用于自混合干涉测量的激光器集成平衡检测制造技术

一种光学传感器系统包括：外延层的组，该外延层的组形成在半导体基板上。该外延层的组限定：半导体激光器，该半导体激光器具有第一多量子阱(MQW)结构。电磁辐射由该第一MQW结构生成，从该第一MQW结构发射，并且与所发射电磁辐射的返回到该第一MQW结构的一部分自混合。该外延层的组还限定：第二MQW结构，该第二MQW结构能够操作为响应于检测到该半导体激光器的第一发射而生成第一光电流；以及第三MQW结构，该第三MQW结构能够操作为响应于检测到该半导体激光器的第二发射而生成第二光电流。该光学传感器系统还包括：电路，该电路被配置为通过组合该第一光电流和该第二光电流来生成自混合干涉测量(SMI)信号。自混合干涉测量(SMI)信号。自混合干涉测量(SMI)信号。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于自混合干涉测量的激光器集成平衡检测
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本专利合作条约专利申请要求于2021年3月31日提交的名称为“Laser
‑
Integrated Balance Detection for Self
‑
Mixing Interferometry”的美国非临时专利申请17/219,744号的优先权，该专利申请的内容全文以引用方式并入本文。


[0003]所述实施方案整体涉及光学感测，并且更具体地涉及基于自混合干涉测量(SMI)的光学感测。

技术介绍

[0004]相干光学感测(包括多普勒速度测量学和外差法)可用于获得目标的空间信息。示例性目标包括对象、表面、颗粒等。示例性空间信息包括存在、距离、速度、尺寸、表面性质、颗粒计数等。相干光学感测有时可用于通过光学波长分辨率，在量子限制信号水平下，并且通过比渡越时间光学感测方法低很多的光子能量来获得目标的空间信息。相干光学感测还可限制来自外部干扰源的干扰，诸如环境光或由其他光学感测系统的光源生成的光。
[0005]与晶圆级或晶圆键合的光电检测器集成的半导体激光器(例如，边缘发射激光器(EEL)、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)或水平腔表面发射激光器(HCSEL))使得能够使用整体式传感器结构进行相干光学感测。例如，半导体激光器可从半导体激光器的谐振腔生成并发射电磁辐射，接收回到谐振腔中的返回(例如，反射或散射)的电磁辐射，在谐振腔内自混合所生成和返回的电磁辐射，并且产生可由集成光电检测器(例如，腔内、堆叠或相邻的光电检测器)检测并且用于确定目标的空间信息的SMI信号。
[0006]为了提供最佳SMI感测，可能需要标识和抑制噪声。影响SMI感测的噪声可包括例如环境噪声、激光器/光电检测器非线性噪声、驱动器噪声、激光器相对强度噪声(RIN)、光学传感器系统噪声(例如，专用集成电路(ASIC)噪声)、量子限制噪声(散粒噪声)等等。

技术实现思路

[0007]本公开中描述的系统、设备、方法和装置的实施方案使用激光器集成平衡检测来减少(或去除)来自SMI传感器的SMI输出的噪声。可减少(或去除)的噪声包括噪声诸如环境噪声、激光器/光电检测器非线性噪声(例如，热噪声)、驱动器噪声、激光器RIN和光学传感器系统噪声(例如，ASIC噪声)。平衡检测通过将一对光电检测器与激光器集成、从这些光电检测器提取具有相反相位的光电流以及组合光电流(例如，将其相减)以去除共模噪声来促进。在各种实施方案中，这些光电检测器可集成到与该激光器相同的外延叠层中(例如，在VCSEL或HCSEL的谐振腔的相反侧上)，或者在包括该激光器的外延叠层内彼此相邻地形成，或者形成在基板上。
[0008]在第一方面，本公开描述了一种光学传感器系统。该光学传感器系统可包括：半导体基板；以及外延层的组，该外延层的组形成在该基板上。该外延层的组可限定：半导体激
光器，该半导体激光器具有第一多量子阱(MQW)结构。电磁辐射可由该第一MQW结构生成，从该第一MQW结构发射，并且与所发射电磁辐射的返回到该第一MQW结构的一部分自混合。该外延层的组还可限定：第二MQW结构，该第二MQW结构可操作为响应于检测到该半导体激光器的第一发射而生成第一光电流；以及第三MQW结构，该第三MQW结构可操作为响应于检测到该半导体激光器的第二发射而生成第二光电流。该光学传感器系统还可包括：电路，该电路被配置为通过组合该第一光电流和该第二光电流来生成自混合干涉测量(SMI)信号。该组合该第一光电流和该第二光电流可从该SMI信号去除该第一光电流和该第二光电流共有的噪声。
[0009]在第二方面，本公开描述了另一种光学传感器系统。该光学传感器系统可包括：基板；第一光电检测器，该第一光电检测器位于该基板上；以及第二光电检测器，该第二光电检测器位于该基板上，从该第一光电检测器横向偏离。该光学传感器系统还可包括：半导体激光器，该半导体激光器附接到该基板，与该第一光电检测器对准，并且被配置为朝向该第一光电检测器进行电磁辐射的第一发射。该半导体激光器可具有谐振腔，在该谐振腔中，所发射电磁辐射和所返回电磁辐射进行自混合。该光学传感器系统还可包括：光学子系统，该光学子系统被配置为：接收该半导体激光器的第二发射，并且将该第二发射的一部分重新导向该第二光电检测器；以及噪声减轻SMI信号检测器，该噪声减轻SMI信号检测器被配置为组合来自该第一光电检测器的第一光电流和来自该第二光电检测器的第二光电流。
[0010]在第三方面，本公开描述了另一种光学传感器系统。该光学传感器系统可包括：半导体基板；以及外延层的组，该外延层的组形成在该基板上。该外延层的组可限定半导体激光器、第一光电检测器和第二光电检测器。该半导体激光器可具有平行于该半导体基板并且正交于该半导体激光器的初次电磁辐射发射轴线的谐振腔。该第一光电检测器可被定位成与该谐振腔的第一端相邻并且被配置为接收该半导体激光器的二次电磁辐射发射。该第二光电检测器可被定位成与该谐振腔的第二端相邻并且被配置为接收该半导体激光器的三次电磁辐射发射。该光学传感器系统还可包括：电路，该电路被配置为通过组合由该第一光电检测器生成的第一光电流和由该第二光电检测器生成的第二光电流来生成SMI信号。该第一光电流和该第二光电流可具有相反的相位。
[0011]除了所述示例性方面和实施方案之外，参考附图并通过研究以下描述，更多方面和实施方案将为显而易见的。
附图说明
[0012]通过以下结合附图的详细描述，将容易理解本公开，其中类似的附图标号指代类似的结构元件，并且其中：
[0013]图1A示出了包括与光电检测器集成的半导体激光器的光学传感器系统的示例；
[0014]图1B示出了由图1A所示的互阻抗放大器(TIA)输出的累积光电流的示例性曲线图，以及从光电流提取的SMI信号的频率响应的曲线图；
[0015]图1C示出了可能使得难以检测参考图1A和图1B所述的SMI信号的更低频率分量的干扰的示例性曲线图；
[0016]图2A示出了包括与一对光电检测器集成的半导体激光器的光学传感器系统的示例；
[0017]图2B示出了由图2A所示的TIA输出的累积光电流的示例曲线图、组合光电流的曲线图以及从组合光电流提取的SMI信号的频率响应的曲线图；
[0018]图2C示出了可能干扰参考图2A和图2B所述的SMI信号的干扰的示例性曲线图；
[0019]图3A示出了包括与一对平面内光电检测器集成的半导体激光器的光学传感器系统的示例，这两个平面内光电检测器形成在外延层的组中；
[0020]图3B示出了包括与一对平面内光电检测器集成的半导体激光器的光学传感器系统的示例，这两个平面内光电检测器与包括半导体激光器的外延叠层分开形成；
[0021]图4A和图4B示出了包括与一对平面内光电检测器集成的半导体激光器的光学传感器系统的示例，这两个平面内光电检测器从半导体激光器横向偏离；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种光学传感器系统，包括：半导体基板；一组外延层，所述一组外延层形成在所述半导体基板上并且限定，半导体激光器，所述半导体激光器具有第一多量子阱(MQW)结构，其中电磁辐射由所述第一MQW结构生成、从所述第一MQW结构发射、并且与所发射的电磁辐射的返回到所述第一MQW结构的一部分自混合；第二MQW结构，所述第二MQW结构能够操作为响应于检测到所述半导体激光器的第一发射而生成第一光电流；以及第三MQW结构，所述第三MQW结构能够操作为响应于检测到所述半导体激光器的第二发射而生成第二光电流；以及电路，所述电路被配置为通过组合所述第一光电流和所述第二光电流来生成自混合干涉测量(SMI)信号。2.根据权利要求1所述的光学传感器系统，其中所述第一MQW结构、所述第二MQW结构和所述第三MQW结构沿着所述半导体激光器的发射轴线设置。3.根据权利要求2所述的光学传感器系统，其中：所述第二MQW结构定位在所述第一MQW结构的第一侧上；并且所述第三MQW结构定位在所述第一MQW结构的第二侧上，所述第二侧与所述第一侧相反。4.根据权利要求1所述的光学传感器系统，其中：所述半导体激光器是垂直腔表面发射激光器(VCSEL)；并且所述VCSEL包括分布式布拉格反射器(DBR)，在所述DBR中形成所述第一MQW结构和所述第二MQW结构。5.根据权利要求1所述的光学传感器系统，其中：所述第二MQW结构沿着所述半导体激光器的发射轴线设置；并且所述第三MQW结构不与所述半导体激光器的所述发射轴线相交。6.根据权利要求1所述的光学传感器系统，其中所述第二MQW结构和所述第三MQW结构共享相同的一组一个或多个外延层。7.根据权利要求1所述的光学传感器系统，其中所述电路包括：第一互阻抗放大器(TIA)，所述第一TIA被配置为接收所述第一光电流；第二TIA，所述第二TIA被配置为接收所述第二光电流；以及一个或多个电路部件的组，所述一个或多个电路部件的组被配置为组合所述第一TIA的第一输出和所述第二TIA的第二输出。8.根据权利要求1所述的光学传感器系统，其中所述第二MQW结构另选地能够操作为，生成所述第一光电流；或者与所述第一MQW结构同时生成电磁辐射。9.根据权利要求1的光学传感器系统，其中所述第一MQW结构和所述第二MQW结构是相位匹配的。10.一种光学传感器系统，包括：基板；
第一光电检测器，所述第一光电检测器位于所述基板上；第二光电检测器，所述第二光电检测器位于所述基板上，从所述第一光电检测器横向偏离；半导体激光器，所述半导体激光器附接到所述基板、与所述第一光电检测器对准、并且被配置为朝向所述第一光电检测器进行电磁辐射的第一发射，所述半导体激光器具有谐振腔，在所述谐振腔中，所发射的电磁辐射和所返回的电磁辐射进行自混合；光学子系统，所述光学子系统被配置为，接收...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈童，谈飞，金明舟，
申请(专利权)人：苹果公司，
类型：发明
国别省市：