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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-12-02
(45)【発行日】2022-12-12
(54)【発明の名称】フィルタを利用した自己混合モジュールの改良
(51)【国際特許分類】
G01H 9/00 20060101AFI20221205BHJP
H01S 5/022 20210101ALI20221205BHJP
【ＦＩ】
G01H9/00 C
H01S5/022
【請求項の数】
21
(21)【出願番号】P 2018566426
(86)(22)【出願日】2017-06-13
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2019-09-19
(86)【国際出願番号】 US2017037148
(87)【国際公開番号】W WO2017218467
(87)【国際公開日】2017-12-21
【審査請求日】2020-06-15
(31)【優先権主張番号】62/349,123
(32)【優先日】2016-06-13
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】518442860
【氏名又は名称】ヴィクサー，エルエルシー
(73)【特許権者】
【識別番号】515115873
【氏名又は名称】ヴォーカルズーム システムズ リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100118902
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 修
(74)【代理人】
【識別番号】100106208
【弁理士】
【氏名又は名称】宮前 徹
(74)【代理人】
【識別番号】100120112
【氏名又は名称】中西 基晴
(74)【代理人】
【識別番号】100173565
【弁理士】
【氏名又は名称】末松 亮太
(72)【発明者】
【氏名】ジョンソン，クライン
(72)【発明者】
【氏名】フィッシュマン，タル
(72)【発明者】
【氏名】バキシュ，タル
【審査官】岡村 典子
(56)【参考文献】
【文献】特表２０１１－５１０２８７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１３－５０８７１７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００１－３３０５０９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１０－１１５６８１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０００－０１２９５７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００２－０４０３５０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－１８１９２０（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００９／０１９６６３１（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｈ １／００－１７／００
Ｈ０１Ｓ ５／００－５／５０
Ｇ０１Ｓ ７／４８－７／５１
Ｇ０１Ｓ １７／００－１７／９５
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
レーザ発光用センサ・デバイスであって、少なくとも１つのアパーチャから光を放射する少なくとも１つの部分底面発光ＶＣＳＥＬレーザであって、キャビティと、上面ミラーと、底面ミラーとを含む、部分底面発光ＶＣＳＥＬレーザと、
検出器と、
前記キャビティに対して固定位置にあるフィルタであって、前記フィルタが波長フィルタであるフィルタと、
前記レーザによって放射された光の一部を標的面上にほぼ合焦し、前記標的面から反射された任意の光の一部を戻して前記レーザ・キャビティ内に結合するための第１光学レンズと、
を含み、
第１光路が、前記レーザから放射された光の第１部分を、前記レーザと、前記第１光学レンズと、前記標的面との間で搬送し、第２光路が、前記レーザから放射された光の第２部分を、前記レーザと前記検出器との間で搬送し、
前記標的面が前記第１光路内のみに配置され、
前記フィルタが前記レーザと前記検出器との間における少なくとも前記第２光路内に配置され、前記フィルタは、前記光の前記第２部分における信号の振幅を強調させる、センサ・デバイス。
【請求項2】
請求項１記載のセンサ・デバイスにおいて、前記フィルタが、前記第１光路および前記第２光路内に配置される、センサ・デバイス。
【請求項3】
請求項１又は２記載のセンサ・デバイスにおいて、前記検出器が、前記レーザと同じ基板上に成長する、センサ・デバイス。
【請求項4】
請求項１記載のセンサ・デバイスにおいて、前記フィルタが格子またはエタロンの内１つである、センサ・デバイス。
【請求項5】
請求項１記載のセンサ・デバイスにおいて、前記レーザが、光を放射するための複数のアパーチャを有する、センサ・デバイス。
【請求項6】
請求項１記載のセンサ・デバイスであって、更に、前記レーザ発光の一部をサンプリングし、それを前記検出器に向ける手段を含む、センサ・デバイス。
【請求項7】
請求項６記載のセンサ・デバイスにおいて、前記サンプリング手段がビーム・スプリッタである、センサ・デバイス。
【請求項8】
請求項７記載のセンサ・デバイスにおいて、前記ビーム・スプリッタが、前記レーザの光軸に対してある角度に位置付けられる、センサ・デバイス。
【請求項9】
パッケージ化センサ・デバイスであって、筐体と、
少なくとも１つのミラーと基板とを有し、アパーチャから光を放射するＶＣＳＥＬレーザであって、前記光が波長を有し、少なくとも部分的に前記筐体に受容されているＶＣＳＥＬレーザと、
前記筐体の第１端において基板に搭載された検出器と、
前記レーザと前記検出器との間に配置されたフィルタであって、前記フィルタは波長フィルタであるフィルタと、
前記筐体の第２端にある少なくとも１つの光学レンズと、
を含み、
前記光の第１部分は、前記少なくとも１つの光学レンズを介して標的上に導かれ、前記光の第２部分は、前記フィルタを介して前記検出器上に導かれ、前記フィルタが、前記光の前記第２部分における信号の振幅を強調させる、パッケージ化センサ・デバイス。
【請求項10】
請求項９記載のパッケージ化センサ・デバイスにおいて、前記フィルタがエタロンである、パッケージ化センサ・デバイス。
【請求項11】
請求項９記載のパッケージ化センサ・デバイスにおいて、前記検出器が、光検出器、ＰＩＮフォトダイオード、共振キャビティ光検出器、またはアバランシェ・フォトダイオードから成る一群から選択される、パッケージ化センサ・デバイス。
【請求項12】
請求項９記載のパッケージ化センサ・デバイスにおいて、前記フィルタが、前記ＶＣＳＥＬレーザの少なくとも１つのミラーと前記ＶＣＳＥＬレーザの前記基板とを含むエタロンである、パッケージ化センサ・デバイス。
【請求項13】
請求項９記載のパッケージ化センサ・デバイスにおいて、前記フィルタが平行な２つの面を有し、各面が、前記波長において高反射性であるミラーを有する、パッケージ化センサ・デバイス。
【請求項14】
請求項９記載のパッケージ化センサ・デバイスにおいて、前記筐体が、前記レーザおよび前記フィルタの無調芯実装および組み立てのための少なくとも１つの機構を有する、パッケージ化センサ・デバイス。
【請求項15】
請求項９記載のパッケージ化センサ・デバイスにおいて、前記少なくとも１つの光学レンズが、前記光を平行化するために、前記レーザの底面発光面と前記フィルタとの間に配置される、パッケージ化センサ・デバイス。
【請求項16】
請求項９記載のパッケージ化センサ・デバイスにおいて、前記ＶＣＳＥＬレーザの前記基板が、自発発光抑制のために、少なくとも一方側に、アパーチャのパターンを有する、パッケージ化センサ・デバイス。
【請求項17】
レーザ発光用センサ・デバイスであって、少なくとも１つのアパーチャから光を放射する少なくとも１つのレーザであって、キャビティと少なくとも１つのミラーとを含む、レーザと、
検出器と、
前記キャビティに対して固定位置にあるフィルタであって、前記フィルタは波長フィルタであり、前記検出器に導かれる光における信号の振幅を強調させるフィルタと、
前記レーザによって放射された光の第１部分を標的面上にほぼ合焦し、前記標的面から反射した任意の光の一部を戻して前記レーザ・キャビティに結合する第１光学レンズと、
前記第１光学レンズと前記レーザとの間にあるビーム・スプリッタであって、前記ビーム・スプリッタが、前記光の第２部分を前記ミラーから前記検出器上へ向け直すビーム・スプリッタと、
を含み、
第１光路は、前記光の前記第１部分を前記レーザと前記標的面上との間で搬送し、第２光路は、発光された前記光の前記第２部分を前記ビーム・スプリッタと前記検出器との間で搬送する、センサ・デバイス。
【請求項18】
請求項１７記載のセンサ・デバイスにおいて、さらに、前記ビーム・スプリッタと前記検出器との間に第２光学レンズを備え、前記第２光学レンズは、前記ビーム・スプリッタからの光を略平行化して前記検出器上に導く、センサ・デバイス。
【請求項19】
請求項１７記載のセンサ・デバイスにおいて、前記標的面は、前記第１光路内のみに配置されている、センサ・デバイス。
【請求項20】
請求項１７記載のセンサ・デバイスにおいて、前記フィルタは、前記第２光路内のみに配置されている、センサ・デバイス。
【請求項21】
請求項２０記載のセンサ・デバイスにおいて、前記ビーム・スプリッタが、前記レーザの光軸に対してある角度に位置付けられる、センサ・デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願に対する相互引用
[001] 本願は、２０１６年６月１３日に出願され "Improved Self-Mix Module Utilizing Filters"（フィルタを利用した自己混合モジュールの改良）と題する米国仮特許出願第６２／３４９，１２３号の権利および優先権を主張する。この特許出願をここで引用したことにより、その内容全体が本願にも含まれるものとする。
[001] 本願は、２０１６年６月１３日に出願され "Improved Self-Mix Module Utilizing Filters"（フィルタを利用した自己混合モジュールの改良）と題する米国仮特許出願第６２／３４９，１２３号の権利および優先権を主張する。この特許出願をここで引用したことにより、その内容全体が本願にも含まれるものとする。
【0002】
発明の分野
[002] 本発明の開示は、信号の処理、およびレーザ自己混合のメカニズムに基づくセンサに関する。また、センサのためにパッケージングを改良する手段も開示する。
[002] 本発明の開示は、信号の処理、およびレーザ自己混合のメカニズムに基づくセンサに関する。また、センサのためにパッケージングを改良する手段も開示する。
【背景技術】
【0003】
[003] ここに示す背景の説明は、本開示のコンテキストを大まかに紹介することを目的とする。本願において名前が記された発明者の業績は、この背景の章において記載される限りは、更に、それ以外でも、出願の時点において先行技術としての適格性を得ることができない諸状況(aspects)にある記載も、明示または黙示を問わず、本開示に対する先行技術として、認められないこととする。
【0004】
[004] レーザまたはレーザ・ダイオードにおける自己混合(self-mixing)は、光フィードバック干渉(optical feedback interferometry)としても知られており、運動に関する物理現象を検知するための敏感なメカニズムである。この敏感さは、光フィードバックの小さなレベルに対してでさえも過度に敏感なレーザ、このフィードバックにおける相対位相変化、更にはこれらの位相変化が光自体の光波長程度の距離規模で起こるという事実に起因する。加えて、これらの変化に対するレーザの時間的応答は、極限では、レーザ・キャビティ内における光子の寿命によってのみ制限され、それ自体数十ピコ秒程度であるので、応答は非常に速くなることができる。つまり、高い速度、高い感度、および高い空間分解能が潜在的に可能であることから、自己混合は非常に魅力的なセンサ技術となる。
【0005】
[005] また、自己混合が魅力的な技術であるのは、その実施が最小限の外部コンポーネントだけを必要とし、ハードウェアの複雑さを比較的低くすることができるからである。更に他の利点は、この技術が本質的に自己整合型(self-aligned)であることである。また、これらのセンサは、ノイズ低減および情報抽出アルゴリズムというような、種々のレベルの信号処理を組み込むこともできるが、これらのアルゴリズムは、大抵の場合、特定の用途および対象の測定変量(measurand of interest)に合わせて高度にカスタム化されている。高速の特定用途回路（ＡＳＩＣＳ）が利用可能になれば、小型で高性能な自己混合センサを得ることができよう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
[006] 自己混合に基づくレーザ・センサは以前からあり、主に、振動計、変位(displacement)、形状測定、および速度計に使用されている。"Laser Self-Mixing Measuring Device"（レーザ自己混合測定デバイス）と題する米国特許第８，４１６，４２４号に記載されているデバイスのような従来のデバイスは、このような自己混合測定デバイスの１つを開示しているように思われ、レーザと検出器との間にある光路内に移動回折格子を有する。この特許をここで引用したことにより、その内容全体が本願にも含まれるものとする。使用されるのは比較的短距離の工業用途が殆どであり、この用途においては、達成可能な信号レベルでも、信頼性のある検出およびセンサ感度にかろうじて適する程度に過ぎない(adequate)。つまり、達成可能な信号レベルを高めることができれば、この技術によって取り組むことができる用途空間の大きな拡大に繋がるであろう。
【0007】
[007] 垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）は、自己混合用半導体レーザに特に適した形態である可能性がある。ＶＣＳＥＬにおける自己混合は知られている。しかしながら、ＶＣＳＥＬには、従来のレーザと同じ多くの欠点がある。即ち、達成可能な信号レベルが低い。ＶＣＳＥＬ自己混合性能を高めるために、ＶＣＳＥＬを最適化する作業が行われてきたが、改善の度合いは、ここで想起される多数の興味深い消費者向け用途には十分ではない。恐らく、最も成功した用途、および比較的最近の開発は、目標距離がセンチメートル単位である光学マウス用の自己混合系センサ(self-mixing based sensors)におけるＶＣＳＥＬの使用である。更に、ＶＣＳＥＬ主体の小型で低コストのパッケージング手法があれば、それらの利用によって多大な利益が得られる消費者向け用途および市場への自己混合センサの浸透(penetration)を増加させることができよう。
【課題を解決するための手段】
【0008】
[008] 以下に紹介するのは、本開示の１つ以上の実施形態の基本的な理解を得るために、このような実施形態を簡略化した摘要である。この摘要は、考えられる全ての実施形態の広範な全体像ではなく、全ての実施形態の鍵となる要素や重要な要素を特定することを意図するのでなく、任意のまたは全ての実施形態の範囲を正確に定めることを意図するのでもない。
【0009】
[009] 本開示のシステムおよび方法は、例えば、フィルタ、特に、ファブリ－ペロー・フィルタを利用することにより、自己混合を改良するためのシステム、デバイス、および方法を含むことができる。また、本開示のシステムおよび方法は、例えば、ＶＣＳＥＬ、特に、底面発光(bottom emission)のレベル向上、またはエタロン(etalon)との統合のために設計されたＶＣＳＥＬを利用して、自己混合センサを改良するためのシステム、デバイス、および方法も含むことができる。本開示のシステムおよび方法は、その他のおよび／または追加の便益もしくは利点も提供することができる。
【0010】
[010] 以上で概説した自己混合センサのスケーラビリティおよび感度の欠点に鑑み、本開示の１つ以上の実施形態の目的は、自己混合デバイスからの出力信号を効果的に増幅するための手段を提供することである。本開示の少なくとも１つの実施形態は、波長フィルタ、好ましくは、ファブリ－ペロー・エタロンの使用に基づき、フィルタの通過帯域の１つのエッジにおける波長で動作させることによって、信号の振幅を増大させる。したがって、波長フィルタは、監視信号の光路において、検出器よりも前に設置される。本開示の1つ以上の実施形態の他の目的は、垂直共振器レーザの使用によって、自己混合センサの小型化および一層の価格効率化を可能にすることである。具体的には、ＶＣＳＥＬからの基板側（背面）発光を利用することによって、別個のビーム・スプリッタ・コンポーネントが不要となり、効率的な垂直積層パッケージング構成を可能にすることができる。本開示の少なくとも１つの実施形態の更に他の目的は、フィルタをＶＣＳＥＬ構造自体に直接統合するために、ＶＣＳＥＬの独特な構造を利用することである。
【0011】
[011] 本開示の1つ以上の実施形態において、レーザ自己混合デバイスを提供する。このレーザ自己混合デバイスは、レーザ・ビームを生成するレーザ、このビームの一部の強度を監視する検出器、レーザ光の前記部分を検出器に結合するための手段、およびレーザと検出器との間の光路内にある光学フィルタを含む。レーザ・ビームは、外部レンズによって、部分的に反射する標的(partially reflecting target)上に合焦することができ、このレンズは、反射光の一部を戻してレーザ・キャビティに結合する役割も果たす。光学フィルタは、通過帯域の急峻領域において動作するように、電流または温度あるいはその他の手段を使用してレーザをチューニングできるような狭い範囲および波長の少なくとも１つの通過帯域を有するとよい。フィルタと検出器との間の光路には、アパーチャ、ホール、スリット、またはその他の開口を配置してもよい。反射光の一部を戻してレーザ・キャビティに結合することによって、標的の反射面の相対的運動に関係する時間、周波数、および波長情報を有する自己混合信号を生成する。
【0012】
[012] 本開示の１つ以上の実施形態において、レーザ自己混合デバイスの動作は、レーザ内でレーザ光を生成し、この光の一部を部分的に反射する標的上に導くことを伴う。次いで、反射光の一部は、戻ってレーザ・キャビティに結合される。レーザ光の他の部分は標的には向かわず、代わりに検出器に向けて導かれる。このレーザ光のサンプルまたはその一部は、フィルタを通過した後またはフィルタから反射した後に、検出器に導かれる。検出器は、その表面に入射する光の量に比例する出力信号を生成する。この出力信号は、反射光の結合が原因となって生ずるレーザ内部の自己混合効果のために、時間的に変動する。標的に関する変位または運動に関する情報を抽出するために、出力信号を測定し処理する。
【0013】
[013] フィルタの目的は、信号を検出器に供給することであり、このフィルタは、サンプリングされたレーザ・ビームの波長に非常に敏感であり、非常に小さな波長変化が、フィルタの透過または反射特性の大きな変化を生ずる。言い換えると、サンプリングされた自己混合変調光がフィルタに遭遇した後に検出器に到達ときに、その内部に光子がある確率は、その波長に大きく依存する。振幅または強度変調と時間同期して波長変調を呈するのは、自己混合信号の物理的性質に入るので、フィルタは、検出に利用可能な信号を効果的に増幅または抑制するように作用することができる。
【0014】
[014] 放射光の波長が、フィルタの透過または反射特性において比較的急峻な変化領域に対応するように、レーザを動作させることができる。フィルタ特性の立ち上がりエッジにおいて動作させると、波長が高くなるにつれて透過または反射が増大し、更にサンプリングされた光信号の強度増大が長い方の波長へのシフトを伴う場合、効果は加算的（同相）となり、信号の見かけ上のピーク・ピーク変調は増加する。フィルタ特性の立ち下がりエッジにおいて動作させると、波長が高くなるにつれて透過または反射が減少し、更にサンプリングされた光信号の強度増大が長い方の波長へのシフトを伴う場合、効果は減算的（位相外れ）となり、信号の見かけ上のピーク・ピーク変調は減少する。フィルタ特性の立ち上がりエッジにおいて動作させると、波長が高くなるにつれて透過または反射が増大し、更にサンプリングされた光信号の強度増大が短い方の波長へのシフトを伴う場合、効果は減算的（位相外れ）となり、信号の見かけ上のピーク・ピーク変調は減少する。 フィルタ特性の立ち下がりエッジにおいて動作させると、波長が高くなるにつれて透過または反射が減少し、更にサンプリングされた光信号の強度増大が短い方の波長へのシフトを伴う場合、効果は加算的（同相）となり、信号の見かけ上のピーク・ピーク変調は増大する。
【0015】
[015] 原則的に、本明細書において開示する種々の実施形態のこの態様は、自己混合効果が発生することができるレーザであれば、全ての種類とでも有効に作用する。本明細書において開示する種々の実施形態は、標的に向けて導かれていないレーザ光をサンプリングするためにビーム・スプリッタを使用するシステムにおいて採用することができる。同様に、本明細書において開示する実施形態は、端面発光レーザの場合は後面(back facet)からの発光、またＶCＳＥＬの場合は基板面からの発光から、レーザ光のサンプリングされる部分が導出されるシステムにおいても使用することができる。また、このフィルタ・エレメントは、フィルタおよびビーム・サンプリング・コンポーネント、即ち、ビーム・スピリッタの双方として、二重の機能を果たすことができることも可能である。
【0016】
[016] 本明細書において開示する種々の実施形態の更に他の態様は、基板発光ＶCＳＥＬレーザを使用することによるパッケージング・サイズの縮小および複雑さの低下である。典型的なＶＣＳＥＬは非常に高い反射率の底面ミラー（＞９９．９％）で設計され、したがって、光パワーの殆ど全ては、それよりも反射率が低い、通例では＜９９．６％の上面ミラーを通して放射される。底面ミラーの反射率を低下させることによって、基板を通して放射されるレーザ光の量を増やすことができる。したがって、ＶＣＳＥＬが検出器よりも上の位置に搭載されると、この底面放射光は、自己混合信号を監視するために利用可能になる。つまり、ビーム・スプリッタが不要となる。ＶＣＳＥＬを検出器上に直接積層することができ、または仲介空気間隙によって離して設定することができる。部分的底面発光ＶＣＳＥＬは、エタロンと共にパッケージングするには有利である。好ましくは、ＶＣＳＥＬは、基板側に、ホールまたはアパーチャによるパターン化金属を有し、ホールまたはアパーチャは、望ましくない自発放射光(spontaneous emission light)を抑制しつつ、レーザ光を通過させるように機能する。検出器における自発発光(spontaneous emission)の存在は、信号対ノイズ比を低下させる、望ましくない検出器信号を発生する可能性がある。また、基板発光面には、低反射コーティングを被覆することもでき、信号損失を低減し、レーザ・パワー放射の線形性を注入電流の関数として改善し、レーザ・キャビティ光(laser cavity light)自体に対する摂動を低減または極小化することができる。
【0017】
[017] 性能を高めつつ更にセンサ・サイズを縮小し、コストを削減し、パッケージングの複雑さを低減するために、本明細書において開示する実施形態は、エタロンと直接統合されたＶＣＳＥＬレーザを利用することができる。ＶＣＳＥＬは、光透過性の基板に隣接する高反射ミラーを一部に含み、基板の最終面(substrate final surface)に高反射（ＨＲ）ミラー・コーティングを被覆することによって、エタロンのフィルタリング機能を組み込むことができる。このような場合、基板はそれ自体が、一方側にＶＣＳＥＬの底面ＤＢＲが接し(bounded)他方側にＨＲコーティングが接する、エタロンのキャビティ・スペーサ領域(cavity spacer region)となる。ビームの発散のために、そしてエタロン・キャビティ内におけるレーザ照明のビーム直径が小さいために、予期される性能は理想的とはならない可能性があるが、相当な信号強調(enhancement)を生ずるのに十分であることを立証することができる。
【0018】
[018] 本開示の一実施形態では、自己混合センサ・デバイスは、射出成形されたプラスチック筐体を含み、この筐体上に、一部底面発光ＶＣＳＥＬ(partially bottom-emitting VCSEL)が、２：１の上面対底面発光比で取り付けられる(affix)。ＶＣＳＥＬは、例えば、９４０ｎｍの波長で光を放射する。ＶＣＳＥＬの基板面は、パターン化された金属膜によってメタライズされ、このパターンは、例えば、ＶＣＳＥＬ発光領域の中心に整列された直径２０μｍの一連のアパーチャである。アパーチャの内面には、窒化シリコンの１／４光波(1/4 optical wave of silicon nitride)のような、しかしこれには限定されない反射防止コーティングを被覆してもよい。ＶＣＳＥＬは、ＶＣＳＥＬチップの上面上に、陽極および陰極電気接点を有する。ＶＣＳＥＬの直下には、射出成形筐体の一部を形成するレンズが配置されている。このレンズの目的は、レーザ発光を平行化し、ビーム・サイズを広げることである。レンズのＶＣＳＥＬとは逆側には、波長フィルタとして機能するエタロンがあり、これもプラスチック・パッケージに取り付けられている。一実施形態では、エタロンは、少なくとも一方側に被覆された溶融シリカの層を、少なくとも部分的に反射するミラーまたは部分的に反射するコーティングと共に含む。この実施形態は、更に、シリコン検出器およびプラスチック筐体が取り付けられる(attached)サブマウント(sub-mount)も含む。組み立てられると、検出器はエタロンの最終面に、仲介空気間隙を介して(with)面する。サブマウントは、更に、電気インターフェースをデバイスに設ける。即ち、レーザの陽極および陰極、ならびに検出器の陽極および陰極を設ける。筐体の外部には、標的においてレーザ・ビームを合焦し、反射した戻り光を収集するレンズがある。このレンズは、戻り光の一部をＶＣＳＥＬキャビティに結合する機能も果たす。
【0019】
[019] 本明細書において開示する種々の実施形態は、標的の運動、変位、振動、および関係するモーション・アーチファクトを測定するためにセンサにおいて使用することができる。ある実施形態では、約１メートル程度以上の距離において検知を必要とする用途に相応しい場合がある。ある実施形態では、１メートル未満の距離において検知を必要とする用途に相応しい場合がある。これらは、例えば、標的の運動、変位、振動、および関係するモーション・アーチファクトの検知を必要とする、任意の種類の産業用または民生用の用途とすることができる。
【0020】
[020] 本願において説明する自己混合センサの例では、単一モード・レーザ源が光ビームを発光し、レンズによってこの光ビームを標的に合焦させる、または導く。標的は、物体、形状、または表面でもよい。レーザ信号は標的から散乱され、一部がレーザに戻り、レーザのファセットを通ってレーザに再入射する。この戻り信号が出射(outgoing)信号と混合する。ＶＣＳＥＬから標的までの往復距離が、出射信号および入射信号が同相となるような場合、これらは加算的に(constructively)干渉し、その結果レーザからの光出力が増大する。ＶＣＳＥＬから標的までの往復距離が、出射ビームおよび入射ビームが位相はずれとなるような場合、これらは減算的に干渉し、その結果レーザからの光出力は減少する。標的が動くに連れ、戻りビームは送信ビームと同相および位相外れとなり、時間的変動または発振(oscillation)によって特徴付けられる自己混合信号を生成する。各発振は、１波長と同等の移動(movement)に対応する。
【0021】
[021] １つ以上の実施形態において、レーザ発光用センサ・デバイスは、少なくとも１つのアパーチャから光を放射する少なくとも１つのレーザであって、キャビティと少なくとも１つのミラーとを含む、レーザと、検出器と、キャビティに対して固定位置にあるフィルタと、少なくとも１つの光学レンズとを含む。光学レンズは、レーザ発光の一部を標的の表面上にほぼ合焦し、標的の表面から反射した任意の光の一部を戻してレーザ・キャビティに結合する。第１光路は、レーザから発光された光の第１部分をレーザと標的の表面との間で伝達し(carry)、第２光路は、レーザから発光された光の第２部分をレーザと検出器との間で伝達する。標的面は第１光路内のみに配置され、フィルタは少なくとも第２光路内に配置される。フィルタは、第１光路および第２光路内に配置されてもよい。レーザはＶＣＳＥＬであってもよい。検出器は、レーザと同じ基板上で成長させてもよい。フィルタは、格子(grating)またはエタロンの内の１つであってもよい。レーザは、光を放射するために複数のアパーチャを有してもよい。センサ・デバイスは、更に、レーザ発光の一部をサンプリングし、それを検出器に向ける(present)手段を含むこともできる。このサンプリング手段は、ビーム・スプリッタであってもよい。ビーム・スプリッタは、レーザの光軸に対してある角度に位置付けられればよい。フィルタは、レーザ発光の内サンプリングされる部分の光路内にあってもよい。ある実施形態では、サンプリングされる部分は、レーザ発光の５０％以下である。ある実施形態では、サンプリングされる部分はレーザ発光の１０％以上である。レーザはＶＣＳＥＬであってもよく、光はこのＶＣＳＥＬの底面を通して放射されてもよい。レーザは、コーティングを有する底面発光面(bottom emitting surface)を含んでもよい。コーティングは、レーザ発光の波長において反射防止性または反射性であってもよい。検出器は、光検出器、ＰＩＮ光検出器、共振キャビティ光検出器(resonant cavity photodetector)、またはアバランシェ・フォトダイオードから成る一群から選択されてもよい。レーザは、端面発光レーザ、ＶＣＳＥＬ、ソリッド・ステート・レーザ、ガス・レーザ、または任意の他の適したレーザであってもよい。光は、ある実施形態では、約８００ｎｍおよび１０００ｎｍの間の波長を有してもよい。フィルタは、格子および空間フィルタまたはスリットで構成されてもよい。フィルタは、約５ｎｍ未満の自由スペクトル範囲(Free Spectral Range)を有するエタロンであってもよい。フィルタは、約１ｎｍ未満の自由スペクトル範囲を有するエタロンであってもよい。フィルタは、約５よりも大きいフィネス(finesse)を有するエタロンであってもよい。フィルタは、約１０よりも大きいフィネスを有するエタロンであってもよい。フィルタは、送信ピークを有し、光の波長に最も近い送信ピークの半値全幅送信帯域幅(full width at half max transmission bandwidth)は１ｎｍ以下である。レーザは複数の発光アパーチャを有してもよい。ある実施形態では、レーザは、少なくとも１つのミラーと基板とを有するＶＣＳＥＬであってもよく、フィルタは、ＶＣＳＥＬの少なくとも１つのミラーと基板とを有するエタロンである。レーザは、更に、基板上に反射コーティングを含んでもよい。ある実施形態では、フィルタは検出器に搭載される(mounted)。ある実施形態では、レーザはＶＣＳＥＬであり、レーザはフィルタに搭載される。ある実施形態では、レーザは、上面および底面を有するＶＣＳＥＬであり、上面から放射されるピーク光パワーの底面から放射されるピーク光パワーに対する比率は、１：１および１０：１の間である。ある実施形態では、センサ・デバイスは更に筐体を含む。
【0022】
[022] １つ以上の実施形態において、パッケージ化センサ・デバイスは、筐体と、アパーチャから光を放射するレーザであって、光が波長を有する、レーザと、筐体の第１端部において基板に搭載された検出器と、レーザと検出器との間に配置されたフィルタと、筐体の第２端部における少なくとも１つの光学レンズとを含む。少なくとも１つの実施形態では、少なくとも１つの光学レンズが、光を平行化するために、レーザの底面発光面とフィルタとの間に配置される。ある実施形態では、波長は約８００ｎｍおよび１０００ｎｍの間であってもよい。少なくとも１つの実施形態では、レーザはＶＣＳＥＬである。ある実施形態では、筐体は成形プラスチックで構成される。少なくとも筐体が成形プラスチックで構成される実施形態では、少なくとも１つの光学レンズを筐体内に一体的に形成してもよい。他の実施形態では、筐体は金属で構成してもよく、レンズは筐体に取り付けられた(affixed)プラスチック・インサート(plastic insert)であってもよい。ある実施形態では、少なくとも検出器およびフィルタは、筐体のキャビティ内に配置される。ある実施形態では、レーザは筐体の外面上にある凹陥(recess)内に搭載される。ある実施形態では、基板は筐体に搭載される。筐体は、レーザおよび検出器へのワイヤボンド相互接続のために十分な隙間(clearance)を許容する少なくとも１つの機構(feature)を有してもよい。筐体は、レーザおよびフィルタの無調芯実装(passive alignment)および組み立てのために少なくとも１つの機構を有してもよい。ある実施形態では、検出器は、光検出器、ＰＩＮ光検出器、共振キャビティ光検出器、またはアバランシェ・フォトダイオードから成る一群から選択されてもよい。ある実施形態では、フィルタはエタロンであってもよい。ある実施形態では、フィルタは検出器に搭載されてもよい。フィルタは、ある実施形態では、レーザから離れていてもよい。フィルタおよびレーザは、モノリシック構造を形成してもよい。ある実施形態では、フィルタは、前述の波長において低い光損失を呈する材料を含んでもよい。少なくとも１つの実施形態では、フィルタは平行な２つの面を有し、各面は、前述の波長において非常に反射性が高いミラーを有する。ある実施形態では、フィルタは約５ｎｍ未満の自由スペクトル範囲を有してもよい。ある実施形態では、フィルタは約２ｎｍ未満の自由スペクトル範囲を有してもよい。フィルタは、５よりも大きいフィネスを有してもよい。ある実施形態では、フィルタは１０よりも大きいフィネスを有してもよい。フィルタは、ある実施形態では、送信ピークを有し、光の波長に最も近い送信ピークの半値全幅送信帯域幅(full width at half max transmission bandwidth)は１ｎｍ以下である。レーザは、複数の発光アパーチャを有してもよい。ある実施形態では、レーザは、少なくとも１つのミラーと基板とを有するＶＣＳＥＬであってもよく、フィルタは、ＶＣＳＥＬの少なくとも１つのミラーと基板とを含むエタロンであってもよい。ある実施形態では、基板上に反射コーティングがあってもよい。ある実施形態では、レーザはＶＣＳＥＬであってもよく、レーザはフィルタに搭載されてもよい。少なくとも１つの他の実施形態では、レーザは上面および底面を有するＶＣＳＥＬであり、上面から放射されるピーク光パワーの底面から放射されるピーク光パワーに対する比率は、１：１および１０：１の間である。ある実施形態では、レーザは基板を有するＶＣＳＥＬであってもよく、基板は、光の自発発光の抑制のために、少なくとも一方側に、アパーチャのパターンを有する。
【0023】
[023] １つ以上の実施形態において、レーザ発光(laser light emission)用センサ・デバイスは、少なくとも１つのアパーチャから光を放射する少なくとも１つのレーザを含んでもよく、このレーザは、キャビティおよび少なくとも１つのミラーと、検出器と、キャビティに対して固定位置にあるフィルタと、レーザ発光の一部を標的の表面上にほぼ合焦し、標的の表面から反射した任意の光の一部を戻してレーザ・キャビティに結合する少なくとも１つの光学レンズと、この光学レンズとレーザとの間にあるビーム・スプリッタとを含む。センサ・デバイスは、更に、レーザ発光の一部をサンプリングし、それを検出器に提示する手段を含んでもよい。サンプリング手段はビーム・スプリッタであってもよい。ビーム・スプリッタは、レーザの光軸に対してある角度で位置付けられればよい。フィルタは、レーザ発光のサンプリングされた部分の光路内にあってもよい。ある実施形態では、サンプリングされた部分は、レーザ発光の５０％以下である。ある実施形態では、サンプリングされた部分はレーザ発光の１０％以上である。レーザはＶＣＳＥＬであってもよく、光はこのＶＣＳＥＬの底面を通して発光されてもよい。レーザは、コーティングを有する底面発光面(bottom emitting surface)を含んでもよい。コーティングは、レーザ発光の波長において反射防止性または反射性であってもよい。検出器は、光検出器、ＰＩＮ光検出器、共振キャビティ光検出器(resonant cavity photodetector)、またはアバランシェ・フォトダイオードから成る一群から選択されてもよい。レーザは、端面発光レーザ、ＶＣＳＥＬ、ソリッド・ステート・レーザ、ガス・レーザ、または任意の他の適したレーザであってもよい。光は、ある実施形態では、約８００ｎｍおよび１０００ｎｍの間の波長を有してもよい。フィルタは、格子および空間フィルタまたはスリットで構成されてもよい。フィルタは、約５ｎｍ未満の自由スペクトル範囲(Free Spectral Range)を有するエタロンであってもよい。フィルタは、約１ｎｍ未満の自由スペクトル範囲を有するエタロンであってもよい。フィルタは、約５よりも大きいフィネス(finesse)を有するエタロンであってもよい。フィルタは、約１０よりも大きいフィネスを有するエタロンであってもよい。フィルタは、送信ピークを有し、光の波長に最も近い送信ピークの半値全幅送信帯域幅(full width at half max transmission bandwidth)は１ｎｍ以下である。レーザは複数の発光アパーチャを有してもよい。ある実施形態では、レーザは、少なくとも１つのミラーと基板とを有するＶＣＳＥＬであってもよく、フィルタは、ＶＣＳＥＬの少なくとも１つのミラーと基板とを有するエタロンである。レーザは、更に、基板上に反射コーティングを含んでもよい。ある実施形態では、フィルタは検出器に搭載される(mounted)。ある実施形態では、レーザはＶＣＳＥＬであり、レーザはフィルタに搭載される。ある実施形態では、レーザは、上面および底面を有するＶＣＳＥＬであり、上面から放射されるピーク光パワーの底面から放射されるピーク光パワーに対する比率は、１：１および１０：１の間である。ある実施形態では、センサ・デバイスは更に筐体を含む。
【0024】
[024] 複数の実施形態を開示するが、本開示の更に他の実施形態も、本発明の例示な実施形態を示し説明する以下の詳細な説明から、当業者には明白となるであろう。認められるであろうが、本開示の種々の実施形態は、種々の自明な態様において変更が可能であり、全て、本開示の主旨および範囲から逸脱することはない。したがって、図面および詳細な説明は、性質上限定ではなく例示と見なすこととする。
【0025】
[025] 本明細書は、本開示の種々の実施形態を形成すると見なされる主題を特定的に指摘し明白に特許請求する請求項で完結するが、以下の説明を添付図面と関連付けて検討することから、 本発明は一層深く理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【0026】
【図6-2】Ｅは、光路内のエタロンによる自己混合信号の強調を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0027】
[042] 本開示は、信号の処理、およびレーザ自己混合のメカニズムに基づくセンサ、ならびにこのセンサ用のパッケージに関する。
【0028】
[043] 以下の詳細な説明では、いくつかの実施形態の完全な理解を得るために、多数の具体的な詳細について明記する。しかしながら、実施形態には、これらの具体的な詳細がなくても実施できるものもあることは、当業者には理解されよう。他方では、周知の方法、手順、コンポーネント、ユニット、および／または回路については、論述が曖昧にならないように、詳細には説明しない。
【0029】
[044] 本開示の１つ以上の実施形態を参照して本明細書において説明する機能、動作、コンポーネント、および／または特徴は、本開示の１つ以上の他の実施形態を参照して本明細書において説明する１つ以上の他の機能、動作、コンポーネント、および／または特徴と組み合わせることもでき、あるいはこれらと組み合わせて利用することもできる。つまり、本開示は、本明細書において説明するモジュールまたは機能またはコンポーネントが本論述の異なる場所または異なる章において論じられていても、もしくはこれらが異なる図面または複数の図面に跨がって示されていても、その一部あるいは全部のあらゆる可能な組み合わせまたは適した組み合わせ、再構成(re-arrangement)、組み立て(assembly)、再組み立て、もしくはその他の利用も含むことができる。
【0030】
[045] 本開示の特定の特徴については本明細書において図示および説明するが、多くの修正、交換、変更、および均等物も当業者には想起されよう。したがって、特許請求の範囲は、このような修正、交換、変更、および均等物の全てに該当することを意図している。
【0031】
[046] レーザ・ビームが外部標的から後方散乱されると、レーザ・ビームは、ある状況では、その反射パワーの一部を戻してレーザ・キャビティに結合することができる。この後方結合光(back-coupled light)は、キャビティ内において定在波と自然に干渉し、発光された光の光パワーおよび周波数（波長）に不安定さまたは変動を招く。この光パワーの変動は、光検出器によって光路における任意の地点において監視することができる。順方向伝搬光は、主レーザ・ビームから分割またはサンプリングし、検出器に導くことができる。代わりに、レーザから発光される副ビームの形態である後方伝搬光は、直接検出器に入射することができる。
【0032】
[047] 反射光が戻ってレーザ・キャビティに結合するとき、時間遅延および位相が伴う。したがって、定在波との相互作用は非常に複雑であり、レーザの閾値条件の修正が行われることになるのが通常である。電気バイアスまたは励起パワーが一定に保たれているとすると、この閾値条件の変化は、放射される光パワーの変化としてはっきりと現れる。これらのパワー変動を解釈することによって標的の動きおよび距離の具体的詳細を導き出すアルゴリズムを適用することができる。また、閾値条件の変化は、定常状態の搬送波密度(carrier density)の変化も伴うので、放射光の波長も、同じ時間依存性で影響を受ける。
【0033】
[048] レーザは光フィードバックに対して非常に敏感であるが、フィードバック下におけるレーザの出力の変化の絶対的な大きさ(magnitude)は小さく、ノイズを多く含む可能性がある。したがって、自己混合信号の強度は、理想的な条件下であっても、本来非常に低いので、信号対ノイズ比を高めることが望ましい。
【0034】
[049] 自己混合信号は、周期的な振幅のフリンジ(fringe)として現れ、これらのフリンジの各々は、１／２光波長、即ち、１／２波に等しい反射光における全位相シフトに対応する。フリンジの大きさは、レーザ設計の具体的詳細、およびフィードバックの強度（即ち、キャビティ内に戻って結合される光の量）に応じて異なる。結合が強い程、強い信号が得られるのが通常である。フィードバック結合の量を増やす方法には、アパーチャが大きいまたは開口数が大きい光学素子を使用すること、標的の組成または反射率を変化させること、あるいは標的までの距離を短くすることが含まれる。場合によっては、標的の組成(composition)を固定するか、そうでなければユーザの制御下に置かないこともあり、更にセンサ・サイズの縮小が重要になることもある。このような場合、信号強調の主要な手段は、自己混合に対する感度を高めるように、レーザ設計を最適化することである。どれくらい多くの改良を達成できるかについては限界がある。何故なら、あるフィードバックのレベルにおいて、レーザは不安定になり、自己混合は不規則になる(erratic)からである。
【0035】
[050] 自己混合信号は、通常、一定の背景信号レベル、即ち、バイアス上に重畳された、前述のフリンジまたは変調成分（信号）で構成される。変調成分（信号）のバイアス成分に対する比を変調深度ｍと呼んでもよい。安定動作領域(regime)では、典型的なレーザは、高いレベルの結合光フィードバックの下で、＜０．５％程度の変調深度mを呈するとして差し支えない。レーザからの光パワーを最小に抑えることは、頻繁に要望されている。レーザが１mＷの光パワーを放射している場合、近似信号は、したがって、約５μＷピーク・ツー・ピークとなる。応答度が０．５Ａ／Ｗの典型的なシリコン光検出器を使用する場合、これが意味するのは、電気的に変換された信号の値が２．５μＡピーク・ツー・ピークになるということである。これは、検出回路において背景ノイズによって圧倒され得る小さい値である。光学素子の小型化によるフィードバック・レベルの低下、標的の反射率の低下、および／または標的距離の延長は、信号レベルにおいて対応する低下を招く可能性があり、問題を悪化させるおそれがある。したがって、この信号レベルを高めることは非常に重要である。
【0036】
[051] 自己混合変調下におけるレーザの光パワーの変化を検出する代わりに、内部接合電圧を監視することができる。これは、光検出器が不要になるという利点があるが、達成可能な信号が非常に低いため、この手法は本質的に利用が限られる。
【0037】
[052] これは、要求されるキャビティおよびミラーを形成するために活性結晶(active crystal)の端面を割ることによって形成される、一般的なＦＰ、即ち、ファブリ・ペロー・レーザである。ＦＰレーザは、この用途には便利である。何故なら、これらは、通例、いわゆるバック・ファセット・モニタ・フォトダイオード(back-facet monitor photodiode)と共に同じパッケージ内にパッケージングされるからである。つまり、端面発光レーザ(edge-emitting laser)が使用される場合、自己混合検出器は、レーザ・ダイオード自体と一緒にパッケージングされるバック・ファセット・モニタ・フォトダイオードにすることができる。
【0038】
[053] 自己混合センサにおいて使用されるレーザは、ガス・レーザ、ソリッド・ステート・レーザ、または半導体レーザであってもよい。多くの自己混合に基づくセンサは、端面発光レーザ・ダイオードを利用する。垂直共振器面発光型レーザー（ＶＣＳＥＬ）は、自己混合には特に適した半導体レーザの形態であると言うことができる。ＶＣＳＥＬは、基板を含む半導体レーザであり、基板の上に、第１底面分布ブラグ反射（ＤＢＲ： Distributed Bragg Reflector）ミラー、キャビティと呼ばれる活性光生成活性領域(active light generating active region)、および第２上面ＤＢＲミラーが順次堆積される。光は、デバイスの上面に対して法線方向に放射される。
【0039】
[054] ＶＣＳＥＬは、垂直発光という特性により、従来のレーザよりもはるかに高いパッケージング柔軟性をもたらし、ＬＥＤまたは半導体集積回路（ＩＣ）に利用可能な広範囲のパッケージの使用に道を開いた。ＶＣＳＥＬアレイは、垂直積層構成で、光検出器または光学エレメントと共にパッケージングすることができる。プラスチックまたはセラミック製の表面実装パッケージングまたはチップ・オン・ボードという選択肢も、ＶＣＳＥＬに利用可能である。
【0040】
[055] 同じチップ上に、複数のレーザを、別個の発光アパーチャと共に製作することができる。これらのアパーチャは、電気的に直列に、並列に、または個々にアドレス可能に接続することができる。同じＶＣＳＥＬチップ上に個々にアドレス可能なアパーチャのアレイがある場合、ビーム方向誘導(beam-steering)の効果は、１つ以上のアパーチャを選択的に照明することによって得ることができる。レンズと共に使用するとき、これは、機械的な動きを全く必要とせずに、視野内の領域を照明することを可能にする。また、自己混合センサの並列アレイも、ＶＣＳＥＬで構築することができる。
【0041】
[056] 本開示は、１つ以上のフィルタを利用することによって、例えば、本明細書において説明するような、ファブリ・ペロー・フィルタおよび／または他の適したフィルタ（１つまたは複数）を使用することによって、自己混合（ＳＭ）信号を改良するおよび／または増大させるためのシステム、回路、方法、およびデバイスを含むことができる。システムは、少なくとも１つの実施形態では、レーザ主体の送信機と、対象エリアから学習した光フィードバックを捕捉する光センサと、光フィードバックを処理し、光フィードバックに対応する信号（例えば、データのストリーム、データ・ストリーム、オーディオ信号または音響信号に対応する、模擬する、またはエミュレートするデータ）を生成する光プロセッサとを含むのでもよい。
【0042】
[057] 「底面」(bottom)および「上面」(top)という用語は、レーザ構造を論ずるときには、自由に相互交換することができ、「底面」(bottom)という用語は、通常、光検出器に向かって面する副ミラーを引用するために使用される。ＶCＳＥＬの場合、これは、通常、デバイスの基板側と解釈される。端面発光ファブリ・ペロー・レーザ、ソリッド・ステート・レーザ、またはガス・レーザ、あるいは同様のものというような、任意のレーザ・キャビティ設計の場合、「底面」(bottom)および「上面」(top)という用語は、「左」(left)および「右」(right)または「主」(primary)および「副」(secondary)とすることも、等しい有効性で、可能であり、これらの用語は、レーザ・キャビティを構成する２つの一意の反射面を区別することを意図するに過ぎない。
【0043】
[058] 「フィルタ」(filter)および「波長選択エレメント」(wavelength selective element)という用語は、この論述では相互交換可能に使用することができる。フィルタは、エタロン(etalon)または格子でもよく、透過モードまたは反射モードの内少なくとも１つで動作することができる。
【0044】
[059] 殆どの商用センサの用途では、人の目には気付かれない光波長を使用することが望ましい。これは、スペクトルの近赤外線（ＮＩＲ）範囲であり、最も一般的な対象範囲は８３５ｎｍ～９８０ｎｍである。一実施形態では、９４０ｎｍを好ましい波長にするとよい。何故なら、これは非常に低い視認性を与え、低コストのシリコンを使用する光検出器では最も高い感度に近いからである。
【0045】
[060] 図１は、一例として、自己混合センサ・デバイス１００を示す。自己混合センサ・デバイス１００は、第１ミラー１０４、光生成キャビティ１０６、および第２ミラー１０８を有するレーザ１０２と、前記第１ミラー１０４から放射された光１１２を標的１１４上に合焦する第１光学レンズ１１０と、前記第２ミラー１０８から放射された光１１８をほぼ平行化し、それを検出器１２０に向けて導く第２光学レンズ１１６とで構成されている。少なくとも１つの実施形態では、標的１１４は部分的に反射する標的であってもよい。少なくとも１つの実施形態では、標的１１４は移動標的であってもよい。１つの代替実施形態では、第２光学レンズ１１６は随意選択肢であってもよく、その場合、第２ミラー１０８からの光１１８は平行化されない。検出器１２０と第２ミラー１０８との間には、光学フィルタ１２２を配置してもよい。ある実施形態では、フィルタ１２２は、レーザ、検出器、または双方に対して固定位置にある。第２レンズ１１６がある場合、前記フィルタ１２２を第２レンズ１１６と検出器１２０との間に配置してもよい。したがって、このシステムでは２本の光路が定められる。即ち、第１ミラー１０４から標的１１４までの第１経路１２４、および第２ミラー１０８から検出器１２０への第２経路１２６である。つまり、フィルタ１２２は第２経路１２６内にあってもよい。少なくとも１つの実施形態では、このフィルタは固定位置にある。動作において、本明細書において論ずる実施形態の全てではないにしても、その多くでは、検出器端子にある信号は、本来のレーザ・キャビティ光と、静止標的または移動標的から反射または散乱された光とのキャビティ内混合によって生成される自己混合信号である。自己混合信号は、急峻に画成された通過帯域エッジを有する光学フィルタのような、しかしこれには限定されないフィルタの波長濾波作用によって、強調する(enhance)ことができる。ある実施形態では、レーザは約８５０ｎｍおよび９４０ｎmの間の範囲で光を放射することができる。一実施形態では、レーザは約８５０ｎｍまたはその付近で光を放射する。一実施形態では、レーザは約９４０ｎmまたはその付近で光を放射する。
【0046】
[061] 図２は、代替自己混合センサ・デバイス２００の構成を示す。この場合も、自己混合センサ・デバイス２００は、第１ミラー２４０、光生成キャビティ２０６、および第２ミラー２０８を有するレーザ２０２と、第１ミラー２０４から放射された光２１２を、部分的に反射する標的２１４に合焦する第１レンズ２１０と、ビーム・サンプリング・エレメント２１６とを含む。ビーム・サンプリング・エレメント２１６は、第１ミラー２０４からの光２１２の一部を第２レンズ２１８に向けて方向転換し、第２レンズ２１８はこの光をほぼ平行化し、それを検出器２２０に導く。一実施形態では、ビーム・サンプリング・エレメント２１６はビーム・スプリッタである。少なくとも１つの実施形態では、ビーム・スプリッタは、レーザ２０２の光軸に対してある角度で位置付けられる。第２レンズ２１８と検出器２２０との間の光路２２１には、光学フィルタ２２２を配置してもよい。他の実施形態では、第２レンズ２１８がなく、フィルタ２２２は、ビーム・スプリッタ２１６と検出器２２０との間に配置されてもよい。更に他の実施形態では、図２のビーム・サンプリング・エレメント２１６は、第１レンズ２１０と標的２１４との間に配置することができ、この場合、第２レンズ２１８を省略してもよい。他の実施形態では、ビーム・サンプリング・エレメントおよびフィルタが、複合サンプリング・コンポーネント(combined sampling component)を形成することができる。入射ビームの光軸に関してある角度に傾けられたエタロンが、このような複合サンプリング・コンポーネントの例であろう。このような実施形態では、傾けられた複合サンプリング・コンポーネントを、第１ミラー２０４と検出器２２０との間に配置することができる。ある実施形態では、検出器２２０およびフィルタ２２２をレーザ２０２の光軸と平行に位置付けることができる。ある実施形態では、検出器２２０およびフィルタ２２２を、レーザの光軸に対して垂直に位置付けることができる。
【0047】
[062] 図１および図２の双方において、レーザ１０２、２０２は、好ましくは、半導体レーザであるが、ガス・レーザまたはソリッド・ステート・レーザであってもよい。好ましい実施形態では、レーザはＶＣＳＥＬである。
【0048】
[063] 図１および図２の双方において、検出器１２０、２２０は、好ましくは、フォトダイオードであってもよい。検出器１２０、２２０は、広帯域光検出器、または共振キャビティ・フォトダイオード(resonant-cavity photodiode)であってもよい。検出器１２０、２２０は、光エネルギを、この光エネルギ、強度(intensity)、またはパワーに比例する電流のような、信号に変換する。この電流は、更なる信号処理のために増幅することができる。
【0049】
[064] 図３は、標的がレーザ・キャビティに対して動いているときに、標的から散乱または反射された光が、第１ミラーを介して第１レンズによって、レーザ・キャビティ内に結合されたときに検出器に現れる特性自己混合信号３００を示す。信号３００は、結合光の、キャビティ内にある、既存の定在波との干渉性混合(coherent mixing)のために、周期的な、またはそうでなければ時間依存の「鋸歯」フリンジ３０２を有する。「鋸歯」フリンジ３０２の形態および時間依存性が、標的の位置および動きの具体的詳細に関係する情報をエンコードする。更に、信号３００は、図３に示すように、そのピーク－ピーク振幅およびＤＣオフセットによって特徴付けられる。ピーク－ピーク変動の振幅が重要となり得るのは、環境的外乱および電子部品の背景ノイズが原因となる、本質的にノイズが多い背景から、信号処理によって動きデータを抽出することができる信頼性に、ピーク－ピーク変動の振幅が影響を及ぼすからである。フリンジの時間周波数、形状、および傾斜から、標的の発光源(source)に対する相対的な動き、および標的までの絶対距離についての情報が得られる。
【0050】
[065] 図４は、自己混合信号４００の振幅の時間変化に、レーザ波長の絶対値の同時および相関シフトがどのように付随するかを示す。１つの鋸波４０２の周期において、レーザ波長の絶対値は、量ΔλＳＭだけ変化する。ここで、ΔλＳＭはフィードバックの条件に依存し、ピコメートル程度またはそれ以上であればよい。自己混合信号が、ほぼステップ状の応答を有する光学フィルタを通過し、信号の中心波長が、ステップ応答の中点をほぼ中心とする場合、フィルタの透過によって信号のスペクトルおよび振幅成分を畳み込み、透過信号の著しい明白な増幅が生ずるに至り、これは検出器によって観察可能となる。
【0051】
[066] 光学フィルタは、非常に分散的な回折格子およびスリットを使用することによってというように、複数の方法で実現することができる。一実施形態では、フィルタはファブリ－ペロー・エタロンである。エタロンとは、透光性スペーサ・キャビティ領域によって分離された２枚の面平行ミラー(plane-parallel mirror)から成る光学素子(optical element)である。エタロン・キャビティ内部における複数の反射の加算的および減算的干渉のために、エタロンの透過特性は、共振が発生する波長において、複数の狭帯域ピークを呈することができる。
【0052】
[067] 図５は、このようなエタロンの透過特性対波長の一例を示す。透過５００は、その自由スペクトル範囲（ＦＳＲ）、通過帯の帯域幅（ＢＷ）、ピーク周波数、およびピーク透過率(peak transmission percent)によって特徴付けられる。エタロンの自由スペクトル範囲（ＦＳＲ）は、エタロン透過における２つの隣接するピークの波長の差である。ＦＳＲは、主に、エタロンの厚さ、即ち、エタロンを構成するミラーの表面間の距離によって決定される。キャビティが厚い程、５０２において示す共振透過ピークが近づく。各透過ピークの帯域幅は、主として、構成ミラー反射率によって決定される。これは、通常、５０％透過における通過帯の全幅として見なされる。反射率が高い程、帯域幅は狭くなる。原理上は、１００％に近い反射率に対して、ほぼ無限に狭い帯域幅を達成することができる。全透過率(Total percent transmission)は、構造の品質および入力ビームの特性によって制限される。フィネス(finesse)ｆは、エタロンの性能の尺度であり、ＦＳＲの帯域幅に対する比に等しい（即ち、ｆ＝ＦＳＲ／ＢＷ）。本明細書において説明するような使用のためには、エタロンは、レーザの同調可能な範囲内において複数の透過ピークを有することが望ましい。その理由は、５０４に示す通過帯の立ち上がりまたは立ち下がりエッジにおいて、レーザが動作しなければならないからである。自己混合信号の波長および振幅変化が同相か（相互に増大するまたは相互に減少する）、または位相外れか（逆方向に変化する）によって、正しい動作点がフィルタの通過帯の立ち上がりエッジになるか、または立ち下がりエッジになるか決定される。
【0053】
[068] 例示の目的のために簡略化した仮定では、エタロンのピーク通過帯透過を１００％であると仮定することができ、各透過通過帯は、底辺の幅が２×ＢＷの三角形によって近似することができる。この仮定の下で、透過は、Δλ＝ＢＷの波長シフトのスペクトル範囲において、ほぼゼロから１００％に達する。更に、自己混合鋸波の１周期における全波長シフトΔλＳＭは、２０ピコメートル、即ち、０．０２ｎｍであると仮定することができる。少なくとも、信号レベルの５０％強調(enhancement)を達成することを望む場合、これは、ＢＷ＝２×ΔλＳＭ＝０．０４ｎｍの帯域幅が必要であることを暗示する。すると、必要とされるエタロンのフィネスは、近似的に、ｆ＝１５となり、これは実際のエタロンにとって達成可能な性能目標である。通過帯の帯域幅を更に狭くすると、比例して、信号強調の程度が大きくなる。つまり、フィネスを一層高くすることが望まれることもあり得る。ＦＳＲ＜１ｎｍの場合、５の最小フィネスによって、識別できる強調が得られるのが通例であり、ｆ～１０によって、著しい強調が得られるのが通例である。
【0054】
[069] 図６Ａ～図６Ｅは、ｆ～１５のエタロンを使用して、エタロンのフィルタをかけた自己混合信号の出力例を示す。図６Ｅは、明確にするために倍率調整した透過曲線を示すのであり、ｆ＝１５のエタロンの正確な表現であることは意図していない。エタロン透過が最小になる図６Ｅ上の点「Ａ」において、図６Ａに示すようにエタロンに入射する光が全くなくなることにより、全信号は消滅する(extinguished)。図６Ｅ上の点「Ｃ」において、エタロン透過は最大になり、変曲点において傾斜がゼロになるので、図６Ｃに示すように、信号は比較的変化しない。図６Ｅ上の点「Ｄ」において、透過傾斜変化の絶対値は高いが、振幅変化の方向に対して位相外れとなるので、図６Ｄに示すように、信号変調は消滅する。通常最適な動作点であると言える図６Ｅ上の点「Ｂ」において、振幅および波長変化は同相となり、その結果、図６Ｂに示すように、著しい信号強調(enhancement)が得られる。
【0055】
[070] 一実施形態では、ＶＣＳＥＬ主体の自己混合センサは、小さなパッケージ内でエタロンと密接に一体化され、底面から大部分の光を放射するＶＣＳＥＬを使用する。この問題を図示するために、図７は、ＶＣＳＥＬの一例７００の断面図であり、一例として、本明細書において開示するＶＣＳＥＬおよびＶＣＳＥＬアレイの実施形態に利用することができる、全体的な構造的エレメントおよびコンポーネントを含む。本明細書における開示は、いずれの特定のＶＣＳＥＬ、ＶＣＳＥＬ構成、またはＶＣＳＥＬアレイにも限定されることは意図しておらず、あらゆるＶＣＳＥＬ、修正されたものまたは未修正のもの、現在知られているもの、あるいは今後開発されるものにも適用可能であるのはもっともである。図７は、光キャビティ・スペーサ領域７０４内に位置する量子井戸活性領域７０２を含む包括的なＶＣＳＥＬ構造(generic VCSEL structure 700)を示す。キャビティ領域７０４の隣りには、第１ＤＢＲミラー７０６が一方側に配置されており、これ自体は多数の高／低屈折率層の対７０７で構成されている。この第１ＤＢＲミラー７０６上には、キャビティ７０４とは逆側に、第１孔またはアパーチャ７１０を有する第１部分的金属層７０８が配置されており、アパーチャ７１０を通過して、レーザ光はキャビティ７０４から脱出することができる。キャビティの第１ＤＢＲミラーとは逆側には、第２ＤＢＲミラー７１２があり、これ自体は、多数の高／低屈折率層の対７１３で構成されている。第２ＤＢＲミラー７１２は、レーザの発光波長において高い透過度を有することができる材料の基板層７１４上に配置されている。この基板層７１４上には、第２ＤＢＲミラーとは逆側に、発光(light emission)の軸に沿って第２孔またはアパーチャ７２０を有する第２部分的金属層７１８が配置されており、アパーチャ７２０を通過して、レーザ光はキャビティから脱出することができる。この第２金属層において第２孔を定める領域内では、基板の表面に、コーティング層７２２のような、追加の１つまたは複数の材料で被覆してもまたは被覆しなくてもよい。被覆する場合、この１つまたは複数の追加材料は、基板の最終表面の反射特性を低反射率(reflectance)または高反射率にするように変更することができる。一実施形態では、この表面を低反射率にするための材料でこの表面を被覆する。少なくとも１つの実施形態では、コーティング材料は窒化シリコンとしてもよい。少なくとも１つの実施形態では、コーティングは、レーザ動作波長において約１／４光波の厚さを有するとしてもよい。他の材料および他の厚さも本開示の範囲内に該当する。
【0056】
[071] 更に具体的には、とは言っても通常のレベルで、ＧａＡｓ基板のような基板材料上には、通例、ＶＣＳＥＬのエピタキシャル層を形成することができる。この基板上では、単結晶の厚さ１／４波長の半導体層が「成長」して、量子井戸に基づく活性領域の周囲にミラー（例えば、ｎ－およびｐ－分布ブラグ反射器（ＤＢＲ：Ｂragg reflector）を形成し、垂直方向にレーザ・キャビティを作成すると言うことができる。本明細書において使用する場合、「成長させる」(grown)という用語は、「生成する」(generated)、「形成した」(formする)、または「製造する」(produced)、あるいはその他の同様の用語と同様の意味を有すると考えてもよい。同様に、本明細書において使用する場合、「形成する」(formed)という用語は、「生成する」(generated)または「製造する」(produced)、あるいはその他の同様の用語と類似であると考えてもよい。例えば、基板上では、ＡｌＧａＡｓ ｎ－ＤＢＲを形成する層のような、しかしこれに限定されない第１ミラー層を成長させることができる。ここで、ｎ－はｎ型ドーピングを示す。ＡｌＧａＡｓのような、しかしこれに限定されないスペーサを、第１ミラー層の上方に形成、製造、または生成することができる。次いで、ＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ多重量子井戸（ＭＱＷ）活性領域のような、しかしこれには限定されない量子井戸に基づく活性領域を、ＡｌＧａＡｓスペーサのような、しかしこれには限定されない他のスペーサ層に沿って、形成、製造、または生成することができる。その上方に、ＡｌＧａＡｓ ｐ－ＤＢＲを形成する層のような、しかしこれには限定されない第２ミラー層を成長させることができる。ここで、ｐ－はｐ型ドーピングを示す。その上方に、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ電流拡散／キャップ層(current spreader/cap layer)のような、しかしこれには限定されない電流拡散／キャップ層を形成することができる。キャップ層の上方に接触金属層を形成し、通例では、概略的にＶＣＳＥＬの軸を中心に据え所望の直径を有する円形のアパーチャを残す。ある実施形態では、アパーチャ内部に誘電体キャップを形成してもよい。ＶＣＳＥＬ構造および製作、ならびに追加のＶＣＳＥＬの実施形態、更にはＶＣＳＥＬの製造および使用方法に関する更に具体的な詳細は、例えば、"Push-Pull Modulated Coupled Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers and Method"（プッシュ－プル変調結合垂直共振器面発光レーザおよび方法）と題する米国特許第８，２４９，１２１号、"Direct Modulated Modified Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers and Method"（直接変調変更垂直共振器面発光レーザおよび方法）と題する米国特許第８，４９４，０１８号、"Push-Pull Modulated Coupled Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers and Method"（プッシュ－プル変調結合垂直共振器面発光レーザおよび方法）と題する米国特許第８，６６０，１６１号、"Method and Apparatus Including Movable-Mirror MEMS-Tuned Surface-Emitting Lasers"（可動ミラーＭＥＭ－同調面発光レーザを含む方法および装置）と題する米国特許第８，９８９，２３０号、"Method and Apparatus Including Improved Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers"（改良した垂直共振器面発光レーザを含む方法および装置）と題する米国特許第９，０８８，１３４号、"Red Light Laser"（赤色レーザ）と題する米国再発行特許第ＲＥ４１／７３８号、"Method and Apparatus Including Improved Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers"（改良した垂直共振器面発光レーザを含む方法および装置）と題する米国公開第２０１５／０３８０９０１号、および"VCSELS and VCSEL Arrays Designed for Improved Performance as Illumination Sources and Sensors"（照明源およびセンサとして、性能向上のために設計されたＶＣＳＥＬおよびＶＣＳＥアレイＬ）と題する米国公開第２０１６／０３５２０７４号に開示されている。これら各々の内容は、これらの文献をここで引用したことにより、その全体が本願にも含まれるものとする。本明細書における開示は、いずれの特定のＶＣＳＥＬ、ＶＣＳＥＬ構成、またはＶＣＳＥＬアレイにも限定されることは意図しておらず、以上で挙げた特許または特許出願の内任意のもののあらゆるＶＣＳＥＬ、修正されたものまたは未修正のもの、更には現在知られているまたは今後開発されるあらゆるその他のＶＣＳＥＬにも適用可能であるのはもっとももである。以上で挙げた特許または特許出願の内任意のものにおいて記載されているＶＣＳＥＬのみに限定されるのではなく、本開示の種々の実施形態に適したＶＣＳＥＬ、および本開示にしたがって適切に修正可能なＶＣＳＥＬには、以上で挙げた特許または特許出願において開示されたＶＣＳＥＬが含まれ、その中における先行技術のＶＣＳＥＬについてのあらゆる論述や、以上で挙げた特許または特許出願の内任意のものの審査中に引用された先行技術の参考文献のいずれかに開示されたＶＣＳＥＬも含まれる。更に一般的には、特に具体的にまたは明示的に記載されていないならば、現在知られているＶＣＳＥＬまたは今後開発されるＶＣＳＥＬはいずれも、本開示の種々の実施形態に相応しいとしてもよく、あるいは本開示にしたがって適切に修正可能であるとしてもよい。
【0057】
[072] 各ＶＣＳＥＬは、１つ以上のＤＢＲミラーを有することができ、ある実施形態では、各ＶＣＳＥＬが２つのＤＢＲミラーを有する。各ＶＣＳＥＬが１つ以上のＤＢＲミラー対を有することもできる。構成要素である１／４波長ミラー層の数、およびこれらを構成する材料によって決定される２つのＤＢＲミラーの相対的反射率(reflectivity)に応じて、最上位の第１面から放射されるパワー量の、最下位の第２面から放射されるパワー量に対する比は、様々に変化することができる。以上のＶＣＳＥＬ構造では、第１ミラーおよび第２ミラーにおけるＤＢＲミラー対の数が、総合的に、第１アパーチャおよび第２アパーチャから放射される光パワー量を決定し、その合計が全レーザ・パワーとなる。伝達行列モデルを使用すると、第１アパーチャからの発光パワーの第２アパーチャからの発光パワーに対する比を決定することができる。図８は、パワーとミラー対との間の比を表し、第２ＤＢＲにおけるミラー対の数が１９から３７の範囲である場合、第２アパーチャから放射される全レーザ・パワーの比率は、単調に約６５％から約０％まで変動することがわかる。
【0058】
[073] センサ検出器に結合される、第２アパーチャ放射の所望量は、下端では、受信機の電子部品の感度およびノイズに対する限度によって拘束され、上端では、標的を照明し、レーザ内部における自己混合に導くのに適した反射戻り信号を生成するように、適正な第１アパーチャ放射を有することによって拘束される。第２アパーチャから放射される全レーザ・パワーの１０％から５０％の範囲においてサンプリングされる部分は、適正に、対象の用途の範囲を捕らえる。ある実施形態では、サンプリングされる部分が、１０から５０パーセントの範囲、または１５から４９パーセントの範囲、または２０から５０パーセントの範囲、または２５から５０パーセントの範囲、または５０パーセント未満、または５０パーセント以下、または１０パーセント以上、または１８パーセント以上、または４０パーセント以下、または１２および３３パーセントの間であってもよく、他の適した範囲または値を使用してもよい。任意の所与の用途に対して、そしてこの特定のＶＣＳＥＬ設計に対して、第２ＤＢＲ内に可能なミラー対の数は、ある実施形態では、２１から２９までの範囲を取ることができるが、任意の数のミラーを使用してもよい。
【0059】
[074] レーザ光は、自発発光および刺激発光で構成される。刺激発光は、望まれる高指向性レーザ・ビームである。自発発光は、多くの方向に広く放射される等方性光であり、変調レーザ・ビームの情報コンテンツを含まない。したがって、検出システム内に結合される自発光は、センサ性能を劣化させる、望ましくないＤＣオフセットおよびノイズ源を表す。第２部分的金属層の第２アパーチャをパターン化すると、光遮断メカニズム、または空間フィルタとして機能し、自発光の大部分が検出器の表面に達するのを阻止する。
【0060】
[075] 以上で説明したように、エタロンは、共面平面(co-planar surfaces)を有し、本質的に平坦な透光性基板で構成され、２つの表面の各々の上にミラーが配置される。図７に示すＶＣＳＥＬは、部分的に、平面透過性基板上に配置されたＤＢＲミラーで構成され、構成によっては、透過性材料を利用することができる。具体的には、ＧａＡｓは９４０ｎｍにおいて本質的に透過性である。この基板のＤＢＲと逆側の面は、ＶＣＳＥＬを製作する手段のために、全体的に非常に平坦であり、ＤＢＲに平行である。したがって、ＤＢＲと逆側の基板面に多重高反射性コーティングを被覆することによって、低コストおよび複雑さで直接ＶＣＳＥＬと一体化されるエタロンを形成することができる。一体形成されたエタロンの性能は、ビーム・サイズおよび分散(divergence)のために、平行化ビームおよび外部エタロンによって達成可能な性能よりも低いが、それでもなお、自己混合信号を著しく強調する(enhance)には適した性能を得ることができる。例示するために、図９は、デバイス駆動電流を掃引し、厚さ約１００μｍのＶＣＳＥＬ基板を有する光検出器を使用して底面放射光を監視することによって得られた、約３０％基板発光に合わせて設計されたＶＣＳＥＬからの底面側発光を示す。光出力における周期的な上下、即ち、フリンジは、ＶＣＳＥＬ底面ＤＢＲ、およびシリコン検出器の表面によって形成されるエタロンの特徴であり、シリコン検出器の表面上に、２５μｍ未満の厚さの接合線でＶＣＳＥＬが貼り付けられる。ＶＣＳＥＬの底面には、反射防止（ＡＲ）コーティングが被覆され、したがって、５％未満と推定される反射率を有することができる。一方シリコン検出器の反射率は１０％以下と推定される。一方、ＤＢＲミラーは９９．９％よりも高い反射率を有することができる。駆動電流によるＶＣＳＥＬ波長の既知の同調特性(tuning characteristic)に基づいて、ＶＣＳＥＬ－基板エタロンのＦＳＲは、約０．１８０ｎｍと推定することができ、一方フィネスは＜１である。多層誘電体コーティングによって基板－空気界面の反射率を高めて、好ましくは５０％反射率よりも高くすることによって、そして基板の厚さを２００μｍよりも厚くすることによって、自己混合強調のためには望ましいレベルのエタロン性能、即ち、ＦＳＲが約０．６ｎｍ未満、フィネスが５よりも大きいエタロン性能を達成することができる。
【0061】
[076] 図１０および図１１は、デバイス１０００、１１００に対するチップ規模の混成手法(chip-scale hybrid approach)において、ファブリ－ペロー・エタロン・フィルタのようなフィルタを、フォトダイオードおよび部分的底面発光ＶＣＳＥＬと一緒に一体化するための２つの手法を示す。図１０は、ＶＣＳＥＬ基板がＶＳＣＥＬ波長を透過する場合を示す。この手法は、９００ｎｍから１３００ｎｍの範囲の波長に相応しく、ＧａＡｓ基板上にＶＣＳＥＬを堆積できることに変わりはないが、ＧａＡｓは、ＶＣＳＥＬから放射される光の波長に対して透過性となる。勿論、この手法は他の波長における発光にも使用することができる。図１０はＶＣＳＥＬ１０２０を含むデバイス１０００を示し、ＶＣＳＥＬ１０２０は、上面ＤＢＲミラー１０２２、底面ＤＢＲミラー１０２４、および透過性基板１０２６を有する。ＶＣＳＥＬ１０２０は、フィルタ１０３０の上面上に直接搭載されており、一方、フィルタ１０３０は、ＰＩＮフォトダイオード、即ち、ｐ－ｉ－ｎフォトダイオードのような、しかしこれに限定されないフォトダイオード１０４０の上面上に直接搭載されている。図１１は、ＶＣＳＥＬ基板が、ＶＣＳＥＬによって放射される波長に対して吸収性となる場合を示す。これは、６８０ｎｍから９００ｎｍの範囲の波長に適した手法であろう。この範囲では、これらの波長において吸収性であるＧａＡｓ基板上に、ＶＣＳＥＬを正常に成長させることができる。勿論、この手法は他の波長における発光にも使用することができる。図１１は、ＶＣＳＥＬ１１２０を含むデバイス１１００を示し、ＶＣＳＥＬ１１２０は、上面ＤＢＲミラー１１２２、底面ＤＢＲミラー１１２４、および基板１１２６を有する。基板１１２６は、この基板内にエッチングされたチャネル１１２８を有することができる。少なくとも１つの実施形態では、チャネル１１２８は、ＶＣＳＥＬのエピタキシャル層または底面ＤＢＲミラー１１２４まで通してエッチングすることができる。少なくとも１つの実施形態では、チャネル１１２８は、図示のようにＶ字状としてもよく、またはチャネル１１２８は他の形状を有してもよい。チャネル１１２８は、基板の長さ全体にわたって軸方向に延びることができ、または基板の一部にだけ延びるのでもよい。ＶＣＳＥＬ１１２０はフィルタ１１３０の上面上に直接搭載され、一方、フィルタ１１３０は、ＰＩＮフォトダイオード、即ち、ｐ－ｉ－ｎフォトダイオードのような、しかしこれに限定されないフォトダイオード１０４０の上面上に直接搭載される。図１０または図１１のいずれの場合においても、フィルタ１０３０、１１３０を完全に省略することができ、ＶＣＳＥＬレーザをフォトダイオード１０４０、１１４０または検出器に直接搭載できることは注記してしかるべきである。これは、エタロン・フィルタの信号強調機構を必要としない自己混合センサの場合に、望ましいと言えよう。
【0062】
[077] 図１２は、ＶＣＳＥＬ、フィルタ、および検出器の直接積層によって、本開示の１つ以上の実施形態のセンサ・デバイス１２００をパッケージングするための一実施形態を示す。１つ以上の実施形態において、デバイス１２００は、筐体１２１０と、上面１２２２および底面１２２４を有するＶＣＳＥＬ１２２０と、フィルタまたはエタロン１２３０と、検出器１２４０と、複数の接点１２６０と、レンズ１２７０と、基板１２８０とを含む。少なくとも１つの実施形態では、ＶＣＳＥＬ１２２０は、部分的底面発光ＶＣＳＥＬであってもよい。ＶＣＳＥＬ１２２０の底面１２２４は、フィルタまたはエタロン１２３０上に直接搭載することもでき、フィルタまたはエタロン１２３０を検出器１２４０に直接搭載して、デバイス・アセンブリ１２５０を形成することもできる。フィルタ１２３０は、検出器１２４０よりも物理的広がりが小さく、空隙が光学面(optical surfaces)間に、またはその他の適した手段によって維持されるように、接着剤を使用して検出器１２４０に搭載することができる。ある実施形態では、ＶＣＳＥＬ１２２０も同様に、光学面間に空隙が維持されるように、エタロン・フィルタ１２３０の上面上に搭載することができる。デバイス・アセンブリ１２５０は、筐体１２１０内部に位置付けることができ、筐体１２１０は、この筐体の一端においてＶＣＳＥＬ１２２０付近にレンズ１２７０を含み、レンズ１２７０とは逆側の筐体の一端において、複数の接触パッド１２６０を有する基板１２８０を含む。レンズは、筐体１２１０内に一体的に形成するか、または筐体の開口において筐体１２１０に取り付けてもよい。検出器１２４０は、接着剤またはその他の適した手段によって、基板１２８０上に搭載することができ、少なくとも１つの接触パッド１２６０に検出器１２４０を電気的に接続することができる。基板１２８０は、ワイヤボンディングまたは導電性接着剤によって検出器１２４０および／またはＶＣＳＥＬ１２２０への電気接触を行う機構を内蔵することができる。フォトダイオードまたは検出器１２４０への電気接触を行わなければならない。フォトダイオードまたは検出器１２４０もp－ｎ接合である。フォトダイオードが導電性基板上に製作される場合、接合部の一方側には、基板側に金属接点を堆積することによって、到達する(access)ことができ、一方基板側は、アセンブリが実装されるボードまたはサブマウント(sub-mount)上の導電性パッドに取り付けられる。電気的な取り付けは、はんだまたは導電性エポキシ材料を使用することによって、あるいは取り付けに相応しい他の手段によって行われる。フォトダイオードをフィルタよりも多少大きくして、周辺部においてワイヤボンディングすることによって、p－ｎフォトダイオードの他方側に接触を行う。少なくとも１つの実施形態では、ＶＣＳＥＬ１２２０は接触パッド１２６０と電気的に連通する。
【0063】
[078] フィルタ１２３０がファブリ－ペロー・エタロン・フィルタである場合、フィルタ１２３０は、ＶＣＳＥＬ１２２０によって放射された光を透過する。一実施形態では、フィルタ１２３０は、実質的に互いに平行な上面および底面を有することができる。フィルタ１２３０の波長依存性に対する制御を行うためには、フィルタ１２３０は、ガラス、サファイア、またはクオーツのようなシート材料で作られ、いずれかの側に、モデリングによって指定できるような、要求反射率を達成するように設計された反射性コーティングを有するものになる可能性が高い。ファブリ－ペロー・フィルタ用のこれらの材料は通例絶縁性であるので、ＶＣＳＥＬに共平面接点(co-planar contact)１２９０を形成する(fabricate)ことができる。すなわち、p－ｎ接合の両側への接触は、ＶＣＳＥＬダイの上面１２２２から行われる。これは、チップの上面側から接合部のｎ－側にエッチングで掘り進み、ＶＣＳＥＬダイの上面から下ってエッチングされた領域まで導かれる(routed)金属接点をパターニングすることによって行われるのが一般的(commonly)である。ＶＣＳＥＬへの電気接点は、上面側処理陽極および陰極接続(topside processed anode and cathode connections)、または前面側および背面側接続の組み合わせ、ならびにエタロン表面上のパターン化メタライゼーションのいずれかを使用し、導電性エポキシによってワイヤボンディングすることができる。接点は、フィルタおよびＶＣＳＥＬのフットプリントの外側に位置するフォトダイオード・チップ上に金属接点パッドを有することにより、「デイジーチェーン接続」(daisy-chained)することができる。次いで、ワイヤボンディングによって、これに電気的に到達する(access)ことができる。基板、パッケージ、または担体１２８０を筐体１２１０にはめ込み、筐体１２１０は、デバイス・アセンブリ１２５０に対して環境保護または密閉保護を設ける。筐体１２１０は、ＶＣＳＥＬ光を標的に導き、戻り反射光を収集してレーザ・キャビティに戻して結合する、平行化または合焦レンズ１２７０を取り付けるための備え(provisions)を有することができる。
【0064】
[079] 図１３は、自己混合センサ・デバイス１３００の他の実施形態を示す。自己混合センサ・デバイス１３００は、内部キャビティ１３１２を定める筐体１３１０、ＶＣＳＥＬ１３２０、フィルタ１３３０、ＶＣＳＥＬの１つのアパーチャから放射された光に応答して光電流を生成する検出器１３４０、他のアパーチャから放射されたＶＣＳＥＬ光を標的（図示せず）に合焦する第１レンズ１３５０、およびフィルタ１３３０に入射する前に光を調整または平行化する第２レンズ１３６０を含む。ＶＣＳＥＬ１３２０は、以上の実施形態の内いくつかにおいて説明したような、部分的底面発光ＶＣＳＥＬであってもよく、または本開示の任意の他のＶＣＳＥＬであってもよい。フィルタ１３３０は、本明細書において説明したようなエタロンまたはその他のフィルタであってもよい。検出器１３４０は、本明細書において説明したような任意の形式の検出器とすればよく、自己混合変調の作用を受ける(imposed)シリコン光検出器、および第２レンズを含む。少なくとも１つの実施形態では、検出器１３４０を基板１３７０に搭載する。ＶＣＳＥＬ１３２０、フィルタ１３３０、検出器１３４０、および少なくとも１つの第２レンズ１３６０は、成型または打ち抜きプラスチック、有機、あるいは金属製筐体１３１０内に組み込むことができる。筐体１３１０は、能動的な位置合わせを必要としない、位置合わせおよび受動組み立て(alignment and passive assembly)のための手段を備えている。種々のコンポーネントを筐体に取り付け(affix)、筐体によってそして筐体内で位置合わせすることができる。少なくとも１つの実施形態では、少なくともフィルタ１３３０および検出器１３４０が、筐体のキャビティ１３１２内に配置される。第２レンズ１３６０は、ガラスまたはプラスチックで作られた別個のコンポーネントとすることができ、あるいは、望ましくは、筐体１３１０の一体部分として成型する。少なくとも１つの実施形態では、筐体１３１０も基板１３７０に取り付けることができる。基板１３７０は、ワイヤボンディングまたは導電性接着剤によって、検出器１３４０および／またはＶＣＳＥＬ１３２０に電気的に接触するための機構を内蔵することができる。筐体１３１０は、ある実施形態では、ワイヤボンディングまたは導電性接着剤による、ＶＣＳＥＬ１３２０および／または検出器１３４０との電気接続のための電気相互接続機構を組み込むこともできる。これらの電気相互接続機構は、ボンディング・「ランド」、ファンアウト、またはメタライズ基板(metallized substrate)を有する印刷配線ボード（ＰＷＢ：printed wiring board）を含むことができるが、これに限定されるのではない。筐体１３１０は、ワイヤボンド用切り欠き(cutout)のような、隙間構造(clearance features)を組み込むこともできる。
【0065】
[080] 図１３に示す本開示の一実施形態では、自己混合センサ・デバイス１３００は射出成型プラスチック筐体１３１０を含み、その上に、部分的底面発光ＶＣＳＥＬ１３２０が取り付けられている。ＶＣＳＥＬ１３２０は、２：１の上面対底面発光比、またはその他の発光比を有することができる。少なくとも図１３に示す実施形態では、筐体１３１０は、ＶＣＳＥＬ１３２０を受容するために、リセスまたはその他の開口１３１４を有することができる。ＶＣＳＥＬは、９４０ｎmの波長で光を放射する。しかしながら、他の波長も適している。ＶＣＳＥＬの基板面には、パターン化金属膜を用いてメタライズすることができる。パターンは、ＶＣＳＥＬ発光領域の中心上に位置合わせされた、例えば、直径２０μmの一連のアパーチャである。直径２０μmのアパーチャの内面には、窒化シリコンの１／４光波から成る反射防止コーティングを被覆してもよい。ＶＣＳＥＬは、ＶＣＳＥＬチップの上面上に、陽極および陰極電気接点を有することができる。ＶＣＳＥＬ１３２０の直下には、射出成型筐体１３１０の一部として形成されたレンズ１３６０を配置することができる。レンズ１３６０の目的は、レーザ発光を平行化し、ビーム・サイズを広げることとして差し支えない。レンズ１３６０のＶＣＳＥL１３２０からの反対側には、波長フィルタとして機能するエタロン１３３０を設け、これも筐体１３１０に取り付けることができる。一例として、エタロン１３３０は、厚さが約５００μmの溶融シリカとしてもよく、いずれかの側面に８０％反射ミラーが被覆され、１３．８のフィネス、０．０４ｎmの帯域幅、および０．６ｎmの自由スペクトル範囲が得られる。この実施形態は、更に、シリコン検出器１３４０およびプラスチック筐体１３１０が取り付けられるサブマウントまたは基板１３７０も含む。組み立てるとき、検出器１３４０は、空隙を介在させて、エタロン１３３０の最終面と対面するようにするとよい。更に、基板１３７０は、デバイス、すなわち、レーザの陽極および陰極、ならびに検出器の陽極および陰極に対する電気インターフェースを備える。筐体の外部には、レーザ・ビームを標的において合焦させ、反射した戻り光を収集するレンズ１３５０があってもよい。レンズ１３５０は、戻り光の一部をＶＣＳＥＬキャビティ内に結合する役割も果たす。
【0066】
[081] 他の実施形態は、並列接続された、または個々にアドレス可能なＶＣＳＥＬデバイスのアレイを使用する。ＶＣＳＥＬ、例えば、図７に示すものは、同じ基板上に個々にアドレス可能なレーザのアレイという形で製造することができ、あるいはチップ・レベルまたはパッケージ・レベルで並列に接続することができる。図１４は、同じダイまたはチップ上に８×８アレイの個々にアドレス可能なＶＣＳＥＬレーザ１４２０を有するチップ１４００のレイアウトである。外部レンズと共に使用するとき、この構成は、ビーム方向制御の一形態を実施するときに使用する(with which)手段を表す。ビーム方向制御は、移動部分がないセンサの視野において、センサの再方位付けを行わずに、１つまたは複数の空間的に分離した場所あるいは標的を探査するのは有利であろう。ビーム方向制御は、アレイにおける１つ以上のレーザを選択的にオンに切り替えることによって行うことができる。このアレイ構成は、本開示の他の実施形態および革新的な態様の多くと両立することができ、特に、基板発光によるフォトダイオードの統合、およびエタロン・フィルタを使用する自己混合強調と両立することができる。
【0067】
[082] 図１５および図１６は、図１０および図１１に示したものと同様である、モノリシック・アセンブリ(monolithic assembly)を採用した実施形態を示す。図１５に示すように、自己混合センサ・デバイス１５００は、第１ミラー１５２２、光生成キャビティ１５２４、および第２ミラー１５２８を有するレーザ１５２０と、前記第１ミラー１５２２から放射された光１５３２を部分的に反射性の標的１５４０上に合焦する第１光学レンズ１５３０と、モノリシック・フォトダイオード１５５０とを含む。モノリシック・フォトダイオード１５５０と第２ミラー１５２８との間には、光学フィルタ１５６０が配置されている。図１６は、代替自己混合センサ・デバイス２００の構成を示す。この場合も、自己混合センサ・デバイス２００は、第１ミラー１６２２、光生成キャビティ１６２４、および第２ミラー１６２８を有するレーザ１６２０と、前記第１ミラー１６２２から放射された光１６３２を部分的に反射性の標的１６４０上に合焦する第１レンズ１６３０と、モノリシック・フォトダイオード１６５０と、ビーム・サンプリング・エレメント１６６０とを含む。ビーム・サンプリング・エレメント１６６０は、第１ミラー１６２２からの光１６３２の一部を、モノリシック・フォトダイオード１６５０に向けて方向転換する。一実施形態では、ビーム・サンプリング・エレメント１６６０をビーム・スプリッタとしてもよい。少なくとも１つの実施形態では、ビーム・スプリッタはレーザ１６２０の光軸に対してある角度で位置付けられる。少なくとも図示する実施形態では、フィルタ１６７０はレーザ１６２０およびモノリシック・フォトダイオード１６５０に接続されている。少なくとも１つの実施形態では、レーザ１６２０およびモノリシック・フォトダイオード１６５０は、フィルタ１６７０の同一側において、平行に位置付けられる。
【0068】
[083] 明確化のために、ある実施形態では、連続的に動作させなければならない訳ではなく、また放射されたレーザ・ビームが連続的に意図する標的に衝突または到達しなければならない訳でもない。むしろ、ある実施形態は、このように放射されたレーザが実際に意図する標的に衝突したときだけ、または衝突した場合にのみ、あるいはこのように放射されたレーザ・ビームが実際に自己混合信号を生成させる時間スロットの間だけ、動作して、改良自己混合信号（１つまたは複数）を供給するのでもよい。他の実施形態では、必要に応じて、手動で、例えば、人間の操作員によって、意図する標的に向けてレーザ・ビームを誘導してもよく、または、例えば、傾斜メカニズム(slanting mechanism)（例えば、モータまたは機械式アームを有する）によって、意図する標的に向けてレーザ・ビームを自動的に誘導するのでもよい。
【0069】
[084] ある実施形態では、利用されるレーザ（１つまたは複数）は、レーザから放射されたレーザ・ビームまたは光が人間の身体、顔面、または目に当たっても、このようなレーザが危害や損傷をその人間に与えることがないように、「安全レーザ」(safe laser)だけとする。ある実施形態では、人間が安全ゴーグルまたは安全めがね、あるいはその他の身体被覆器具(body-covering gear)を装着して特定の身体部分を保護しなければ、レーザを使用できなくすることもできるが、これは必ずしも他の実施形態では要求されない場合もある。加えてまたは代わりに、ある実施形態では、例えば、自動照準メカニズムを使用することによって、あるいは手動でレーザ・ビームを安全なまたは安全性が高い身体部分、もしくは標的に向けて照準を定めることによって、人間以外の標的（１つまたは複数）に向けて、または狙っても安全なまたは安全性が高い(safe or safer)人間の領域に向けてレーザの照準が定められる場合でなければ、または定められるときでなければ、レーザを利用できなくすることもできる。
【0070】
[085] 本明細書において説明したいずれの実施形態のいずれの特徴であっても、いずれの実施形態においても使用することができ、他のいずれの実施形態のいずれの特徴とでも一緒に使用することができる。
【0071】
[086] 本明細書において使用する場合、「実質的に」(substantially)または「概略的に」(generally)という用語は、アクション、特徴(characteristic)、特性(property)、状態、構造、品目、または結果の完全なあるいはほぼ完全な範囲(extent)もしくは度合い(degree)を指す。例えば、「実質的に」または「概略的に」包囲されている物体とは、その物体が完全に包囲されている、またはほぼ完全に包囲されていることを意味する。絶対的な完全さからの逸脱の正確に許容可能な度合いは、場合によっては、個々のコンテキストに依存することもある。しかしながら、一般的に言って、完全に近い(nearness of completion)とは、絶対的かつ総合的な完全が得られる場合と、概略的に同じ全体的な結果が得られるような場合である。「実質的に」または「概略的に」の使用は、アクション、特徴、特性、状態、構造、項目、または結果の完全なあるいはほぼ完全な欠如を指す否定的な含意で使用されるときも、等しく適用可能である。例えば、「ある要素が実質的にないまたは概略的にない」要素、組み合わせ、実施形態、または組成であっても、その重要な影響が全般的にない限り、そのような要素を実際には含有してもよい。
【0072】
[087] 以上の説明では、例示および説明の目的に限って、本開示の種々の実施形態を紹介した。これらは、網羅的であることも、開示した形態そのものに本発明を限定することも意図していない。以上の教示を考慮すれば、明白な変更または変形が可能である。種々の実施形態は、本開示の主題(principal)およびそれらの実際の応用の裁量の例示を提供するため、そして当業者が、種々の実施形態を、想定される特定の使用に適するように種々の変更を加えて、利用することを可能にするために、選択および説明されたものである。このような変更および変形の全ては、公正に、合法的に、そして公平に権利が与えられる広さにしたがって解釈するときの、添付した特許請求の範囲によって決定される、本開示の範囲内に入るものとする。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6-1】
【図6-2】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
