個VCSHJM牛的光進行聚焦，每個透鏡可W偏移期望量W使得將由VCS化陣列發(fā)射的平行 光束的傳播聚焦成(例如在緊密聚焦的光斑上)所選擇的圖案（如前面所指出的，從透鏡到 圖10的電子束會聚點的距離未按比例繪制）。圖10和圖11還說明了如何將（由虛線圓表示 的）居中VCSK^器件1102的（用實線圓表示的）透鏡1100居中于該VCSK^器件1102上，但是居 中的VCS化器件1102 W外的其他VCS化器件1106的透鏡1104被設置在與居中的VCS化器件 1102特定的偏移距離處，使得穿過運些透鏡1104的光被定向到中央點。在圖11還說明了其 中一組透鏡可能被偏移設置在VCSH^陣列器件上的方式。
[0089] W上所述的集成微透鏡使得VCSK^器件能夠用于短程自由空間光鏈路中，而不需 要外部準直或收集光學器件。運又使得能夠實現(xiàn)極其緊湊的系統(tǒng)設計，該系統(tǒng)設計可W使 用薄型移動電子系統(tǒng)代替近場RF技術。利用本文所描述的集成微透鏡，VCS化陣列可W如上 所述的那樣產(chǎn)生光束會聚陣列。對于短距離，至多數(shù)毫米，會聚光束可W有效地填充高速檢 測器而無需外部收集光學器件。該方案非常適合用于兩個設備之間的自由空間光通信，所 述兩個設備接觸或幾乎接觸(至多數(shù)毫米)并且其中提供了紅外透射殼體或窗口?？蒞通過 設備的運動學特征來促使機械對準。如下面進一步描述的，還可W通過主動選擇具有將光 定向到相鄰區(qū)域中的相關聯(lián)的微透鏡的子陣列(在VCSH^陣列內）來進行進一步對準。例如， 當建立了光學鏈路時，可W使用發(fā)射器的最有效禪合子陣列，同時另一子陣列可W處于休 眠狀態(tài)。初始鏈路可W首先使用所有的子陣列直到建立了來自鏈路的反饋為止，此時可W 關閉一些子陣列，運可W節(jié)省電力并且延長移動設備的電池壽命。
[0090] 在圖10中所示的設計中，檢測器不需要收集光學器件將光束向下聚集為小光斑， 因為運由微透鏡來提供?？蒞通過包括透鏡曲率、透鏡與激光發(fā)射器軸的偏移程度、透鏡材 料的折射率、激光器的模態(tài)特性在內的許多因素來確定從透鏡表面會聚的光束的光斑尺寸 和距離。如果微透鏡與激光發(fā)射器軸向對準(如圖11所示），則光束可W被聚焦、準直或更發(fā) 散，運取決于透鏡的曲率半徑和與源之間的距離（由基底厚度來限定）。如果運些透鏡從軸 橫向偏移，則光束將會被定向為與軸成一定角度。運在光學上等同于在給定場高度處的對 象被成像在像平面上的偏離軸位置。與透鏡的聚焦作用相結合，運在轉換陣列的每個元件 的光束屬性方面給予了設計人員各種選擇。再次，簡單示例是創(chuàng)建在從透鏡的表面起的特 定距離處重疊的光束的會聚集合。如果陣列中的每個透鏡依賴于激光器陣列元件距軸的距 離從軸偏移一定偏移量，則光束可W被會聚于單個點（如圖10中所示)或排成一行的一系列 軸向點。在沒有大的聚焦透鏡的情況下創(chuàng)建聚焦的光束光斑的該方法可W具有除了短程自 由空間光通信之外的其他應用。其可W用于:使光束會聚W供材料改性、將光射入光纖和波 導中、固態(tài)和光纖激光器的光累浦、皮膚或其他身體表面或膜上的特定體積的組織或位置 的醫(yī)學治療。
[0091] 通過移動透鏡偏離激光器中屯、，如圖11中所示，每個激光器的光束可W被偏離一 定角度并且如圖10中所示的那樣被聚焦或散焦，運取決于微透鏡設計和與發(fā)射器之間的間 隔。運允許設計者使用不同偏移的微透鏡的圖案使光束會聚。對光束方向的和聚焦的控制 使得能夠將激光定向成單個光斑（圖10)，其中設置有檢測器來接收信號，但其他聚焦布置 也是可能的，如圖12中所示，其中聚焦光斑是位于VCSK^器件1203的陣列1202后面的虛焦點 (其還可W作為其他光學系統(tǒng)的虛擬源）1200。在圖12中，還示出了附加的外部透鏡1204, W 表明可W將微透鏡陣列與其他光學系統(tǒng)相結合W實現(xiàn)其他效果，例如來自陣列1202的準直 的光束1206。
[0092] 為了均勻地驅動VCSH^陣列，本文所述的實施方式可W使用基板(通過倒裝忍片式 接合)來進行與激光器陣列的電接觸，并且陣列的元件可W利用錫球或其他導電接合來與 基板接觸，該基板提供機械支撐、電接觸和熱傳導。運示于圖13中，圖13描繪了被倒裝忍片 式接合到基板1302的激光器陣列1300。如圖所示，激光器(未示出）位于陣列1300的底部表 面上并且將其光束投射通過激光器陣列1300的基底層W及通過焊盤1304。激光器陣列1300 的激光器被電接合到在位于激光器陣列1300下方的阻抗匹配傳輸線1306的端部處的電觸 頭(未示出）。傳輸線1306提供高數(shù)據(jù)率光學信號到激光器陣列1300的傳輸。微透鏡1308是 通過在激光器陣列1300的基底的焊盤1304上的各個圓來示出。基板1302可W由包括娃、陶 瓷、印刷電路板和扁平柔性線纜在內的許多可能材料形成。
[0093] 本文中所描述的微透鏡結構當在自由空間光學應用中使用時被稱為"無透鏡 (lensless)"自由空間光鏈路，因為組合的激光器陣列和微透鏡結構不需要另外的典型大 型準直和收集透鏡。無透鏡鏈路還提供了可能利用更傳統(tǒng)的技術無法實現(xiàn)的獨特的對準技 術。當將激光器器件例如本文所描述的激光器器件用于自由空間光鏈路時，發(fā)射激光束與 接收檢測器的對準是在運兩者之間的鏈路是否將會成功的關鍵參數(shù)。對于移動設備應用， 運是尤其大的問題。沒有主動掃描和校準調整的固定鏈路將甚至在很短的距離上很難排成 一行（line up)。盡管可W通過使束光斑變大來減少對準公差，但是該技術受限于所引起的 增加的功率消耗。此外，收發(fā)器的主動機械掃描或跟蹤實施起來變得太笨重而昂貴。
[0094] 如圖14中所示，本文中所述的實施方式可W使用多元件激光器陣列1400和激光發(fā) 射器(未示出，但如圖所示位于陣列1400的底部)被細分成基底的焊盤1404內所示的多個子 陣列1402。子陣列1402的使用將主動對準元件增加到任何機械對準解決方案。與微透鏡 1406相結合，每個子陣列1402可W被配置成對由組合的機械公差所限定的體積的特定區(qū)域 進行照射。通過向傳輸線1409、1410、1411和/或1412的每個電觸頭或接觸焊盤1413施加電 流，相應的子陣列1402可W被激活，并且由與運些陣列元件排成一行的微透鏡1406定向的 所得的激光束將限定陣列的輸出。例如，如圖14和圖15中所示，基板1408可W包括獨立的傳 輸線1409、1410、1411和1412,所述傳輸線被連接至每個子陣列1402的獨立接觸焊盤1413。 可替選地，各個激光器可W連接至獨立的電觸頭和傳輸線，所述獨立的電觸頭和傳輸線將 使得每個單獨的激光器分別被驅動。
[00M]當每個不同子陣列具有其自己的電觸頭時，可W通過與陣列的驅動器電子器件相 關聯(lián)的控制電路類似地接通每個子陣列。子陣列和各個VCSKJ&件還可W通過除了驅動器 之外的控制器進行控制，使得驅動器處于控制器的控制下。使用控制的任一方式，可W在尋 址和驅動器電子器件的能力之內單獨地或組合地接通子陣列的任何組合。可W針對線性掃 描或2D掃描能力來對陣列1400進行配置，并且如下面進一步討論的那樣，如果期望則陣列 1400可W將輸出定向到不同的檢測器。運允許非機械光束掃描能力。掃描可W是由光束進 行的離散點對點尋址，或者可能看起來更像由更大量子陣列進行的連續(xù)掃描，其中微透鏡 被布置成使得利用從一個子陣列切換到另一子陣列來使得發(fā)生光束位置的小增量變化。盡 管子陣列方法增加了陣列元件，但是封裝密度較高并且增大的管忍(die)大小對于增加的 系統(tǒng)功能而言花費適中。陣列的大小和子陣列的數(shù)目可W主要由待涵蓋的公差來確定。公 差不僅包括兩個系統(tǒng)殼體彼此的對準，而且還包括在組裝模塊內的電路板位置的內部變 化。如果發(fā)送器和接收器位于不同的模塊組件內，則可能存在圍繞運些組件的公差并且在 任何運動學約束中運些組件的裝配被制成部件。
[0096] 圖16是示出具有兩個子陣列或子組1602和1604的VCSH^陣列1600的實施方式的橫 截面圖。子組1602和1604包括許多相應的微透鏡1606,所述微透鏡1606 W特定方式被偏移 W便將對其光束1608進行定向并且會聚運些光束1608W形成圍繞檢測器1612的圓或彌散 圓1610。圓1610被稱為"彌散圓"，運是因為它們形成于偏移子組1602和1604的焦點1614后 面。彌散圓1610是光束1608延伸的區(qū)域并且關聯(lián)到光束1608的功率密度足W使得能夠滿足 特定帶寬的地方。隨著光束1608延伸，在彌散圓1610中的功率密度降低并且將達到無法支 持更高帶寬的點。在實施方式中，光學元件1616,例如全息光學元件，可W被設置在光束 1608的路徑中的某處W使光束1608均勻，運用于減少亮斑并且更均勻地傳播光束1608中的 功率。在實施方式中，各子組1602和1604可W被形成為使得光束1608被特別定向到檢測器 或檢測器組W形成光學路由器的基礎。
[0097] 圖17是陣列1702的多個子組1700的分組的實施方式，其中子組1700繞中屯、區(qū)域排 列，其中外部子組1700具有光束1704的單獨會聚點，并且其中，所有的外部點環(huán)繞中央子組 會聚點1706。該實施方式示出了可W形成與光束1704的重疊使得光束來覆蓋更大的區(qū)域 1706的配置，運可W利用VCS化光束或VCS化器件的單個子組?？蒞通過順序地接通每個子 組直到來自接收器的返回被聚集為止，來利用圖17中所示的配置，接收器則識別哪個子組 與檢測器最佳對準。一旦最佳對準的子組被確定，則所有其他子組陣列可W斷電W節(jié)省能 量并且減少熱量積聚?？蒞同樣地采用許多其他方案來識別具有最佳對準的子陣列1700， 例如接通所有子陣列1700,然后在某一時刻關閉子陣列1700。本實施方式可W用于低功率 應用W及增加角度對準公差。
[0098] 返回參照圖14和圖15,在啟動鏈接時自由空間光學鏈路的主動對準處理可W包 括:最初順序地對電子陣列1402通電；W及確定哪個子陣列1402能夠最好維持鏈路?？蒞由 主系統(tǒng)來提供對該處理的控制。如果鏈路的順序地執(zhí)行的延遲過長，則陣列可W最初一起 通電，然后順序地斷電，同時鏈路運行W優(yōu)化鏈路效率。
[0099] 如果在對準中可能存在位移同時鏈路被連接時，控制系統(tǒng)則可W定期重新優(yōu)化鏈 路。假定子陣列1402必須運行于多倍的闊值電流，對于劃分子陣列之間的功率運可能不是 最佳的，所W可能需要在子陣列1402之間仔細劃分公差區(qū)（tolerance box)的子體積(sub? volume) 。
[0100] 同樣的策略可W用于優(yōu)化與對準策略獨立的鏈路的發(fā)送器部件的功率。用于尋址 公差區(qū)內的給定區(qū)域的子陣列可W具有在公差框內的分別接觸的元件，其中所述元件可W 通電或斷電W調整發(fā)送功率。運對于控制電子器件可W是有利的，因為子陣列的選擇是數(shù) 字開關功能，而不是對到激光器的驅動電流的模擬控制。運具有簡化驅動器電子器件的一 些優(yōu)點。其還使得能夠在最佳電流電平處驅動陣列w保持高數(shù)據(jù)速率和調制效率。如果電 流太接近闊值，則VCS化難W高速調制。
[0101] 當在自由空間光通信中使用時，用于激光器陣列的驅動器，例如圖18的驅動器 1804,可W包括眼睛安全電路例如在共同待審申請13/868,034中所描述的眼睛安全電路， 其中所述申請的內容通過引用被全部并入本文并且本申請是所述申請的部分繼續(xù)申請案。 如其中所述，在實施方式中，可W結合電路來使用具有多個光源(如各個激光器器件或運些 器件的子陣列）的可尋址激光器陣列，使得在不超過眼睛安全限值的情況下并且在無需監(jiān) 測或反饋回路來控制觀察者的距離的情況下，可W對光源的不同組合通電。多個光源的操 作可W是接近的，運是對眼睛安全的，而不管多少個光源或哪個光源被通電并且不管觀察 者的位置如何。如其中所述，具有多個光源的激光器陣列還可W當在驅動器電路中存在單 點電故障(如短路)時保持眼睛安全。
[0102] 除了短程自由空間光通信應用之外，本文中所述的激光器陣列的掃描能力可W被 用于跟蹤正相對于發(fā)送器移動或振動的接收器，其中來自接收器的反饋可W通過光學鏈路 或通過單獨的信道被發(fā)送，該信道可W是光學的或可W不是光學的。其可W被用于對檢測 器陣列或光纖陣列的各個單元進行尋址，所述各個單元用作檢測器的接收器或者被禪合到 光纖的另一端的其他功能。
[0103] 收發(fā)器實施可W被組裝為混合電路，其中發(fā)送器和接收器元件通過標準混合封裝 技術被接合到基底。圖18示出了建立在電路1802上的收發(fā)器1800的實施方式?？蒞通過板 載忍片技術或通過傳統(tǒng)的混合式裝配方法將所示出的部件接合到表面。圖18示出了在單獨 的基板1806上的激光器陣列1808。激光器陣列還可W直接被倒裝忍片式接合到印刷電路的 表面。小激光器陣列可W被配置成通過偏移微透鏡對光束的緩慢會聚集合進行定向W使光 束重疊在與收發(fā)器1800相距數(shù)毫米的光斑處。運是足夠鏈接在邊緣或表面處被觸摸的兩個 移動設備的距離。還可W將某些電子功能（例如激光驅動器1804)集成到娃基板1806中。圖 18示出了具有發(fā)送器1808和接收器1810的單個收發(fā)器。兩個收發(fā)器1800-一彼此面對而它 們的端彼此相反使得激光器陣列發(fā)送器1808面對檢測器1810-一有助于完整的雙向鏈接。 收發(fā)器可W通過接觸或靠近的紅外透射塑料窗來橋接它們之間的短距離?？蒞使用各種方 法來確保表面與由運動學特征或其他約束限制的一些未對準公差相關聯(lián)。
[0104] 如前所述，可W在數(shù)字開關實施方式中使用如下一個或更多個激光器陣列，所述 一個或更多個激光器陣列被配置成利用或不利用子陣列并且利用或不利用微透鏡將來自 陣列/子陣列的光束定向到檢測器。如圖19所示，激光器器件1902的子陣列的線性陣列產(chǎn)生 來自由外部微距透鏡1906(其被示出為柱狀透鏡，但也可W是任何數(shù)目的其他光學元件，例 如球面透鏡)定向的子陣列的光束1904。出于說明實施方式的目的，光束的角度被示出為可 能是不現(xiàn)實的角度，給出了激光器器件1902和光學元件1906的物理布置。在圖20中描繪了 同一陣列1900和微距透鏡1906(其同樣可W是不同的光學元件）W說明線性陣列1900可W 如何用于開關應用中，其中對于布置在安裝結構1912中的光纖線纜1910,激光器器件1902 的選擇性操作和光學器件/微距透鏡1906的布置用于將光束1904定向到檢測器1908。
[0105] 圖21示出了另外的實施方式，其中較大的非線性激光器陣列2100(其可W具有各 種配置或激光器器件或子陣列）和光學器件或微距透鏡2102(由未示出的驅動器設備和/或 控制器驅動)被描繪成作為數(shù)字開關設備操作，W針對結構2108的光纖線纜2106用于與一 組檢測器2104-起使用。盡管圖19至圖21中示出了將光束定向到位置的微距透鏡，但是可 W使用其他光學元件(例如偏移微透鏡)來實現(xiàn)相同的效果，并且還可W將微透鏡與光學元 件結合使用。
[0106] 圖22示出了其中計算或通信設備的Ξ個或更多個機架2200被連接至數(shù)字開關的 激光器陣列2202(收發(fā)器類型配置)的另一實施方式，該數(shù)字開關的激光器陣列2202向設備 發(fā)送數(shù)據(jù)并且接收來自設備的數(shù)據(jù)。在每個機架內是在各種部件上的配備有激光器陣列的 多個微透鏡，所述多個微透鏡將數(shù)據(jù)攜載光束定向到各種檢測器，所述各種檢測器收集數(shù) 據(jù)并且還發(fā)送數(shù)據(jù)離開機架2200,所述檢測器同樣地接收被發(fā)送給機架2200的數(shù)據(jù)。
[0107] 在圖23至圖25中示出了收發(fā)器的另一實施方式。在圖23中，示出了其中收發(fā)器開 關2300的每個開關元件2302由四個探測器2304和四個發(fā)送器2306構成的配置。如圖24中所 示，由四個開關元件2302構成的收發(fā)器開關2402可W被配置成與同樣地由四個收發(fā)器開關 元件2302構成的相對的收發(fā)器開關2404進行通信。發(fā)送器的每個子組的光束2406被引導朝 向另一組收發(fā)器的特定檢測器。圖25示出了該光開關的多個配置中的一種，在此情況下為 12X12的光開關2500。
[0108] 還可W形成簡單的開關，該簡單的開關由被引導朝向12組收發(fā)器的12個發(fā)送器構 成，每個都具有其自己的單獨的檢測器和發(fā)射器，該發(fā)射器被定向回朝向12個探測器中的 在開關的單個路由器側的一個探測器，從而允許所有12個收發(fā)器傳送返回到開關的路由 側。
[0109] 存在有將光束導向探測器的陣列子組的許多其他可能配置W及相反情況，從而使 得能夠進行板、電路、處理器、交換機之間的通信等。還存在有可W用于除了自由空間通信 之外的其他目的的成陣列的VCSHJM牛和子組或子陣列的其他可能的配置。此外，通過利用 微透鏡結構，VCS化陣列的單個VCS化器件或子陣列并不都必須被聚焦在同一聚焦光斑上。 例如，如圖26中所示，可W通過利用微透鏡2602將VCS化器件的線性陣列2600聚焦在多于一 個的聚焦光斑上。如圖26所示，設備組可W被聚焦于不同的公共聚焦光斑上，如兩個外設備 2604被聚焦于光斑2606上，接下來兩個設備2608被聚焦于光斑2610上，W及Ξ個內部設備 2612被聚焦于光斑2614上。聚焦光斑2606、2610和2614將有效地在空間中形成一條線，運可 W用于將激光器器件用作切削工具，例如外科手術刀。VCS化器件/子陣列和微透鏡結構還 可W被成形和聚焦，W創(chuàng)建除了線之外的其他形狀，如圓形聚焦光斑和用于其他目的的其 他幾何圖案。例如，圖26的陣列2600可W用于所指出的醫(yī)療器械，但是還可W通過使用已知 的技術(例如XY繪圖儀型控制器)來用于標記材料，W標記金屬、玻璃、木材等。
[0110] 盡管本文中已經(jīng)依據(jù)若干可替換方案來圖示并描述了本發(fā)明，但是應當理解的 是，本文中所描述的技術可W具有許多其他用途和應用。因此，本發(fā)明不應僅限于本說明書 中所包含的具體描述、實施方式和各種附圖，運些具體描述、實施方式和各種附圖僅示出了 本發(fā)明的原理的優(yōu)選實施方式、可替換方案和應用。
【主權項】
1. 一種光學設備，包括： 激光器陣列，所述激光器陣列包括多個垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)器件，所述多個 VCSEL器件以一圖案布置在所述激光器陣列的基底上； 在所述基底內形成的多個微透鏡，所述多個微透鏡中的每個微透鏡位于相應VCSEL器 件上方，每個微透鏡將由所述相應VCSEL器件發(fā)射的光束定向到目標或者用于掃描，而不需 要所述激光器陣列外部的光學元件對用于照射所述目標的光進行準直或聚集;以及 用于向所述激光器陣列供電的驅動器電路，其中，所述圖案包括VCSEL器件的兩個或更 多個子陣列，其中所述兩個或更多個子陣列中的每個子陣列由所述驅動器電路獨立地供電 和調制以用于操作，并且其中，每個子陣列的所述相應VCSEL器件的所述微透鏡被設置為一 組，以用于將來自每個子陣列的子陣列光束定向到所述目標或者用于掃描。2. 根據(jù)權利要求1所述的光學設備，其中，所述光學設備是用于自由空間光學數(shù)據(jù)鏈路 的發(fā)送器。3. 根據(jù)權利要求1所述的光學設備，其中，每個微透鏡從所述相應VCSEL器件的軸偏移 使所述光束針對所述目標會聚或發(fā)散或者用于掃描所必需的距離。4. 根據(jù)權利要求1所述的光學設備，其中，所述距離基于所述光束的期望角偏差。5. 根據(jù)權利要求1所述的光學設備，其中，所述兩個或更多個子陣列形成在所述基底 上。6. 根據(jù)權利要求5所述的光學設備，還包括基板，所述基板包括兩個或更多個電觸頭， 每個電觸頭接合至子陣列并且通過內置于所述基板中的阻抗匹配傳輸線將所述子陣列連 接至所述驅動器電路以用于提供從所述驅動器電路到所述子陣列的高數(shù)據(jù)率光信號傳輸。7. 根據(jù)權利要求1所述的光學設備，其中，所述光學設備是用于自由空間光學數(shù)據(jù)鏈路 的發(fā)送器，所述自由空間光學數(shù)據(jù)鏈路包括接收器，其中，每個子陣列光束被定向到所述接 收器的不同區(qū)域，并且其中，由所述驅動器電路對所述兩個或更多個子陣列進行的操作使 得每個子陣列光束主動地掃描所述接收器以識別在所述接收器處提供最佳鏈路性能的子 陣列或子陣列的組合。8. 根據(jù)權利要求7所述的光學設備，其中，由所述驅動器電路順序地對每個子陣列或子 陣列的組合進行操作。9. 根據(jù)權利要求1所述的光學設備，其中，每個子陣列光束被定向到空間中的線狀區(qū)域 的不同部分，并且其中，由所述驅動器電路對所述兩個或更多個子陣列進行的操作使得每 個子陣列光束以離散間隔掃描空間的所述線狀區(qū)域。10. 根據(jù)權利要求1所述的光學設備，其中，每個子陣列光束被定向到空間中的二維圖 案的不同部分，并且其中，由所述驅動器電路對所述兩個或更多個子陣列進行的操作使得 每個子陣列光束以離散間隔掃描空間中的所述二維圖案。11. 根據(jù)權利要求1所述的光學設備，其中，所述多個微透鏡中的一個或更多個微透鏡 具有與所述多個微透鏡中的其他微透鏡不同的曲率半徑，其中，每個子陣列光束被定向到 空間中的三維體積的不同部分，并且其中，由所述驅動器電路對所述兩個或更多個子陣列 進行的操作使得每個子陣列光束以離散間隔掃描空間中的所述三維體積。12. 根據(jù)權利要求1所述的光學設備，其中，每個子陣列光束被定向到公共點，并且其 中，由所述驅動器電路對所述兩個或更多個子陣列進行的操作在所述公共點處產(chǎn)生強度變 化的組合的子陣列光束。13. 根據(jù)權利要求1所述的光學設備，其中，所述光學設備是用于自由空間光學數(shù)據(jù)鏈 路的發(fā)送器，所述自由空間光學數(shù)據(jù)鏈路包括接收器，并且其中，所述組合的子陣列光束的 強度根據(jù)需要進行變化以保持與所述接收器的高品質鏈接。14. 根據(jù)權利要求1所述的光學設備，其中，所述光學設備是用于自由空間光學數(shù)據(jù)鏈 路的發(fā)送器，所述自由空間光學數(shù)據(jù)鏈路包括接收器，其中，每個子陣列光束被定向在共同 方向上，但每個子陣列光束被聚焦在不同距離處以保持與所述接收器的高品質鏈接。15. 根據(jù)權利要求1所述的光學設備，其中，所述光學設備是用于自由空間光學數(shù)據(jù)鏈 路的發(fā)送器，所述自由空間光學數(shù)據(jù)鏈路包括接收器，并且其中，由所述驅動器電路對不同 組合的所述兩個或更多個子陣列進行的操作使得能夠在所述發(fā)送器或接收器的運動期間 保持尚品質鏈接。16. 根據(jù)權利要求1所述的光學設備，其中，所述光學設備是用于自由空間光學數(shù)據(jù)鏈 路的發(fā)送器，所述自由空間光學數(shù)據(jù)鏈路包括接收器，其中，所述發(fā)送器朝向第二接收器， 其中，第二發(fā)送器朝向所述接收器，并且其中，并且所述發(fā)送器和所述接收器被定位成以固 定距離間隔開并且作為收發(fā)器進行操作。17. 根據(jù)權利要求16所述的光學設備，還包括所述發(fā)送器與所述接收器之間的低帶寬 鏈路，所述低帶寬鏈路提供關于在所述發(fā)送器與所述第二接收器之間的光鏈路以及在所述 第二發(fā)送器與所述接收器之間的光鏈路的性能的反饋。18. 根據(jù)權利要求17所述的光學設備，其中，用于所述發(fā)送器的所述驅動器電路基于所 述性能來單獨地或組合地操作一個或更多個子陣列以提高所述性能。19. 根據(jù)權利要求18所述的光學設備，其中，用于所述發(fā)送器的所述驅動器電路基于所 述固定距離以及在所述發(fā)送器與所述第二接收器之間的幾何結構和在所述第二發(fā)送器與 所述接收器之間的幾何結構來單獨地或組合地操作一個或更多個子陣列。20. 根據(jù)權利要求19所述的光學設備，其中，所述收發(fā)器與另外的收發(fā)器耦接以形成光 學開關或光學路由器。21. 根據(jù)權利要求1所述的光學設備，其中，所述光學設備是用于自由空間光學數(shù)據(jù)鏈 路的發(fā)送器，所述自由空間光學數(shù)據(jù)鏈路包括接收器，其中，所述多個微透鏡中的一個或更 多個微透鏡包括如下運動學特征:透射紅外波長的光束以及將所述發(fā)送器與所述接收器進 行對準。22. 根據(jù)權利要求1所述的光學設備，其中，所述多個微透鏡中的一個或更多個微透鏡 被形成或圖案化來創(chuàng)建輪廓。23. 根據(jù)權利要求22所述的光學設備，其中，所述輪廓為半球狀。24. 根據(jù)權利要求22所述的光學設備，其中，所述輪廓為非球面。25. 根據(jù)權利要求22所述的光學設備，其中，所述輪廓為全息的。26. 根據(jù)權利要求22所述的光學設備，其中，所述輪廓為衍射的。27. 根據(jù)權利要求22所述的光學設備，其中，所述輪廓為像散的。28. 根據(jù)權利要求22所述的光學設備，其中，所述輪廓為偏振控制光學的。29. 根據(jù)權利要求1所述的光學設備，其中，由所述相應VCSEL器件發(fā)射的光束的焦點是 位于所述激光器陣列后面的虛焦點。30. 根據(jù)權利要求29所述的光學設備，其中，所述虛焦點用作另一光學系統(tǒng)的源。31. 根據(jù)權利要求1所述的光學設備，還包括： 電流源，所述電流源被配置成向所述多個VCSEL器件輸送總電流；以及 電子電路，所述電子電路包括用于向所述多個VCSEL器件中的零個或更多個VCSEL器件 分配總電流的一個或更多個開關，所述電子電路被配置成：當所述總電流僅被分配給光源 中的單個VCSEL器件時，從所述單個VCSEL器件中產(chǎn)生對眼睛安全的輸出功率;并且當所述 總電流被分配給兩個或更多個VCSEL器件時，從兩個或更多個VCSEL器件中產(chǎn)生對眼睛安全 的組合的光功率。32. 根據(jù)權利要求1所述的光學設備，其中，所述目標包括兩個或更多個目標，其中，由 一個或更多個VCSEL器件中的第一組發(fā)射的光束被聚焦在第一目標上，并且至少由一個或 更多個VCSEL器件中的第二組發(fā)射的光束被聚焦在第二目標上。33. 根據(jù)權利要求32所述的光學設備，其中，所述第一目標和所述第二目標形成線。34. 根據(jù)權利要求32所述的光學設備，其中，所述兩個或更多個目標形成幾何圖案。35. -種光學設備，包括： 激光器陣列，所述激光器陣列包括多個垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)器件，所述多個 VCSEL器件以一圖案布置在所述激光器陣列的第一基底上； 在與所述第一基底接合的第二基底內形成的多個微透鏡，所述多個微透鏡中的每個微 透鏡位于相應VCSEL器件上方，每個微透鏡將由所述相應VCSEL器件發(fā)射的光束定向到目標 或者用于掃描，而不需要所述激光器陣列外部的光學元件對用于照射所述目標的光進行準 直或聚集；以及 用于向所述激光器陣列供電的驅動器電路，其中，所述圖案包括VCSEL器件的兩個或更 多個子陣列，其中所述兩個或更多個子陣列中的每個子陣列由所述驅動器電路獨立地供電 和調制以用于操作，并且其中，每個子陣列的所述相應VCSEL器件的所述微透鏡被設置為一 組，以用于將來自每個子陣列的子陣列光束定向到所述目標或者用于掃描。36. 根據(jù)權利要求35所述的光學設備，其中，所述光學設備是用于自由空間光學數(shù)據(jù)鏈 路的發(fā)送器。37. 根據(jù)權利要求35所述的光學設備，其中，每個微透鏡從所述相應VCSEL器件的軸偏 移使所述光束針對所述目標會聚或發(fā)散或者用于掃描所必需的距離。38. 根據(jù)權利要求35所述的光學設備，其中，所述距離基于所述光束的期望角偏差。39. 根據(jù)權利要求35所述的光學設備，還包括基板，所述基板包括兩個或更多個電觸 頭，每個電觸頭接合至子陣列并且通過內置于所述基板中的阻抗匹配傳輸線將所述子陣列 連接至所述驅動器電路以用于提供從所述驅動器電路到所述子陣列的高數(shù)據(jù)率光信號的 傳輸。40. 根據(jù)權利要求35所述的光學設備，其中，所述光學設備是用于自由空間光學數(shù)據(jù)鏈 路的發(fā)送器，所述自由空間光學數(shù)據(jù)鏈路包括接收器，其中，每個子陣列光束被定向到所述 接收器的不同區(qū)域，并且其中，由所述驅動器電路對所述兩個或更多個子陣列進行的操作 使得每個子陣列光束主動地掃描所述接收器以識別在所述接收器處提供最佳鏈路性能的 子陣列或子陣列的組合。41. 根據(jù)權利要求40所述的光學設備，其中，由所述驅動器電路順序地對每個子陣列或 子陣列的組合進行操作。42. 根據(jù)權利要求35所述的光學設備，其中，每個子陣列光束被定向到空間中的線狀區(qū) 域的不同部分，并且其中，由所述驅動器電路對所述兩個或更多個子陣列進行的操作使得 每個子陣列光束以離散間隔掃描空間的所述線狀區(qū)域。43. 根據(jù)權利要求35所述的光學設備，其中，每個子陣列光束被定向到空間中的二維圖 案的不同部分，并且其中，由所述驅動器電路對所述兩個或更多個子陣列進行的操作使得 每個子陣列光束以離散間隔掃描空間中的所述二維圖案。44. 根據(jù)權利要求35所述的光學設備，其中，所述多個微透鏡中的一個或更多個微透鏡 具有與所述多個微透鏡中的其他微透鏡不同的曲率半徑，其中，每個子陣列光束被定向到 空間中的三維體積的不同部分，并且其中，由所述驅動器電路對所述兩個或更多個子陣列 進行的操作使得每個子陣列光束以離散間隔掃描空間中的所述三維體積。45. 根據(jù)權利要求35所述的光學設備，其中，每個子陣列光束被定向到公共點，并且其 中，由所述驅動器電路對所述兩個或更多個子陣列進行的操作在所述公共點處產(chǎn)生強度變 化的組合的子陣列光束。46. 根據(jù)權利要求35所述的光學設備，其中，所述光學設備是用于自由空間光學數(shù)據(jù)鏈 路的發(fā)送器，所述自由空間光學數(shù)據(jù)鏈路包括接收器，并且其中，所述組合子陣列光束的強 度根據(jù)需要進行變化以保持與所述接收器的高品質鏈接。47. 根據(jù)權利要求35所述的光學設備，其中，所述光學設備是用于自由空間光學數(shù)據(jù)鏈 路的發(fā)送器，所述自由空間光學數(shù)據(jù)鏈路包括接收器，其中，每個子陣列光束被定向在共同 方向上，但每個子陣列光束被聚焦在不同距離處以保持與所述接收器的高品質鏈接。48. 根據(jù)權利要求35所述的光學設備，其中，所述光學設備是用于自由空間光學數(shù)據(jù)鏈 路的發(fā)送器，所述自由空間光學數(shù)據(jù)鏈路包括接收器，并且其中，由所述驅動器電路對不同 組合的所述兩個或更多個子陣列進行的操作使得能夠在所述發(fā)送器或接收器的運動期間 保持尚品質鏈接。49. 根據(jù)權利要求35所述的光學設備，其中，所述光學設備是用于自由空間光學數(shù)據(jù)鏈 路的發(fā)送器，所述自由空間光學數(shù)據(jù)鏈路包括接收器，其中，所述發(fā)送器朝向第二接收器， 其中，第二發(fā)送器朝向所述接收器，并且其中，所述發(fā)送器和所述接收器被定位成以固定距 離間隔開并且作為收發(fā)器進行操作。50. 根據(jù)權利要求49所述的光學設備，還包括所述發(fā)送器與所述接收器之間的低帶寬 鏈路，所述低帶寬鏈路提供關于在所述發(fā)送器與所述第二接收器之間的光鏈路以及在所述 第二發(fā)送器與所述接收器之間的光鏈路的性能的反饋。51. 根據(jù)權利要求50所述的光學設備，其中，用于所述發(fā)送器的所述驅動器電路基于所 述性能來單獨地或組合地操作一個或更多個子陣列以提高所述性能。52. 根據(jù)權利要求51所述的光學設備，其中，用于所述發(fā)送器的所述驅動器電路基于所 述固定距離以及在所述發(fā)送器與所述第二接收器之間的幾何結構和在所述第二發(fā)送器與 所述接收器之間的幾何結構來單獨地或組合地操作一個或更多個子陣列。53. 根據(jù)權利要求49所述的光學設備，其中，所述收發(fā)器與另外的收發(fā)器耦接以形成光 學開關或光學路由器。54. 根據(jù)權利要求35所述的光學設備，其中，所述光學設備是用于自由空間光學數(shù)據(jù)鏈 路的發(fā)送器，所述自由空間光學數(shù)據(jù)鏈路包括接收器，其中，所述多個微透鏡中的一個或更 多個微透鏡包括如下運動學特征:透射紅外波長的光束以及將所述發(fā)送器與所述接收器進 行對準。55. 根據(jù)權利要求35所述的光學設備，其中，所述多個微透鏡中的一個或更多個微透鏡 被形成或圖案化來創(chuàng)建輪廓。56. 根據(jù)權利要求55所述的光學設備，其中，所述輪廓為半球狀。57. 根據(jù)權利要求55所述的光學設備，其中，所述輪廓為非球面。58. 根據(jù)權利要求55所述的光學設備，其中，所述輪廓為全息的。59. 根據(jù)權利要求55所述的光學設備，其中，所述輪廓為衍射的。60. 根據(jù)權利要求55所述的光學設備，其中，所述輪廓為像散的。61. 根據(jù)權利要求55所述的光學設備，其中，所述輪廓為偏振控制光學的。62. 根據(jù)權利要求35所述的光學設備，其中，由所述相應VCSEL器件發(fā)射的光束的焦點 是位于所述激光器陣列后面的虛焦點。63. 根據(jù)權利要求62所述的光學設備，其中，所述虛焦點用作另一光學系統(tǒng)的源。64. 根據(jù)權利要求35所述的光學設備，還包括： 電流源，所述電流源被配置成向所述多個VCSEL器件輸送總電流；以及 電子電路，所述電子電路包括用于向所述多個VCSEL器件中的零個或更多個VCSEL器件 分配總電流的一個或更多個開關，所述電子電路被配置成：當所述總電流僅被分配給光源 中的單個VCSEL器件時，從所述單個VCSEL器件中產(chǎn)生對眼睛安全的輸出功率;并且當所述 總電流被分配給兩個或更多個VCSEL器件時，從兩個或更多個VCSEL器件中產(chǎn)生對眼睛安全 的組合的光功率。65. 根據(jù)權利要求35所述的光學設備，其中，所述目標包括兩個或更多個目標，其中，由 一個或更多個VCSEL器件中的第一組發(fā)射的光束聚焦在第一目標上，并且至少由一個或更 多個VCSEL器件中的第二組發(fā)射的光束聚焦在第二目標上。66. 根據(jù)權利要求65所述的光學設備，其中，所述第一目標和所述第二目標形成線。67. 根據(jù)權利要求65所述的光學設備，其中，所述兩個或更多個目標形成幾何圖案。
【文檔編號】H01S3/101GK105874662SQ201380076768
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2013年5月24日
【發(fā)明人】約翰·R·約瑟夫, 理查德·F·卡森, 米亞爾·E·瓦倫, 凱文·L·利爾
【申請人】三流明公司