包括集成式VCSEL和集成式光子腔的可见光光源的制作方法

本文描述的是可见光光源和可见光光源阵列。

背景技术：

1、诸如发光二极管(light-emitting diode，led)、微型led(micro-led)、谐振腔led(resonant cavity led，rcled)、垂直腔面发射激光器(vertical-cavity surface-emitting laser，vcsel)和垂直外腔面发射激光器(vertical external cavity surfaceemitting laser，vecsel)等半导体发光设备将电能转换为光能，并且提供许多优于其他光源的优点，例如减小尺寸、改善耐用性以及提高效率和亮度。半导体发光设备可以用作许多显示系统(例如，电视、计算机显示器、膝上型计算机、平板电脑、智能手机、投射系统和可穿戴电子设备)的光源。例如，可以使用发射不同颜色(例如，红、绿和蓝)的光的多个微型led或vcsel来形成诸如近眼显示系统的显示系统中的显示面板的子像素。微型led、vcsel和其他半导体发光设备也可以部署在各种传感器系统中，例如部署在用于深度感测、三维感测、对象追踪(例如，手部追踪或面部追踪)等系统中。

技术实现思路

1、本公开总体上涉及可见光光源。更具体地，但不限于，本公开涉及集成式垂直腔面发射激光器(vcsel)泵浦的可见光光源，该可见光光源包括被配置为通过光学参量振荡(optical parametric oscillation，opo)生成可见光的光学谐振器。本文公开的可见光光源可以用在例如背光单元(backlight unit，blu)显示器和有源显示面板中。本文描述了包括设备、部件、系统、方法、结构、材料、工艺等各种创造性的实施例。

2、根据本发明的第一方面，提供了一种可见光光源，该可见光光源包括：衬底；第一反射器和第二反射器，该第一反射器和该第二反射器位于该衬底上，其中，该第一反射器和该第二反射器被配置为反射红外光并且竖直布置以形成竖直腔(vertical cavity)；有源区，该有源区位于该竖直腔中并且被配置为发射红外光；微型谐振器，该微型谐振器位于该衬底上并且被配置为接收由该有源区发射的该红外光，并且通过光学参量振荡生成可见光；以及输出耦合器，该输出耦合器被配置为将该微型谐振器中生成的该可见光从该微型谐振器耦出。

3、优选地，该微型谐振器位于该竖直腔内或位于该竖直腔的顶部上，该微型谐振器被配置为直接接收该红外光或通过输入耦合器接收该红外光。

4、优选地，该输入耦合器或该输出耦合器包括光栅耦合器、介电散射体、金属散射体或纳米谐振器。

5、优选地，该光栅耦合器是倾斜的(slanted)、变迹的(apodized)、啁啾的(chirped)或它们的组合。

6、优选地，该微型谐振器位于该竖直腔的外部；该可见光光源还包括波导和输入耦合器，该波导光学耦接到该微型谐振器，该输入耦合器位于该竖直腔中或位于该竖直腔的顶部上，并且该输入耦合器被配置为将由该有源区发射的红外光耦入到该波导中。

7、优选地，该波导和该微型谐振器形成在同一材料层中或位于不同的层上。

8、优选地，该微型谐振器被配置为通过简并四波混频(degenerate four-wavemixing，dfwm)生成可见光。

9、优选地，该第一反射器和该第二反射器中的每个反射器包括高对比度光栅或分布式布拉格反射器，该该分布式布拉格反射器包括介电层、半导体层或介电层、半导体层这两项。

10、优选地，该第二反射器对于该可见光是抗反射的，并且被配置为将该可见光竖直地从该可见光光源透射出去。

11、优选地，该微型谐振器包括微型环、微型盘、基于波导的腔、光子晶体点缺陷腔、光子晶体环形腔或等离子体谐振器。

12、优选地，该微型谐振器的特征为圆环形状、椭圆环形状、阿基米德螺旋形形状、另一螺旋形形状或跑道形状。

13、优选地，该输出耦合器被配置为将该可见光竖直地耦入到自由空间中，或将该可见光耦入到光子集成电路中。

14、优选地，该可见光光源还包括：第三反射器，该第三反射器位于该竖直腔中，其中，该第三反射器部分地反射该红外光；偏振部件，该偏振部件位于该竖直腔中并且被配置为选择该红外光的偏振模式；或者第三反射器和偏振部件这两者。

15、优选地，偏振部件包括偏振器、波片、空间可变偏振器或空间可变波片。

16、据本发明的第二方面，提供了一种可见光光源阵列，该可见光光源阵列包括：互补金属氧化物半导体(cmos)背板，该cmos背板包括形成在该cmos背板上的多个驱动电路；以及可见光光源的阵列，该可见光光源的阵列形成在衬底上并且直接或间接地结合到该cmos背板。可见光光源的阵列中的每个可见光光源能够由该多个驱动电路单独寻址，并且每个可见光光源包括：第一反射器和第二反射器，该第一反射器和第二反射器被配置为反射红外光并且形成竖直腔；有源区，该有源区位于竖直腔内，并且被配置为发射红外光；微型谐振器，该微型谐振器被配置为接收由有源区发射的红外光，并且通过光学参量振荡生成可见光；以及输出耦合器，该输出耦合器被配置为将该微型谐振器中生成的该可见光从该微型谐振器耦出。

17、优选地，该微型谐振器位于该竖直腔内或位于该竖直腔的顶部上；该微型谐振器被配置为直接接收该红外光，或者通过输入耦合器接收该红外光。

18、优选地，该微型谐振器位于该竖直腔的外部；可见光光源的阵列中的每个可见光光源还包括：波导，该波导光学耦接到该微型谐振器；以及输入耦合器，该输入耦合器位于该竖直腔中或位于该竖直腔的顶部上，并且被配置为将该红外光耦入到该波导中。

19、优选地，该微型谐振器包括微型环、微型盘、基于波导的腔、光子晶体点缺陷腔、光子晶体环形腔或等离子体谐振器。

20、优选地，该可见光光源阵列的间距小于50μm、小于30μm、小于20μm或小于10μm。

21、优选地，该微型谐振器的特征为圆环形状、椭圆环形状、螺旋形形状或跑道形状。

22、根据某些实施例，可见光光源可以包括：衬底；竖直腔面发射激光器，该竖直腔面发射激光器位于该衬底上，并且包括被配置为发射红外光的有源半导体区域和被配置为反射由该有源半导体区域发射的红外光的第一反射器；第二反射器，该第二反射器被配置为反射红外光，该第一反射器和该第二反射器形成用于红外光的竖直腔；一个或多个微型谐振器，该一个或多个微型谐振器位于该衬底上，被配置为接收红外光，并且通过光学参量振荡利用红外光来生成一种或多种颜色的可见光；以及一个或多个输出耦合器，该一个或多个输出耦合器被配置为将来自一个或多个微型谐振器的一种或多种颜色的可见光耦入到自由空间或光子集成电路中。

23、根据某些实施例，可见光光源阵列可以包括衬底以及裸片(die)或晶圆(wafer)，该衬底包括形成在该衬底上的驱动电路；该裸片或该晶圆直接或间接地结合到该驱动电路。该裸片或该晶圆可以包括形成在该裸片或该晶圆上的可见光光源的阵列。该可见光光源的阵列中的每个可见光光源能够由该驱动电路单独寻址，并且每个可见光光源包括：竖直腔，该竖直腔由第一反射器和第二反射器形成，该第一反射器和该第二反射器被配置为反射红外光；有源区，该有源区位于该竖直腔中，并且被配置为发射红外光；一个或多个微型谐振器，该一个或多个微型谐振器被配置为接收红外光并且通过光学参量振荡利用红外光来生成一种或多种颜色的可见光；以及一个或多个输出耦合器，该一个或多个输出耦合器被配置为将来自一个或多个微型谐振器的一种或多种颜色的可见光耦入到自由空间或一个或多个波导中。

24、根据某些实施例，可见光光源阵列可以包括衬底以及裸片或晶圆，该衬底包括形成在该衬底上的驱动电路；该裸片或该晶圆直接或间接地结合到该驱动电路。该裸片或该晶圆可以包括形成在该裸片或该晶圆上的可见光光源的阵列。该可见光光源的阵列中的每个可见光光源能够由该驱动电路单独寻址，并且每个可见光光源包括：竖直腔，该竖直腔由第一反射器和第二反射器形成，该第一反射器和该第二反射器被配置为反射红外光；有源区，该有源区位于该竖直腔中，并且被配置为发射红外光；微型谐振器，该微型谐振器被配置为接收红外光并且通过光学参量振荡利用红外光来生成可见光；以及输出耦合器，该输出耦合器被配置为将来自该微型谐振器的可见光耦入到自由空间或波导中。该可见光光源阵列的第一可见光光源中的第一微型谐振器和该可见光源阵列的第二可见光光源中的第二微型谐振器可以具有不同的大小、不同的形状、不同的材料或它们的组合，并且被配置为生成不同颜色的可见光。

25、本
技术实现要素：
既不旨在确定所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不旨在单独用来确定所要求保护的主题的范围。该主题应当通过参考本公开的整个说明书的适当部分、任何或所有附图以及每项权利要求来理解。下面将在以下说明书、权利要求书和附图中更详细地描述前文以及其他特征和示例。