CN103178442A - 高速垂直腔表面发射激光器的表面封装 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高速垂直腔表面发射激光器的表面封装。具体地，本发明提供一种光学照明器模块和光学照明器系统。该光学照明器模块包括：具有一大面积端子和第二端子的垂直腔表面发射激光器VCSEL。该光学照明器模块包括基底，包括彼此电隔离并位于第一表面上的第一和第二接合盘。VCSEL的大面积端子被接合到第一接合盘，使得VCSEL与基底热接触。第二端子被电连接到第二接合盘。第一和第二接合盘被电连接到位于基底的第二表面上的相应的第一和第二接合盘，基底的第二表面与基底的第一表面相对。在各种实施例中，照明器模块可以被配置为执行运动识别、手势识别、和三维感测中的至少一个。

Description

高速垂直腔表面发射激光器的表面封装

技术领域

本发明涉及可用于如3D成像和姿势识别照明器系统之类的各种应用的高速垂直腔表面发射激光器（VCSEL）和垂直腔表面发射激光器阵列照明器系统的领域。

背景技术

取决于不同的操作模式，激光照明光源具有不同的应用，例如：连续波（CW），准连续波（QCW）或脉冲模式。仅举几例，激光照明被广泛应用的领域有监控成像、高速运动的物体图像记录、姿势识别、三维（3D）成像的飞行照明时间等。目前，工作在可见光及红外光（IR）电磁波谱的激光设备都很成熟。然而，目前的设备成本相当高，特别是在消费电子、光学或便携式设备等新兴应用领域。有几个重要的发展，使激光照明光源拥有更有吸引力并且使新兴应用负担得起，其包括：大区域无干涉散斑照明，短和/或快速脉冲照明器系统，高速和/或低阻抗外围设备和连接器，如，驱动电路，高速连接器，光束成形用光学部件，以及小的体积。

光学短脉冲的具体应用包括但不仅限于，用于诸如利用诸如结构光之类的技术跟踪移动物体以及进行三维测量的许多其他传感应用的短照明脉冲序列。另一个例子是照明脉冲的编码，用于提供在编码序列照明和其它附近源的照明效果之间进行鉴别的方法。光学短脉冲也用于源和物体之间的飞行时间测量，以确定物体的深度或者距离。

对于这些类型的应用，一个基本的要求是辐射源在特定的波长（可见光，红外线，远红外线等），该特定的波长可以被迅速接通和关断以产生辐射的短脉冲或短脉冲序列。对于大场景照明，例如在监视应用中，需要高能量的辐射脉冲均匀地分布在大的照明区域。光学泵浦的Q-开关或锁模固态激光器可以产生具有高脉冲能量的光学短脉冲。然而，Q-开关或锁模激光器具有大的体积，需要用于操作的高电能并且需要复杂的制冷外围设备。

可替换地，半导体二极管激光器光源，例如，边缘发射激光器（EEL）和垂直空腔表面发射激光器（VCSEL）可以被制造以工作在不同的波长下，并且可以生成高能量的短输出脉冲，同时拥有体积小的优点。与Q-开关或锁模固态激光器相比，二极管激光器可以操作在相对较小的驱动电流下。边缘发射激光器目前用于多种应用，包括用于光通信的短脉冲产生。跟边缘发射激光器相比，垂直空腔表面发射激光器有几个明显的优势，使它更适合于光学照明器应用。

垂直表面发射激光器的一个优点是，发射的光的发散角非常小。因此，即使从源头到很远的距离，垂直表面发射激光器的发射光也具有极强的方向性。垂直表面发射激光器发射的可见光和红外光的波长可以在很窄的波长带获得，因而允许有效的光学背景噪声的滤波。垂直腔表面发射激光器也可以产生短脉冲，从而使这些源适合激光雷达类型应用，以及时域距离区分应用，如透雾观看以及动作和姿势检测等。

在一般情况下，垂直腔表面发射激光器有更快的上升和下降时间，因此，能够产生非常短的脉冲。垂直腔表面发射激光器的短脉冲的一个优点是波长啁啾小，这有助于波长滤波和高速检测。垂直腔表面发射激光器也有对称的输出辐射图案，这使得它更加适应用简单的光学方法产生或修改用于形成理想的照明图案的输出光。例如，不同的波束形状，包括但不限于，高斯光束、平坦光束或环形状图案，均可以通过适当设计垂直腔表面发射激光器的窗孔（aperture），或者通过使用外部光束成形设备，如透镜，扩散片，等等，这些均可用于单个垂直腔表面发射激光器或布置在垂直腔表面发射激光器阵列使用的阵列中。

垂直腔表面发射激光器的另一个优点是，它们中的许多可以被布置成紧密排列的一维或二维阵列。垂直腔表面发射激光器阵列，尤其是单模的垂直腔表面发射激光器阵列，通常是非常高速的设备，而且其可以操作的脉冲持续时间为纳秒或更短的量级、上升时间短于纳秒。一起运行时，垂直腔表面发射激光器阵列可以产生高能量脉冲。非常紧凑的高功率垂直腔表面发射激光器阵列有利于最大限度地减小电导体的长度和降低电感。因此，它更适合应用快速上升时间的高驱动电流脉冲，从而有利于从垂直腔表面发射激光器阵列产生高能量的光学短脉冲。它们可以在高达约100摄氏度的封闭的环境中操作。可以使用简单的光学方法，如提供合适的窗孔，从整个阵列成形单个光束或集体发射以产生所期望的照明图案。有众多个量发射器的垂直腔表面发射激光器阵列不表现出散斑效应，该效应普遍存在于边缘发射激光器或其他类型的激光器的输出中。消除散斑极大地增加了被照射的图像的分辨率。

对于垂直腔表面发射激光器的高速运行，很重要的是可以应用快速的驱动电流。为了施加高速驱动电流，在封装垂直腔表面发射激光器和其阵列时，寄生元件被减至最小是至关重要的。此外，对于垂直腔表面发射激光器的高功率运行，封装的高导热性也是重要的。可以这样理解，例如对于高速且以几瓦量级的高功率运行的垂直腔表面发射激光器阵列，设备的封装必须同时满足这两个性能要求。针对高的输出功率的单个操作或集体操作来安装垂直腔表面发射激光器的不同布置，许多专利和非专利出版物中均有描述。

目前用于封装垂直腔表面发射激光器的技术是相当复杂的。在大多个情况下，封装中通常具有设计成安装在电路板上的通孔的电引线，这在许多现有技术专利和非专利文献出版物都有描述。

发明内容

在本教导的一个方面中，光学照明器模块包括垂直腔表面发射激光器（VCSEL），其具有大区域的端子和第二端子。光学照明器模块包括的基底并包括第一和第二接合盘，它们彼此电隔离并被定位在第一表面上。垂直腔表面发射激光器的大区域端子被接合到第一接合盘，使得垂直腔表面发射激光器与基底热接触。第二端子被电连接到第二接合盘。第一和第二接合盘被电连接到位于基底的第二表面上的相应的第一和第二接合盘，基底的第二表面与基底的第一表面相对。在各种实施方式中，光学照明器模块可以被配置为执行运动识别、姿势识别、和三维感测中的至少一个。

在一个实施例中，基底的第一表面上的第一和第二接合盘被包裹在基底的一个或多个边沿周围，以使得基底的第一表面上的第一和第二接合盘被电连接到位于基底的第二表面上的相应的第一和第二接合盘。在另一个实施例中，基底的第一表面上的第一和第二接合盘被包裹在基底的一个或多个侧面周围，以使得基底的第一表面上的第一和第二接合盘被电连接到位于基底的第二表面上的相应的第一和第二接合盘。在另一个实施例中，位于基底的第一表面上的第一和第二接合盘通过第一和第二通孔被电连接到位于基底的第二表面上的相应的第一和第二接合盘。在本实施例中，位于基底的第一表面上的第一和第二接合盘通过多个第一通孔和多个第二通孔被电连接到位于基底的第二表面上的相应的第一和第二接合盘。在这些不同的实施例中，基底可被接合到热沉上，以使得垂直腔表面发射激光器与热沉热接触。

在本教导的另一个方面中，光学照明器模块包括多个垂直腔表面发射激光器，其被布置为形成二维阵列的垂直腔表面发射激光器，其在第一表面上具有发光表面并且在与第一表面相对的第二表面上具有接合表面。多个垂直腔表面发射激光器中的每个激光器的一个端子被电连接到垂直腔表面发射激光器阵列的第一端子，而且多个垂直腔表面发射激光器中的每个激光器的第二端子被电连接到垂直腔表面发射激光器阵列的第二端子。光学照明器模块还包括基底，其具有多个彼此电隔离并位于第一表面上的接合盘。这些多个接合盘被电连接到位于基底的第二表面上的对应的多个接合盘，使得阵列的接合表面与基底热接触。在各种实施例中，光学照明器模块可以被配置为执行运动识别、姿势识别、和三维感测中的至少一个。

在一个实施例中，位于第一表面上的多个接合盘被包裹在基底的一个或多个边沿周围，以使得位于第一表面上的多个接合盘被电连接到位于基底的第二表面上的相应的多个接合盘。在另一个实施例中，位于第一表面上的多个接合盘被包裹在基底的一个或多个侧面周围，以使得位于第一表面上的多个接合盘被电连接到位于基底的第二表面上的相应的多个接合盘。在本实施例中，位于基底的第一表面上的多个接合盘通过多个通孔被电连接到位于基底的第二表面上的相应的多个接合盘。在这些不同的实施例中，基底可被接合到热沉，以使得垂直腔表面发射激光器与热沉热接触。

在本教导的另一个方面中，光学照明器系统包括印刷电路板，其包括多个位于所述印刷电路板的表面上的多个传输线。光学照明器系统还包括多个垂直腔表面发射激光器，其被布置为形成垂直腔表面发射激光器阵列，在第一表面上具有发光表面并且在第二表面上具有接合表面，其中多个激光器的每一个的第一端子被电连接到垂直腔表面发射激光器阵列的第一端子，而且多个激光器的每一个的第二端子被电连接到垂直腔表面发射激光器阵列的第二端子。光学照明器模块还包括电连接到印刷电路板的接合盘的基底。基底包括多个彼此电隔离并位于第一表面上的接合盘。该阵列的第一和第二端子被电连接到基底上的相应的第一和第二接合盘，以使得阵列与基底热接触，而且位于第一表面上的多个接合盘被电连接到位于与基底的第一表面相对的基底的第二表面上的相应的多个接合盘上。此外，该光学照明器系统包括具有至少一个电流驱动电路的电子模块，该至少一个电流驱动电路接合到印刷电路板，使得垂直腔表面发射激光器阵列电连接到所述至少一个电流驱动电路。在各种实施例中，光学照明器模块可以被配置为执行运动识别、姿势识别、和三维感测中的至少一个。

在一个实施例中，位于第一表面上的多个接合盘被包裹在基底的一个或多个边沿周围，以使得位于第一表面上的多个接合盘被电连接到位于基底到第二表面上的相应的多个接合盘。在另一个实施例中，位于第一表面上的多个接合盘被包裹在基底的一个或多个侧面周围，以使得位于第一表面上的多个接合盘被电连接到位于基底的第二表面上的相应的多个接合盘。在本实施例中，基底的第一表面上的多个接合盘通过多个通孔被电连接到位于基底的第二表面上的相应的多个接合盘。在这些不同的实施例中，基底可被接合到热沉，从而垂直腔表面发射激光器与热沉热接触。

此外，光学照明器系统可以包括许多其他特征。例如，光学照明器系统可以具有外壳，外壳在第一表面上具有基底，在第一表面处，印刷电路板可以接合到基底并且基底与热沉热接触。光学照明器系统还可以包括位于垂直腔表面发射激光器阵列的第一表面上的透明区域，该透明区域使得从垂直腔表面发射激光器阵列的表面发射的光通过。

在本教导的另一个方面中，照明器模块包括多个垂直腔表面发射激光器，其包括位于垂直腔表面发射激光器阵列的第一表面上的第一电触点和位于垂直腔表面发射激光器阵列的第二表面上的第二电触点。垂直腔表面发射激光器阵列被布置为形成一个二维的垂直腔表面发射激光器阵列，其中光在垂直于第一表面的方向通过多个发射窗口发射。在与垂直腔表面发射激光器阵列的第一表面相对的垂直腔表面发射激光器阵列的第二表面上有一凹槽。该凹槽将垂直腔表面发射激光器阵列与位于第二表面上的电接触区域隔离。电传输线连接位于垂直腔表面发射激光器阵列的第一表面上的第一电触点和位于第二表面上的电接触区域。印刷电路板包括一个或多个电子电路。垂直腔表面发射激光器阵列是安装在印刷电路板上的表面。印刷电路板可以包括至少两个级别上的导电路径，用于连接一个或多个电子电路与至少一个阵列模块。在各种实施方式中，所述至少一个电子电路包括电流驱动器、图像传感器、照相机、控制器和处理器中的至少一个。照明器模块还可以包括位于垂直腔表面发射激光器阵列的第一表面上的透明的载体基板，其包括具有多个窗口的电接触层，该多个窗口与多个发射窗口对准。在各种实例中，照明器模块可以被配置为执行运动识别、姿势识别、和三维感测中的至少一个。

在本教导的另一个方面中，照明装置包括多个垂直腔表面发射激光器，其形成单块的二维垂直腔表面发射激光器阵列，其中光在垂直于阵列的第一表面的方向通过多个发射窗口发射。垂直腔表面发射激光器包括位于垂直腔表面发射激光器阵列的第一表面上的第一电接触层。透明的载体基板位于该第一电接触层上。第二电触点位于与垂直腔表面发射激光器阵列的第一表面相对的垂直腔表面发射激光器阵列的第二表面上。一凹槽位于垂直腔表面发射激光器阵列的第二表面上。该凹槽使垂直腔表面发射激光器阵列与第二表面上的电接触区域电隔离。电传输线连接位于垂直腔表面发射激光器阵列的第一表面上的电接触区域和位于第二表面上的电接触区域。印刷电路板包括一个或多个电子电路。印刷电路板包括至少两个级别上的导电路径，用于连接一个或多个电子电路与至少一个垂直腔表面发射激光器阵列。垂直腔表面发射激光器阵列是安装在印刷电路板上的表面。所述至少一个电子电路包括电流驱动器、图像传感器、照相机、控制器和处理器中的至少一个。在各种实施例中，照明器模块执行运动识别、姿势识别、和三维检测中的至少一个。

附图说明

根据优选和示范性的实施例的本教导连同它们的进一步的优点在下面结合附图的具体实施方式中被更具体地描述。本领域技术人员应注意，下面描述的附图中仅用于说明目的。这些附图不一定按比例绘制，而重点一般是示出本教导的原理。在附图中，相似的参考标号一般指的是相似的特征和结构元件。附图并不意欲以任何方式限制申请人的教导的范围。

图1a是以（i）顶部照明模式和（ii）底部照明模式配置的垂直腔表面发射激光器装置的示意图。

图1b是（i）使用顶部发光的垂直腔表面发射激光器腔及（ii）底部发光的垂直腔表面发射激光器腔的扩展腔垂直腔表面发射激光器的示意图。

图1c是（i）使用顶部发光的垂直腔表面发射激光器腔，（ii）使用底部发光的垂直腔表面发射激光器腔的外腔垂直腔表面发射激光器装置的示意图。

图1d是使用接合到顶部发光的垂直腔表面发射激光器装置的第三反射镜的外腔垂直腔表面发射激光器模块的示意图。

图1e显示两反射镜垂直腔表面发射激光器或扩展腔垂直腔表面发射激光器（i）和外腔垂直腔表面发射激光器（ii）具有多个垂直腔表面发射激光器的二维阵列配置的示意图。

图2a显示在配置用于照明器系统的垂直腔表面发射激光器阵列光学表面安装模块时并入的环绕的接合盘;

图2b显示在四个侧面上具有环绕的板的基底上设置的垂直腔表面发射激光器阵列。两个相对的环绕物连接用于垂直腔表面发射激光器底部板的板，并且另外相对的环绕物连接到用于线接合垂直腔表面发射激光器顶部板的两侧的两个板。

图3显示设置在具有用于配置照明器系统的光学表面安装模块的多个通孔的基底中的垂直腔表面发射激光器阵列;

图4显示设置在通孔基底中的垂直腔表面发射激光器阵列，此通孔基底有一个用于接合到垂直腔表面发射激光器阵列底部板的大的板和用于线接合到垂直腔表面发射激光器阵列的多个侧面的围绕垂直腔表面发射激光器阵列的侧板。这些板通过通孔连接到基底的下侧上的板。

图5显示图4的布置的平面图和侧视图。

图6显示针对图3和图4中的侧板的不同布局，其提供到垂直腔表面发射激光器阵列的2，3或4个侧面的线接合。

图7显示共同位于基底上的垂直腔表面发射激光器阵列和电子模块，以配置用于照明系统的高速光学表面安装模块;

图8显示包括用于配置用于照明器系统的光学表面安装模块的光束成形光学部件的垂直腔表面发射激光器阵列;

图9显示在用于配置用于照明器系统的高速表面安装模块的公共PCB平台上的垂直腔表面发射激光器阵列和高速电子模块;

图10显示使用高速传输线连接的垂直腔表面发射激光器阵列和高速电子模块;

图11显示共同放置在公共基底上的多个垂直腔表面发射激光器阵列，以形成更大的垂直腔表面发射激光器阵列;

图12显示了封闭的高功率、高速照明器系统，包括公共PCB平台上的光学和电子模块和高速传输线连接器;

图13显示在公共基板上构造的垂直腔表面发射激光器阵列芯片的示意图，其具有表面可安装的金属触点，被配置分别具有位于相对表面上的a）正面和b）背面触点；和位于同一表面上的c）正面和d）背面触点；

图14是包括集成微透镜阵列的垂直腔表面发射激光器阵列芯片的示意性图;

图15是表面可安装的垂直腔表面发射激光器阵列模块的示意图，分别为：a）有基板，b）不具有基板，c）有金凸起触点;

图16是表面可安装的垂直腔表面发射激光器阵列模块的示意图，分别为：a）无基板桥，和b）有基板桥;

图17是具有表面可安装的金凸起触点的垂直腔表面发射激光器阵列模块的示意图，分别为：a）无基板桥，和b）有基板桥;

图18a，18b和18c表示被配置有用于实现各种光束成形功能的附加光学部件的垂直腔表面发射激光器阵列光学部件;

图19是分别接合到透明的载体基板的垂直腔表面发射激光器阵列芯片的示意性图，分别为：a）电隔离配置及b）以串联配置的电连接在一起;

图20是表面安装的垂直腔表面发射激光器阵列的光学模块的示意图，被封装在a）环绕物热基底上，b）低电感通孔基底上，和c）与驱动器电子设备（未示出）共同定位的印刷电路板上;

图21显示包括四个垂直腔表面发射激光器阵列模块芯片的光学照明器模块，分别显示a）俯视平面图，b），c）和d）照明器模块的不同投影方向的横截面视图;

图22是分别以a）线性阵列，和b）并排线性阵列布置的垂直腔表面发射激光器阵列模块芯片的示意图;

图23是具有圆形发射区域的垂直腔表面发射激光器阵列模块的示意图，分别包括a）具有四个四分之一圆发射区域的垂直腔表面发射激光器阵列模块，和b）具有圆形发射区域和一组同心半圆环的组合的垂直腔表面发射激光器阵列模块;

图24分别表示a）光学照明器模块，b）模块的横剖视图，和c）性能特征;

图25显示a）示范性空气冷却的高功率光学照明器模块，包括九个垂直腔表面发射激光器阵列模块芯片，和b）光学照明器模块的剖视图;

图26显示示范性液体冷却的光学照明器模块，分别包括，a）并排垂直腔表面发射激光器阵列模块芯片，b）圆形垂直腔表面发射激光器阵列模块芯片，和c）模块的横截面视图;

图27示意性地显示表面安装的光学照明器模块，与电子电路共同位于热基底上，a）平面视图，b）和c）横截面视图;

图28显示表面安装的光学照明器模块的横剖视图，其与电子电路共同位于多层印刷电路板上;

图29显示表面安装的光学装置的平面示意图，此装置包括光学照明器模块和光学传感器模块，它们在公共印刷电路板上表面安装有其它电子电路;

图30是运动检测设备的示意图，它包括表面安装的光学装置，具有根据本发明配置的光学照明器模块;

图31是使用表面安装的光学装置的运动检测设备的原理示意图，光学装置具有根据本发明配置的光学照明器模块。

具体实施方式

在本说明书中提及“一个实例”或“实施例”是指在教导的至少一个实施例中包括参考该实施例所描述的特定特征，结构，或特性。在本说明书中不同地方出现的短语“在一个实施例中”并不一定都指相同的实施例。

应当理解，只要本教导还有效，本教导中的方法的各个步骤就可以按照任意次序执行或者同时执行。此外，应当理解，只要本教导还有效，本教导中的设备和方法就可以任何数目或所有所描述的实施例。

将参考附图中所示的示范性实施例详细描述本教导。除非另有说明，任何特定实施例中没有示出的元件将不被理解为从该实施例中排除。实施例中分开展示的不同方面的目的是给本发明提供一个更广阔的角度。虽然本说明只结合各个实例进行描述，但描述的目的不是仅限于这样的实施例。而与此相反，本领域技术人员将理解，本发明的说明包括各个替代，修改和等同物。能够学习本教导的本领域技术人员将认识到附加的实施方式、修改和实施例以及其它应用领域，这些都属于这里描述的本公开的范围之内。

激光照明器（照明器）系统对于许多应用具有许多超越目前技术的优点，并且理想地适合于如三维（3D）成像和姿势识别照明器系统之类的应用。照明器包括单个VCSEL或布置在模块中的VCSEL阵列，模块具有高的热传导性，并包含诸如电流驱动器之类的高速电子电路。通过适合于表面安装到PCB的低阻抗子配件设计来江都驱动器电路的寄生元件，PCB包括高速传输线来连接VCSEL或VCSEL阵列和高速驱动器电子电路。本发明的VCSEL阵列可以直接表面安装到热沉或在PCB中可选地包括的热沉区域，用于在高功率操作期间进行快速散热。此外，光学部件本发明中光学部件可成形光输出光束或者可以对于单个VCSEL或VCSEL阵列修改VCSEL光输出的发射。

在另一个实施例中，照明器包括安装到透明的载体基板（下文中称为载体基板）的VCSEL阵列，基板密封发射表面并且还提供鲁棒的支持。本文所述的表面安装的封装的一个优点是避免VCSEL阵列的引线或带状结合，其在长期运行中可能成为设备失败的原因并且增加模块的成本。VCSEL或VCSEL阵列的发光或不发光的表面可以与电子电路集成，以采用标准的表面安装方法将照明器模块电连接到电路板上的驱动器和/或控制电路。

这里所描述的载体基板被设计为可选地包括光学部件如微透镜，扩散片等。带有载体基板的VCSEL阵列可根据应用需要而适合于表面安装在电路板上或基底上。如本文所述的光学照明器不需要光学部件与阵列中的单个VCSEL的复杂的对准光学部件，从而很容易适用于大批量制造。

VCSEL阵列装置

参考图1a，1b，1c，1d和1e中，显示了用于各个照明应用的典型的VCSEL和VCSEL阵列。图1中标有相同的参考标号的相同的元件具有相似的功能，适用于相同的描述。更具体地，图1a（i）和图1a（ii）中所示的自激射VCSEL装置的两个反射镜器被构造在包含第一电接触层102（第一端子）的基板101上。发光区域104是一个半导体增益介质，被设置在两个反射器103和106之间。反射器可以是各个类型，如分布式布喇格光栅，包括电介质或半导体;光栅，包括半导体，电介质或金属;或反射金属。第二电接触层107（第二端子）形成在与第一电接触层102相对的表面上。一个电流限制孔105用于控制发光区的驱动电流，并且还确定发射光束的形状，参见Seurin等人于2011年12月24日提交的美国专利申请No.13，337，098。

在以下的描述中，提及装置的“顶端”，“顶部电触点，”和“第一表面”是指发射表面。因此，装置的发射端在这里被称为“顶端”，并且与装置的发射端的电触点在这里被称为“顶部触点”。装置的非发射端在本文中被称为“底端”或“第二表面”，并且与非发射端的电触点在示例中被称为“底部触点”，除非另有说明。

更具体地，图1a（i）所示的顶部发射装置具有与装置的触点端相对的发射表面108。而在图a（ii）所示的底部发射装置中，发射表面108位于基板侧上。因此，图1a（i）中，底部和顶部端子是102和107，分别包括基板端和有源层端，而在图1a中的（ii）中，底部和顶部端子102和107分别是游泳池端和基板端。应当指出，在图1a（ii）中所示的底部发射装置朝上安装有基板侧，使得在图1a（i）和1a（ii）所示的装置中的光发射是在向上的方向（箭头109）。虽然图中显示装置具有各自的基板，但是一个常见的做法是减少基板的厚度，或完全除去基板以提高散热效率。

通过改进VCSEL的形式以获得改进的或更理想的输出特性，例如，在单模下的更高功率输出。图1b显示了使用3镜腔的扩展腔VCSEL装置来获得这样的输出特性的两个例子。图1b（i）使用顶部发光VCSEL结构，这是类似于图1a（i）中描述的装置，但作了如下改动。底部反射器106被制作为部分反射，第三反射器100被制作在基板的底表面上。反射器100和106的组合导致高反射率，当它们在设计的相位关系时，从而获得所需的VCSEL激光操作。向上方向输出光109由顶部反射器103发送。

图1b（ii）使用底部发射的VCSEL结构，这类似于图1a（ii）中描述的装置，除了要作如下改动。顶部反射器103是部分反射的，和第三反射器100被制作在基板的顶表面上。反射器100和103的组合结果是增加了反射率，当它们在设计的相位关系时，从而获得所需的VCSEL激光操作。向上方向输出光109由第三反射器100发送。

三个反射镜的配置的另一实施例，外腔VCSEL，如图1c（i），（ii）和1d所示，第三反射镜100与VCSEL制作基板分离。图1c（i）及（ii）分别为采用顶部发光及底部发光的VCSEL的外部三镜腔VCSEL装置的两个形式。图1c（i）使用顶部发光VCSEL结构，这与图1a（i）中描述的装置类似。但该VCSEL顶部反射器106的反射系数减小。第三反射器100位于VCSEL装置的上表面108上方的某一设计距离处，以使得反射器106和100的组合发送产生高反射率，以产生具有期望的输出特性的激光动作。谐振腔导致三个反射镜间的激光动作99并且输出激光109由第三反射镜100在顶部输出。

图1c（ii）使用底部发射的VCSEL结构，这与图1a（ⅱ）中描述的装置类似。但该VCSEL顶部反射器103的反射系数减小。第三反射器100位于VCSEL装置的上表面108上方某一设计距离处，以使得反射器103和100的组合发送产生高反射率，以产生具有期望的输出特性的激光动作。为消除在谐振腔中由于反射的损失，上表面108施加有抗反射涂层。谐振腔导致三个反射镜间的激光动作99并且输出激光109由第三反射镜100在顶部输出。

图1d示出了外腔VCSEL的第三示例，其中输出从VCSEL装置反射器106中的一个获取。本文给出了一些细节解释如何将第三反射器连接到VCSEL装置以形成坚固的紧凑型模块。此装置和设计具有极大的制造优势，包括:整个装配可在晶片级上进行，以在晶片上产生大量的模块，然后通过切割分离出已完成的大量模块。

图1d中所示的模块使用的是图1a（i）所示的顶部发光装置。但是此技术也可以使用底部发光装置，如图1a（ⅱ）。底部反射器103是部分反射，以在三镜腔中作为中间反射器。该VCSEL基板101在激光束通过的表面区域具有抗反射涂层96，并且在其它表面区域被金属化102以形成底部接触。第三反射镜沉积在透明基板97上，另一面具有抗反射涂层96。相同的表面具有被施加到激光束穿过的区域以外的区域中的金属化层98。在基板上的第三反射器然后焊接94到VCSEL装置的底部，形成单块模块。第三反射器100是位于VCSEL装置的底表面下方的一设计距离处，该设计距离由VCSEL和透明基板101，97的厚度而定，以使得反射器103和100的组合反射产生一个高反射率，以产生具有期望的输出特性的激光动作。谐振腔导致三个反射镜间的激光动作99并且通过VCSEL顶部反射镜106输出109。

本领域技术人员将理解，代替单个VCSEL装置，多个VCSEL装置的阵列，无论是自发光或3镜腔的VCSEL阵列都可以构造在单个基板上，如在图1e（i）和（ⅱ）所示和。更具体地，在图1e（i）中，其中所示的VCSEL阵列112包括多个VCSEL装置（每个点代表一个VCSEL装置110）的二维阵列111，每个VCSEL类似于图1a或图1b所示，构造在一个公共基板112上。阵列中的所有的VCSEL装置电连接到用作阵列的第一公共端子的基板。为了VCSEL的集体发射，VCSEL阵列中的每个VCSEL的第二电触点使用阵列表面上的公共金属化连接，其功能是作为阵列的第二公共端子。

所有VCSEL装置发出向上方向的激光，在本例中由箭头114所示。为了便于说明，图1e中所示的VCSEL阵列112将被称为VCSEL阵列芯片（或阵列芯片）。在这个特定的例子中，VCSEL装置被布置以形成一个圆形的阵列芯片。应当理解，VCSEL阵列芯片可以是任何规则的几何图案或随机的形状。阵列芯片112可以安装在任何热基底113上，见Seurin等人，2011年12月24日申请的美国专利申请号13337098。

类似的方式，图1c或1d中描述的外腔VCSEL结构可以被配置到在图1e（ⅱ）的一个公共基板上构造的多个VCSEL装置的阵列中。在图1c中描述的装置中，单独的外部镜是一个第三反射镜100，它位于VCSEL阵列基板的顶部之上的正确位置处。具有减小的反射率的反射镜106或103的顶部或底部发光VCSEL装置分别制造在一个公共基片112上。第三反射镜100位于VCSEL阵列112之外某一设计特定距离的位置，以使得三个反射镜的组合腔在每个VCSEL装置中产生具有期望特性的激光动作99。VCSEL阵列114的输出光束从反射镜100向上输出。

在图1d描述的VCSEL模块的情况下，该装置可以是具有接合到包含众多的VCSEL装置的VCSEL装置基板晶片的单个第三反射镜基板的晶片形式。通过适当的制造掩模和工艺，VCSEL晶片的布局可以被配置为VCSEL模块的阵列。因而，代替切割各个装置模块，包括装置阵列的许多模块可以从外部腔VCSEL晶片组件分割出。

以上描述了三镜扩展腔与外腔VCSEL装置和阵列模块的几个例子。本领域技术人员将理解，可以使用三镜的其它配置并且可产生用于在单个装置和装置的阵列中提供四个反射镜VCSEL腔的这些配置的组合。

在以下的讨论中，术语VCSEL阵列，VCSEL阵列装置或元件是指任何上述类型的VCSEL装置，包括VCSEL、扩展腔VCSEL和外腔VCSEL。

VCSEL阵列表面安装模块：

在图2a中分别示出光学模块的实施例的俯视图200a和相应的横截面图200b。为了便于说明，两个视图中的相同的部分标有相同的参考标号表示。所示的装置具体地是二维阵列209，其包括多个VCSEL元件202（为清楚起见只标记一个），构建在一个公共基板201上。其中的多个VCSEL可以是在图1a，1b，1c，1d和1e中的各种类型，只要它们被安装以相同的方向发射激光，如图中箭头208所示。

每个VCSEL的第一电极（位于基板201的底部）连接在一起，以形成阵列的公共第一端子。每个VCSEL的第二电极一起（阵列209的顶表面）连接到阵列的公共第二端子。如前面提到的，在这个例子中阵列的基板是接合面，阵列的表面是发光表面。公共的基板，也即阵列的公共的第一端子被接合到接合盘204上，接合盘204被安装在具有高的热导率的基底203上，从而在VCSEL阵列中产生的热量迅速扩散并消散。多个引线或公共的宽的接合带206从VCSEL阵列的发光表面到位于公共基底上的第二接合盘205提供到公共第二端子的非常低的电感连接。

接合盘204和205虽然位于公共基底的同一表面上，但相互间电隔离。本实例中的接合盘204和205围绕基底203的各自边缘216和217包裹，并且连接到基底下面的相对表面上的对应组的大区域接合盘214和215上，使得VCSEL阵列与接合到基底的热沉（未出示在图2a中）具有有效的热接触。从横截面视图（ⅱ）中更清楚地看到这一点。在本实例中，与VCSEL阵列的电连接在用于表面安装阵列的热基底的底部侧上。例如，在大区域的接合盘可以焊接到PCB上的相应设计的连接器盘处。到所有的VCSEL的公共电极连接使得使用公共驱动器电流一起操作装置，从而使所有VCSEL同时发射激光，产生高功率输出。在本实例中的VCSEL阵列是通过大区域的接合盘214和215电连接到PCB上的相应盘，例如连接到高速的电流驱动器电路。

在上面描述的示范性实施例中，只显示在阵列中的所有VCSEL公共的一组接合盘204和205。实际中，许多的接合盘共同位于基底的同一表面上。在某些应用中，VCSEL阵列的不同部分连接到不同的驱动电流的电路是有利的，以便用可编程的方式来操作它们。VCSEL阵列的不同部分可以连接以隔离相同的热基底上的接合盘，这些接合盘被单独包裹在热基底的各个边缘周围并且连接到热基底的下侧上的对应的盘。

如前面提到的，为高效散热，热基底被放置在热沉上（未出示在图2a中）。在本例中，热基底下方具有大区域接合盘，放置在热沉或一个集成在PCB中的热沉上，因此VCSEL阵列和热沉之间的热阻非常低。同时由于大区域的接触盘，电路径的寄生元件，特别是感性阻抗减少，这对VCSEL阵列的高速脉冲操作是明确的优点。

图2b是VCSEL或VCSEL阵列需要高速操作时来自2a的一个变型。修改基底金属化以使得VCSEL209的接合盘204具有基底203的两个相对侧216上的环绕物连接。环绕连接连接到基底的下侧上的大的接合盘214。此外，VCSEL阵列的相对侧上还有两个侧盘205和207与环绕物连接216正交。还有两个接合盘215，218位于上基底的底部，它们与接合盘214电隔离。205和207的两个侧盘与底部的接合盘215和218分别相连。然后205和207的两个侧盘由引线506和510连接VCSEL阵列的顶端。在基底上的VCSEL阵列的布置可以是直接表面安装在PCB上，具有与基底接合盘215，214和218相匹配的接合盘。这种多个平行环绕连接大大降低了VCSEL阵列和PCB之间的电感和电阻，从而实现VCSEL阵列的非常高速脉冲或调制操作。

在图3所示的另外一个示例中，一个光学模块使用了与图2a和2b中所示热基底不同的基底。平视图300a与相应截面图300b所示的模块，与图2中描述的模块类似。具体来说，一个包含了置于各个基底301之上的多个VCSEL302(仅一个被标注)的VCSEL阵列309，被接合到基底303表面的接合盘304上。VCSEL阵列下方的电极与接合盘304电接触。VCSEL阵列顶部发射面上的第二电极通过引线或者引带接合在基底303的同一表面上的第二接合盘305上，并与位于同一平面的接合盘304电隔离。一组箭头308代表了VCSEL阵列发射出的平行光束。

与图2a和2b所示的例子类似，图3中的基底可以由高导热率材料构成。然而在本示例中，使用高导热率材料基底将热量由VCSEL阵列散出并不必要。代之以，本示例中的基底包含了多个通孔（有时被成为透孔）311（仅有一个在侧视图中被标出）。以上设计在截面图300b中可以看得更为清晰。300a与300b中相同部件被标为同一参考数字。每一个单独通孔（仅一个在上方被标注）被涂覆或者填充导热导电材料，分别把接合盘304和305与位于基底底部的对应大区域接合盘314和315连接312起来。

可用于对通孔涂覆或者填充以将VCSEL产生的热量快速导入热沉（图3中不可见）的材料包括，但不限于，铜，银以及金等高导热导电金属。如同图2a和2b中的示例所描述的一样，基底可以被放着在一个热沉和/或将VCSEL阵列与高速驱动电路连接的印刷电路板上。除了提供高导热率，多个通孔同样在接合盘304和305与大区域接合盘314和315以及高速驱动电路之间提供了非常低的电感电接触。

对于需要超高速运行VCSEL阵列的情形，图4展示了置于图3所示的通孔基底上的另一种VCSEL阵列配置。VCSEL阵列409的底部盘接合到基底403的顶部上的大盘404上。基底底部有相应的接合盘414。上接合盘404与下接合盘414之间的电气和热连接412由如前所述的多个通孔411完成。

一个与大区域接合盘404电隔离的侧面接合盘405位于VCSEL阵列的周边。在VCSEL阵列的四边，焊线或者类似连线406连接了接合盘405和VCSEL阵列顶部的接合盘。两个或者更多个接合盘415和418被放置在基底底部并与接合盘414电隔离。这些接合盘415和418通过通孔与基底顶部的侧接合盘405作电气和热传导连接412。本领域内的技术人员也能够预见到接合盘415和418的其他设计，包括在利用通孔411能够直接连接顶部接合盘405的情况下，使用大于两个接合盘415和418。这样在基底上排列的VCSEL阵列可以被直接表面安装到一块有跟基底接合盘415，414和418匹配的接合盘的印刷电路板上。与VCSEL阵列的多个平行连接，极大地减小了VCSEL阵列与印刷电路板之间的电感和电阻，使得VCSEL阵列的高速脉冲或者调制操作成为可能。

图5展示了对于图4的另外一种设计。平视图(a)展示了基底顶部接合盘504和505，以及对VCSEL阵列509的引线连接506和510的细节。图b展示了VCSEL阵列，基底以及引线的侧端面。平视图(c)展示了基底的底部，显示了接合盘515，514和518，以及向顶部和侧面接合盘的通孔连接512的分布。图5（d）展示了基底上的VCSEL阵列的剖面图，对于上下基底接合盘之间的通孔连接给予了更多的细节。

虽然只有一种基底侧面接合盘的设计被展示，但是本领域内技术人员也能够预见到其他设计。图6(a)展示了前述设计，而(b)和(c)则展示了另外两种设计。在全部三个示例中，底部接合盘的设计样式是相同的。当然如前所述，底部的接合盘布局也可以被设计成不同样式。在(b)图中，侧面接合盘621被放置在VCSEL阵列609的三个侧面周围，并被引线606，610和619连接到VCSEL阵列顶部接合盘的三侧。VCSEL阵列的底部接合盘被接合到顶部大接合盘604上。顶部大接合盘604在此布置中可以在不再包含侧盘的那一个方向延伸。此布局在测试阶段可以具有益处，以提供探测测试的盘区域。

图6(c)展示了位于VCSEL阵列的相对侧面上的两个侧接合盘622和623。它们与图5中所示的两个底部接合盘615和618相连接。引线606和610从VCSEL阵列的顶部接合盘分别连接到两个侧面接合盘622和623。VCSEL阵列的底部接合盘被接合到大的顶部接合盘604上。顶部大接合盘604在此布置中可以在不再包含侧盘的那两个方向延伸。此布局在测试阶段可以具有益处，以提供探测测试的盘区域；它还通过简化各种简化操作等提供配件的益处。

图6d，6e和6f展示了为高速而优化的布局。在这种设计中，VCSEL阵列609的底部接合盘被接合在大的中央接合盘604上。VCSEL阵列顶部接合盘在四边606，610，619和620通过引线连接到围绕VCSEL阵列的环形接合盘605上。图6f中所示的基底底部603上有两个接合盘614和605，在尺寸上分别与顶接合盘604和605匹配并与之相对。接合盘604，614和接合盘605，630分别通过多个电气和热导通的通孔611连接在。这种布局提供了最为直接的连接，最小的电感，以利于VCSEL阵列的超高速脉冲和调制。

在一个示例中，一个高速光学模块使用VCSEL阵列配置，并且集成电路或者电子芯片的电子电路（以下称为电子模块）可选地接合到同一热基底上，如图7所示。VCSEL阵列和热传导基底与前面图3，4，5和6中所示的类似。相同部分使用了同样的标号。更具体地说，图7中的标号可以援引到前面图3，4，5和6中的描述。VCSEL阵列的一个端子接合到热传导基底703的接合盘704上。电子模块727包含了至少一个电流驱动电路，以及可能的额外的控制检测电路，电子模块727使用倒装接合或者如示意图700a，700b和700c所示的传统表面接合技术被接合在热基底上。

在示意图700a中，VCSEL阵列709由引线或引带706电连接到位于公共焊盘705上的电子模块727。示意图700b引线则展示了另一种将VCSEL阵列与电子模块连接的方法。使用这种方法，电子模块以倒装芯片的方式被安装在VCSEL阵列所在的基底表面上。VCSEL阵列与电流驱动电路之间由一根传输线705作为电连接。传输线705可能进一步连接到有源或无源阻抗匹配装置。更具体地说，一个位于VCSEL阵列的顶部发射表面和基板701上的通孔为共享电子模块727的VCSEL阵列的端子和传输线705之间提供了电传导路径。在示意图700c中，电子模块727在基板侧上被接合在热基底上的接合盘，并通过引线或宽引带接合706与VCSEL阵列电连接。

虽然以上示范性实例，仅展示了一套接合盘和位于热基底上的一套VCSEL阵列和电子模块，但是对于本领域的技术人员来说，很显然每一块热基底可以有更多个接合盘以容纳更多个VCSEL阵列和电子模块，以配置更大的光学模块。将电子模块安装在同一基底上的好处是可以通过减小比如电流驱动电路的寄生元件，例如感性阻抗，以利于VCSEL阵列的高速操作。

虽然本发明的以上方面是使用具有多个通孔的基底来阐明的，但是发明原理同样适用于前述图2a和图2b中环绕的基底设计。本领域内的技术人员会认识到，位于同一基底上的不同的焊盘可以被包裹在基底的边缘周围并与基底下相对表面上的一块较大区域的焊盘相连接，以连接不同的VCSEL阵列和/或电子模块。

光束成形和发射模式

一个或多个光学布局可以被放置在VCSEL输出光束之前，来重塑或更改输出光束的外形以获得所需的发射图案。作为示例，光学组件可以仅仅是透明的窗口，或者还可以包括更多的光学成形元件。参考图8，VCSEL子组件800a，800b和800c包含了外部光学部件。单独的视图中的相同部件都标有相同的参考标号，并且将被统一描述。具体来说，虚线框811内包含的部件集体代表作为前文述图2-7中描述的VCSEL阵列子组件，不会再被重复描述。在800a和800b的配置中，例如焊料或环氧树脂的接合材料环812位于VCSEL阵列边沿周围的基底上，并且光学部件813被附接到接合环。

假如没有额外的光束成形要求，光学部件仅为透明的窗口。光学部件被对准安装在VCSEL子组件811上方的预定高度处，来封装VCSEL阵列的顶部发射表面上的引线或者引带连接器806，以提供额外的机械支撑。此外，封装材料密封地或者非密封地将VCSEL阵列和光学部件封闭在一起。假如有光束成形要求，光学部件还会包括一个或者更多个由图8中814代表的光学成形元件或者其阵列。

光学成形装置814可以被安装或者形成在光学部件813上。包括光学成形元件的光学部件被放置在VCSEL子组件811上方一个预定的高度上，并与VCSEL阵列横向对齐。这样VCSEL阵列的输出光束将在正确的位置和距离透过光学装置814以保证获得需要的光学成形操作。光学元件的选择根据特定应用需要的光束成形或者发射图案来预定。光束成形元件包括但不限于透镜，微透镜，光阑，光束扩散器等，以及一个或者更多个以上元件的阵列。当VCSEL阵列的不同部分需要不同类型的光束成形时，不同的光束成形装置可以被添加在一个层中，或者多层光束成形元件可以通过在上面堆叠来添加。此外，光束成形元件比如微透镜或者扩散器可以被制作在VCSEL光学部件的顶部或者在VCSEL或光学部件的外部来集成。

在另外一个示例800c中，光学部件813应用焊料凸点技术附接到VCSEL阵列子组件上。使用环氧树脂凸点，光学部件813可以被安装在VCSEL阵列的各个部位。光学部件可以在一个表面上包括一个或多个光束成形元件814或所述元件的阵列。在这个示例中，光学部件813还包含沉积在不包括光学成形元件的表面上的现成焊料金属盘。焊料金属盘的厚度由光学部件应被放置以提供所需光束成形操作的高度决定。光学部件与基底803上的接合盘804和805横向对齐，这样VCSEL阵列的输出光束将在正确的位置和距离透过光学装置814以保证获得需要的光学成形操作。VCSEL阵列周围的焊料或者环氧树脂，以及附加的光学部件也对VCSEL阵列提供了密封，以避免外部元件可能带来的损伤。

示意图800d展示了一个包含高速电子模块的光学模块示例。在这个示例中，虚线框811代表了一个与图700b中所展示的类似的高速光学模块。在此示例中，例如焊料或者环氧树脂的接合材料812被放置在VCSEL阵列以及电子模块818周围的基底上以接合光学部件813来为整个光学模块提供封装。光学装置可以仅为一个透明的窗口，假如需要光束成形，也可以包括可选的额外的光学以及814或者其阵列。VCSEL阵列和所附的光学部件周围的焊料或者环氧树脂也为VCSEL阵列提供了封装，以避免外部部件可能带来的损伤。以上示例是以图7中的光学模块700b为参考来描述的，但此描述也同样适用于图7中的相关光学模块700a和700b。

高速光学模块

前文描述的VCSEL阵列及其光学成形元件，可以被用于配置如图9所示的高速光学模块。示意图900a和900b所示的高速模块示例与图7中描述的高速光学模块类似。示范性高速光学模块900a和900b共同拥有的特性都标有相同的参考标号，并且将被统一描述。更具体地说，一个典型的高速模块包含虚线框内的光学模块911，以及电子模块927。900a和900b所示的高速光学模块，包含了一个焊在热基底903上的VCSEL阵列，与图2-6中提到的光学模块在几乎所有方面都大致相同。900a的基底与900b有所不同，后者包含了图3-6描述的多个通孔。

除了光学模块，示范性的高速模块还包含了含有至少一个高速电流驱动装置的高速电子模块927。使用为本领域技术人员熟知的焊料，环氧树脂或者其他材料的导热接合介质921将光学和电子模块表面安装在一块印刷电路板920上，以将电子芯片表面接合到高速电子电路中的PCB。印刷电路板还包含了在一个表面上的一条或者多条高速引线传输线923（仅一条被注明），以及PCB下的相对表面上的多个接地面（仅数个被注明）。电子模块被高速引线传输线923电连接到光学模块，用来高速驱动，调制和控制VCSEL阵列。印刷电路版可以可选地包含一个热沉区域922，光学模块直接接合到热沉以有效散热。

示范性的高速子组件中的光学模块包括了一个如同图8所描述的，由一个或多个光束成形元件914或者其阵列组成的光学部件913。使用光学模块的基底903和印刷电路板上的诸如焊料或者环氧树脂一类的接合材料912，把光学部件安装在子组件上，使得光学部件与光学模块上的VCSEL阵列对齐，同时把电子模块封装在印刷电路板上。可以理解的是，以上高速子组件的布局仅仅是一种示例，而为本领域技术人员熟知的其他将光学模块和电子模块组装在一起的布局，也在本发明的范围之内。

图10展示了一个使用高速引线传输线连接光学模块和印刷电路板上的电子模块的示范性布置。具体来说，平面图1000a和相应的截面图1000b展示了印刷电路板1020，其中包含光学模块1021（为100b中的虚线框所示）和电子模块1027，被位于电路板两面的高速引线传输线1023和接地面1024连接在一起（仅电路板一面可见）。此外，传输线两面也安装了有源或无源阻抗匹配元件1025（仅一件被注明）。本领域内相关技术人员可以理解，本示例中的引线传输线可以是为人熟知的带状引线，微带状引线或者共平面类型的引线。虽然没有被明确的标示，本示例中的光学模块同样包含了如前图8所示使用接合材料被附接在模块上的光束成形元件。

虽然如图9a和图10所示的示例中的光学模块，使用了图8中800a的布局安排，但是这些示例同样适用于图8中800b，800c或者800d的包含数个通孔的热基底的布局安排。事实上，使用这些基本模块的不同组合或者子组合将对本领域技术人员是明显的，并且不同的实施例在前述的宽泛框架内构建。在同一印刷电路板平台上把高速传输线和光学及电子模块包含在一起，这种做法的一个好处是可以减小VCSEL阵列的高速运行的寄生电路元件，特别是电感。此外，其他电子元件，比如高速控制操作使用的预制可编程部件也可以被选择性地包括在同一块印刷电路板平台上。

虽然前述所有示例仅包含单个VCSEL阵列，但是在实际应用中，多个VCSEL阵列可以共存在一个基底上。图11展示了示例性的配置，在一个基底1103上，共同放置了一维VCSEL阵列1100a和二维VCSEL阵列1100b。具体来说，1100a展示了公共基底上的VCSEL阵列（由1109统一标识）组成的1xN阵列。这个基底上包含了多个被包裹在一个或多个最近的边缘1116和1117周围的接合盘1104和1105，这些接合盘与基底下的相对表面上的较大区域的接合盘（图11中没有示出）相连接。以上示例也可适用于构建2xN阵列。1100b展示了同一基底上的VCSEL阵列组成2xN阵列的另一示例。这个基底上包含了多个通孔1111，用于将基底1103的表面上的每一个接合盘（仅1104和1105示出）与基底1103下的相对表面上的较大区域的接合盘（仅1105示出）相连接。这个示例对于MxN阵列更为适合。

每一个VCSEL阵列可以使用一个或者多个引带1106单独连接，或者集体连接到一个或多个电流驱动电路。此外，不同阵列中的VCSEL可以具备不同的电流限制光阑结构来提供不同的发射图案。本领域内技术人员将会认识到不同阵列中的VCSEL可以被模块化连接。举例说明，一个基底上的所有阵列可以被连接在一起，或者单独连接，并被操作或编程以运行在所需要的模式或者所需要的组合。这为产生不同的照明功率和发射图案提供了大量的可能性。

照明器系统

如图12所示，前述不同模块的组合可以用于配置高速高功率的照明器系统。等轴视图1200a展示了一个照明器系统的整体设计。相应的截面图1200b可以增进对这个照明器系统的理解。两幅视图中类似的元件被标示成相同的数字标号以避免重复描述。具体来说，1200a和1200b中所示的照明器系统由一个直接接合到印刷电路板1220的光学模块1221和高速电子模块1227组成。电子模块包含了至少一个为光学模块提供驱动电流的电流驱动电路。电子模块还包含了其他用于控制光学模块不同功能的装置。在这个示例中，电子模块可以通过使用高速链路的外部控制器（未显示）远程寻址，高速链路由PCB上的一条引线传输线1223（带状引线或微带状引线）和一个位于照明器外壳1210的外部连接器1224组成。

光学模块包含了如前图2a，2b，3，4，5，6，7，8，和9所描述的安装在热基底上的VCSEL阵列。每一个光学模块可以包含一个或者多个VCSEL阵列。此外，光学模块也可以包含一个或多个类似图8-10描述的光束成形元件或阵列。利用前述图2-7所描述的基底下面的大区域的接合盘，光学模块被接合到一个位于印刷电路板上的接合盘1215。基底上的接合盘可以被直接放置在印刷电路板中可选地包括的热沉区域上，这样VCSEL阵列下的基底接合到印刷电路板的热沉区域，利于VCSEL阵列与热沉区域的直接热接触。而印刷电路板将被接合到外壳1210的热传导底板1219上，以在VCSEL阵列与照明器系统外壳的外部热沉1216之间提供有效的热传导路径。

一个透明盖1217被置于外壳底板的相反端，以完成封闭性或非封闭性的外壳密封。与图8中在光学模块里包含光束成形元件的做法不同，透明盖可以直接被用作光束成形元件。在这种情况下，光学模块与透明盖之间的距离将会被相应调整以从光学模块获得所需的光束形状。如前所述，照明器系统可能包括多于一个VCSEL阵列以获得高功率和/或者大区域的照明。多个VCSEL阵列可以通过并联或者串联电连接在一起来同步运行。

为简明阐述，在上述示例中单个VCSEL或者VCSEL阵列是制造在单一基板上的。本领域内技术人员可以理解，在实际操作中，很多单个VCSEL或者很多VCSEL阵列可以被制作在单块大区域基板上。取决于所需要的输出功率，基板上的每一个装置或者阵列可以被连接到单独的电流驱动器，或者可以连接到公共的电流驱动器。虽然以上示例中描述了建造在单一基板上的规则二维VCSEL阵列，但是任何规则或不规则VCSEL阵列，例如线性的或一维阵列，或者不规则的二维阵列，均可以由单个高功率VCSEL按期望的图案排列组成。

同样道理，前图2a，2b，3，4，5，6和7中描述了在单一热基底上安装每个模块。在实际操作中，多于一个模块可以被安装在单一热基底上。大的二维VSCEL阵列可以由一维阵列或者小的二维阵列在热基底上的公共接合盘或者单独的接合盘之上连接在一起而成。有益地，小的VCSEL有利于紧密封装的阵列，以产生非常均匀和无斑点的照明图案。

此外，根据输出功率的要求，使用一个或者多个驱动电流电路，不同的阵列可以被编程为单独或者集体运行。每一个阵列可以被编程为同步，非同步，连续，脉冲或者顺序运行。将光学模块和电子模块至于同一印刷电路板上并以高速引线传输线连接，可以让VSCEL阵列以高速脉冲方式运行（脉冲频率在Gb/s（十亿比特每秒）量级），并由外部控制器进行调制。此外，VCSEL阵列的不同部分可以被配置在不同速率运行或者实施调制。

以上描述的目的是，以模块化方式覆盖一个宽的框架，这个框架被定义为基于VSCEL阵列技术制造和运行高速高功率激光照明器系统。本领域内技术人员能够理解，配置和编程VCSEL阵列的模块化特征，为适应不同应用所需的不同照明图案的运行速度和控制方式提供了多样化的选择。前文背景技术部分描述了一些这样的应用。

表面安装VCSEL阵列芯片

值得注意的是传统VCSEL阵列芯片的两个端子位于阵列芯片的两个相对端（发射端与非发射端）上。更清楚的展示可见图13的截面图。

参考图13a到图13d，每一个示例中，一个阵列芯片都是在一个公共基板1310上制造的。为清楚起见，VCSEL阵列的有源层由发光区，电流限制区和反射区组成，并被统一标识为1320。对于图13a所示顶部发射阵列芯片，非发射面的底部触点1302构成了阵列芯片的公共第一端子。在这个示例中，底部触点是一个连续的金属化层，并电连接到导电基板1301上。

位于有源层发射面上的顶部触点构成阵列芯片的公共第二端子。顶部触点是一个连续的金属化层。金属化层上有通过选择性蚀刻（或选择性沉积）形成的多个发射窗口1308（仅一个窗口在示意图中被标示）。窗口之间的金属化构成了顶部金属接触盘1307，以形成电气连接。（仅一个接触盘在示意图中被标示）。每一个窗口1308都与窗口之下对应的VCSEL的电流限制窗孔相对齐。

对于图13b所示的底部发射类型来说，阵列芯片被倒置，使得与有源层作电气连接的非发射面触点1302形成公共第一端子。发射面上的顶金属化层被沉积在基板1301上，并含有多个窗口1308（仅一个被标示）。窗口间的金属化层构成了电气接触盘1307（仅一个被标示），以形成电气连接。每一个窗口1308都与窗口之下的有源层内相应的电流限制窗孔对齐。顶金属化层构成了阵列芯片的公共第二电极。底发射类型的阵列芯片是被倒置的。光束从基板端向上发射1309。然而所示的这个配置不应成为任何其他配置的限制。

在图13a和13b所示的阵列芯片中，第一和第二端子处于发射面的相对两面。而放置在同一平面的端子更利于表面安装，图13c和13d展示了第一和第二端子处于同一面的两个例子。具体来说，底部发射类型中，阵列芯片是为了方便阵列芯片的表面安装。图13c和13d的示例中，阵列芯片被安装成底部发射类型（与图13b的实施例类似），然而这不应被解释为任何限制。

在图13c的示例中，通过选择性地移除底触点1302和它下面的有源层1320的一部分，一个窗口1321或者一条凹槽被制造出来。一层额外的金属化层1322被选择性地沉积在基板1301的非发射面。在有源层的一部分上支持金属化层1322，该部分通过窗口1321与有源层的其他部分形成物理和电隔离。电流通过两面均有接触点的导电基板，将金属化层1322和顶接触面1307电连接。这样，阵列芯片的两个端子1322和1302具有基本同样高度，位于阵列芯片的同一侧，以利于阵列芯片的表面安装

图13d的示例稍有不同：底部触点1302和它下面的有源层的一部分被选择性移除。一个与有源层1320和接触层1302基本等高的电镀金凸点1323被沉积在基板1301的非发射面。金凸点1323与有源层之间有一个间隙1321。电流通过两面均有接触点的导电基板，将金凸点1323和顶部触点1307电连接。因此阵列芯片的两个端子位于同一侧。在图13c和图13d所描述的设计中，间隙1321可以通过业内称为“平坦化”的技术被选择性地填充绝缘或者聚合物材料。

虽然可被表面安装的VCSEL阵列芯片的概念是由一个底部发射阵列芯片演示的，同样的概念也可以被应用在顶部发射阵列芯片上。如前所述，基板可以变薄或者完全移除以减少基板中发射光的吸收（在基底将完全吸收发射光的装置中），以利于有效地散热。

在图14所示的一个变种的示例中，光学部件被整合在一个与前面图13c描述十分类似的表面安装的VCSEL阵列芯片中，以提供额外的光学功能。具体来说，在图14中，一个VCSEL阵列芯片由一个置于基板1401上的有源层1420构成。有源层1420的一部分被选择性移除成为一条凹槽1421。这为顶部电接触层1407与基板非发射面上的额外的金属化层1422之间的电气连接提供了方便。

一个包含多个微透镜1426的微透镜阵列被制作在阵列芯片的发射端，使得阵列中的每一个微透镜与发射端的相应的窗口1408对齐（仅一套被标注）。微透镜阵列由对基板的选择性蚀刻或者后处理步骤制作而成。数种后处理步骤为业内熟知，不再累述。微透镜的高度和屈光度由其所需功能性决定，例如对阵列芯片中的每个VCSEL的输出光束进行准直或者会聚的光束成形。也可以在阵列芯片的不同部分制作具有不同的光学特性的不同的微透镜。

本发明所述的表面安装阵列芯片的一个优势是，在制作基板通孔时，减少乃至消除了复杂对齐过程，以此带来的制造过程的简化。本发明同样避免了连接阵列芯片的顶部（发射面）和底部连接盘（非发射面）的引线和引带。Seurin等人在2011年12月24日申请的美国专利申请13，337，098描述了一个表面安装的VCSEL阵列模块。在这个模块中，VCSEL阵列的顶部发射面的触点由引线或者引带连接到非发射面的热基底上的接合盘。本领域内技术人员可以认识到，引线和引带接合触点往往是装置故障的原因，同时也增加了成本。本发明所描述的表面安装阵列模块只利用共平面触点显著降低了装置故障的风险。

VCSEL阵列模块

在本发明的一个示例中，表面安装阵列芯片被用来制造VCSEL阵列光学模块（以下简称阵列模块）。图15展示了一个由类似图13a所示的顶部发射阵列芯片制作的光学模块。图15a，15b和15c中不同示例里面类似的元件被标注为相同的数字。图15a，15b和15c所示的阵列模块中，部分1500集体代表了与图13a中基本类似的阵列芯片。

更具体地说，图15a所示的阵列芯片包括生长在基板1501上的有源层1520。在顶部发光模式下的阵列芯片包括很多开在连续金属化层上的发射窗口1508（只有一个标记），这使周围区域成为进行发射面上的电触点的金属盘1507(标有的只有一个盘)。这些金属盘构成阵列模块的第一端子。模块的第二部分1510包括透明载体基板1511(以下简称载体基板）。载体基板的底部和顶部表面分别涂有防反射层1512和1513。连续的金属化层1514被镀在防反射层1512上（在此示例中）。使用掩模，金属化层可以被有选择性地沉积，或者金属化层可以被有选择性地除去以打开金属化层上的窗口，同时窗口周围的其余金属化层可被用来做电接触和接合用的金属盘。阵列芯片和载体基板上的窗口可以使用同样的掩模来制造，这样两个部分中的窗口与周围的金属盘对齐。

例如，载体基板1510可以是通过翻转并通过焊接而接合到阵列芯片的金属盘上的。但是，也可能使用其他方法如毛细管接合。两个部分的窗口和周围盘在接合两个部分时对齐。部分有源层和基板被选择性地除掉用以创建一个窗口或凹槽1521，从而连接阵列芯片的顶部电触点与非发光一侧的接触盘。另一个情形如图15b所示，在接合两个部分以后，基板1501变薄，或完全（在此特定的示例）除掉，以从垂直腔表面发射激光器阵列中的更高效的散热。

连续的金属化层1502被沉积在底部非出光表面上，这样窗口1521的一部分是没有任何金属的。额外的金属化层被沉积用来形成接触盘1522，从而被用来提供阵列芯片从顶部金属盘1507到底部非出光面的电接触（在图15a基板附近)，从而通过金属化层中的载体基板桥1514形成阵列模块的第一和第二端子。图15c所示的另一个概念是，通过选择性去掉有源层1520的一部分并在非出光面电化镀上一个金凸点1523，基本上类似于图13d参考中的说明，这样在有源层和金凸点之间形成一个空隙1521。金凸点的厚度与有源层的厚度大致相等。在图15a、15b和15c所示的结构中，阵列的第一和第二电触点在一个平面上并且位于非出光面。从阵列模块1509出来的光是经过载体基板1510的，同时载体基板也起到密封和保护位于阵列芯片上的垂直腔表面发射激光器装置的作用。

图16和17显示的阵列模块样板是从分别显示在图13c和13d中的阵列芯片构造的。图16和17中的引用代号遵循相同的图15中的约定。现在同时参考图13、15、16和17，显示在图16a的阵列芯片部分1600具有被接合到载体基板1610部分的之类芯片部分1600，基本上类似于那些在图15a和51b中的描述。引用数字序号1611，1612，1613，和1614所代表的单元分别和前面在图15中描述过的单元1511，1512，1513，和1514十分相似。为简洁起见，不再重复说明。

在图16a、16b中所示的阵列芯片用于底部出光模式，这基本上类似于图13c中所述。有源层1620被有选择性地腐蚀掉来形成凹槽1621，这样可以沉积额外的金属化层1622，从而从发光表面顶部电接触层1607到装置非发光表面表面形成电接触，这样阵列芯片的两个平面端子（1622和1602)可以都被放在基板的非出光面，并且表面是平的。

图16b所示的实施例基本上类似于一个图16a中描述的实施例，除了凹槽1621的结构外。在这个例子中，通过选择性地去除所述有源层和基板，该凹槽延伸通过所有的载体基板。额外的金属化层1622使用金属化层1614创造的桥来连接阵列芯片的顶部金属化层1607。金属化层1622和1602形成用于基板的同一侧上的阵列端子的两个平面触点。在图16中所示的实施例中，阵列模块的光从与箭头1609所示的垂直方向上（相对于页面）射出。

现在同时参看图17a和17b，在图17a所示的实施例包括接合到载体基板部分1710的阵列芯片部分1700。载体基板部分1710基本上是类似于参照图15和16所述，这样的描述将不再重复。由标号1711，1712，1713和1714所示的元件与图51所示的元件1511，1512，1513和1514基本相似。阵列芯片被配置在底部发射模式，基本上类似于图13d中所示。

更具体地，有源层1720的一部分被选择性地从基板1701上移除。在基板上的露出的部分，通过选择性电镀金属化层1723来形成电触点，在所述有源层和电镀区域之间形成间隙1721。电镀接触层是与接触层1702在同一侧上的，并且电镀区域与有源层的厚度基本上是相等的。电镀区域与顶端接触层1707是通过基板电连接的。电镀金属化层1723和非发光侧接触层1702形成阵列模块的两个端子。由于在这种情况下，基板1701可以是导通的和携带电流，因此金属化层1714和1707可以部不必要，并且基板1701可使用熟知的技术，如毛细焊接，被直接接合到载体基板1710。

图17b所示的实施例与图17a中所示的实施例基本上是类似的，包括两部分1700和1710，分别代表阵列芯片和载体基板部分。载体基板部分1710包括的元件（1711至1714年），基本上是与图17a中参考所描述的元件（1711年至1714年）类似的。此外，载体基板包括位于金属化层1714的一部分上的电镀区域1723。

通过对准金属焊盘1707与相应的金属焊盘1714和将它们压在一起，并在某些情况下，加热使他们融合，把载体基板部分接合到阵列芯片1710，从而窗口1708与基板上的窗口对齐。也可以使用焊接技术附接1707到1714。金属焊盘1707通过载体基板上的电镀金属化层1714的金属桥与电镀层电连接。金属化层1702和1723形成阵列模块位于基板非发光侧上的两个端子。由箭头1709所示的光发射是从阵列芯片基板的顶表面在垂直方向（参照页面）的。

根据本发明，构造可表面安装的阵列模块有几个优点。一个优点是，通过使用平面触点（没有线或带接合），发光表面上的顶部电触点连接到模块的非发光侧，从而大大降低了故障的风险。本发明还消除了常规的可表面安装装置中对复杂的对准步骤（对准通过基板的通孔）的需要。此外，阵列芯片接合到载体基板的技术是在焊盘之间使用金属-金属焊接或熔合，这与现有技术中常常用于此用途的环氧树脂粘结相比更稳固。也可以使用其他接合方法，如毛细焊接。此外，不同的部分可以预先在一个相对较短的时间内以模块化的方式分别制造和组装，从而能够在制造环境中使产量提高，并降低了成本。应该指出的是，本发明原理是通过使用平面触点描述的，同样的原理可以应用到其他使用电线或带状接合的可表面安装的VCSEL阵列。然而，熟悉这些领域的技术人员能够理解与其他连接器选项相比，平面触点所具有的优点（描述在美国专利申请号13337098，Seurin等人，2011年12月24日提交）。

从VCSEL装置的光发射通常是（但并不总是）高斯状窄波束，在这个意义上，光束的大部分能量集中于其横向分布的中心。在许多应用中，特别是在照明装置应用中，是经常需要对VCSEL装置的输出光束成形的。Seurin等人于2011年12月24日提交的美国专利申请号13337098公开了不同的方法来成形VCSEL输出光束。图18示出了一些的光束成形的方法的示例性实施例，可以结合参照图15，图16和图17中描述的阵列模块使用。实施例18a，18b和18c中的元素所使用的标记与图15，图16和17中所示的每一个元件的参考标号基本类似。因此，由类似的附图标记表示的元件将不会详细描述。

更具体地，在图18a所示的实施例包括一个阵列芯片部分1800和载体基板部分1810。阵列芯片部分基本上是与参考图15a描述的类似的。这样的描述将不再重复。载体基板1810包括一个基板1811，其一侧涂有防反射层1812。此外，具有与芯片阵列窗口1808对准的窗口的金属化层1814被设置在阵列芯片附近的防反射层上。窗口周围形成金属焊盘的金属化层用于接合部分1810和1800。与参照图15a中描述的光学阵列不同，上述基板部的顶部发射表面被构造成具有光束成形的光学部件，例如扩散器1815，而不是第二防反射层（图15a的1513）。其结果是，阵列模块的出射光1809是扩散的。

在一些其它的应用中，例如，除了减少散斑，扩散器也用于增加该阵列的发散角到一个预定数字。图18a中所示的实施例是特别适合于首选是均匀的扩散照明图案的应用，例如，用于周边监测的安全性照明，其中用激光光源照射的视场与相机的视场相同，或用于三维成像或姿势识别的照明，其中需要照明与相机发散角相匹配的一定发散角的矩形视场。此外，1815可以是其它装置，例如衍射或全息光学部件。

虽然VCSEL发射的发散角是相当小的

但是VCSEL的输出仍然从出射面开始扩散到一个大的距离。作为结果，在离上述照明表面一个大的距离处，从模块发射的光可能不能被均匀地聚焦在一个大的表面。在图18b中所示的具有一个阵列芯片1800和一个透明的载体基板部1811的本发明的另一个实施例中，载体基板的顶部发射表面部分包括一个附加的光学部件，例如微透镜阵列1816，阵列中的每个微透镜对准阵列芯片上的与之相应的发射窗1808。每个阵列芯片窗口具有各自的微透镜的一个优点是准直发射光束和减小发散角度。

设置在该阵列芯片上方的微透镜高度可以被预先确定，并精确地由例如载体基板1811的厚度控制，使得对从相邻的VCSEL发射的单独的光束使用一个相应的微透镜来准直，填充了相邻的光束间的黑暗空间。其结果是，即使是在远离阵列模块相当大的距离处，整个阵列模块的整体发光束被均匀地分布。该实施例可以特别适合用于阵列模块被配置为泵浦固态增益介质的应用，如在van Leeuwen等人于2012年02月09日的美国专利申请号13369581中所描述的。

在一个图18c所示的替代实施例中（否则相同于图15a参考所示），一个附加的光学部件，包括具有微透镜阵列1826的载体基板1820，被配置在载体基板1811和阵列模块1800的上方。这个微透镜阵列被定位在预定的高度，其中阵列中的每个微透镜与发射窗口1808对齐。本实施例的一个优点是，预制的微透镜阵列，可以被添加或接合到现有阵列模块，例如，类似于图15a中所示。

一般来说，载体基板可以包括，但不限于，玻璃，蓝宝石，金刚石等。虽然本实施例中描述的原理是参考顶部发射阵列模块，并不排除其他实施例中的其他类型阵列模块。此外，具有附加的光学部件的基本思想被使用几个有代表性的实例所表达。它不应该被理解为，其他类型的适合于光束成形的光学部件被排除。

在一个替代实施例中，尺寸大的阵列模块是通过按照用于不同的应用的预定的安排电连接的多个阵列芯片来产生的，如在图19a和19b所示。多个阵列芯片的连接可以发生在晶片级的加工，也可以通过组装在一个公共透明载体基板上。虽然图19a和19b示出了多个阵列芯片，为清楚起见，只有一组元素被标记。此外，在图19a和19b中，相同的元件或功能类似的元件用相同的参考标号标记，除非另有说明。为了保持简短的描述，在图19a和19b中相同的元件将被一起描述，只有两个实施例之间的差异将被分开描述。

更具体地，示于图19a和19b的阵列模块包括多个可表面安装的阵列芯片1900，基本上类似于参考图13a，13b，13c和13d中描述的那些。可表面安装的阵列芯片将不再被详细说明。阵列芯片可在一个公共透明载体基板1910上按预定的图案在晶片级被电连接（或装配）。同时参照图19和图15，载体基板是基本上类似于例如参照图15a所描述的部分1510。特别是，部分1910包括一个透明的分别在顶部和底部涂有防反射层1912和1913的载体基板。

金属化层1914被设置在顶部防反射层1912上。在金属化层上选择性地创建窗口，以匹配阵列芯片上的相应的发射窗口1908（只有一个被标记）。窗口周围的金属化层1914的其余部分被使用作为接合盘用以匹配阵列芯片上的相应的接合盘1907（仅一个标记）。用本领域中公知的几个选项来创建窗口和金属焊盘，可以通过选择性蚀刻，或通过选择性沉积的方法，并且将工作得同样好。

载体基板被设计成容纳多个阵列芯片，相邻阵列芯片之间被间隙1922（仅一个标记）或凹槽隔开。阵列芯片彼此间可以是电隔离的，并联电连接，或者可以通过使用放在隔离材料1929以上的金属轨道1928而被串联连接，例如使得一个阵列芯片的底部端子将与相邻阵列芯片的顶部端子串联连接。可以设计在基板上的金属化图案1914来连接阵列芯片以达到所希望的配置。隔离材料1929可包括，但并不限于，例如光刻胶，或聚合物，如在本领域中所公认的。

虽然包括多个阵列芯片的示例性阵列模块在参考中被描述为顶部发光型的可表面安装的阵列芯片，但是这些原理可以扩展到底部发光型芯片。此外，虽然在这个例子中的载体基板1910被示出为一个透明的窗口，它也可以包括在图18中所示的其他光学部件，如一个扩散器窗口，微透镜阵列等。熟悉本领域的技术人员将能体会到，构造包括光学部件的阵列模块的每一方面是可以以模块化的方式实现的，从而提供显著的设计选择的灵活性，且易于扩展到高功率模块。

本发明的一个重要方面是如在图19中所示的阵列模块可以完全以模块化方式在晶片级处理构造。在本发明的一个优选的实施例中，多个阵列模块被在单一晶片上单块地制作，其中每个模块包括一个或多个以所希望的配置连接的阵列芯片。现在同时参照图13和图19，在外延生长步骤，晶片被首先处理用以构造至少一个反射器和在整个晶片上的发光区域。第二反射器可按照设计要求在一个或两个步骤构成，例如，如果所述第二反射镜是一个单一类型的反射器（图13），或一个混合反射。在这个特定的例子中，可以通过使用选择性金属化或选择性刻蚀来定义阵列芯片和按照配置所需的阵列芯片之间的互连（即串联或并联连接），以单块地构造出光侧触点。然后可将处理过的晶片接合到一个单独制备的透明载体基板。

可以分别加工载体基板来构造将与阵列模块晶片上的相应的元件基本匹配的窗口、凹槽和接合盘。使用在本领域中众所周知的金属-金属接合、毛细接合、焊料焊盘接合或任何其他使用热，压力或它们的组合的接合方法，载体基板被接合到整个阵列模块晶片。在另一种变化中，接合到载体基板的阵列模块晶片，可以被进一步处理，例如，基板可以被显著减薄，或完全除去，以防止在基板中对发射光的吸收，并用于提供更好的热管理。非发光侧的电触点可以在阵列模块与载体基板的接合之前或之后制作。可以理解的是，除了这里所描述的示例性的序列之外，在本领域中众所周知的许多处理选项也可实践本发明，并且不排除在本发明的广泛的框架之外。

有利的是，这里所描述的原理为以模块化的方式建设或扩大VCSEL阵列照明器提供多种设计选择和扩展选项。例如，在一个变型实施例中，一个阵列芯片中的VCSEL装置可以配置在任意的阵列图案，而不是规则的阵列图案，从而与被照射的区域的任何形状和/或尺寸相符合。阵列芯片可以有许多不同的方式形成电连接（串联或并联）来扩展阵列模块的大小，或者构造若干阵列模块来照射任何任意形状的区域。此外，可选的光学部件，包括但不限于，光束成形元件，如扩散器，微透镜或微透镜阵列，可以进一步接合到载体基板，已经在图18参考中描述了。接合的晶片可以被切割，以产生较小的阵列模块作为单独的应用模块，或可以被组装在一个公共热基板或一个散热装置，以产生较大尺寸的阵列模块。参照图15，图16，图17和18中描述的阵列模块，特别适合用于高产量的制造环境中，从而大大减少了高品质的照明器模块的成本。

作为一种替代方法，可以首先从处理过的晶片上分离不同尺寸和形状的阵列芯片，然后根据应用，每个阵列芯片可以平铺在一起，从而构造成一个预定的形状和/或尺寸的阵列模块，并连接成一个规定或要求的电结构，用于获得所希望的输出功率和用于照明表面/对象的形状。然后在一个步骤中一个公共的透明载体基板接合到整个平铺的阵列芯片的布置。这种方法的一个优点是可以从预制的阵列芯片来构造一个模块。熟悉这些领域的技术人员将能了解，包括电力和热管理的大范围的设计选择包括在本发明的大框架的范围内。

VCSEL照明器模块

可表面安装的VCSEL阵列芯片或阵列模块，如在前面的章节中描述的，可以以许多不同的方式组装，以构造一个照明器模块。示例性照明器模块的不同的实施例示于图20a，20b和20c中。基本上相似，或者具有基本上相似功能的元件，都使用相同的参考标号标记。为了方便起见，一个一般化的描述被参照图20a中所示的实施例呈现，但是，它对在图20b和20c所示的实施例是同样相关的。特别是，图20a中所示的照明器模块包括：具有一个或多个可表面安装的阵列芯片的阵列模块2002，参照图13，图15，图16，17和18的前面描述。这样的描述将不再重复。

可表面安装的阵列模块可以被接合到热基底2001用以进行有效的散热。针对此目的，在Seurin等人于2011年12月24日提出的美国专利申请No.13337098中所描述的不同类型的热基板将同样有效。阵列模块端子2010和2020分别被接合到热基板2001的顶部和底部表面上的环绕的接触盘2003和2004。在图20b中所示的替代实施例中，通过使用分布在热基板2001的顶部和底部表面之间的通孔2005（只有很少的标记），热基板的顶表面上的接触盘2003和2004被电连接到相应的底部接触盘。熟悉本领域的技术人员应当清楚，可以使用如在图1-6中描述的不同的基底配置。阵列模块的接合可以用焊料，热，压力或它们的组合，众所周知它们比线或带状接合接触（美国专利申请号13337098，Seurin等，2011年12月24日的提交中有描述）更可靠和成本有效。

阵列模块2002可进一步使用透明的聚合物来封装，例如为了保护发射表面。虽然聚合物封装在本领域中是众所周知的，但是在图20a和20b中所示的照明器模块中，选择和采用所述透明聚合物以便提供附加的光学功能。在图20中所示的示例性实施例中，封装2012设计成充当透镜。透镜半径和阵列模块上方的高度是预先确定的，从而从封装的照明器模块发射的光2009有所选择的模式，以适应特定的应用。例如，为在离开所述照明器模块的一个相对大的距离处获得均匀的照明图案，聚合物封装透镜被设计为一个准直仪的功能等。

在图20c中所示的变型实施例中，阵列模块2002是在端子2010和2020处被表面安装至印刷电路板（PCB）2021上的电焊盘2003和2004。印刷电路板2021包括向阵列模块提供驱动电流和/或控制功能的电子电路（在此视图中未可见）。在本实施例中，PCB的表面上提供的透明的聚合物封装对阵列模块和相关联的电子电路提供保护。在图20中所示的实施例是特别适合作为独立的低功耗的发光器用以照明小的表面区域。小型低功率的便携式照明器模块，不需要额外的散热安排，例如可被设计为使用电池操作。

为了获得更高功率的照明器或照明大表面区域，通过在一个公共透明的载体基板平铺多个阵列来构造阵列模块，与参照图19描述的类似。这样的阵列模块可以被以下方法构造：通过在晶片级的处理时整体式地平铺所需数量的阵列芯片单块，然后通过整体式地将集成的阵列模块接合到载体基板，或在一个公共载体基板上平铺单独的模块。图21中所示的一个例子是使用四个阵列芯片的阵列模块。图21示出的在页面的左侧上的示意性平面视图2100，和在页面的右手侧上的分别在平面视图中所示的线AA'，BB'和CC'处投射的（每个从以前的横截面图旋转90度）的三个不同的横截面视图部21a，21b和21c。为便于描述和避免重复，基本上相似的或提供基本类似的功能的元件使用相同的标号标记。

更具体地，图21中所示的照明器模块包括四个阵列芯片2102，单块地布置在一个公共基板（图中未示出）上的一个2x2的阵列图案。在此示例性的模块中，发射光是一个正方形的区域，这是特别适合诸如用于照明屏幕，读出，或背平面应用。在发射侧，单块2x2阵列被接合到载体基板2111上。载体基板包括一个金属化层，在金属化层上具有创建的窗口，以与阵列芯片上的窗户相配合。为了接合到阵列芯片，载体基板被翻转，用以将所述基板上的金属触点与阵列芯片上的金属焊盘匹配。在这个特定的例子中，四个阵列芯片是使用连接桥2114被串联电连接的，连接桥2114是构造在载体基板2111和额外的连接器2128上的，额外的连接器2128支承在相邻阵列芯片之间的间隙中的绝缘层2129（在平面视图中不可见）上。

在非发光侧上，单块2x2阵列的每个阵列单芯片上构造单独的接触盘2013。接触盘可以被布置以便串联连接阵列芯片。接触盘2103用于表面接合公共基底2101上的相应的焊盘上的2x2阵列。在阵列模块上的两个端子分别通过两个金属带2110和2120(未在剖面图中)连接。公共基底可为但不限于热基底，包含一个或多个电子电路的PCB或它们的组合。附加的散热装置可用于阵列模块的空气或液体散热。如前述，接合方法包含但不限于焊接，热接合，压力接合，毛细管接合，或其组合，用于不同的接合步骤。

根据本发明的模块化构造阵列模块的优点之一是阵列模块并无形状限制，可为任何形状，和/或可以被平铺以适合与要被照射的区域或对象一致的任何规则或任意几何形状。平铺阵列芯片的另一个优点是获取较高的输出功率，或以模块化的方式覆盖更大的照明区域。在图12及22b中示出阵列模块的两个例子，阵列模块分别被配置在一个1X6的线性阵列和一个2x6的二维阵列，使用方形阵列芯片发出矩形区域的光。此配置中的特定应用是例如侧面泵浦固态增益介质的条。

更具体而言，方形阵列芯片2202分别被配置在一个1X6的线性阵列和一个2x6的二维阵列，使用参考图21中描述的标准的处理步骤。为便于描述，在图12a和22b中，实质上相似或提供实质类似功能的元件都标有相同的标号。透明载体基板2211包含金属化层，具有窗口以匹配阵列芯片上的窗口，使用金属接触盘2214接合到阵列芯片的发光侧。如前述，接合包含但不限于焊接，热接合，压力接合，毛细管接合，或其组合。有利的是，大量的模块可以整体式地构造在单个晶片上，接合到一个公共载体基板，并且如果需要的话，可以通过切割成品模块被分离。

阵列芯片包括用于表面安装至公共底基2201的接触盘2203。公共基底可包括但不限于热基底，包含对电子电路的PCB等。阵列芯片串联电连接，如参考图21所述，以便使用在分别连接到阵列模块的两个端子的垫连接器2210和2220之间施加的驱动电流一起操作它们。阵列模块的两个端子分别通过两个金属带2110和2120(未在剖面图中)连接，例如以提供电连接以施加驱动电流引线。电连接器可置于模块的相对端处(图22a)或位于模块的同一侧(图22b)。

在本发明的另一个实施例中，阵列芯片被配置成圆形图案，如在图第23和23b所示。在图23a所示的一种布置中，使用在一个公共基板上整体式地构造的四个四分之一圆形阵列芯片2302配置发射圆形区域的光的一个阵列模块。包括电接触盘2314（为清楚起见，仅一个标记）的一个透明的载体基板接合到这样的阵列芯片，以使得阵列芯片以所需的配置电连接，例如，对于此特定实施例为串联。整个模块被切割，并接合到焊盘2303。

在图23b所示的替代布置中，使用在在载体基板上串联连接的中心圆形阵列芯片2304和以半环形步骤的同心圆（2302）配置发射圆形区域的光的一个阵列模块。阵列芯片被整体式地构造并接合到载体基板2311，其中载体基板2311包括具有适当的几何形状的发射窗口和金属化焊盘2314，以匹配阵列芯片的几何布置。接合到载体基板的阵列芯片被切割和组装在接合盘2303上。发射区域在图23a和23b中所示的实施例中为圆形，并且是特别适用于例如端泵浦固态增益介质。

应当指出，在图21，图22和23所示的实施例被描述为具有串联连接的阵列芯片。此配置是特别适用于阵列模块的低电流操作，还提供高的光输出功率。在一般情况下，阵列模块可以首先在公共基板上构成，每个阵列芯片之间具有合适的电连接，根据光输出功率的要求，串联或并联。将组合的阵列模块随后可以一次全部接合到一个单一的透明基板载体。另外，特别对于并联连接的阵列模块，单个阵列模块可分别逐个或以较小的组连接到载体基板。这些不同的选择，此前已经参考图19描述了。

还应该指出的是，显示在图21，图22和23的载体基板作为一个简单的透明光学窗口。它不需要在所有应用程序中都是这样。如上参照图19A-19C所述，在透明载体基板的顶部表面还可以包括附加的光学部件，如一个扩散器，一个单一的透镜，微透镜阵列，等，以提供光束成形。光学部件可以被布置在所述透明窗口的整个表面上，或根据与每个应用有关的光束成形要求以其它安排被布置。虽然只有仅仅显示和描述了少数示例性替换实施方式，但是其他变化可以对本领域的技术人员是显而易见的，并且可以在本发明的框架内实施。

VCSEL阵列照明器模块

上一节中描述的可表面安装的VCSEL阵列模块特别适合于配置照明器模块。阵列芯片或阵列模块可以使用在本领域中众所周知的热和/或压力接合方法被安装在大面积高导热系数的基底上，例如热基底。高导热系数的基底的材料，包括但不限于，如铜，铝等金属，或如氧化铍（BeO），氮化铝（AlN），氧化铝（Al₂O₃）等陶瓷。

与大面积的高导热性基底热接触的表面安装的模块阵列，提供用于快速的散热的大的表面，这可通过空气冷却，特别是对于小的照明模块，或通过在一个或多个微流路冷却器中循环液体冷却剂。在vanLeeuwen等2012年2月9日提交的美国专利申请号13/369，581中描述了不同类型的冷却装置，可容易地适合于使用根据本发明的可表面安装的阵列模块构建照明器模块。

在下面的章节中，将描述几个示范性的照明器模块的实施例，其使用根据在前面部分描述的原理配置的阵列阵列芯片或阵列模块。具有参考图21描述的四个VCSEL阵列芯片的阵列模块被组装以构造根据图24所示的本发明构造的照明器模块。更具体而言，图24a显示了对所述照明器的等距视图，并且在图24b中示出照明器的横截面视图。基本相似的元件使用相同的参考符号来标记。在图24中所示的照明器模块包括一个阵列模块2400，基本上类似于参考图21描述的阵列模块2100。这样的描述将不再重复。阵列模块包括电引线2410和2420，分别连接到阵列模块的两个端子。

在本实施例的照明器模块中，没有任何引线或带状的接合的表面可安装的阵列模块2400直接安装在铜热沉2421上。另外，热沉还包括一组冷却热沉2422（图24b中不可见），以便通过从风扇2423的空气循环进行快速的热传递。在此示例中描述的直接表面安装的一个优点是避免由于引线或带状接合的突然断开引起的设备故障引线。

图24c显示类似于图24a所示的照明器模块的性能特征。更具体而言，在图24c中，装置电压（在右手侧Y-轴）被绘制（虚线图）作为施加的驱动电流（x-轴）的函数，并且光输出功率（在左手侧Y-轴）被绘制（实线图）作为施加的驱动电流的函数。对于一个准连续波（QCW）操作获得在此图中所示的数据。示范性照明器模块通过以200微秒/1Hz的占空比施加250A的电流来产生约800W的光功率。值得注意的是，电压和斜率效率是包括串联连接的四个阵列的整个阵列模块的特征。QCW操作的一个优势是装置寿命显著延长。这里描述的工作条件是示范性的，它应该指出的是，照明器模块可以工作在脉冲也CW模式运作，但具有不同的性能。

图25示出了示例性照明器模块，用于提供高的光输出功率。特别是，图25和25b分别显示被配置为高的光输出功率的照明器模块的一个实施例的等距图和横剖视图。在图25a和25b中标有相同标号的元件是相等的或提供相似的功能。更具体而言，在图25a中，阵列模块2500使用9个串联连接的方形阵列芯片构成。阵列芯片通过一对高电流电容量的电引线2510和2520连接到电流源极驱动器。电引线未示出在图25b的横截面视图中。

在此具体照明器模块中，一个3x3阵列图案被使用公共基片上单块构成的九个阵列芯片配置并使用透明的载体基板上提供的连接器以所需的配置电连接（在此具体实施例中，例如串联），已经参考图21，图22和23进行了描述。单独的模块可以被切割和接合到一个公共基板。公共基板（此处未显示）可以包括，但不限于，热基底，具有金属触点的陶瓷基板，印刷电路板等。包括多个冷却风扇2522的热耗散装置2521设置用于利用风扇2523空气冷却阵列模块2523。另一个选项，包括一个透明的窗口2525的一个保护外壳2524可另外提供用于保护光学模块。虽然本实施方式中仅显示为具有保护窗口2525，但是可以进一步提供参考图18和图19中描述的附加的光学部件以用于进一步的光束成形要求。

为更高的输出功率配置的阵列模块，其他的冷却方法是优选的。在本发明的一个实施例中，液体冷却的微通道冷却器可用于提供快速的散热。液体冷却的照明器模块的实施例如图26所示。在图26a中，包括以2×6图案布置的在两个相对端上具有电触点2610和2620的阵列芯片的模块2600被示出。阵列模块基本上是参照图22b描述的类似，这样的描述将不再重复。完成的阵列模块被组装在包括一对微通道冷却器2621的热基底上，一对微通道冷却器2621附接到包括入口和出口端口2624的歧管（manifold）2622以循环液体冷却剂。

在图26b所示的实施例是类似于图26a中所示的一个，除了阵列模块2600。在该示例中，基本上类似于图23a中所示的一个圆形阵列模块被组装在基底2621上。阵列2610和2620的两个电触点并排布置。此示例中的基底也基本上类似于图24a中所示的。在本实施例的基底接合到具有入口和出口端口2624（在此视图中只有一个可见）的液体冷却的热沉2621。图26b所示的照明器模块的细节更清楚地在图26c中所示的横截面视图中看到。统一标记为2600的阵列模块接合到基底2621。在此视图中，只有一个到阵列模块的电触点2610是可见的。然后，整个组件被接合到具有用于通过一个端口2624循环液体冷却剂的布置的热沉2622。虽然描述的实施例是使用一个简单的液体冷却的热沉，但是具有较大的阵列模块的发光器可以是在本领域中是公知的具有其他类型的液体冷却的热沉的组件。

虽然图25中所示的高光功率的照明器的模块的包装不同于前面参照图24和26描述的低光功率的照明器模块，其中透明窗口接合阵列模块本身，但是构造照明器模块的基本原理仍然是相同的。在变型实施例中，在使用较小的阵列模块的实施例中的窗口2625或等效物（分别在图21，22和23的2111，2211，2311）可以包括但并不限于，一个扩散器表面，额外的光学部件，例如前面参照图18描述的透镜或微透镜阵列等。该扩散器表面可被设计为提供光学功能，以适应特定的应用，例如，随机散射，或提供用于增加发散的光学衍射或全息表面等，仅举几例。

VCSEL阵列模块的系统级集成

可表面安装的VCSEL阵列芯片和阵列模块的一个重要方面是，它们可以被容易地与电子电路集成在公共平台上以配置独立的照明器模块或在应用中的完整的系统和设备，该应用包括但不限于，连续波（CW）或准连续波（QCW）照明，脉冲照明，激光雷达应用，成像，3D姿势识别，医疗应用，如脱毛，祛皱，光动疗法，去除脂肪，信号弹，汽车点火器，仅举几例。电子电路可以包括一个简单的电流驱动电路来操作阵列模块或用于完整的系统中的应用的更复杂的控制和处理电路。

在图27中示出说明一个简单的独立的照明器模块的原理的示例性实施例。更具体地，示意图2700示出了照明器模块的平面图，所述照明器模块包括一个可表面安装的阵列模块2702和一个电子电路2721。表面可安装的阵列模块2702可以类似于参考图15，图16，图17，18和19中描述的，或者可以是一个可表面安装的阵列芯片，类似于参照图13a-13d中所描述的那些。在这个特定的例子中的电子电路是一个用于为阵列模块供电的电流驱动器。此电子电路采用分别位于一个高速PCB2701的同一侧上的金属接合盘（或迹线）2703和2704，电连接到阵列模块。将阵列模块与电流驱动器集成的一个好处是，提供低的电感和用于连接引线的电容引线，导致照明器模块的非常快的上升和下降时间操作。

图27a和27b显示2700分别沿两个彼此直角选择的、不同的投影线AA'和BB'的横截面视图。为了清楚起见，相同的附图标记用来标记相同的元件。在图27a和27b中，将阵列模块集体地示出为托架2702。阵列模块和电子电路可以用在本领域中公知的热和/或压力接合的方法在位于PCB的同一表面上的各个金属焊盘2703和2704处表面安装在PCB上。值得注意的是，没有从阵列模块的顶表面或电子电路的接触的电线或色带接合是必要的，从而减少电接触故障的风险，并且特别是对于接触点处的温度上升可能相当高的高输出功率的发光器。

在此示例性实施例中示出的阵列模块具有单一的方形阵列芯片，然而，具有多个阵列芯片（图19和图21中示出）的其他结构，也可以用于获得更高光功率的照明器模块。公共平台的选择可以由照明器的尺寸和对除热的要求决定。例如，PCB可以被安装在热沉上，热沉包括一个高的热传导性材料。对于高输出功率的装置，公共平台可以是由用于快速散热的高导热率的材料构成的印刷电路板。

对于更高的集成度，例如其中多个电子电路都可以与一个或多个阵列模块集成，可以使用多级PCB。这样的一个例子示出在图28中。为了清楚起见，示出的实施例包括一个阵列模块和一个类似于图27中所示的例子的电流驱动电路。然而，同样的原理可扩展到更高级的集成。特别地，与托架集体示出的阵列模块2802以及和电流驱动电路2821被表面安装在具有多级迹线的PCB 2801上。使用位于PCB的一层上的一个公共接合盘2803，阵列模块被连接到所述电子电路，而所述第二接合盘2804的连接使用位于较低层处的迹线2805。

这方面在多个电子电路都必须与一个或多个阵列模块连接的应用中是特别有用的。此配置的优点是，模块的散热可以更有效率。例如，承载更高的电流的迹线可以位于更接近热沉的一层，而承载低电流信号，例如提供传感器或控制功能的信号，的迹线位于进一步远离热沉的表面上。本领域的技术人员将能够理解，在本发明的广泛的框架内提供的设计选项的灵活性是巨大的，尤其是对于高光功率的照明器模块。在本发明的构造符合不同形状和要被照射的区域尺寸的光学照明器中的设计选择符合宽范围的应用。下面将给出使用在前面描述的光学模块的高度集成的几个例子。

在图29中示出一个高度集成的示例。更具体地，具有提供不同的功能的多个电子电路的一个或多个阵列模块可以被配置在具有多个导体层的PCB上。图29中所示的一个集成的照明器系统的平面视图2900包括：在一个公共印刷电路板2901上与电流驱动器电路2921集成的阵列模块2902，与参照图27和28描述的一个类似。此外，光学传感器或相机模块2922连同它的驱动电路2923和一个微处理器装置2924与阵列模块集成以组装一个紧凑的运动或姿势识别装置。

在本发明的一个实施例中，相对薄的外形的运动或姿势识别装置如图30所示。此实施例对于消费电子设备中的应用是特别有用的，消费电子设备包括但不限于，蜂窝电话，平板计算机，计算机显示器，数字手表，便携式数字媒体播放器，游戏控制台等，仅举几例。此装置和它的放大视图分别示出在图30a和30b中。在图30b中，装置被封闭在一个外壳3000中，外壳是15x20平方厘米的面积，通常是≤0.5英寸厚，如由双箭头3004所示。从装置3009发射的光照射对象3010。例如，在一个姿势识别应用中，被照射的对象是一个人的面部。然而，该应用并不限于面部姿势，并且可以应用于检测到任何其他姿势或运动。

可以参照图30b中所示的装置的放大视图理解该装置的操作的原理。装置3000包括与成像传感器或照相机装置3022和表面安装在公共印刷电路板3001上的电子电路3021集成的照明器模块3002。印刷电路板可任选地被安装在热传导的底座3003上。具有所有组件的印刷电路板封装在壳体3020中，壳体3020包括分别与所述照明器模块（发射窗口）和传感器或照相机装置（接收窗口）对齐的两个窗口3025和3026。

在照明器模块中的VCSEL装置可以被布置成一个预先确定的图案，它定义后面将描述的发射光的网格。光学部件从所述照明器模块所发射的光3009使用光学部件被放大，并投射到已知图案的对象。使用收集光学部件将从对象反射的光通过透明窗口3026引导到成像传感器或照相机装置。由成像传感器或照相机装置检测反射光并进行分析，以确定对象位置和由于运动的任何变化。

从照明器模块所发射的光的一个更详细的图如图31中所示。更具体地，图31a示出了从所述照明器模块发射的光3109的详细的网格图案，图31b示出分别包括接收光学装置3105和接收窗口3126的检测系统的示意图。接收光学装置可以是一个简单的聚焦透镜，或可包括其它的光学部件，可以是单独的或与接收窗口、背后的成像传感器或照相机装置集成。现在同时参照图30和31，在被照射区域3109内的对象3110不存在的情况下，成像传感器会将照明区域的网格图案3109成像。

因此照明区域的网格图案的每个元件的参照图像被记录和存储在包括在装置的电子电路中的处理器（未示出）中。在对象存在的情况下，成像传感器将记录从对象反射的光的变化，从而对对象成像。任何由于运动引起的反射光的变化将被记录，并与参考图像相比较，来检测运动或姿势。记录和图像处理，也可以实时执行或在处理器中使用存储的数据执行。可以很容易理解，这里描述的装置的紧凑的外形尺寸和便携性在某些应用场合是特别有利的。

从前面各节中所提供的描述，可以理解的是，本发明的原理可以应用于构造一个宽范围的具有高或低的输出光功率的装置，用于照射几乎任何形状和尺寸的表面。设计的模块化方面通过在大量生产模块对于易于扩展和降低制造成本是特别有吸引力的。这里所公开的原理的这些和其它优点将对本领域的技术人员是明显的。引线虽然使用没有引线或带状接合触点的可表面安装的VCSEL阵列来说明本发明，但是总体原理也可以适用于发射侧触点是被接合以构造可表面安装的配置的引线或带。

虽然已参照优选实施例对本发明进行了详细描述，但是本发明的一个完整的框架被设置在这些实施例的各种组合和子组合中。在这些描述中体现的原理的应用将导致本领域技术人员想到的许多设计选择，并且可以产生大量不同的设备，都隐含这个大框架范围内。对本发明的所有这样的变化和修改都预期涵盖在所附的权利要求书中。

Claims (36)

1.一种光学照明器模块，包括：

a.具有一大面积端子和第二端子的垂直腔表面发射激光器VCSEL；和

b.基底，包括彼此电隔离并位于第一表面上的第一和第二接合盘，VCSEL的大面积端子被接合到第一接合盘，使得VCSEL与基底热接触，第二端子被电连接到第二接合盘，其中第一和第二接合盘被电连接到位于基底的第二表面上的相应的第一和第二接合盘，基底的第二表面与基底的第一表面相对。

2.如权利要求1所述的光学照明器模块，其中基底接合到热沉，使得VCSEL与热沉热接触。

3.如权利要求1所述的光学照明器模块，其中基底的第一表面上的第一和第二接合盘被包裹在基底的一个或多个边沿周围，以使得基底的第一表面上的第一和第二接合盘被电连接到位于基底的第二表面上的相应的第一和第二接合盘。

4.如权利要求3所述的光学照明器模块，其中基底接合到热沉，使得VCSEL与热沉热接触。

5.如权利要求1所述的光学照明器模块，其中基底的第一表面上的第一和第二接合盘被包裹在基底的一个或多个侧面周围，以使得基底的第一表面上的第一和第二接合盘被电连接到位于基底的第二表面上的相应的第一和第二接合盘。

6.如权利要求5所述的光学照明器模块，其中基底接合到热沉，使得VCSEL与热沉热接触。

7.如权利要求1所述的光学照明器模块，其中位于基底的第一表面上的第一和第二接合盘通过第一组和第二组通孔被电连接到位于基底的第二表面上的相应的第一和第二接合盘。

8.如权利要求7所述的光学照明器模块，其中基底接合到热沉，使得VCSEL与热沉热接触。

9.如权利要求1所述的光学照明器模块，其中位于基底的第一表面上的第一和第二接合盘通过多个第一通孔和多个第二通孔被电连接到位于基底的第二表面上的相应的第一和第二接合盘。

10.如权利要求1所述的光学照明器模块，其中照明器模块被配置为执行运动识别、姿势识别、和三维感测中的至少一个。

11.一种光学照明器模块，包括：

a.多个垂直腔表面发射激光器VCSEL，其被布置为形成二维的VCSEL阵列，其在第一表面上具有发光表面并且在与第一表面相对的第二表面上具有接合表面，其中多个VCSEL中的每个VCSEL的第一端子被电连接到VCSEL阵列的第一端子，并且多个VCSEL中的每个VCSEL的第二端子被电连接到VCSEL阵列的第二端子；和

b.基底，包括多个彼此电隔离并位于第一表面上的接合盘，所述多个接合盘被电连接到位于基底的第二表面上的对应的多个接合盘，使得阵列的接合表面与基底热接触。

12.如权利要求11所述的光学照明器模块，其中基底接合到热沉，使得VCSEL阵列与热沉热接触。

13.如权利要求11所述的光学照明器模块，其中位于第一表面上的多个接合盘被包裹在基底的一个或多个边沿周围，以使得位于第一表面上的多个接合盘被电连接到位于基底的第二表面上的相应的多个接合盘。

14.如权利要求13所述的光学照明器模块，其中基底接合到热沉，使得VCSEL阵列与热沉热接触。

15.如权利要求11所述的光学照明器模块，其中位于第一表面上的多个接合盘被包裹在基底的一个或多个侧面周围，以使得位于第一表面上的多个接合盘被电连接到位于基底的第二表面上的相应的多个接合盘。

16.如权利要求11所述的光学照明器模块，其中位于基底的第一表面上的多个接合盘通过多个通孔被电连接到位于基底的第二表面上的相应的多个接合盘。

17.如权利要求11所述的光学照明器模块，其中照明器模块被配置为执行运动识别、姿势识别、和三维感测中的至少一个。

18.一种光学照明器系统，包括：

a.印刷电路板，其包括位于所述印刷电路板的表面上的多个传输线；

b.多个垂直腔表面发射激光器VCSEL，其被布置为形成VCSEL阵列，该VCSEL阵列在第一表面上具有发光表面并且在第二表面上具有接合表面，其中多个VCSEL中的每个VCSEL的第一端子被电连接到该阵列的第一端子，并且多个VCSEL中的每个VCSEL的第二端子被电连接到该阵列的第二端子；

c.电接合到印刷电路板的接合盘的基底，该基底包括多个彼此电隔离并位于第一表面上的接合盘，该阵列的第一和第二端子被电连接到基底上的相应的第一和第二接合盘，以使得阵列与基底热接触，并且位于第一表面上的多个接合盘被电连接到位于与基底的第一表面相对的基底的第二表面上的对应的多个接合盘；和

d.包括至少一个电流驱动器电路的电子模块，该至少一个电流驱动器电路接合到印刷电路板，使得VCSEL阵列电连接到所述至少一个电流驱动器电路。

19.如权利要求18所述的光学照明器系统，其中基底接合到热沉，使得VCSEL阵列与热沉热接触。

20.如权利要求18所述的光学照明器系统，其中位于第一表面上的多个接合盘被包裹在基底的一个或多个边沿周围，以使得位于第一表面上的多个接合盘被电连接到位于基底的第二表面上的对应的多个接合盘。

21.如权利要求20所述的光学照明器系统，其中基底接合到热沉，使得VCSEL阵列与热沉热接触。

22.如权利要求18所述的光学照明器系统，其中位于第一表面上的多个接合盘被包裹在基底的一个或多个侧面周围，以使得位于第一表面上的多个接合盘被电连接到位于基底的第二表面上的对应的多个接合盘。

23.如权利要求22所述的光学照明器系统，其中基底接合到热沉，使得VCSEL阵列与热沉热接触。

24.如权利要求18所述的光学照明器系统，其中位于基底的第一表面上的多个接合盘通过多个通孔被电连接到位于基底的第二表面上的对应的多个接合盘。

25.如权利要求18所述的光学照明器系统，还包括外壳，外壳在第一表面上具有基底，其中印刷电路板接合到基底并且基底与热沉热接触。

26.如权利要求18所述的光学照明器系统，还包括位于VCSEL阵列的第一表面上的透明区域，该透明区域使得从VCSEL阵列的表面发射的光通过。

27.如权利要求18所述的光学照明器系统，其中照明器系统被配置为执行运动识别、姿势识别、和三维感测中的至少一个。

28.一种照明器模块，包括：

a.多个垂直腔表面发射激光器VCSEL，其包括位于VCSEL阵列的第一表面上的第一电触点和位于VCSEL阵列的第二表面上的第二电触点，VCSEL阵列被布置为形成二维的VCSEL阵列，其中光在垂直于第一表面的方向通过多个发射窗口发射；

b.凹槽，位于与VCSEL阵列的第一表面相对的VCSEL阵列的第二表面上，该凹槽将VCSEL阵列与位于第二表面上的电接触区域电隔离；

c.电传输线，所述电传输线电连接位于VCSEL阵列的第一表面上的第一电触点和位于第二表面上的电接触区域；和

d.印刷电路板，包括一个或多个电子电路，该VCSEL阵列被表面安装在印刷电路板上。

29.如权利要求28所述的照明器模块，其中所述至少一个电子电路包括电流驱动器、图像传感器、照相机、控制器和处理器中的至少一个。

30.如权利要求28所述的照明器模块，其中照明器模块被配置为执行运动识别、姿势识别、和三维感测中的至少一个。

31.如权利要求28所述的照明器模块，其中印刷电路板包括至少两个级别的导电路径，用于连接一个或多个电子电路与至少一个阵列模块。

32.如权利要求28所述的照明器模块，还包括位于VCSEL阵列的第一表面上的透明的载体基板，载体基板包括具有多个窗口的电接触层，该多个窗口与所述多个发射窗口对准。

33.一种照明器，包括：

a.多个垂直腔表面发射激光器VCSEL，其形成单块的二维VCSEL阵列，其中光在垂直于阵列的第一表面的方向通过多个发射窗口发射，包括：

i.位于VCSEL阵列的第一表面上的第一电接触层；

ii.位于该第一电接触层上的透明的载体基板；

iii.位于与VCSEL阵列的第一表面相对的VCSEL阵列的第二表面上的第二电触点；

b.凹槽，位于VCSEL阵列的第二表面上，该凹槽使VCSEL阵列与位于第二表面上的电接触区域电隔离；

c.电传输线，电连接位于VCSEL阵列的第一表面上的第一电触点和位于第二表面上的第二电接触区域；和

d.印刷电路板，包括一个或多个电子电路，该VCSEL阵列被表面安装在印刷电路板上。

34.如权利要求33所述的照明器，其中所述至少一个电子电路包括电流驱动器、图像传感器、照相机、控制器和处理器中的至少一个。

35.如权利要求33所述的照明器，其中照明器模块被配置为执行运动识别、姿势识别、和三维感测中的至少一个。

36.如权利要求33所述的照明器，其中印刷电路板包括至少两个级别上的导电路径，用于连接一个或多个电子电路与至少一个VCSEL阵列。

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