激光光源和具有激光光源的激光雷达系统的制作方法

1.本专利申请要求德国专利申请de 10 2019 133 797.6的优先权，其公开内容通过参引并入本文。


背景技术：

2.激光雷达系统，尤其是emcw激光雷达系统(“frequency modulated continuous wave light detection and ranging，调频连续波光检测和测距”)越来越多地在车辆中使用，例如用于自主驾驶。例如，所述激光雷达系统用于测量间距或识别物体。为了能够可靠地识别在更远距离处的对象，需要具有相应高功率的激光光源。出于该原因研发以下设计方案，借助所述设计方案能够增加所谓的单模激光器，意即发射单波长(单模)的光的激光器的可用的激光功率。


技术实现要素：

3.本发明所基于的目的是，提供一种改进的激光光源以及一种改进的激光雷达系统。
4.根据一个实施形式，所述目的通过独立权利要求的主题来实现。在从属权利要求中限定了有利的改进方案。
5.激光光源包括第一半导体激光器和表面发射的半导体激光器的装置，所述第一半导体激光器适合于发射泵浦辐射，所述表面发射的半导体激光器的装置适合于吸收泵浦辐射并且以泵浦辐射的频率发射激光辐射。
6.第一半导体激光器能够是边缘发射的激光器，所述边缘发射的激光器适合于发射单光模的泵浦辐射。
7.例如，激光光源能够适用于，发射单光模的激光辐射。光模的频率能够是可调制的。
8.根据实施形式，所述装置能够包含多于100个表面发射的半导体激光器。
9.激光光源还能够具有偏振转动元件，所述偏振转动元件设置在第一半导体激光器和表面发射的半导体激光器的一部分之间。根据实施形式，表面发射的半导体激光器的孔径能够椭圆形地构成。例如，椭圆形构成的孔径能够沿不同方向定向。
10.在激光光源的情况下，激光辐射能够具有大于100mw的功率。
11.其他实施形式涉及具有如上定义的激光光源的激光雷达系统。
12.例如，在激光雷达系统中，能够在第一半导体激光器和表面发射的半导体激光器的装置之间设置分束器。
附图说明
13.附图用于理解本发明的实施例。附图图解示出实施例并且与说明书一起用于阐述实施例。其他实施例和大量预期的优点直接从以下的详细描述中产生。在附图中示出的元
件和结构不一定相对于彼此按比例示出。相同的附图标记指代相同的或彼此相应的元件和结构。
14.图1示意性地图解示出根据实施形式的激光光源的结构。
15.图2a示意性地图解示出根据其他实施形式的激光光源的结构。
16.图2b示意性地图解示出根据其他实施形式的激光光源的结构。
17.图3a示出根据实施形式的激光器装置的示意性俯视图。
18.图3b示出根据其他实施形式的激光器装置的示意性俯视图。
19.图4示出在使用所描述的激光光源的情况下的光学系统的一个示例。
20.图5a示出根据实施形式的激光雷达系统的示意性结构。
21.图5b图解示出根据实施形式的激光雷达系统的局部。
具体实施方式
22.在以下的详细描述中参考附图，所述附图形成公开文献的一部分并且在其中为了图解说明目的示出特定的实施例。在这种情况下，如“上侧”、“底部”、“前侧”、“后侧”、“上方”、“上”、“前”、“后”、“前方”、“后方”等方向性术语参考刚刚描述的附图的定向。因为实施例的组件能够沿不同取向定向，所以方向性术语仅用于阐述而无任何限制性。
23.实施例的描述是非限制性的，因为也可以存在其他实施例并且可以在结构或逻辑上进行改变，而不会在此偏离通过权利要求限定的范围。尤其，除非在上下文中另有说明，否则下文描述的实施例的元件能够与所描述的其他实施例的元件组合。
24.在以下描述中使用的术语“晶片”或“半导体衬底”能够包括具有半导体表面的任何基于半导体的结构。晶片和结构被理解为：其包括掺杂的和未掺杂的半导体；外延半导体层，可选地通过底层基底支承；以及其他半导体结构。例如，由第一半导体材料构成的层能够生长在由第二半导体材料构成的生长衬底，例如gaas衬底、gan衬底或si衬底上，或者生长在由绝缘材料构成的生长衬底，例如蓝宝石衬底上。
25.根据使用目的，半导体能够基于直接或间接的半导体材料。特别适合用于产生电磁辐射的半导体材料的示例尤其包括氮化物半导体化合物，通过所述氮化物半导体化合物例如能够产生紫外光、蓝光或更长波长的光，例如gan、ingan、aln、algan、algainn、algainbn；磷化物半导体化合物，通过它们例如能够产生绿光或更长波长的光，例如gaasp、algainp、gap、algap；以及其他半导体材料，如gaas、algaas、ingaas、alingaas、sic、znse、zno、ga2o3、金刚石、六方氮化硼以及所提及的材料的组合。化合物半导体材料的化学计量比能够变化。半导体材料的其他示例能够包括硅、硅锗和锗。在本说明书的上下文中，术语“半导体”也包括有机半导体材料。
26.术语“衬底”通常包括绝缘衬底、导电衬底或半导体衬底。
27.如在本说明书中使用的术语“侧向”和“水平”应描述与衬底或半导体体部的第一表面基本上平行伸展的取向或定向。这例如能够是晶片或芯片(die)的表面。
28.水平方向例如能够位于垂直于在层生长时的生长方向的平面中。
29.在本说明书中使用的术语“竖直”应描述基本上垂直于衬底或半导体体部的第一表面伸展的取向。竖直方向例如能够对应于在层生长时的生长方向。
30.就在此使用的术语“带有”、“包含”、“包括”、“具有”等而言，这涉及指示所述元件
或特征的存在、其他元件或特征的存在但是并不排它的开放术语。不定冠词和定冠词包括复数和单数，除非在上下文中另有明确说明。
31.在本说明书的上下文中，术语“电连接”表示在所连接的元件之间的低阻抗电连接。电连接的元件不一定必须直接相互连接。其他元件能够设置在电连接的元件之间。
32.术语“电连接”也包括在所连接的元件之间的隧道接触部。
33.图1示出根据实施形式的激光光源10。激光光源10包括适合于发射泵浦辐射110的第一激光器100。激光光源还包括适合于吸收泵浦光110和发射激光130的表面发射的半导体激光器的装置120。以这种方式，表面发射的激光器的装置120能够通过由第一激光器100发射的泵浦辐射110相干地激发并且发射相对于最初发射的泵浦辐射110以较大程度增强的激光辐射130。相应地能够提供以下半导体激光器，所述半导体激光器能够发射高的激光功率并且所述半导体激光器仍具有简单且低成本的结构。
34.第一激光器100例如能够是半导体激光器。第一半导体激光器例如能够具有例如第一导电类型、例如p型的例如第一半导体层102以及第二导电类型、例如n型的第二半导体层。有源区130能够设置在第一半导体层102和第二半导体层104之间。在有源区103中能够产生激光辐射。
35.有源区103例如能够具有pn结、双异质结构、单量子阱结构(sqw，single quantum well)或多量子阱结构(mqw，multi quantum well)，以用于产生辐射。术语“量子阱结构”在此并未详细说明关于量子化的维度的意义。其因此尤其包括量子阱、量子线和量子点以及这些层的任何组合。
36.第一半导体激光器100能够是所谓的边缘发射器，其中所产生的激光辐射经由侧面101发射，所述侧面例如垂直于各个半导体层的生长方向。通过在第一半导体层102和第二半导体层104之间施加适宜的电压，能够产生泵浦辐射110，所述泵浦辐射经由侧面101发射。
37.表面发射的半导体激光器的装置120例如能够构成在对于泵浦辐射101透明的衬底121中。大量单独的表面发射的半导体激光器或vcsel(“vertical cavity surface emitting laser，垂直腔面发射激光器”)1251、1252、...、125n构成在衬底121的第一主表面124中。表面发射的半导体激光器的结构是已知的，进而在该处不再详述。为了制造表面发射的半导体激光器，尤其施加层，以用于在衬底121的背离第二主表面123的表面上构成光学谐振器以及有源区。表面发射的半导体激光器125的有源区能够与第一半导体激光器110的有源区类似地或相同地构造。
38.泵浦辐射110例如能够经由第二主表面123入射到表面发射的半导体激光器的装置120中。因此发射激光130。将电压施加到表面发射的半导体激光器的装置120上，使得工作电流低于表面发射的半导体激光器的装置的阈值电流。电压在此设定为，使得防止表面发射的半导体激光器的自发射。电压尤其设定为，使得经由所谓的注入锁定机制仅发生感应发射。
39.如果现在通过泵浦辐射110激发表面发射的半导体激光器的装置，那么各个表面发射的半导体激光器1251、1252、...、125n发生具有与入射的泵浦辐射110相同的波长和偏振方向的激光。由于注入锁定机制，当表面发射的半导体激光器的装置120的有源区与第一半导体激光器100的有源区103并不完全相同时，也能够实现相同的波长。
40.例如，表面发射的半导体激光器的装置120具有多于10
×
10个单个发射器，所述单个发射器例如能够分别发射大约10mw。各个表面发射的半导体激光器能够分别在结构上是相同的。根据实施形式，第一半导体激光器100能够是dfb(“distributed feedback”，分布式反馈)或dbr(“distributed brack reflector”，分布式布拉格反射器)激光器。由此能够实现：第一半导体激光器100发射单光模。根据实施形式，能够改变第一半导体激光器100的发射频率。例如能够通过第一半导体激光器100的工作电流在μa范围内改变来执行频率调制。通过改变所施加的电流强度产生各不同的折射率，进而产生各不同的发射频率。因此，通过控制施加在第一半导体激光器上的电压，能够实现在例如10nm至15nm的波长范围内的频率调制。根据其他实施形式，也能够使用外部频率调制器，例如马赫-曾德尔调制器。在改变泵浦辐射110的频率时，由于注入锁定效应改变了由表面发射的半导体激光器的装置120发射的激光辐射130的频率。在此，根据入射的泵浦功率，可以适宜地设定表面发射的半导体激光器的装置120的工作电流，以便辅助发射期望的激光辐射。
41.图2a示出根据其他实施形式的激光光源10的示意图。与在图1中所示出的激光光源不同，在此第一半导体激光器100形成为dfb或dbr激光器。这通过有源区103的结构化部106表示。
42.通常，由单模激光器发射的激光辐射是线性偏振的。通常，借助泵浦辐射110激发的各个表面发射的半导体激光器1251、1252、...、125n沿其借以被激发的相同的偏振方向进行发射。另一方面，对象能够偏振选择性地反射。相应地，在以单一偏振方向入射的情况下，测量结果可能会被篡改。出于该原因，偏振改变装置，例如1/2小板128，例如能够放置在光路中，使得对于表面发射的半导体激光器1251、1252、...、125n的一部分，线性偏振的光的偏振方向例如改变90
°
，如在图2a中图解示出的那样。
43.图2b示出激光光源的另一修改方案，其中光学隔离器108设置在第一半导体激光器100和表面发射的半导体激光器的装置120之间。由于存在光学隔离器108所以防止：由装置120朝向第一半导体激光器100的方向发射的激光辐射再次到达第一半导体激光器，进而影响所述第一半导体激光器。
44.图3a示出表面发射的半导体激光器1251、1252、...、125n的装置120的第一主表面124的俯视图。例如，各个表面发射的半导体激光器的孔径或开口126能够圆形地和进而各向同性地构成。
45.如在图3b中图解示出的那样，孔径126也能够椭圆形地构成。由此能够改变所发射的激光辐射相对于泵浦辐射110的偏振方向。例如，孔径126的一部分能够具有椭圆形的在x方向上的定向。此外，表面发射的半导体激光器的另一部分能够具有孔径的在y方向上的定向。以这种方式，由激光光源发射的光就能够具有不同的偏振方向。根据另外的实施形式，椭圆形的孔径也能够随机定向。尤其，所述椭圆形孔径能够沿与x或y方向不同的方向定向。
46.根据实施形式，在图3b中所示出的装置120也能够与如在图2a中示出的偏振改变装置128结合使用。在此，偏振改变装置128能够放置为，使得所述偏振改变装置以孔径的类似定向设置在表面发射的半导体激光器上游的光路中。
47.图4示出具有根据实施形式的激光光源10的光学系统的示意图。激光光源又包括第一半导体激光器100以及表面发射的半导体激光器的装置120。例如，能够设置有第一光学系统112，以便例如引起所发射的泵浦辐射110的射束扩宽。此外能够提供反射镜116，所
述反射镜偏转所发射的泵浦辐射110。附加地，光学系统能够具有第二光学系统114，所述第二光学系统适合用于进一步改变所发射的激光辐射。例如，第二光学系统114能够包括准直器。借此产生的激光辐射于是能够以适宜的方式进一步使用并且例如输送给扫描镜。如在图4中所示出的那样，所产生的激光辐射也能够经由衬底121的第二主表面123发射，在所述衬底中构成有表面发射的激光器的装置120。也就是说，装置120设置为，第一主表面124朝向第一半导体激光器100。在这种情况下，所发射的激光辐射通过衬底120发射。衬底120例如能够是gaas衬底，并且对于所发射的激光辐射是透明的。例如，由第一半导体激光器100发射的泵浦辐射110和进而还有由激光光源发射的激光辐射能够具有940nm的波长。
48.图5a示出激光雷达系统、尤其是fmcw激光雷达系统的一个示例，其中能够使用所描述的激光光源10。由激光光源10发射的激光辐射通过分束器141分为参考射束154和目标射束144。激光雷达系统例如能够具有能够使发射频率移动的移频器142。如已描述的那样，根据实施形式，也能够进行频率调制，其方式为：改变由第一半导体激光器发射的频率。目标射束入射到对象156上并且被所述对象反射。在此，产生所反射的射束145。所反射的射束145通过接收光学设备143和准直器147以适宜的方式成形并且经由反射镜146和另外的光学设备149输送给检测器150。参考射束154经由反射镜146以及光学设备149直接输送给检测器150，而不会预先被对象156反射。在所反射的射束145与彼此相干的参考射束154叠加时，在检测器处产生信号，从所述信号中例如能够评估关于被检测的对象的间距和其他信息。由于如上所述能够调制所发射的泵浦辐射的频率，进而调制由激光光源发射的辐射的频率，所以能够省去移频器142。
49.在所描述的激光光源10集成到在图5a中所示出的激光雷达系统中的情况下，根据一个实施形式，分束器141能够设置在表面发射的半导体激光器的装置120下游。然而，根据另外的实施形式，分束器141也已经能够直接设置在第一半导体激光器100的下游并且沿辐射方向设置在表面发射的半导体激光器的装置120的上游。这在图5b中详细地图解示出，其中分束器141的两个位置示例性地示出。
50.如上所述，可行的是，能够提供激光光源，所述激光光源能够在高的输出功率的情况下发射单模。同时，激光光源具有紧凑且低成本的结构。通过改变所发射的泵浦辐射的频率也能够调制由激光光源发射的频率。由于注入锁定，能够降低噪声。
51.尽管在本文中已经图解说明和描述了特定的实施形式，但是本领域技术人员认识到，能够通过多个替选的和/或等效的设计方案代替所示出和描述的特定的实施形式，而不会脱离本发明的保护范围。本技术应覆盖在本文中讨论的特定的实施形式的任何调整或变化。因此，本发明仅受到权利要求及其等同物的限制。
52.附图标记列表
53.10
ꢀꢀꢀ
激光光源
54.100
ꢀꢀꢀ
第一半导体激光器
55.101
ꢀꢀꢀ
侧面
56.102
ꢀꢀꢀ
第一半导体层
57.103
ꢀꢀꢀ
有源区
58.104
ꢀꢀꢀ
第二半导体层
59.106
ꢀꢀꢀ
结构化部
60.108
ꢀꢀꢀ
光学隔离器
61.110
ꢀꢀꢀ
泵浦辐射
62.112
ꢀꢀꢀ
第一光学系统
63.114
ꢀꢀꢀ
第二光学系统
64.116
ꢀꢀꢀ
反射镜
65.120
ꢀꢀꢀ
vcsel装置
66.121
ꢀꢀꢀ
衬底
67.123
ꢀꢀꢀ
第二主表面
68.124
ꢀꢀꢀ
第一主表面
69.1251、1252、...、125
n 表面发射的半导体激光器
70.126
ꢀꢀꢀ
孔径
71.128
ꢀꢀꢀ
1/2小板
72.130
ꢀꢀꢀ
激光辐射
73.140
ꢀꢀꢀ
emcw系统
74.141
ꢀꢀꢀ
分束器
75.142
ꢀꢀꢀ
移频器
76.143
ꢀꢀꢀ
接收光学设备
77.144
ꢀꢀꢀ
目标射束
78.145
ꢀꢀꢀ
反射的射束
79.146
ꢀꢀꢀ
反射镜
80.147
ꢀꢀꢀ
准直器
81.149
ꢀꢀꢀ
光学设备
82.150
ꢀꢀꢀ
检测器
83.154
ꢀꢀꢀ
参考射束
84.156
ꢀꢀꢀ
对象