專利名稱：多波長一體化紅外半導(dǎo)體激光光源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體激光光源，具體地說是一種多波長一體化紅外半導(dǎo)體激光光源。
背景技術(shù)：
紅外半導(dǎo)體激光光源是一種廣泛應(yīng)用于激光測距、激光制導(dǎo)、光纖通信和激光接收性能檢測等工程領(lǐng)域的重要光電儀器。其中，為適應(yīng)當前不斷擴大的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)π阅芨鳟惖募t外半導(dǎo)體激光光源的需求，擁有多種不同發(fā)射波長和頻譜特性的激光器逐漸成為紅外半導(dǎo)體激光光源的一個重要研究方向。研制多波長激光光源最重要的關(guān)鍵技術(shù)問題是一體化問題，即如何實現(xiàn)不同激光光源的發(fā)光器件、驅(qū)動模塊、光學(xué)系統(tǒng)以及光機結(jié)構(gòu)的一體化。目前雖有多波長激光發(fā)射光源研制成功，但在多波長發(fā)生器件及其驅(qū)動模塊方面尚未實現(xiàn)一體化。在這些多波長激光發(fā)射光源中，對于不同的發(fā)光器件，多是采用分列安裝的方式加以固化，通過內(nèi)部光學(xué)系統(tǒng)耦合切換的方式，實現(xiàn)發(fā)射光源的一體化。這樣就不可避免地造成了多波長激光光源存在體積質(zhì)量大、光程復(fù)雜和發(fā)射效率及發(fā)射精度低下等問題。為了達到便于調(diào)制和優(yōu)化光機結(jié)構(gòu)的目的，現(xiàn)有激光發(fā)射機通常是采用LD、LED 等電致發(fā)光器件作為發(fā)射光源。因此，實現(xiàn)LD、LED發(fā)光器件的多波長一體化，已經(jīng)成為解決上述問題、進一步提高多波長紅外半導(dǎo)體激光光源的集成化和綜合化程度的關(guān)鍵。而實現(xiàn)多波長一體化的核心問題是如何解決在同一襯底的不同位置上，生長不同材料及厚度 (發(fā)射波長、發(fā)光焦平面)的半導(dǎo)體外延層，并如何避免多波長發(fā)射離軸的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是提供一種多波長一體化紅外半導(dǎo)體激光光源，以解決現(xiàn)有多波長激光光源存在的發(fā)射精度低和發(fā)射離軸的問題。本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的一種多波長一體化紅外半導(dǎo)體激光光源，包括有
編碼控制模塊，與集成化驅(qū)動電源相接，用于向所述集成化驅(qū)動電源發(fā)出對應(yīng)于四路 LD/LED發(fā)射光源的不同編碼信號，為上述多波長一體化紅外半導(dǎo)體激光光源提供所需的激光光場信息；
集成化驅(qū)動電源，分別與所述編碼控制模塊和一體化激光發(fā)射單元相接，用于根據(jù)接收的編碼信號，向一體化激光發(fā)射單元發(fā)出四路LD/LED發(fā)射光源中某一路LD/LED發(fā)射光源工作所需的驅(qū)動電流信號；
一體化激光發(fā)射單元，分別與所述集成化驅(qū)動電源和旋轉(zhuǎn)定位式發(fā)射物鏡組相接，用于根據(jù)接收的驅(qū)動電流信號，驅(qū)動四路LD/LED發(fā)射光源中的一路LD/LED發(fā)射光源發(fā)出激光束；在所述一體化激光發(fā)射單元中包含具有0. 86 μ m、0. 9 μ m、1. 06 μ m和1. 55 μ m四種紅外波長的四路LD/LED發(fā)射光源；旋轉(zhuǎn)定位式發(fā)射物鏡組，分別與所述一體化激光發(fā)射單元和步進電機驅(qū)動系統(tǒng)相接， 用于將所述一體化激光發(fā)射單元中各路LD/LED發(fā)射光源所發(fā)射的激光束準直為平行光束；以及
步進電機驅(qū)動系統(tǒng)，與所述旋轉(zhuǎn)定位式發(fā)射物鏡組相接，用于控制所述旋轉(zhuǎn)定位式發(fā)射物鏡組旋轉(zhuǎn)定位到所述一體化激光發(fā)射單元中工作的一路LD/LED發(fā)射光源上。所述編碼控制模塊包括固化有包含四路LD/LED發(fā)射光源編碼信息的FPGA集成芯片和與所述FPGA集成芯片相接并輸出編碼信號的接口電路。該編碼控制模塊是一種基于 FPGA芯片的四路發(fā)射光源編碼控制器，分別為四路LD/LED發(fā)射光源提供TTL電平，經(jīng)過一個共享式接口電路，將控制邏輯輸入到集成化驅(qū)動電源，從而達到控制激光光源輸出脈寬的目的。所述一體化激光發(fā)射單元是在GaN正方體襯底的四個側(cè)面上利用MOCVD工藝生長出作為四路LD/LED發(fā)射光源的半導(dǎo)體外延層；所述GaN正方體襯底與所述半導(dǎo)體外延層內(nèi)嵌于激光發(fā)射單元封裝結(jié)構(gòu)的中心位置，所述半導(dǎo)體外延層的發(fā)光面位于光學(xué)焦平面的位置上。所述GaN正方體襯底上各半導(dǎo)體外延層的生長厚度，可根據(jù)一體化激光發(fā)射單元的幾何模型實現(xiàn)精密控制，從而使各半導(dǎo)體外延層的發(fā)光面位于光學(xué)系統(tǒng)的焦平面位置上， 以保證發(fā)射物鏡組對所發(fā)射出的各種紅外波長的激光光束的準直效果。在所述集成化驅(qū)動電源上設(shè)有對應(yīng)于四路LD/LED發(fā)射光源的四個控制信號端和四個激光光源供電端；所述控制信號端分別與所述編碼控制模塊相連接，所述四個激光光源供電端分別連接在所述GaN正方體襯底上的四個半導(dǎo)體外延層上。集成化驅(qū)動電源是一種具有電流任意可調(diào)功能的升壓分壓式集成化驅(qū)動電流源，它由一片單芯升壓芯片實現(xiàn)寬電壓(5 - 15V)到高電壓(60-120V)的升壓，然后基于數(shù)字化PWM方式實現(xiàn)連續(xù)可調(diào)的分壓，為四種不同閾值要求的LD/LED半導(dǎo)體外延層提供工作所需的驅(qū)動電流。所述旋轉(zhuǎn)定位式發(fā)射物鏡組包括底座、設(shè)置在所述底座正面偏心位置上、并對四路LD/LED發(fā)射光源的光束均具有良好發(fā)射準直效果的發(fā)射物鏡和連接在所述底座背面四角上的滑輪組；所述滑輪組通過傳動機構(gòu)與所述步進電機驅(qū)動系統(tǒng)相接。步進定位式發(fā)射物鏡組是一種對四路LD/LED發(fā)射光源所發(fā)射出的0. 865 μ m、0. 9 μ m、1. 06 μ m和1. 55 μ m 四種紅外波長的激光光束均具有良好發(fā)射準直效果的發(fā)射物鏡系統(tǒng)。該發(fā)射物鏡系統(tǒng)通過底座背面的滑輪組和傳送帶與步進電機相連，能夠?qū)崿F(xiàn)平面360°的轉(zhuǎn)動。由此使得旋轉(zhuǎn)定位式發(fā)射物鏡組，可以保證在GaN正方體襯底不同位置上的四路LD/LED發(fā)射光源所發(fā)射激光光束的同軸性，從而滿足了多波長一體化激光光源的精度要求。本發(fā)明通過設(shè)置在底座背面的滑輪機構(gòu)，利用步進電機控制發(fā)射物鏡，可分別旋轉(zhuǎn)至四路LD/LED發(fā)射光源(即四個半導(dǎo)體外延層)的發(fā)射光軸位置上，從而很好地解決了多波長激光光束的發(fā)射離軸問題。本發(fā)明具有0. 865 μ m (LED)、0. 9 μ m、1. 06 μ m和1. 55 μ m四種發(fā)射波長和頻率特性，其主要特點是通過采用新的LD/LED加工工藝，實現(xiàn)了多種紅外波長激光光源發(fā)射單元的高度一體化，既減少了不同波長紅外半導(dǎo)體激光光源的配置，又可使激光發(fā)射機的體積更小，重量更輕，成本更加低廉，操作更加方便，滿足了綜合光電檢測及光電設(shè)備驗收等實際工作的使用需要。本發(fā)明的特點是發(fā)射波長、驅(qū)動電路及光學(xué)系統(tǒng)的集成化和自動化程度高，發(fā)射效率良好，便于在線檢測，通用性好，性價比高。


圖1是本發(fā)明的原理性結(jié)構(gòu)框圖。圖2是一體化激光發(fā)射單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是一體化激光發(fā)射單元的側(cè)向結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是一體化激光發(fā)射單元的正向結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是一體化激光發(fā)射單元構(gòu)成原理的幾何模型圖。圖6是旋轉(zhuǎn)定位式發(fā)射物鏡組的正面結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是旋轉(zhuǎn)定位式發(fā)射物鏡組的工作原理示意圖。圖8是旋轉(zhuǎn)定位式發(fā)射物鏡組的背面結(jié)構(gòu)示意圖。圖9是步進電機驅(qū)動系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)框圖。圖10是集成化驅(qū)動電源的電原理圖。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明多波長一體化紅外半導(dǎo)體激光光源包括有編碼控制模塊1、集成化驅(qū)動電源2、一體化激光發(fā)射單元3、旋轉(zhuǎn)定位式發(fā)射物鏡組4和步進電機驅(qū)動系統(tǒng)5 共五個部分。編碼控制模塊1包括固化有包含四路LD/LED發(fā)射光源編碼信息的FPGA集成芯片 11和輸出編碼信號的接口電路12 ；接口電路12為TTL共享式接口電路，其四路輸入端接 FPGA集成芯片11，其輸出端接集成化驅(qū)動電源2，向集成化驅(qū)動電源2發(fā)出編碼信號，為多波長紅外半導(dǎo)體激光光源提供所需的四種激光光場信息。集成化驅(qū)動電源2是一種具有電流任意可調(diào)功能的升壓分壓式集成化驅(qū)動電流源，可根據(jù)不同的驅(qū)動信號，驅(qū)動對應(yīng)波長的一路LD/LED發(fā)射光源工作。圖10給出了一種單路驅(qū)動電源的電路結(jié)構(gòu)。該電路的前級升壓放大器和場效應(yīng)管共同構(gòu)成一種類似雪崩三極管的放電電路，其中控制信號輸入端IN分別接收四路LD/LED發(fā)射光源的編碼信息，從而控制放大后的前級供電電壓Vl和各自的LD/LED供電電壓V2的導(dǎo)通與截止，從而使LD/LED 發(fā)射光源輸出相應(yīng)的激光脈沖光束。集成化驅(qū)動電源2是由一片單芯升壓芯片實現(xiàn)寬電壓(5 - 15V)到高電壓 (60-120V)的升壓，然后基于數(shù)字化PWM方式實現(xiàn)連續(xù)可調(diào)的分壓，為四種不同閾值要求的 LD/LED半導(dǎo)體外延層提供驅(qū)動電流。在集成化驅(qū)動電源2上設(shè)有對應(yīng)于四路LD/LED發(fā)射光源的四個控制信號端和四個激光光源供電端；控制信號端分別與編碼控制模塊1相連接，四個激光光源供電端分別連接在GaN正方體襯底31上的四個半導(dǎo)體外延層32上。集成化驅(qū)動電源2的輸出電流任意可調(diào)，能夠為多波長紅外半導(dǎo)體激光光源提供不同的驅(qū)動電流信號。如圖2—圖4所示，一體化激光發(fā)射單元3是在GaN正方體襯底31的四個側(cè)面上利用MOCVD工藝生長出作為四路LD/LED發(fā)射光源的半導(dǎo)體外延層32 ；GaN正方體襯底31 與半導(dǎo)體外延層32內(nèi)嵌于激光發(fā)射單元封裝結(jié)構(gòu)33的中心位置，半導(dǎo)體外延層32的發(fā)光面位于光學(xué)焦平面的位置上。制作時，是根據(jù)一體化激光發(fā)射單元的幾何模型(圖5)，精密控制GaN正方體襯底31上各半導(dǎo)體外延層32的生長厚度，從而使各發(fā)光面位于光學(xué)系統(tǒng)的焦平面位置，以保證發(fā)射物鏡組對各波長光束的準直效果。
—體化激光發(fā)射單元3是采用便于控制外延層生長厚度的MOCVD (金屬有機化合物化學(xué)氣相淀積Metal-organic Chemical Vapor DePosition)工藝，主要以III族元素的有機化合物和V族元素的氫化物等作為晶體生長源材料，在GaN正方體襯底31的四個側(cè)面上分別對稱生長由III - V族化合物半導(dǎo)體構(gòu)成的半導(dǎo)體氣相外延層(AWaAs和InGaAsP),從而作為產(chǎn)生0. 865ym(LED)、0. 9μπι、1· 06μπι和1. 55 μ m四種紅外波長激光光源的bar條。 每個bar條上的諧振腔的出光端面與GaN正方體襯底31的上表面平行，從而保證四路發(fā)射光束與垂直于一體化激光發(fā)射單元3表面的主光軸保持一致。由圖3、圖4可見，一體化激光發(fā)射單元3采用單元化封裝工藝，將GaN正方體襯底 31、半導(dǎo)體外延層32及其引出端子集成在一個很小的封裝結(jié)構(gòu)33中，以半導(dǎo)體發(fā)光區(qū)為中心，10個引出端子以圓周方式均勻?qū)ΨQ的分布于封裝結(jié)構(gòu)33的周邊。10個引出端子分別為四路控制信號輸入端IN、四路供電電壓輸入端V2、共用前級放大供電電壓輸入端Vl和地線端。GaN正方體襯底31上各半導(dǎo)體外延層32的生長厚度，是根據(jù)一體化激光發(fā)射單元的幾何模型實現(xiàn)精密控制的。如圖5所示， K-^a分別代表一體化激光發(fā)射單元3中的四路LD/LED發(fā)射光源的發(fā)光點，S為發(fā)射光學(xué)
系統(tǒng)的主面上的圓周(即基底表面正方形的內(nèi)切圓)，式一Λ四點位于該圓周上；ζ軸為發(fā)
射光軸，可以沿圓周S在光學(xué)系統(tǒng)主面上作360°轉(zhuǎn)動，每次轉(zhuǎn)動90°，使Z軸和；J1-A的
發(fā)射光軸重合。在各半導(dǎo)體外延層32的生長過程中，必須對為一舄沿Z軸方向的厚度進
行精確控制，從而保證四種波長的發(fā)光面均位于發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的焦平面位置上。如圖6—圖8所示，旋轉(zhuǎn)定位式發(fā)射物鏡組4包括一個正方形的底座41，在底座41 的正面偏心位置上設(shè)置有發(fā)射物鏡42，在底座41的背面四角上分別設(shè)置一個滑輪，四個滑輪構(gòu)成滑輪組43，該滑輪組43與步進電機驅(qū)動系統(tǒng)5相接。發(fā)射物鏡42通過底座41背面的滑輪組43與傳送帶和步進電機相連，能夠?qū)崿F(xiàn)平面360°的轉(zhuǎn)動，以對應(yīng)GaN正方體襯底31上的某一個半導(dǎo)體外延層32，使對應(yīng)于四個半導(dǎo)體外延層32上的0. 865 μ m、0. 9 μ m、 1. 06 μ m和1. 55 μ m四種紅外波長的激光光束具有良好發(fā)射準直效果，以此保證在GaN正方體襯底31不同位置上的半導(dǎo)體外延層32所發(fā)激光光束保持同軸性，從而滿足了一體化多波長半導(dǎo)體激光光源發(fā)射精度的要求。發(fā)射物鏡42是一種對0. 865 μ m、0. 9 μ m、1. 06 μ m、 1. 55 μ m四種紅外波長的光束均具有良好共軸發(fā)射效率的發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)。發(fā)射物鏡組4的底座41的尺寸及發(fā)射物鏡42的安裝位置，應(yīng)與半導(dǎo)體外延層32 的生長位置相對應(yīng)，從而保證在GaN正方體襯底31不同位置上的半導(dǎo)體外延層32所發(fā)射光束的光軸不偏離。如圖8所示，底座41的轉(zhuǎn)動是由步進電機控制的滑輪組機構(gòu)完成的， 該滑輪組機構(gòu)包括四個滑輪、一個主動輪和一條摩擦系數(shù)極大的傳送帶。連接在步進電機轉(zhuǎn)軸上的主動輪的每次轉(zhuǎn)動，均使傳送帶轉(zhuǎn)過一個定長距離，即令底座41旋轉(zhuǎn)90°，使發(fā)射物鏡42位于某一波長的發(fā)射光軸上。通過上述處理措施，即可保證不同位置的激光光束發(fā)射的同軸性。步進電機驅(qū)動系統(tǒng)5的一種電路實現(xiàn)方式如圖9所示，是由壓發(fā)開關(guān)、脈沖發(fā)生器、反饋及保護電路、驅(qū)動芯片和步進電機構(gòu)成。其中，外置的壓發(fā)開關(guān)每按發(fā)一次，就提供步進電機驅(qū)動系統(tǒng)工作的一個觸發(fā)信號；控制芯片包括脈沖發(fā)生器和反饋及保護電路兩部分，用于提供步進電機轉(zhuǎn)動的控制脈沖信號；驅(qū)動芯片用于提供驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動的脈沖電流，與步進電機直接耦合。 本發(fā)明的系統(tǒng)流程是編碼控制模塊1根據(jù)四種不同激光光源的編碼特征，提供包含相應(yīng)激光光場信息的四種數(shù)字編碼信號，該數(shù)字編碼信號經(jīng)接口電路12輸入到集成化驅(qū)動電源2中，使集成化驅(qū)動電源2輸出能夠滿足激光光源驅(qū)動要求的電脈沖驅(qū)動信號， 控制在同一正方體襯底31上生長的四個半導(dǎo)體外延層32 (即一體化激光發(fā)射單元3上的四個激光二極管的PN結(jié))，對應(yīng)發(fā)射出0. 865 μ m(LED)、0. 9 μ m、1. 06 μ m或1. 55 μ m這四種紅外波長的脈沖激光光束。對上述四種紅外波長的激光脈沖具有較高發(fā)射效率的旋轉(zhuǎn)定位式發(fā)射物鏡組4，通過步進電機驅(qū)動系統(tǒng)5的控制，使其能夠在光學(xué)系統(tǒng)所在主面內(nèi)360° 轉(zhuǎn)動，每次旋轉(zhuǎn)90°，使旋轉(zhuǎn)定位式發(fā)射物鏡組4上的發(fā)射物鏡42對準某個波長的LD/LED 發(fā)射光源的發(fā)射光軸，從而對該波長的脈沖激光光束進行準直和發(fā)射。
權(quán)利要求
1.一種多波長一體化紅外半導(dǎo)體激光光源，其特征是，包括有編碼控制模塊(1)，與集成化驅(qū)動電源(2)相接，用于向所述集成化驅(qū)動電源(2)發(fā)出對應(yīng)四路LD/LED發(fā)射光源的不同編碼信號，為上述多波長一體化紅外半導(dǎo)體激光光源提供所需的激光光場信息；集成化驅(qū)動電源(2)，分別與所述編碼控制模塊(1)和一體化激光發(fā)射單元(3)相接， 用于根據(jù)接收的編碼信號，向一體化激光發(fā)射單元(3)發(fā)出四路LD/LED發(fā)射光源中某一路 LD/LED發(fā)射光源工作所需的驅(qū)動電流信號；一體化激光發(fā)射單元(3)，分別與所述集成化驅(qū)動電源(2)和旋轉(zhuǎn)定位式發(fā)射物鏡組 (4)相接，用于根據(jù)接收的驅(qū)動電流信號，驅(qū)動四路LD/LED發(fā)射光源中的一路LD/LED發(fā)射光源發(fā)出激光束；在所述一體化激光發(fā)射單元(3)中包含具有0. 86 μ m、0. 9 μ m、1. 06 μ m和 1. 55 μ m四種紅外波長的四路LD/LED發(fā)射光源；旋轉(zhuǎn)定位式發(fā)射物鏡組(4)，分別與所述一體化激光發(fā)射單元(3)和步進電機驅(qū)動系統(tǒng)(5)相接，用于將所述一體化激光發(fā)射單元(3)中各路LD/LED發(fā)射光源所發(fā)射的激光束準直為平行光束；步進電機驅(qū)動系統(tǒng)(5)，與所述旋轉(zhuǎn)定位式發(fā)射物鏡組(4)相接，用于控制所述旋轉(zhuǎn)定位式發(fā)射物鏡組(4)旋轉(zhuǎn)定位到所述一體化激光發(fā)射單元(3)中工作的一路LD/LED發(fā)射光源上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多波長一體化紅外半導(dǎo)體激光光源，其特征是，所述編碼控制模塊(1)包括固化有包含四路LD/LED發(fā)射光源編碼信息的FPGA集成芯片(11)和與所述 FPGA集成芯片(11)相接并輸出編碼信號的接口電路(12)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多波長一體化紅外半導(dǎo)體激光光源，其特征是，所述一體化激光發(fā)射單元(3)是在GaN正方體襯底(31)的四個側(cè)面上利用MOCVD工藝生長出作為四路LD/LED發(fā)射光源的半導(dǎo)體外延層(32)；所述GaN正方體襯底(31)與所述半導(dǎo)體外延層 (32)內(nèi)嵌于激光發(fā)射單元封裝結(jié)構(gòu)(33)的中心位置，所述半導(dǎo)體外延層(32)的發(fā)光面位于光學(xué)焦平面的位置上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多波長一體化紅外半導(dǎo)體激光光源，其特征是，在所述集成化驅(qū)動電源(2)上設(shè)有對應(yīng)于四路LD/LED發(fā)射光源的四個控制信號端和四個激光光源供電端；所述控制信號端分別與所述編碼控制模塊(1)相連接，所述四個激光光源供電端分別連接在所述GaN正方體襯底(31)上的四個半導(dǎo)體外延層(32)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多波長一體化紅外半導(dǎo)體激光光源，其特征是，所述旋轉(zhuǎn)定位式發(fā)射物鏡組(4)包括底座(41)、設(shè)置在所述底座(41)正面偏心位置上的發(fā)射物鏡(42) 和連接在所述底座(41)背面四角上的滑輪組(43)；所述滑輪組(43)通過傳動機構(gòu)與所述步進電機驅(qū)動系統(tǒng)(5)相接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多波長一體化紅外半導(dǎo)體激光光源，其結(jié)構(gòu)包括有編碼控制模塊1、集成化驅(qū)動電源2、一體化激光發(fā)射單元3、旋轉(zhuǎn)定位式發(fā)射物鏡組4和步進電機驅(qū)動系統(tǒng)5等五個部分。本發(fā)明具有0.865μm、0.9μm、1.06μm和1.55μm四種發(fā)射波長和頻率特性，其主要特點是通過采用新的LD/LED加工工藝，實現(xiàn)了多種紅外波長激光光源發(fā)射單元的高度一體化，既減少了不同波長紅外半導(dǎo)體激光光源的配置，又可使激光發(fā)射機的體積更小，重量更輕，成本更加低廉，操作更加方便，滿足了綜合光電檢測及光電設(shè)備驗收等實際工作的使用需要。本發(fā)明集成化和自動化程度高，發(fā)射效率良好，便于在線檢測，通用性好，性價比高。
文檔編號H01S5/10GK102354907SQ20111028062
公開日2012年2月15日 申請日期2011年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月21日
發(fā)明者侯章亞, 劉寶華, 劉羽翔, 薛明晰, 陳志斌 申請人:中國人民解放軍總裝備部軍械技術(shù)研究所