[發明專利]具有多個堆疊活性區的VCSEL設備

在審

• 申請號: 202110733243.6
• 申請日: 2021-06-29
• 公開（公告）號: CN113872046A
• 公開（公告）日: 2021-12-31
• 發明（設計）人: R.F.卡森;李念宜;M.E.沃倫;T.法寧;G.巴欽
• 申請（專利權）人: 朗美通經營有限責任公司
• 主分類號: H01S5/183
• 分類號: H01S5/183;H01S5/02253;H01S5/024
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所 11105
• 代理人: 陳茜

描述了用于實現串聯連接的單芯片垂直腔面發射激光器(VCSEL)陣列的方法、設備和系統。在一個方面，單個芯片包括一個或多個位于導電層上的非導電區，以產生多個電分離的導電區。每個電分離區可以具有多個VCSEL元件，包括串聯連接的陽極區和陰極區。芯片連接到具有金屬化圖案的基板，金屬化圖案串聯地連接導電層上的每個電分離區。在一個方面，金屬化圖案將第一電分離區的陽極區連接到第二電分離區的陰極區。金屬化圖案還可以包括切口，該切口保持每個導電層區上的陽極和陰極區之間的電分離，并且與蝕刻區對準。

技術領域

本公開涉及垂直腔面發射激光器(VCSEL)陣列，以及與串聯結構相關的設備、方法和系統。

背景技術

垂直腔面發射激光器(VCSEL)用于各種通信技術，包括短波長多模光纖通信系統。VCSEL在極端溫度和輻射環境下也非常有效和耐用，因此在照明和工業熱處理等應用中非常有用。單個VCSEL設備通常以幾毫瓦的光輸出功率工作，尤其是在設計用于10Gb/s或更高的數據速率時。通過在公共襯底或多個襯底上構建同時尋址的VCSEL陣列，可以獲得更大的光輸出功率。

然而，由于電流擴展損耗和模式特性，VCSEL被限制在適度的孔徑尺寸。為了將VCSEL擴展到更高的功率，通常的方法是在公共管芯上創建VCSEL陣列。陣列設備通常并聯或串聯組合，設計用于低調制帶寬。在并聯布置中，單個襯底上的多個VCSEL通常通過晶片連接，并且激光器與公共陰極電并聯連接。這種配置可以在例如美國專利7,949,024B2中找到，其描述了背發射VCSEL陣列的并行配置。然而，附加體電容是VCSEL并聯工作的限制因素，并聯布置可能不是大電流脈沖驅動電路的理想阻抗匹配。R.卡森、M.沃倫、P.達查、T.威爾科克斯、J.梅納德、D.銀鈴、K.奧蒂斯和J.洛特，“大功率高速VCSEL陣列的進展”，Proc.SPIE 9766，垂直腔面發射激光器XX，97660B(2016年3月18日)已經表明通過串聯多個管芯可以獲得更高的光功率。每個單獨的管芯具有并聯連接的多個VCSEL，但是管芯倒裝結合到的基板可以串聯連接管芯。

與單個并聯連接的VCSEL陣列相比，已經顯示，串聯連接的VCSEL陣列在給定電流下大大提高了輸出光功率，尤其是在低占空比脈沖電流源下工作時。這種高功率脈沖光源特別適用于閃光-LiDAR和短程NIR照明等應用。

在許多當前的串聯配置中，每個VCSEL陣列包括一組布置在單個芯片或晶片上的平行VCSEL元件，以及由短接觸點形成的公共陰極路徑，該公共陰極路徑連接到芯片上的導電層。多個芯片被結合在一公共的基板上，并被布置成形成串聯連接。在倒裝芯片布置中，每個芯片的陽極連接到基板上的公共電連接，每個芯片上的公共陰極連接到基板布置上的下一個芯片的陽極連接。由于這種配置在每個芯片上使用共同的陰極布置，因此在共同的基板上“平鋪”多個芯片是實現串聯連接配置的唯一方式。

從設計靈活性的角度來看，“平鋪”方法具有許多優勢。然而，存在使用單個芯片明顯更有利的配置。例如，在使用分段微透鏡組的激光組件中，這些透鏡之間的相對對準精度是至關重要的，使得拼接芯片之間的相對角度差異成為問題。另一個例子的情況是，存在低值電流源，其可以受益于與串聯連接相關聯的額外光功率，但是平鋪多個管芯所需的額外半導體管芯面積導致成本和封裝問題。平鋪還需要額外的空間，多個芯片會導致成本增加和封裝問題。因此，在某些情況下，這種尺寸、成本和制造因素超過了與串聯連接相關的額外光功率的優點。此外，由于匹配的特性更可能來自安裝在同一芯片上的VCSEL元件，當波長控制要求規定串聯使用的VCSEL元件具有幾乎相同的發射特性時，平鋪可能不是優選的。

發明內容