光电半导体器件和眼镜的制作方法

提供了一种光电半导体器件。此外，还提供了包括这种光电半导体器件的眼镜。

背景技术：

1、文献s.romero-garcia等人，在“用于多色激光引擎的光子集成电路”，spie会议录10108，硅光子xii，101080z，2017年3月2日，doi:10.1117/12.2250758中提及光子电路。

技术实现思路

1、要解决的问题是提供一种具有改进的发射特性的光电半导体器件。

2、该目的尤其通过如独立专利权利要求中所限定的光电半导体器件和眼镜来实现。示例性的其他改进构成从属权利要求的主题。

3、根据至少一个实施方式，光电半导体器件包括载体。例如，载体包括导热材料如陶瓷、尤其是aln。载体可以包括导体轨道和/或电路。

4、根据至少一个实施方式，光电半导体器件包括一个或多个半导体激光器。至少一个半导体激光器被配置为发射激光辐射。此外，例如通过焊接将至少一个半导体激光器施加在载体上。例如，至少一个半导体激光器是激光二极管，简称ld。如果存在多个半导体激光器，则所有半导体激光器可以是相同类型的，或者存在不同类型的半导体激光器，例如，以产生红、绿和蓝光，简称rgb。

5、在下文中，可以参考第一半导体激光器和第二半导体激光器。在这方面，术语“第一”和“第二”是指列举，因此对于“半导体激光器”公开的所有特征以相同的方式适用于“第一半导体激光器”以及“第二半导体激光器”。

6、根据至少一个实施方式，光电半导体器件包括一个或多个多模波导。至少一个多模波导被配置为引导激光辐射。多模波导也例如通过焊接施加在载体上。

7、根据至少一个实施方式，多模波导包括一个或多个分叉和多个分支。分支通过至少一个分叉彼此连接。

8、在至少一个实施方式中，光电半导体器件包括载体；被配置为发射第一激光辐射并被施加在载体上的第一半导体激光器；以及被配置为引导第一激光辐射并也被施加在载体上的多模波导。多模波导包括至少一个分叉和由至少一个分叉连接的多个分支。

9、例如，在光电半导体器件中，多模波导配备有可选的模混合器，并为rgb成像和投影应用、尤其是ar/vr应用提供对准容差ld对接耦合。ar表示增强现实并且vr表示虚拟现实。

10、因此，可以提供对准容差平面光回路rgb激光组合器和光源。

11、在例如用于增强现实和/或虚拟现实及其它低功率投影应用的移动近眼平视显示器中，红色、绿色和蓝色激光二极管输出通常需要被组合成小发射面积的单个发射端口，从而可以避免复杂的补偿电子算法和/或光束位移光学器件。这样，可以使用相同的光路为每种颜色生成图像。例如，在增强现实应用中，可以将期望的rgb光从单个发射点引导到光调制器中，如硅上液晶、简称lcos，或移动数字镜装置系统、简称dmd系统。对于每种颜色具有多个发射点意味着将存在进入和离开光调制器的不同光路，这使得将图像投影到观察者眼睛中的波导融合器中的最终图像生成复杂化。

12、为了解决对于rgb输出具有单个或多个但非常紧密间隔的发射点的问题，可以考虑集成波导方法，特别是对于增强现实/虚拟现实应用。为了避免术语问题，组合多个激光输出的光波导电路被称为“平面光回路”或plc。这是为了区别于ar/vr眼镜中的“波导组合器”结构，其将图像信息散布在眼镜的表面上，从而增强眼盒。

13、不幸的是，大多数当前的plc方法假定发射点必须是单模的，以避免来自多模波导结构的更复杂的远场图案。这意味着ld对准到单模波导中是非常困难的，需要将ld发射点定位到远低于一个波长，即远低于1μm。未对准会导致显著效率损失。对准的高灵敏度还可以导致低的生产产量。

14、单模波导的第二个问题是将多个波导组合成单个波导会导致显著效率损失。因此，许多plc方法实际上没有将rgb波导组合成单个波导；相反，它们简单地使每个r、g和b波导的输出在发射侧靠近在一起。但是没有实现真正的单个发射点。

15、第三个问题，特别是如果ld与plc的波导输入端对接耦合，在于波导面可以将激光辐射引导回ld。此反馈可导致ld不稳定性或迫使ld在单个或几个模式状态中运行。高功率边缘发射激光器(简称eel)和较大孔径垂直腔表面发射激光器(简称vcsel)的特性的强多模操作的损失将显著增加激光器的相干长度，导致例如投影到视网膜上的图像中的相干伪影和激光斑纹增加。

16、单模输出还具有完全的空间相干性，这使得图像中这种相干效应形成完全对比。斑纹和相干伪影可以在直接成像lcos和dmd空间光调制器中以及在具有一维或二维波导组合器的激光束扫描系统(简称lbs)中形成。眼镜中具有全息反射镜的视网膜扫描系统也可以具有相干伪影，但是小于具有波导组合器的lbs。

17、通过这里描述的光电半导体器件及其各种实施方式，解决了用于激光束组合的当前plc结构的这些问题中的一个或多个。在一个实施方式中，横向ld对准容差可以放宽到几μm，同时实现高效率并为输出辐射提供真正的单个发射点。在另一个实施方式中，输入耦合结构可以减少进入ld的反馈。由于本文描述的plc结构的多模波导方法，所有这些实施方式都具有减小空间相干性的潜力，并且对于减小扫描微机电、mem、反射镜ar/vr系统中的斑纹和干扰伪影尤其相关。

18、最后，本文描述的光电半导体器件可以利用标准的光刻半导体类型的处理，其允许容易制造和包括对准基准或物理特征。

19、利用这里描述的光电半导体器件，可以实现几个优点：

20、a)光电半导体器件可以使用与单个平台上的ld管芯集成的晶片级plc。

21、b)可以使用简单的光刻制造方法来制造光电半导体器件，这使得器件成本有效。

22、c)plc的尺寸可以小于目前市场上的plc方法。

23、d)借助于光电半导体器件，可以放宽ld相对于plc输入的对准容差；例如，相对于输入波导结构的中心±2μm的ld横向调节对耦合效率仅具有可忽略的影响。

24、e)光电半导体器件利用模混合器来消除ld对准对最终发射表面模结构的依赖性，使得在制造期间发生的对准偏差对器件远场规格具有最小的影响；此外，这允许完全填充输出波导模式以减小空间相干效应。

25、或者，在某些情况下，使用没有模混合结构的多模波导可以提供ld对准容差的放宽。这是当ar/vr系统中的光学系统可以补偿plc发射点位置的小差异时，例如通过对扫描镜系统中的r、g和b激光器进行小的定时调整。这是因为非散射plc的输出可以仅仅是输入ld场的移位和失真图像。如果中继光学器件放大使得波导输出面尺寸保持在眼睛分辨率或低于眼睛分辨率，则将不会察觉到由波导传播引起的这种失真。ar/vr中继光学器件的较低放大倍数还可以有益于模式混合器的情况，该模式混合器可以使得远场图案更复杂，但是眼睛不会分辨斑纹状重新成像的波导输出面场。

26、本文描述的光电半导体器件尤其是基于以下概念中的一个或几个，以放宽用于将激光辐射对接耦合到plc激光束组合器中的ld对准容差，从而得到实用的器件：

27、1.光电半导体器件使用多模波导以显著减小对ld对准的容差限制。这可以大大增加制造产量。

28、2.由于多模的配置，定向消逝耦合器更难设计；光电半导体器件使用直接组合，其在当前情况下可以产生高效率。

29、3.通过在波导内引入可选的工程设计的散射结构，在不同位置和方向上来自ld的输入场可以被随机均匀地散射到所有波导模式中，产生更均匀的，但可能是斑纹状的近场。这在某些情况下可能是有益的，提供统计上均匀的远场分布。

30、4.可以使用高折射率材料制造波导，使核芯在衬底和包层材料之间具有大的折射率差。这增加了对于给定横截面积的限制和允许模式的数量。更大的模数量还有助于缓和对准问题并缓和对输入耦合结构设计的限制。这将进一步有助于降低空间相干性。高折射率对比度是通过在熔融硅石或相关材料上蚀刻沉积的高折射率材料如si3n4，然后进行标准光刻和干蚀刻工艺来实现的。

31、此外，一些实施方式具有可进一步帮助解决上述问题的附加技术特征：

32、i)抗反射涂层可以添加到plc波导的输入和输出表面。这将进一步提高效率并使激光反馈最小化；或者，倾斜的输入面也可以减少激光反馈，并且如果利用eel的布鲁斯特角效应，则可以提高效率。

33、ii)如果不需要正方形发射截面，则多个输入面耦合设计减少对准容差问题，包括锥形或可能的反锥形结构、透镜型结构和大的矩形引导件。

34、iii)增加输出波导的长度有助于使波导模式失相；例如，存在具有宽带宽的多模激光器。这将降低波导输出处的空间横向相干性，有助于减少斑纹和相干伪影。

35、iv)将plc倒置并组合到与也倒置的ld(即脊侧向下)的相同衬底。这允许ld发射点与plc上的波导输入中心被动对准。

36、v)波导可由多种材料制成，包括si3n4、gan、hfo2、linbo3、ta2o5、al2o3、aln和其它可蚀刻的相关较高折射率材料。

37、虽然光电半导体器件的主要应用是在ar/vr眼镜中，但是它可以用于需要将多个eel或vcsel组合成单个输出的其它应用。在许多情况下，考虑的ar/vr系统是扫描微机电、mem、反射镜系统。

38、根据至少一个实施方式，光电半导体器件还包括一个或多个第二半导体激光器。然后至少一个第二半导体激光器被配置为发射至少一个第二激光辐射。与第一半导体激光器和两个不同的第二半导体激光器一起，光电半导体器件可以是rgb器件。

39、根据至少一个实施方式，多模波导包括配置为接收第一激光辐射和/或至少一个第二激光辐射的至少两个第一分支。例如，对于每个半导体激光器，有一个第一分支。因此，在第一分支和半导体激光器之间可以有一对一的分配。

40、根据至少一个实施方式，至少一个分叉被配置为将第一激光辐射与至少一个第二激光辐射融合以获得融合的激光辐射。换句话说，融合的激光辐射包括所有的第一和第二激光辐射。也就是说，第一和第二激光辐射可以通过至少一个分叉组合或统一。

41、根据至少一个实施方式，多模波导包括在至少一个分叉的背离第一半导体激光器和/或至少一个第二半导体激光器的一侧上的恰好一个第二分支。第二分支被配置为发射融合的激光辐射。

42、因此，至少一个第一分支可以被称为输入分支，并且至少一个第二分支可以被称为输出分支。

43、根据至少一个实施方式，至少一个半导体激光器包括激光器衬底和半导体层序列以及第一金属化。这可适用于第一和/或第二半导体激光器中的每一个。例如，半导体层序列基于alingan或alingap。

44、根据至少一个实施方式，半导体层序列和第一金属化位于激光器衬底的同一侧。例如，第一金属化突出超过分配的半导体层序列。

45、根据至少一个实施方式，第一半导体激光器和/或至少一个第二半导体激光器是边缘发射激光器。或者，vcsel用于半导体激光器，或者eel和vcsel的组合。

46、根据至少一个实施方式，多模波导包括衬底主体和从衬底主体突出的引导结构。该引导结构被配置为通过内部全反射来引导该第一激光辐射和/或该至少一个第二激光辐射。引导结构可以由施加在衬底主体上的材料制成。

47、根据至少一个实施方式，多模波导还包括第二金属化。例如，第二金属化被配置用于焊接。

48、根据至少一个实施方式，引导结构和第二金属化位于衬底主体的同一侧上。尤其是，衬底主体被附接到载体，使得引导结构和第二金属化面对载体。

49、根据至少一个实施方式，第一和/或第二半导体激光器的发射区域位于载体附近，与引导结构齐平。换言之，半导体层序列面向载体。如果各个半导体激光器包括用于半导体层序列的生长衬底，则生长衬底位于半导体层序列的远离载体的一侧上。

50、根据至少一个实施方式，在引导结构的顶视图中看，第二金属化相对于引导结构的位置具有侧向位移。这同样适用于相对于相应半导体层的脊形波导的第一金属化，如果包括这种脊形波导的话。

51、根据至少一个实施方式，第二金属化突出到引导结构之外，并且被配置为调整引导结构与载体的距离。替代地或附加地，第一金属化突出超过半导体层序列并且被配置为调整半导体层序列距载体的距离。

52、根据至少一个实施方式，多模波导被配置为融合红色、绿色和蓝色激光辐射。

53、根据至少一个实施方式，多模波导的输出区域具有至多30μm×30μm或至多20μm×20μm的面积。

54、根据至少一个实施方式，多模波导还包括被配置为散射第一激光辐射的散射区域。例如，散射区域位于至少一个分叉的远离第一半导体激光器的一侧。可选的，散射区域可包括多个随机分布的散射中心。

55、根据至少一个实施方式，从多模波导的顶视图中看，该至少一个分叉是s形的，使得该至少一个分叉包括右转弯弯曲和左转弯弯曲或由右转弯弯曲和左转弯弯曲组成。所有分叉可能具有相同的设计；或者，可以有不同形状的分叉。至少一个分叉可以是点对称设计。

56、根据至少一个实施方式，光电半导体器件包括多个分叉。分叉可以与分支在不同位置融合，或者所有分叉在多模波导中的相同位置融合。

57、根据至少一个实施方式，多模波导还包括面向第一和/或半导体激光器的输入耦合结构。例如，输入耦合结构包括相应分支在远离第一半导体激光器的方向上变窄的至少一个部分。可替换地或附加地，输入耦合结构包括相应分支在远离第一半导体激光器的方向上变宽的至少一个另外的部分。

58、根据至少一个实施方式，输入耦合结构包括面向第一半导体激光器的输入面，该输入面相对于相应分支的纵轴线倾斜。

59、根据至少一个实施方式，面向第一半导体激光器的分支的数量小于或等于位于至少一个分叉的远离第一半导体激光器的一侧的分支的数量。

60、还提供了眼镜。该眼镜优选地包括至少一个光电半导体器件，如结合上述实施方式中的至少一个所示。因此也公开了用于眼镜的光电半导体器件的特征，反之亦然。

61、在至少一个实施方式中，该眼镜被配置用于增强现实或虚拟现实应用。尤其是，眼镜包括一个或多个光电半导体器件。此外，眼镜包括由至少一个光电半导体器件照明的至少一个视场。