具有集成光栅的顶部发射VCSEL阵列的制作方法

具有集成光栅的顶部发射vcsel阵列
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求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。本技术要求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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§
1.14的权利。
9.背景
1.技术领域
10.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：

11.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。
12.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。


技术实现要素：

13.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。
14.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。
15.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。
16.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。
17.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。
18.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。
19.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。
20.应理解，在这些实施例中，集成在vcsel结构上的光栅不应与vcsel的上反射器混淆，所述上反射器已经界定上光学腔体，而是vcsel的发射区域或vcsel阵列上的附加光栅，并且被配置为执行其他功能。
21.本文描述的技术的其他方面将在说明书的以下部分中提出，其中，详细描述是为了完全公开技术的优选实施例而不对其施加限制。
附图说明
22.通过参考仅用于说明目的的以下附图，将更全面地理解本文描述的技术。
23.图1是根据本公开的至少一个实施例的顶部发射氧化物限制型vcsel的横截面图，该vcsel具有集成在所述vcsel的顶侧表面上的高对比度光栅。
24.图2a至图2d是根据本公开的至少一个实施例的配置具有顶侧光栅结构的vcsel或vcsel阵列的横截面图。
25.图3a和图3b是根据本公开的至少一个实施例的不同结构的横截面图，在所述结构中，光栅形成于vcsel或vcsel阵列的顶部表面中。
26.图4a至图4d是根据本公开的至少一个实施例的配置有不同形式的光栅的vcsel或vcsel阵列的顶侧的横截面图。
27.图5a至图5c是根据本公开的至少一个实施例的可形成在vcsel或vcsel阵列的顶侧上的配置有不同维度的光栅的等距视图。
28.图6a至图6d是根据本公开的至少一个实施例的可形成在vcsel或vcsel阵列的顶侧上的配置有不同形式的啁啾的光栅的等距视图。
29.图7a到图7d是根据本公开的至少一个实施例的配置有不同光栅周期的vcsel的顶侧的横截面图。
30.图8a至图8d是根据本公开的至少一个实施例的被配置用于改变透射级和反射级的相对振幅的vcsel或vcsel阵列的顶侧的横截面图。
31.图9a至图9c是根据本公开的至少一个实施例的配置有提供不同功能性(包含横向光学耦合)的光栅的vcsel或vcsel阵列的顶侧的横截面图。
32.图10a至图10f是根据本公开的至少一个实施例的配置有光栅以提供远场控制且显示其不同输出模式的vcsel或vcsel阵列的顶侧的横截面图。
33.图11a和图11b是根据本公开的至少一个实施例的具有被配置为作为一个或多个透镜操作的一个或多个光栅的vcsel或vcsel阵列的顶侧的横截面图。
34.图12a至图12d是根据本公开的至少一个实施例的被配置用于不同偏振发射及其相关联发射模式的vcsel或vcsel阵列的顶侧的横截面图。
35.图13a和图13b示出描绘了根据本公开的至少一个实施例的从配置有偏振器和漫射器的vcsel或vcsel阵列输出的远场的图示。
36.图14a至图14c示出描绘了根据本公开的至少一个实施例的从配置有具有结构化远场光栅的顶部表面的vcsel或vcsel阵列输出的远场的图示。
具体实施方式
37.1.光栅集成在vcsel上
38.设计vcsel或vcsel阵列的发射光学特性的能力对于诸如3d感测应用之类的许多应用中的vcsel设计是关键的。通常，必须在封装级集成额外的光学组件(例如，透镜、漫射器、衍射光学元件)以用于准直、漫射或复制vcsel光束。单片集成的光学组件可提供显著的成本节约和封装尺寸减小。
39.vcsel(诸如3d感测vcsel)对功耗具有高效率要求，其中，顶部dbr是常规vcsel中的效率提升的瓶颈。通过集成光栅部分地或完全地替换顶部dbr可显著降低顶部反射镜上的电压降和功耗，同时保持高反射镜反射率和低vcsel阈值。
40.为了使vcsel阵列发射适合于诸如飞行时间(tof)或结构光(sl)的3d感测方案，在感测模块中通常需要诸如衍射光学元件(doe)或漫射器的一层或多层光学组件。这些组件显著增加了模块尺寸、组装复杂性和成本。
41.目前，vcsel阵列和光学组件被单独设计和制造。它们之间的失配引起效率损失和光学功能退化。
42.1.1.具有顶侧hcg的顶部发射型vcsel
43.图1示出了具有顶侧光栅的顶部发射氧化物限制型vcsel的示意图10。所述器件例示为具有衬底部分12和腔体部分14。n型接触件，也称为底部接触件，形成在衬底12之上或之下。在第一种情况下，接触件16沉积在特别n型掺杂的接触件层上或围绕腔体结构的衬底上的顶侧上方的经蚀刻部分上(例如，靠近底部dbr)。在第二种情况下，接触件18形成在衬底12的底侧上作为底部接触件。vcsel的腔部分14在本文中描绘为具有底部dbr 20，在所述底部dbr 20上方是量子阱结构(有源区)22，在所述量子阱结构22上方是孔24，在所述孔24上方是示出为dbr 26的顶部反射器，在此处描绘为具有平面的发射表面32，且在腔体部分14的顶部上方的外围上沉积顶部接触件28。
44.应理解，上反射器可包括dbr或hcg层，所述hcg层可部分地或完全地用于代替dbr。这种hcg层可在其表面已被平坦化的低折射率材料下方，或者从顶部表面突出。
45.高对比度光栅34被集成在所述vcsel的顶侧表面32上作为顶侧高对比度光栅，其被配置为光学有源结构，用于修改vcsel阵列内的一个vcsel或多个vcsel的发射，以实现光学功能。应理解，光栅34可包括本文描述的任何光栅实施例或其组合。激光发射输出的方向由箭头30描绘。应理解，顶部接触件28可形成在vcsel的非发射区域上的vcsel结构的顶侧上，或者作为形成在图案化发射区域上的透明接触件。
46.以上描述以示例的方式给出，因为vcsel可以用关于特定层及其材料的许多变化来制造。然而，本公开可实现在具有各种内部结构的vcsel上，因为本公开主要针对配置这些vcsel器件或vcsel阵列的顶表面。
47.在本公开中，针对腔体结构14的顶部部分的不同结构及制造描述若干个实施例。例如，代替如图所示通过平坦表面在器件的衬底的顶侧上发射，可以将器件配置为在单个vcsel的顶部发射界面处或在vcsel阵列中的多个vcels上方具有光栅层。另外，在图1中描绘的形成在vcsel结构的顶侧上的接触件28可形成在利用工程化光栅图案化的区域上，或者形成在未利用工程化光栅图案化的区域上。此外，vcsel结构的顶侧上的接触件可形成在沉积以形成工程化光栅的任何数量的层上，或者该接触件可形成在不存在上述层的区域上，并且因此直接形成在vcsel结构的顶部上。
48.应理解，上述vcsel结构以示例而非限制的方式示出，并且以下vcsel顶表面制造方法和结构适用于具有顶表面的各种vcsel结构，光通过所述顶表面发射。可替换地，这些光栅结构可实现在顶发射vcsel或底发射vcsel的顶表面或底表面上，或者以上的任何组合。
49.1.2.具有顶侧hcg的顶部发射vcsel阵列
50.图2a至图2d示出了示例性实施例50、70、90和110，示出了用于平坦化的光学基板或载体基台60内的vcsel10的顶部光栅的不同配置，并且相对于单独的vcsel发射器或跨越vcsel阵列的多个发射器。
51.图2a示出了示例实施例50，其中，顶侧光栅52跨越各个vcsel 10的vcsel阵列的整个发射区域，所示的阵列发射组合的光图案54。
52.图2b示出了示例实施例70，其中，顶侧光栅72a、72b、72c、72d与vcsel阵列的每个vcsel发射器10对准，并且描绘了单独的光发射74a、74b、74c和74d。
53.图2c示出了示例实施例90，其中，顶侧光栅92a、92b、92c和92d被配置用于有意地与vcsel发射器10未对准，以产生光学发射94a、94b、94c和94d。这种设计或随机未对准可以产生与穿过漫射或折射或衍射光学元件等效的工程化光束形状。
54.图2d示出了示例实施例110，其中，顶侧光栅112a、112b被配置为覆盖vcsel 10的阵列的不同部分(阵列内的不同vcsel组)，用于每个部分中的组合光输出114a、114b。在至少一个实施例中，vcsel阵列的部分被配置为被单独地电寻址。本公开描述了实施例，其中，阵列中的每一vcsel可共同成组地或跨越整个阵列电寻址或每一vcsel可单独电寻址。因此，应理解，如贯穿本公开所描述的vcsel可单独地或成组地或共同地寻址。
55.2.光栅材料和结构设计
56.2.1.光栅形成和材料。
57.图3a和图3b示出了用于在vcsel或vcsel阵列的顶部界面(表面)处制造高对比度光栅(hcg)的示例实施例130、150。箭头指示通过器件的顶侧的发射。由光栅图案透射和反射的光被分成衍射级。取决于输入光束和设计，这些级可以或可不在空间或角度上相异。
58.图3a示出了vcsel 130，其中，光栅132已经被蚀刻到vcsel的上表面32
′
中，并且描绘了光输出134。通过参考，示出了顶部接触件28。图3b示出了具有顶部界面32
″
的vcsel 150，在顶部界面32
″
上沉积附加层152并将其图案化成光栅154，并且描绘了光输出156。通过参考，示出了顶部接触件28。应理解，用于本公开中描述的上述示例和其他示例的光栅可
以选自基本上由gaas、algaas、sinx、sio2、al2o3、ingap或其他合适的材料及其组合组成的材料组。
59.2.2.hcg和高对比度元结构(hcm)。
60.图4a至图4d示出了示例实施例170、190、210、230，其示出了可以形成在vcsel的顶部界面32处的不同形式的光栅。应理解，本公开还设想但不限于针对这些附图描述的器件和方法的图内和图间组合。
61.图4a例示了在低折射率层n1 172的顶部上形成有高折射率光栅层n2 176并且接合自由空间低折射率区域n3 174的光栅，具有光输出178。
62.图4b例示了vcsel结构，其具有在低折射率n1层192上方且由平面低折射率材料n3 194覆盖的顶侧高折射率光栅n2 196，具有示出的光输出198。
63.图4c例示了具有低折射率n1层212的vcsel结构，所述低折射率n1层212上方为高折射率n2光栅216且由低折射率层n3 214保形地覆盖。
64.图4d例示了示出光栅的概括示意图，该光栅被配置为具有高光学折射率n
j 240、242和244的材料区域，接合具有低光学折射率n
i 232、234、236和238的其他材料区域，使得任一组材料的区域围绕另一组材料的区域。在图中看到光输出246。在此顶部vcsel光栅结构中，应了解，所利用的折射率材料的数目以及形状和彼此的关系可呈任何所需关系以便产生光栅的所需操作。在此情况下，由于包括非周期性布置和不规则形状，hcg通常也可以被称为高对比度元结构(hcm)。应理解，折射率n1、n2和n3理论上可以是任何值，而更优选地，n1、n2和n3的值更典型地在1.5(sio2)、1.8(al2o3)、2.0(sinx)、2.9(alas)、3.2(al ga as或ingap)、3.5(gaas)中或在类似的范围内。材料1的示例厚度为约0.1λ0至0.2λ0(λ0是操作波长)。材料2的示例厚度为约0.14λ0至0.18λ0或约0.26λ0至0.30λ0。材料3的示例厚度为约0.05λ0到2λ0。
65.应理解，用于vcsel或vcsel阵列的这些顶侧光栅组成可以与本公开中描述的其他vcsel光栅配置组合而没有限制。
66.图5a至图5c示出了示例实施例250、270和290，其中，光栅可以以针对不同对象设计的不同维度水平来实现。vcsel的顶表面可以配置有一维(1d)光栅、二维(2d)光栅或三维(3d)光栅。
67.图5a示出了具有光栅条252和间隙254的1d光栅250。图5b示出描绘了空隙区域276中的岛272a、272b的2d光栅270。应理解，可以存在任何期望数量的岛尺寸。图5c示出了3d光栅290，其被示出在如图5b中所示的等效岛292和空隙方式294，但在层296的三维堆叠中。
68.应理解，本文描述的这些维度变化可以与本公开中描述的其他vcsel光栅配置组合而没有限制。
69.2.3.啁啾光栅
70.图6a至图6d示出了vcsel顶侧啁啾光栅的示例实施例310、330、350和370。应注意，如本文所使用的，术语“啁啾”表示沿着条的跨度或者沿着条的长度/在条的长度之间以变化周期配置的光栅。图6a描绘了具有在314a至314n之间的啁啾周期及恒定条宽度312a至312n的光栅310。图6b描绘了具有啁啾条宽度332a至332n的光栅330，而条334a至334n之间的周期保持恒定。图6c示出了以变化周期354a至354n和变化条宽度352a至352n二者配置的光栅350。图6d示出了可用作透镜的径向啁啾光栅370。光栅被示出为具有条372a至372n和
间隙宽度374a至374n，两者都变化。应注意，周期性光栅可在周期、条宽度、间隙宽度、占空比、厚度或这些参数的任何组合中啁啾。啁啾可以沿着一个或多个方向存在，并且也可以在空间上变化。示例条宽度范围为约0.16λ0至约0.5λ0(λ0是工作波长)。示例气隙宽度范围为约0.1λ0至约0.6λ0，其中λ0为工作波长。
71.应了解，这些顶侧啁啾光栅的结构可与本公开中所描述的其它vcsel光栅配置组合而无限制。
72.2.4.光栅周期的重要性
73.图7a至图7d示出了示例实施例390、410、430和450，其中，不同光栅周期确定反射级和透射级的分离角度。图7a示出了具有周期394的衍射vcsel光栅392，并且示出了具有许多衍射级的光输出396。相比之下，图7b描绘了具有周期414的衍射光栅412和具有几个衍射级的光输出416。图7c示出了具有周期434的光栅432，并且示出了经由1级和-1级提供面内耦合的光输出436。图7d示出了具有周期454的亚波长光栅452，示出了仅支持基本级的光输出456。通过选择光栅周期，可存在从激光器的顶部发射区域发射且反射回到vcsel结构中的一个或多个衍射级。衍射角由光栅的周期确定，较大(较小)周期提供较小(较大)分离角。在特定周期，光栅可用作vcsel阵列的多个元件之间的光耦合器，如图7c所示。在小于光的波长的周期处，光栅仅支持基本模式。子波长光栅的示例周期为约0.44λ0至0.47λ0或0.69λ0至0.75λ0(λ0是工作波长)。衍射光栅的示例周期为约10λ0至20λ0。
74.应理解，具有选择性光栅周期的这些顶侧光栅的结构可以与本公开中描述的其他vcsel光栅配置组合而没有限制。
75.2.5.工程化光栅设计
76.图8a至图8d示出了示例实施例470、490、510和530，其中，vcsel或vcsel阵列，光栅被配置为提供透射级和反射级的不同相对振幅。在图8a中，vcsel或vcsel阵列的光栅472被配置用于抑制透射的基本级，如光输出474所示。在图8b中，示出了用于增强透射的基本级的光栅492，如光输出494所示。图8c示出了vcsel或vcsel阵列的光栅512，其被配置用于支持某一数量的级，例如具有相等的幅度，如由光输出514所示。图8d示出了vcsel或vcsel阵列的光栅532，其被配置用于增强某一数量的级并且同时抑制另一数量的级，如光输出534所示。通常，某一数量的级可被设计为具有限定的相对幅度。
77.通过在每个周期内设计结构，所有衍射级的幅度可被配置为期望的应用。在一些情况下，基本级相对于其它级得到增强(抑制)。在其他情况下，某一数量的级被配置为具有相似的幅度，或者某一数量的级被增强，而同时另一数量的级被抑制。通常，某一数量的级可被配置为具有限定的相对幅度。应理解，衍射级的数量范围可以从大约3到大约21。
78.应理解，具有透射级和反射级的选择性相对幅度的这些顶侧光栅的结构可与本公开中描述的其它vcsel光栅配置组合而无限制。
79.3.光栅vcsel功能
80.3.1.光栅辅助的耦合和反馈
81.图9a至图9c示出了示例实施例550、570和590，其中，vcsel或vcsel阵列具有被配置为提供各种功能的光栅。
82.在图9a中，在vcsel 10上方看到子波长光栅552以充当具有反射光输出556和较小的透射光输出554的偏振、角度、模式或波长选择性反射器。图9b示出了vcsel 10上方的衍
射光栅572，其中，光栅支持多透射级，如光输出574所示，其可用以设计远场特性。此外，图9c示出了被设计为在vcsel阵列的多个vcsel元件10之间提供光学耦合596a、596b的光栅592，透射的光输出594的级别降低。在附图中，在阵列中的vcsel之间看到横向光学耦合。
83.应理解，操作为偏振、角度、模式或波长选择性反射器的这些顶侧光栅的结构可彼此组合且与本公开中所描述的其它实施例组合。
84.3.2.远场工程化
85.图10a至图10f示出了示例实施例610、630和650，其中，vcsel或vcsel阵列的光栅已经配置以提供总体远场控制，并且示出了示例输出620、640和660的再现。
86.图10a示出了具有光栅612a至612n的阵列中的vcsel 10，光栅612a至612n已经被配置为控制在光输出614a至614n中看到的阵列元件的远场图案，具有示例图像616a至616n的俯视图。图10b描绘了由图10a中所示的vcsel阵列针对整个阵列生成的合成远场图案620以及相关联的空间角度622和624，其特征在于均匀高强度的区域，因此各个vcsel元件上的工程化光栅组合以用作工程化漫射器。
87.图10c和图10d示出了通过将图10c中看到的vcsel阵列的各个光栅632a至632n旋转公共值，然后可以旋转远场图案，如图10d所示。在图10c的俯视图636a到636n中看到光输出634a到634n，其中，可看到相对于图10a的相应旋转。在图10d中可以是示出空间角度θ642和v644的变化的远场图案640。
88.图10e和图10f示出了通过将vcsel阵列的各个光栅652a至652n旋转不同的值，则远场图案的特性改变，如图10f所示。在图10e的俯视图656a至656n中看到光输出654a至654n，其中，可以看到相对于先前附图变化的旋转。图10f呈现了远场图案660，其示出了远场变化和相应的空间角度θ662和φ664。
89.具有不同设计的工程化顶侧光栅的vcsel阵列的各个元件可以以不同的远场特性发射。基于具有变化远场图案的多个发射器的阵列可展现经设计的远场特性。
90.应理解，这些顶侧光栅的结构可被配置为提供可与本公开中描述的其它实施例组合的总体远场控制。
91.3.3.准直或发散
92.图11a至图11b示出了示例实施例710和730，其中，vcsel或vcsel阵列的光栅被配置为用作发射光束的准直或发散的透镜。在图11a中，vcsel发射器10各自被视为具有单独配置的光栅712a到712n，光栅712a至712n充当组装成具有光输出714a至714n的发射器阵列的准直或发散透镜，光输出714a至714n单独地和/或共同地提供具有所需远场特性的光束。在图11b中，阵列中的多个vcsel发射器10(例如，阵列或整个阵列中的一组或多组发射器)共享空间变化的光栅732，其准直或漫射发射的光734以获得所需的远场特性。
93.在一个或多个顶部发射vcsel上，工程化光栅充当准直、聚焦或扩散光学器件。具有各种设计的工程化光栅可以与vcsel阵列的各个发射器对准，或者可以具有空间变化设计的工程化光栅可以覆盖发射器阵列的多个或所有发射器。应理解，如上所述的发射光束的准直或发散可以彼此组合并且与本公开中描述的其他光栅配置组合。
94.应理解，这些顶侧光栅的结构可被配置为提供可与本公开中描述的其它实施例组合的准直或聚焦或发散或扩散或其组合。
95.3.4.偏振控制
96.图12a至图12d示出了示例实施例750、770，其中，vcsel或vcsel阵列的光栅被配置用于偏振发射，其示例被示出在示例输出图案760和780中。图12a示出了提供偏振发射的vcsel 10的阵列。光栅752a至752n被描绘为个别地耦合于vcsel发射器上方以控制每一光输出754a至754n的偏振(线性、圆形或椭圆形)。图12b描绘了由图12a中的vcsel生成的图案输出760的示例俯视图。
97.图12c示出了vcsel阵列，其中，不同的发射器组已经配置有确定其相应偏振的光栅772a至772n，并且发射器组可以被单独地电寻址，从而实现光输出774a至774n的偏振切换。在此示例中，光栅772a和774c处于一组中，而光栅772b和772d处于另一组中。图12d描绘了由图12c中看到的vcsel组生成的示例vcsel阵列输出780的俯视图。应理解，这些图中描绘的图案是作为示例而非限制提供的，因为可以通过使用其线性、圆形和/或椭圆形控制的组合改变偏振来实现各种图案。
98.在一个或多个顶部发射vcsel上，工程化光栅用作偏振器，其可以控制单独的发射器或发射器组的偏振(线性、圆形或椭圆形)，其可以或可以不单独电寻址。
99.应理解，偏振效应可以彼此组合并且与本公开中描述的其他实施例组合而没有限制。
100.3.5.光束漫射
101.图13a和图13b示出了示例实施例790和810，其中，vcsel或vcsel阵列的光栅被配置为偏振器和漫射器的组合，结果示出了远场图像。特别地，远场强度可被配置为生成具有如图13a所示的限定偏振793的高均匀强度的规则形状的单个区域792，或者具有以设计位置和形状以及如图13b所示的限定偏振813a、813b生成的一个或多个不同的高强度均匀区域812a、812b(等等)。图13a示出了空间角度θ794和φ796，图13b示出了空间角度θ814和φ816。
102.因此，具有工程化光栅的一个或多个顶部发射vcsel被设计成以远场图案总体发射光，该远场图案的特征在于以某些空间角度发射的高均匀强度和以其他特殊角度发射的低强度或无强度。
103.应理解，这些顶侧光栅的结构可被配置为提供光束漫射以产生具有限定偏振或其组合的高均匀强度的规则形状的单个或多个区域，其也可以与本公开中描述的其他实施例组合。
104.3.6.用于结构化光的衍射光学元件
105.图14a至图14c示出了示例实施例830、850和870，其中，vcsel阵列中的vcsel的光栅被配置具有结构化远场图案以产生例示性远场图案。远场强度图案被例示为提供多个相同形状的非重叠区域，其具有高的和相同的相对强度和限定的偏振，如在具有空间角θ834和φ836的图14a的832中所见。可选地或附加地，在图14b的852中看到具有设计形状和相对强度以及设计偏振的高强度的多个非重叠区域，其具有空间角度θ854和φ856。可选地或附加地，图案可被配置有具有设计形状、相对强度和偏振的高强度的多个非重叠区域，其包围具有低强度或无强度的区域，如872中所示，如形状878a、878b和偏振880a、880b，如图14c中所示。
106.因此，具有工程化光栅的一个或多个顶部发射vcsel被设计成以远场图案总体发射光，该远场图案的特征在于具有工程化相对强度的多个非重叠区域和低强度或无强度的
其他区域。
107.应理解，这些顶侧光栅的结构可被配置为提供对远场强度图案的控制，例如提供具有相同或不同相对强度及偏振的相同或不同非重叠区域，并且还可与本公开中所描述的其他实施例组合。
108.3.7.光束转向。
109.下文描述了特别地使用光束转向并且通常动态地改变远场图案。具有工程化光栅的顶发射vscel的阵列具有可彼此分开地电寻址的多个发射器组。具有工程化光栅的每个这样的顶发射vcsel组被设计成以不同的远场图案发射光。每个发射器组具有远场，其特征在于多个高强度的非重叠区域，具有工程化相对强度以及低强度或无强度的其他区域。
110.应理解，用于动态改变vcsel输出且尤其是远场图案的光束转向的使用也可与本公开中描述的其它实施例组合。
111.根据本文的描述，将理解的是，本公开涵盖包括但不限于以下的多个实施例：
112.1.一种垂直腔面发射激光器(vcsel)装置，包括：(a)至少一个垂直腔面发射激光器vcsel，包括：(i)下电极；(ii)下分布式布拉格反射器(dbr)，与所述下电极相关联；(iii)量子阱结构，位于所述下dbr上方；(iv)上反射器，位于所述量子阱结构上方；(v)上电极；以及(b)高对比度光栅，集成在所述vcsel的顶侧表面上作为顶侧高对比度光栅，所述顶侧高对比度光栅被配置为光学有源结构，用于修改所述至少一个vcsel的发射以实现光学功能。
113.2.一种垂直腔面发射激光器vcsel装置包括：(a)垂直腔面发射激光器vcsel阵列，其中，每个vcsel包括：(i)下电极；(ii)下分布式布拉格反射器dbr，与所述下电极相关联；(iii)量子阱结构，位于所述下dbr上方；(iv)上反射器，位于所述量子阱结构上方；(v)上电极；以及(b)至少一个高对比度光栅，被集成在所述vcsel阵列或其单独的vcsel的顶侧表面上作为顶侧高对比度光栅，所述顶侧高对比度光栅被配置为光学有源结构，用于修改所述至少一个vcsel的发射以实现光学功能；以及(c)其中，所述顶侧高对比度光栅hcg被集成以控制所述阵列的元件的远场图案，以提供所述vcsel阵列的部分或整个vcsel阵列的远场控制。
114.3.一种扩展垂直腔面发射激光器(vcsel)的功能的方法，包括：(a)制造至少一个垂直腔面发射激光器(vcsel)，所述至少一个vcsel具有下电极、下分布式布拉格反射器(dbr)、量子阱结构、位于所述量子阱结构之上的上反射器、位于所述vcsel之上的平坦顶侧表面以及上电极；以及(b)将高对比度光栅集成到所述vcsel的平坦顶侧表面中作为顶侧高对比度光栅，所述顶侧高对比度光栅被配置为用于修改所述至少一个vcsel的发射以实现光学功能的光学有源结构。
115.4.一种垂直腔面发射激光器(vcsel)装置包括：衬底和第一电极；下分布式布拉格反射器(dbr)；量子阱结构，位于所述下dbr上方；上反射器，包括顶侧高对比度光栅(hcg)，位于所述量子阱结构上方；以及上电极，位于所述上反射器上方。
116.5.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅(hcg)具有规则、啁啾或不规则形状。
117.6.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅(hcg)具有1d、2d或3d周期性，是准周期性的，或是非周期性的。
118.7.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅hcg具有规则、啁
啾或不规则形状。
119.8.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述至少一个垂直腔面发射激光器vcsel包括vcsel的阵列。
120.9.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅hcg被配置为覆盖所述vcsel的所述阵列内的每一所述vcsel的整个发射区域。
121.10.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅(hcg)与所述vcsel的所述阵列内的每个vcsel发射器对准。
122.11.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅(hcg)有意地与所述vcsel的所述阵列内的一个或多个vcsel发射器未对准。
123.12.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅hcg被配置为覆盖所述vcsel的所述阵列的不同区段。
124.13.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述vcsel的所述阵列中所述vcsel中的每一个可被配置为共同电寻址，或在所述vcsel阵列内以群组电寻址，或单独电寻址。
125.14.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅hcg被蚀刻到所述至少一个垂直腔面发射激光器vcsel结构的现存材料中，或通过沉积和图案化额外材料层作为顶部光栅层。
126.15.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅hcg包括由选自由gaas、algaas、sinx、sio2、ingap或其组合组成的光栅材料的群组的材料制成的高对比度光栅。
127.16.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅hcg包括高折射率光栅层n2，所述高折射率光栅层n2位于低折射率层n1的顶部上并且接合自由空间低折射率区域n3。
128.17.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅hcg包括高折射率光栅层n2，所述高折射率光栅层n2位于低折射率层n1的顶部上并且被低折射率材料n3的平面层覆盖。
129.18.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅hcg是工程化光栅，其中，具有高光学折射率nj的材料的区域接合具有低光学折射率ni的其它材料的区域，使得任一组材料的区域围绕其他组材料的区域。
130.19.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅hcg被配置为以恒定条宽度具有啁啾周期。
131.20.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅(hcg)被配置为具有啁啾周期和变化的条宽度。
132.21.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅(hcg)被配置为具有恒定周期和变化的条宽度。
133.22.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅(hcg)被配置为具有能够用作透镜的径向啁啾光栅。
134.23.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅(hcg)被配置为具有确定反射级和透射级的分离角度的不同光栅周期。
135.24.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅(hcg)包括具有
许多反射级和透射级的衍射光栅。
136.25.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅(hcg)包括具有很少反射和透射级的衍射光栅。
137.26.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅(hcg)被配置为具有经由1级和负1级提供平面内耦合的工程化周期。
138.27.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅(hcg)被配置为具有子波长周期。
139.28.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅(hcg)被配置为控制透射级和反射级的相对振幅。
140.29.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述相对振幅为被抑制或增强的选定级，或具有具备相等振幅的一数量的级，或具有一数量的级的增强和同时另一数量的级的抑制。
141.30.任何前述实施例的装置或方法，其中，至少一个所述垂直腔面发射激光器vcsel包括vcsel阵列，所述顶侧高对比度光栅hcg被集成在所述vcsel阵列上方以控制所述阵列的所述元件的远场图案以提供对所述vcsel阵列的部分或整个vcsel阵列的远场控制。
142.31.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述装置被配置为通过将各个顶侧高对比度光栅hcg旋转共同值以使得能够旋转所述远场图案来提供远场控制。
143.32.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述装置被配置为通过将各个顶侧高对比度光栅hcg旋转不同值以及配置具有不同周期或宽度或材料或其组合的所述光栅以改变远场图案特性来提供远场控制。
144.33.任何前述实施例的装置或方法，其中，至少一个所述垂直腔面发射激光器vcsel包括vcsel阵列，所述顶侧高对比度光栅hcg被集成在所述vcsel阵列上方，使得所述vcsel阵列内的各个vcsel元件组合以充当工程化漫射器，使得整个阵列的远场图案的特征在于均匀高强度的区域。
145.34.任何前述实施例的装置或方法，其中，至少一个所述垂直腔面发射激光器vcsel包括vcsel阵列，所述顶侧高对比度光栅hcg在所述vcsel阵列上方被配置为用于使所述vcsel阵列内的所述vcsel的发射光束准直或发散的透镜。
146.35.任何前述实施例的装置或方法，其中，至少一个所述垂直腔面发射激光器vcsel包括vcsel阵列，所述顶侧高对比度光栅hcg被集成在所述vcsel阵列上以具有被配置为准直或发散透镜的单独工程化光栅，使得所述vcsel阵列发射具有所需远场特性的光束。
147.36.任何前述实施例的装置或方法，其中，至少一个所述垂直腔面发射激光器vcsel包括vcsel阵列，所述顶侧高对比度光栅hcg在所述vcsel阵列上方被配置为使得所述vcsel阵列中的多个发射器共享空间变化的高对比度光栅，所述空间变化的高对比度光栅准直或扩散所述所发射光以获得所需远场特性。
148.37.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅hcg被配置为产生偏振发射。
149.38.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述至少一个所述垂直腔面发射激光器vcsel包括vcsel阵列，所述顶侧高对比度光栅hcg被集成在所述vcsel阵列上；以及其中，所述偏振发射由用作具有工程化光栅的发射器的vcsel阵列产生，所述工程化光栅将所述
vcsel阵列内的多个单独vcsel元件的偏振控制为线性、圆形和/或椭圆形。
150.39.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述至少一个所述垂直腔面发射激光器vcsel包括vcsel阵列，所述顶侧高对比度光栅hcg被集成在所述vcsel阵列上；其中，所述偏振发射由所述vcsel阵列中的所述vcsel产生，不同组的vcsel具有确定它们各自的偏振和发射器组的工程化光栅；以及其中，所述vcsel阵列中的每一个所述vcsel能够被配置为共同电寻址或单独电寻址，以实现偏振切换。
151.40.任何前述实施例的装置或方法，其中，至少一个所述垂直腔面发射激光器vcsel包括vcsel阵列，所述顶侧高对比度光栅hcg被集成在所述vcsel阵列上；以及其中，所述vcsel阵列被配置为提供远场控制，所述顶侧高对比度光栅被配置为用作偏振器和漫射器，以将远场强度改变为(a)具有限定偏振的高均匀强度的规则形状的单个区域或(b)具有设计位置和形状以及限定偏振的多个高强度均匀区域。
152.41.任何前述实施例的装置或方法，其中，至少一个所述垂直腔面发射激光器vcsel包括vcsel阵列，所述顶侧高对比度光栅hcg被集成在所述vcsel阵列上；以及其中，所述vcsel阵列被配置为提供远场控制，每一vcsel具有顶侧高对比度光栅hcg，所述顶侧高对比度光栅被配置为使得产生具有远场强度的结构化远场图案，所述远场强度为(a)具有相同的高相对强度和限定偏振的相同形状的多个非重叠区域，或(b)具有设计形状和相对强度以及设计偏振的高强度的多个非重叠区域，或(c)具有设计形状、相对强度以及偏振的高强度的多个非重叠区域，其包围具有低强度或无强度的区域。
153.42.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述装置被配置为用于3d感测应用。
154.43.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅hcg被配置为操作如下：(a)作为光学元件，对所述阵列所发射的远场的特性进行整形，或(b)作为所述腔体的偏振、角度、模式或波长选择性镜，或(c)作为所述阵列的多个元件之间的光学耦合器，或(d)作为以上的任何组合。
155.44.任何前述实施例的装置或方法，其中，至少一个所述垂直腔面发射激光器vcsel包括vcsel阵列，所述顶侧高对比度光栅(hcg)被集成在所述vcsel阵列上；以及，所述装置被配置为通过单独地和/或成组地电寻址所述vcsel内的vcsel来提供光束转向和偏振切换。
156.45.任何前述实施例的装置或方法，其中，其中所述顶侧高对比度光栅(hcg)包括周期小于vcsel的波长的亚波长hcg，或者是周期大于或等于vcsel的波长的衍射hcg。
157.46.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅(hcg)包括1d、2d或3d中的周期性、准周期性、非周期性和/或具有规则、啁啾或不规则的形状。
158.47.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅(hcg)被配置为覆盖vcsel阵列内的每个vcsel的整个发射区域。
159.48.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅(hcg)与vcsel阵列内的每个vcsel发射器对准。
160.49.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅(hcg)有意地与vcsel发射器未对准。
161.50.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅(hcg)被配置为覆盖所述vcsel装置的阵列的不同区段，其可以或可以不被单独地电寻址。
162.51.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅(hcg)被蚀刻到所述vscel结构的现存材料中，或者通过沉积和图案化附加材料层作为顶部光栅层。
163.52.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅(hcg)包括由从由gaas、algaas、sinx、sio2、ingap或其组合组成的光栅材料组中选择的材料制造的高对比度光栅。
164.53.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅(hcg)包括在低折射率层n1的顶部上并且接合自由空间低折射率区域n3的高折射率光栅层n2。
165.54.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅(hcg)被低折射率材料n3的平面层覆盖。
166.55.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅(hcg)被低折射率层n3共形地覆盖。
167.56.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅(hcg)是工程化光栅，具有高光学折射率nj的材料的区域与具有低光学折射率ni的其他材料的区域接合，使得任一组材料的区域围绕其他组材料的区域。
168.57.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅hcg被配置为以恒定条宽度具有啁啾周期。
169.58.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅(hcg)被配置为具有啁啾周期和变化的条宽度。
170.59.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅(hcg)被配置为具有恒定周期和变化的条宽度。
171.60.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅(hcg)被配置为具有能够用作透镜的径向啁啾光栅。
172.61.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅(hcg)被配置为具有确定反射级和透射级的分离角度的不同光栅周期。
173.62.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅(hcg)包括具有许多反射级和透射级的衍射光栅。
174.63.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅(hcg)包括具有很少反射和透射级的衍射光栅。
175.64.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅(hcg)被配置为具有经由1级和负1级提供平面内耦合的工程化周期。
176.65.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅(hcg)被配置为具有子波长周期。
177.66.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅(hcg)被配置为控制透射级和反射级的相对振幅。
178.67.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述相对振幅为被抑制或增强的选定级，或具有具备相等振幅的一数量的级，或具有一数量的级的增强和同时另一数量的级的抑制。
179.68.任何前述实施例的装置或方法，其中，至少一个所述垂直腔面发射激光器vcsel包括vcsel阵列，所述顶侧高对比度光栅(hcg)被集成在所述vcsel阵列上方以控制所
述阵列的所述元件的远场图案以提供对所述vcsel阵列的部分或整个vcsel阵列的远场控制。
180.69.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述装置被配置为通过将各个顶侧高对比度光栅(hcg)旋转共同值以使得能够旋转所述远场图案来提供远场控制。
181.70.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述装置被配置为通过将各个顶侧高对比度光栅(hcg)旋转公共值使得远场图案可以被旋转来提供远场控制。
182.71.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述装置被配置为通过将各个顶侧高对比度光栅(hcg)旋转不同的值使得特征远场图案改变来提供远场控制。
183.72.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅(hcg)被配置为用于准直或发散vcsel阵列内的vcsel的发射光束的透镜。
184.73.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅(hcg)被配置在vcsel阵列内的每个vcsel中，所述vcsel阵列具有发射器，所述发射器具有用作准直或发散透镜的单独的工程化光栅设计，所述准直或发散透镜被组装成发射所需远场特性的光束的发射器阵列。
185.74.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅(hcg)被配置在vcsel阵列内的每个vcsel中，vcsel阵列中的多个发射器共享空间变化的高对比度光栅，其准直或漫射发射的光以获得所需远场特性。
186.75.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅(hcg)被配置为生成偏振发射。
187.76.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述偏振发射由用作具有工程化光栅的发射器的所述vcsel的阵列生成，所述工程化光栅将偏振控制为多个单独vcsel元件的线性、圆形和/或椭圆形。
188.77.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述偏振发射由所述vcsel的阵列生成，不同组的vcsel发射器具有确定其相应偏振的工程化光栅，并且发射器组可被单独地电寻址，从而实现偏振切换。
189.78.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述装置被配置为通过将顶侧高对比度光栅(hcg)设计为用作偏振器和漫射器来由vcsel阵列内的所述vcsel提供远场控制，以将远场强度改变为(a)具有限定偏振的高均匀强度的规则形状的单个区域或(b)具有设计位置和形状以及限定偏振的多个高强度均匀区域。
190.79.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述装置被配置为通过vcsel阵列内的所述vcsel提供远场控制，每个vcsel具有工程化的顶侧高对比度光栅(hcg)，使得产生具有远场强度的结构化远场图案，所述远场强度是(a)具有相同相对强度和相同相对强度和限定偏振的多个相同形状的非重叠区域，或(b)具有设计形状和相对强度以及设计偏振的多个高强度非重叠区域，或(c)具有设计形状、相对强度和偏振的多个高强度非重叠区域，其包围具有低强度或无强度的区域。
191.80.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述装置被配置用于3d感测应用。
192.81.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述顶侧高对比度光栅(hcg)被配置为操作如下：(1)作为光学元件，对阵列所发射的远场的特性进行整形，或者(2)作为腔体的偏振、角度、模式或波长选择性镜，或者(3)作为阵列的多个元件之间的光耦合器，或者(4)作
为上述的任何组合。
193.82.任何前述实施例的装置或方法，其中，所述器件被配置为通过分别电寻址vcsel阵列内的vcsel组来提供光束转向和偏振切换。
194.83.本文描述的技术的每个实施例，以及本文描述的任何实施例的任何方面、组件或元件，以及本文描述的任何实施例的方面、组件或元件的任何组合。
195.4.实施例的一般范围
196.如本文中所使用，除非上下文另外明确规定，否则单数术语“一”和“该”可包括复数指示物。除非明确说明，否则以单数形式引用对象并不旨在表示“一个且仅一个”，而是表示“一个或多个”。
197.本公开内的诸如“a、b和/或c”的表述构造描述了可存在a、b或c，或者项目a、b和c的任何组合。指示诸如“至少一个”之后是列出元素组的表述构造指示存在这些组元素中的至少一个，其包括这些列出的元素的任何可能的组合(如果适用)。
198.本说明书中对“实施例”、“至少一个实施例”或类似实施例措辞的引用指示结合所描述的实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本公开的至少一个实施例中。因此，这些各种实施例短语不一定都指代相同的实施例，或者指代与所描述的所有其他实施例不同的具体实施例。实施例措辞应当被解释为意味着给定实施例的特定特征、结构或特性可以在所公开的器件、系统或方法的一个或多个实施例中以任何合适的方式组合。
199.如本文所使用的，术语“集合”是指一个或多个对象的集合。因此，例如，一组对象可以包括单个对象或多个对象。
200.如本文中所使用，术语“大体上”和“约”用以描述及考虑小变化。当与事件或情形结合使用时，所述术语可指事件或情形明确发生的情况以及事件或情形极近似于发生的情况。当与数值结合使用时，所述术语可指小于或等于所述数值的
±
10％的变化范围，例如小于或等于
±
5％、小于或等于
±
4％、小于或等于
±
3％、小于或等于
±
2％、小于或等于
±
1％、小于或等于
±
0.5％、小于或等于
±
0.1％、或小于或等于
±
0.05％。举例来说，“大体上”对准可指小于或等于
±
10
°
的角度变化范围，例如小于或等于
±5°
、小于或等于
±4°
、小于或等于
±3°
、小于或等于
±2°
、小于或等于
±1°
、小于或等于
±
0.5
°
、小于或等于
±
0.1
°
或小于或等于
±
0.05
°
。
201.另外，有时可在本文中按范围格式呈现量、比率和其它数值。应理解，此类范围格式是用于便利和简洁起见，且应灵活地理解，不仅包含明确地指定为范围限制的数值，而且包含涵盖于所述范围内的所有个别数值或子范围，如同明确地指定每一数值和子范围一般。例如，在约1至约200的范围内的比率应被理解为包括明确列举的约1和约200的极限，而且还包括诸如约2、约3和约4的单独比率，以及诸如约10至约50、约20至约100等的子范围。
202.尽管本文的描述包含许多细节，但是这些细节不应被解释为限制本公开的范围，而是仅仅提供对一些当前优选实施例的说明。因此，应当理解，本公开的范围完全涵盖对于本领域技术人员可能变得显而易见的其他实施例。
203.本领域普通技术人员已知的所公开实施例的元件的所有结构和功能等同物通过引用明确地并入本文，并且旨在被本权利要求所涵盖。此外，本公开中的元件、组件或方法步骤不旨在专用于公众，而不管该元件、组件或方法步骤是否在权利要求中明确记载。本文中没有权利要求元素应被解释为“器件加功能”要素，除非使用短语“用于
……
的器件，”明
确地叙述该要素。本文中没有权利要求要素被解释为“步骤加功能”要素，除非该要素使用短语“用于
……
的步骤”明确地叙述。