本技術(shù)總體上涉及光電器件領(lǐng)域，更特別地，涉及一種集成超透鏡的面發(fā)射激光器模組，其能夠?qū)崿F(xiàn)半導(dǎo)體激光器模組的小型化、平面化和集成化。

背景技術(shù)：

1、半導(dǎo)體激光器因為體積小、效率高、功耗低、壽命長、成本低等優(yōu)勢，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通信、醫(yī)療、顯示、材料加工等諸多領(lǐng)域。但是，激光芯片本身一般都難以單獨使用，需要和各種光學(xué)元件相互配合，例如透鏡、棱鏡、衍射元件、偏振元件等，組成激光器模組，才能使出射的光束符合應(yīng)用要求。這些光學(xué)元件不但體積比半導(dǎo)體激光器芯片大得多，其制造和封裝成本往往也會超過激光芯片本身，導(dǎo)致整個半導(dǎo)體激光器模組的體積和價格都難以進一步降低，這限制了半導(dǎo)體激光光源更加集成性和更加低成本的應(yīng)用。

2、激光器模組的體積可計算為光出射面積與傳播長度的乘積，光出射面積一般由應(yīng)用需求和衍射極限所決定，是無法縮小的，比如光束的發(fā)散角和遠場分辨率都由近場面積決定，所以激光器模組的進一步小型化只能依賴于減小傳播長度。目前，激光器模組所需的傳播長度主要用于半導(dǎo)體激光光斑的擴束和整形，原因是半導(dǎo)體激光芯片的出射口徑一般都遠遠小于應(yīng)用所需要的出射口徑，比如用于人臉識別的點陣結(jié)構(gòu)激光器模組的光束口徑約為2毫米，而單個垂直腔面發(fā)射激光器(vcsel)的近場光斑約為10微米，需要傳播較大的距離才能完成擴束。圖1a是一種傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器模組的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1a所示，多個垂直腔面發(fā)射激光器(vcsel)101可以布置成陣列，以提供功率足夠高的光束。在多個vcsel101的上方設(shè)置有多個光學(xué)元件，例如包括多個透鏡102a、102b和102c形成的透鏡組，以及衍射光學(xué)元件(doe)102d。在圖1a所示的例子中，為了提供大約2mm×2mm的出射光斑，需要超過3mm的傳播長度，因此整個激光器模組的體積較大。圖1b示出包括最新發(fā)展中的超透鏡(metalens，也稱為超表面)103的半導(dǎo)體激光器模組的結(jié)構(gòu)示意圖。超透鏡是一種平面光學(xué)技術(shù)，其可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的凹透鏡和凸透鏡等被動光學(xué)元件，厚度可以降低到波長量級，但是這對現(xiàn)有激光器模組尺寸的減小依然十分有限，因為激光器和超透鏡之間仍需要較長的傳播距離進行擴束，激光模組的尺寸依然被出射光斑口徑?jīng)Q定。如圖1b所示，在采用相同的垂直腔面發(fā)射激光器101的陣列的情況下，為了提供大約2mm×2mm的出射光斑，用于擴束的光束傳播長度仍為3mm左右，因此整個激光器模組的體積減小非常有限。

3、此外，直接在垂直腔面發(fā)射激光器的出光表面集成超透鏡并不能改善激光模組尺寸，因為單個垂直腔面發(fā)射激光器101的出射面積過小，出射的光束遠不能滿足實際應(yīng)用的要求，仍需要較大的擴束距離。因此，激光模組微型化的根本阻礙還是缺少近場光斑能與所需出射口徑相匹配的高性能半導(dǎo)體激光器。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本實用新型提供一種集成超透鏡面發(fā)射激光器的微型化模組，其能夠解決上述技術(shù)問題中的一個或多個。本實用新型在光子晶體面發(fā)射激光器或者拓撲腔面發(fā)射激光器的出光表面上直接集成超透鏡。光子晶體面發(fā)射激光器或者拓撲腔面發(fā)射激光器都可以提供大面積單模激光，做到毫米級口徑和瓦級輸出功率，而超透鏡可以在相位、偏振、出射角等任意自由度上對出射光場進行調(diào)控，實現(xiàn)期望的出射光束。因此，本實用新型為簡化和縮小激光器模組提供了可能。超透鏡可以直接集成到光子晶體面發(fā)射激光器或者拓撲腔面發(fā)射激光器的光出射面中，例如在出射表面的半導(dǎo)體層中直接刻蝕微納結(jié)構(gòu)以形成超透鏡，或者可以在光子晶體面發(fā)射激光器或者拓撲腔面發(fā)射激光器的光出射面上沉積額外的超透鏡層，在該超透鏡層中蝕刻出微納結(jié)構(gòu)以形成超透鏡，或者還可以在面發(fā)射激光器的出光表面上直接沉積、生長或者外延微納結(jié)構(gòu)以形成超透鏡。本實用新型能夠提供近場光斑與所需出射口徑相匹配的高性能半導(dǎo)體激光器，實現(xiàn)整個半導(dǎo)體激光器光源的平面化和集成化，其體積比現(xiàn)有的半導(dǎo)體激光器模組縮小了一個數(shù)量級以上。

2、根據(jù)一示例性實施例，提供一種集成超透鏡的面發(fā)射激光器模組，包括：面發(fā)射激光器，包括光子晶體面發(fā)射激光器或者拓撲腔面發(fā)射激光器，所述面發(fā)射激光器具有出光表面；以及集成在所述面發(fā)射激光器的出光表面處的超透鏡。

3、在一示例性實施例中，所述面發(fā)射激光器的頂層的上表面用作所述面發(fā)射激光器的出光表面，所述超透鏡包括形成在所述頂層的上表面中的納米柱結(jié)構(gòu)。

4、在一示例性實施例中，所述面發(fā)射激光器的頂層是半導(dǎo)體層，絕緣層或者金屬層。

5、在一示例性實施例中，所述面發(fā)射激光器的頂層的上表面用作所述面發(fā)射激光器的出光表面，所述超透鏡包括形成在所述頂層上方的納米柱結(jié)構(gòu)。

6、在一示例性實施例中，所述納米柱結(jié)構(gòu)形成在位于所述面發(fā)射激光器的頂層上方的超透鏡層中，所述超透鏡層被蝕刻部分或者整個厚度以形成所述納米柱結(jié)構(gòu)，或者所述納米柱結(jié)構(gòu)由直接在所述面發(fā)射激光器的頂層上沉積、生長或者外延納米柱結(jié)構(gòu)而形成。

7、在一示例性實施例中，所述納米柱結(jié)構(gòu)包括半導(dǎo)體材料、絕緣體材料或者金屬材料。

8、在一示例性實施例中，所述納米柱結(jié)構(gòu)包括非晶硅、二氧化鈦、氮化硅、氧化硅中的一種或多種。

9、在一示例性實施例中，所述超透鏡包括矩形或橢圓形納米柱結(jié)構(gòu)，所述納米柱結(jié)構(gòu)按三角晶格或四方晶格排列，并且每個納米柱結(jié)構(gòu)具有高度h、長度l、寬度s、以及旋轉(zhuǎn)角θ。

10、在一示例性實施例中，所述納米柱結(jié)構(gòu)的高度h、長度l、寬度s、以及旋轉(zhuǎn)角θ中的一項或多項被調(diào)制，以調(diào)節(jié)從所述面發(fā)射激光器模組出射的激光的相位、強度和/或方向。

11、根據(jù)一示例性實施例，提供一種電子設(shè)備，包括上述面發(fā)射激光器模組。

12、本實用新型的上述和其他特征和優(yōu)點將從下面結(jié)合附圖對示例性實施例的描述變得顯而易見。

技術(shù)特征：

1.一種集成超透鏡的面發(fā)射激光器模組，其特征在于包括：

2.如權(quán)利要求1所述的面發(fā)射激光器模組，其特征在于，所述面發(fā)射激光器的頂層的上表面用作所述面發(fā)射激光器的出光表面，

3.如權(quán)利要求2所述的面發(fā)射激光器模組，其特征在于，所述面發(fā)射激光器的頂層是半導(dǎo)體層，絕緣層或者金屬層。

4.如權(quán)利要求1所述的面發(fā)射激光器模組，其特征在于，所述面發(fā)射激光器的頂層的上表面用作所述面發(fā)射激光器的出光表面，

5.如權(quán)利要求4所述的面發(fā)射激光器模組，其特征在于，所述納米柱結(jié)構(gòu)形成在位于所述面發(fā)射激光器的頂層上方的超透鏡層中，所述超透鏡層被蝕刻部分或者整個厚度以形成所述納米柱結(jié)構(gòu)，或者

6.如權(quán)利要求4所述的面發(fā)射激光器模組，其特征在于，所述納米柱結(jié)構(gòu)包括半導(dǎo)體材料、絕緣體材料或者金屬材料。

7.如權(quán)利要求4所述的面發(fā)射激光器模組，其特征在于，所述納米柱結(jié)構(gòu)包括非晶硅、二氧化鈦、氮化硅、氧化硅中的一種或多種。

8.如權(quán)利要求2-7中的任一項所述的面發(fā)射激光器模組，其特征在于，所述超透鏡包括矩形或橢圓形納米柱結(jié)構(gòu)，所述納米柱結(jié)構(gòu)按三角晶格或四方晶格排列，并且每個納米柱結(jié)構(gòu)具有高度h、長度l、寬度s、以及旋轉(zhuǎn)角θ。

9.如權(quán)利要求8所述的面發(fā)射激光器模組，其特征在于，所述納米柱結(jié)構(gòu)的高度h、長度l、寬度s、以及旋轉(zhuǎn)角θ中的一項或多項被調(diào)制，以調(diào)節(jié)從所述面發(fā)射激光器模組出射的激光的相位、強度和/或方向。

10.一種電子設(shè)備，其特征在于包括權(quán)利要求1-9中的任一項所述的面發(fā)射激光器模組。

技術(shù)總結(jié)
本技術(shù)涉及集成了超透鏡的面發(fā)射激光器微型化模組及含其的電子設(shè)備。根據(jù)一實施例，一種集成超透鏡的面發(fā)射激光器模組可包括：面發(fā)射激光器，包括光子晶體面發(fā)射激光器或者拓撲腔面發(fā)射激光器，所述面發(fā)射激光器具有出光表面；以及集成在所述面發(fā)射激光器的出光表面處的超透鏡。

技術(shù)研發(fā)人員：陸凌,李宗良,鄭天威,李妍,楊樂臣,李廣睿
受保護的技術(shù)使用者：中國科學(xué)院物理研究所
技術(shù)研發(fā)日：20240509
技術(shù)公布日：2024/12/17