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公開番号2025171992
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-11-20
出願番号2025073759
出願日2025-04-25
発明の名称レーザーモジュール及びレーザー光結合システム
出願人中国科学院物理研究所
代理人個人,個人
主分類H01S 5/026 20060101AFI20251113BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】半導体レーザーモジュール及び関連する光通信デバイスの小型化及び統合化を実現する。
【解決手段】本開示は、メタレンズを統合した面発光レーザーの小型化モジュール、それを含む電子機器及びレーザー光結合システムを開示する。一実施例では、メタレンズを統合した面発光レーザーモジュールは、フォトニック結晶面発光レーザー又はトポロジカル共振器面発光レーザーを含み、光出射面を有する面発光レーザーと、前記面発光レーザーの光出射面に統合されたメタレンズと、を含む。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
フォトニック結晶面発光レーザー又はトポロジカル共振器面発光レーザーを含み、光出射面を有する面発光レーザーと、
前記面発光レーザーの光出射面に統合されたメタレンズと、を含む、メタレンズを統合した面発光レーザーモジュール。
続きを表示（約 1,200 文字）【請求項２】
前記面発光レーザーの最上層の上面は、前記面発光レーザーの光出射面として機能し、
前記メタレンズは、前記最上層の上面又は前記最上層の上方に形成されたナノピラー構造又はナノポア構造を含み、
前記面発光レーザーの最上層は、半導体層、絶縁層又は金属層である、請求項１に記載の面発光レーザーモジュール。
【請求項３】
前記ナノピラー構造は、前記面発光レーザーの最上層の上方に位置するメタレンズ層に形成され、前記メタレンズ層は、厚さにわたって部分的に又は全体的にエッチングされて前記ナノピラー構造を形成し、或いは、
前記ナノピラー構造は、前記面発光レーザーの最上層にナノピラー構造を直接的に堆積し、成長させるか、又はエピタキシャル成長させることによって形成される、請求項２に記載の面発光レーザーモジュール。
【請求項４】
前記ナノピラー構造は、半導体材料、絶縁体材料、金属材料、有機材料又は透明導電性材料を含む、請求項３に記載の面発光レーザーモジュール。
【請求項５】
前記ナノピラー構造は、アモルファスシリコン、二酸化チタン、シリコン窒化物、酸化シリコン、酸化アルミニウム、二酸化ハフニウムのうちの１種以上を含む、請求項３に記載の面発光レーザーモジュール。
【請求項６】
前記メタレンズは、矩形又は楕円形のナノピラー構造を含み、前記ナノピラー構造は、三角格子状又は正方格子状に配列され、それぞれが高さｈ、長さｌ、幅ｓ及び回転角度θを有する、請求項２に記載の面発光レーザーモジュール。
【請求項７】
前記ナノピラー構造の高さｈ、長さｌ、幅ｓ及び回転角度θのうちの１つ以上が変調されて、前記面発光レーザーモジュールから出射されたレーザー光の位相、強度及び／又は偏光を調整する、請求項６に記載の面発光レーザーモジュール。
【請求項８】
面発光レーザーモジュールを含み、前記面発光レーザーモジュールは、
フォトニック結晶面発光レーザー又はトポロジカル共振器面発光レーザーを含み、光出射面を有する面発光レーザーと、
前記面発光レーザーの光出射面に統合されたメタレンズと、を含む、電子機器。
【請求項９】
フォトニック結晶面発光レーザー又はトポロジカル共振器面発光レーザーを含み、光出射面を有する面発光レーザーと、
前記面発光レーザーの光出射面に統合され、前記光出射面から出射されたビームを集束するメタレンズと、
集束されたビームと結合するように構成された光ファイバ又はオンチップ光導波路と、を含む、レーザー光結合システム。
【請求項１０】
前記メタレンズは、前記光出射面から出射されたビームを前記光ファイバ又はオンチップ光導波路に整合可能なビームに変換するように配置される、請求項９に記載のレーザー光結合システム。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般的に光電デバイスの分野に関し、より具体的には、半導体レーザーモジュール及び関連する光通信デバイスの小型化及び統合化を実現することができる、メタレンズを統合した面発光レーザーモジュール及び該レーザーモジュールを含むレーザー光結合システムに関する。
続きを表示（約 2,800 文字）【背景技術】
【０００２】
半導体レーザーは、体積が小さく、効率が高く、消費電力が低く、耐用年数が長く、コストが低いなどの利点があるため、通信、医療、表示、材料加工などの多くの分野に広く適用されている。しかしながら、レーザーチップ自体は、一般的に単独で使用することが困難であり、出射されたビームが適用要求を満たすために、様々な光学部品、例えば、レンズ、プリズム、回折部品、偏光部品などと組み合わせて、レーザーモジュールを構成する必要がある。これらの光学部品は、半導体レーザーチップに比べて、体積がはるかに大きいだけでなく、それらの製造コスト及びパッケージングコストもレーザーチップ自体のコストを超えることが多いため、半導体レーザーモジュール全体の体積及び価格を更に低減することが困難であり、これは、半導体レーザー光光源の統合性のより高くコストのより低い適用を制限する。
【０００３】
レーザーモジュールの体積は、光出射面積と伝搬長さとの積として計算することができ、光出射面積は、一般的に適用ニーズと回折限界によって決定され、縮小できず、例えば、ビームの発散角及び遠方場分解能は、いずれも近接場面積によって決定されるため、レーザーモジュールの更なる小型化は、伝搬長さの減少にしか依存しない。現在、レーザーモジュールに必要な伝搬長さは、主に半導体レーザースポットのビーム拡大及び整形に使用される。その理由は、半導体レーザーチップの出射口径が一般的に、適用に必要な出射口径よりはるかに小さく、例えば、顔認識に使用されるドットマトリックス構造レーザーモジュールのビーム口径が約２ミリメートルであり、単一の垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）の近接場スポットが約１０マイクロメートルであり、ビーム拡大を完成するために大きな距離だけ伝播する必要があるからである。図１Ａは、従来の半導体レーザーモジュールの概略構成図である。図１Ａに示すように、複数の垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）１０１は、アレイ状に配置されることにより、パワーが十分に高いビームを提供することができる。複数のＶＣＳＥＬ１０１の上方には、複数のレンズ１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃからなるレンズ群、及び回折光学部品（ＤＯＥ）１０２ｄなどを含む複数の光学部品が設けられる。図１Ａに示す例では、約２ｍｍ×２ｍｍの出射スポットを提供するために、３ｍｍを超える伝搬長さが必要であるため、レーザーモジュール全体の体積が大きい。図１Ｂは、最新に開発されているメタレンズ（ｍｅｔａｌｅｎｓ、メタサーフェスとも呼ばれる）１０３を含む半導体レーザーモジュールを示す概略構成図である。メタレンズは、平面光学技術であり、従来の凹レンズ及び凸レンズなどの受動光学部品を代替することができ、厚さが波長レベルまで低減することができるが、従来のレーザーモジュールのサイズ減少量が依然として非常に限られており、これは、レーザーとメタレンズとの間にビーム拡大のために依然として長い伝播距離が必要であり、レーザーモジュールのサイズが依然として出射スポットの口径によって決定されるからである。図１Ｂに示すように、同じ垂直共振器面発光レーザー１０１のアレイを用いた場合に、約２ｍｍ×２ｍｍの出射スポットを提供するために、ビーム拡大のためのビーム伝搬長さは、依然として約３ｍｍであるため、レーザーモジュール全体の体積減少量は、非常に限られている。
【０００４】
また、垂直共振器面発光レーザーの光出射面にメタレンズを直接的に統合することは、レーザーモジュールのサイズを改善することができない。これは、単一の垂直共振器面発光レーザー１０１の出射面積が小さすぎて、出射されたビームが実際の適用要件を満たすことができず、大きなビーム拡大距離が依然として必要であるからである。したがって、レーザーモジュールの小型化に対する根本的な障害は、近接場スポットが必要な出射口径に整合できる高性能の半導体レーザーが欠けていることである。
【発明の概要】
【０００５】
本開示は、上記技術的課題のうちの１つ以上を解決することができる、メタレンズを統合した面発光レーザーの小型化モジュール及びレーザー光結合システムを提供する。
【０００６】
本開示の一態様に係るメタレンズを統合した面発光レーザーモジュールは、フォトニック結晶面発光レーザー又はトポロジカル共振器面発光レーザーを含み、光出射面を有する面発光レーザーと、前記面発光レーザーの光出射面に統合されたメタレンズと、を含む。
【０００７】
本開示の一態様に係る電子機器は、上記面発光レーザーモジュールを含む。
【０００８】
本開示の一態様に係るレーザー光結合システムは、メタレンズが光出射面から出射されたビームを集束する上記面発光レーザーモジュールと、集束されたビームと結合するように構成された光ファイバ又はオンチップ光導波路と、を含む。
【０００９】
いくつかの実施形態では、本開示は、フォトニック結晶面発光レーザー又はトポロジカル共振器面発光レーザーの光出射面にメタレンズを直接的に統合する。フォトニック結晶面発光レーザー又はトポロジカル共振器面発光レーザーは、いずれも大面積のシングルモードレーザー光を提供し、ミリメートルオーダーの口径とワットオーダーの出力パワーを実現することができ、メタレンズは、位相、偏光、出射角などの任意の自由度で出射光場を制御し、所望の出射ビームを実現することができる。したがって、本開示は、レーザーモジュール及び光ファイバ／オンチップ光導波路の通信デバイスの簡略化及び縮小を可能にする。メタレンズは、フォトニック結晶面発光レーザー又はトポロジカル共振器面発光レーザーの光出射面に直接的に統合されてもよく、例えば、出射面の半導体層にマイクロナノ構造を直接的にエッチングしてメタレンズを形成してもよく、フォトニック結晶面発光レーザー又はトポロジカル共振器面発光レーザーの光出射面に追加のメタレンズ層を堆積し、該メタレンズ層にマイクロナノ構造をエッチングしてメタレンズを形成してもよく、面発光レーザーの光出射面にマイクロナノ構造を直接的に堆積し、成長させるか、又はエピタキシャル成長させてメタレンズを形成してもよい。本開示は、半導体レーザー光源全体の平面化及び統合化を実現し、体積が従来の半導体レーザーモジュールに比べて１桁以上縮小する、近接場光スポットが必要な出射口径に整合する高性能の半導体レーザーを提供することができる。
【００１０】
本開示の上記及び他の特徴、利点は、以下の図面を参照して行う例示的な実施例の説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
（【００１１】以降は省略されています）

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