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CN118276311B - 调制角能量分布超表面构造方法、系统、芯片及制备方法 - Google Patents

调制角能量分布超表面构造方法、系统、芯片及制备方法 Download PDF

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CN118276311B
CN118276311B CN202410370567.1A CN202410370567A CN118276311B CN 118276311 B CN118276311 B CN 118276311B CN 202410370567 A CN202410370567 A CN 202410370567A CN 118276311 B CN118276311 B CN 118276311B
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Abstract

本发明公开了一种调制角能量分布的超表面构造方法、系统及芯片制备方法，包括：根据目标波长、目标VCSEL芯片结构、目标芯片衬底材料、目标纳米结构材料、目标纳米单元结构，通过时域有限差分法构建目标超表面的相位和透过率随目标纳米单元的半径或偏转角度的变化曲线图；根据变化曲线图，获取在目标范围内维持目标透过率的晶格常数；根据晶格常数划分目标超表面；根据每个超表面晶胞集中的晶胞所对应的目标角能量分布，获取对应的目标相位分布；根据每个目标相位分布查找变化曲线图，以构建对应的超表面目标纳米单元集；根据目标纳米单元集、超表面晶胞集，构建目标超表面。通过FDTD模拟，构建出可实现目标角能量分布的超表面结构。

Description

调制角能量分布超表面构造方法、系统、芯片及制备方法
技术领域
本发明涉及光学芯片领域，特别涉及一种调制角能量分布超表面构造方法、系统及芯片制备方法。
背景技术
传统主流线光源包括光源芯片、光束整形透镜、芯片封装基板、固定结构。生产时需将光源芯片固定于封装基板之上，而后将光源整形所需透镜逐个与封装基板、固定结构相连并固定，整套工艺流程复杂耗时，且需多个不同的自动化设备参与。超表面是由亚波长间隔的纳米结构排列成的二维表面材料结构，其目标纳米单元由金属或全介质材料构成。其利用单元结构的光学响应在亚波长尺度改变局域光波分布，光通过超表面能产生相位突变，可利用此性质调控光场的振幅、相位、偏振态。超表面具有小型化平面元件的优点，并具有取代传统折射光学元件的前景。但是具体如何通过构建超表面来实现需要的能量分布，却缺乏相应的技术方案。
发明内容
为解决现有技术中缺乏构建何种超表面来实现需要的能量分布的技术方案的技术问题，本发明提供调制角能量分布的超表面构造方法、系统及芯片制备方法，具体的技术方案如下：
一方面，提供一种调制角能量分布的超表面构造方法，包括：
获取目标VCSEL芯片的目标波长、目标VCSEL芯片结构、目标芯片衬底材料、目标纳米单元的目标纳米单元结构材料、目标纳米单元结构；所述目标纳米单元设置在目标超表面上；
根据所述目标波长、所述目标VCSEL芯片结构、所述目标芯片衬底材料、所述目标纳米结构材料、所述目标纳米单元结构，通过时域有限差分法构建目标超表面的相位和透过率随所述目标纳米单元的半径或偏转角度的变化曲线图；
根据所述变化曲线图，获取在目标范围内维持目标透过率的晶格常数；
根据所述晶格常数划分所述目标超表面，获取超表面晶胞集；目标能量分布获取模块，根据每个所述超表面晶胞集中的晶胞所对应的目标角能量分布，获取对应的目标相位分布；
根据每个所述超表面晶胞集中的超表面晶格所对应的所述目标相位分布查找所述变化曲线图，以构建对应的超表面目标纳米单元集；
根据所述目标纳米单元集、所述超表面晶胞集，构建所述目标超表面。
优选地，所述目标相位分布满足其中，φ为相位差，f为采用所述目标超表面的VCSEL芯片的视场角的等效焦距，x为所述晶胞在所述视场角的长轴方向坐标，y为所述晶胞在所述视场角的短轴方向坐标，所述λ为所述目标波长。
优选地，所述目标相位分布满足其中，φ为相位差，f为采用所述目标超表面的VCSEL芯片的视场角的等效焦距，x为所述晶胞在所述视场角的长轴方向坐标，y为所述晶胞在所述视场角的短轴方向坐标，所述λ为所述目标波长。
优选地，所述目标纳米单元结构为圆柱体或者立方体；所述目标纳米单元的高度小于所述目标波长。
优选地，经所述目标超表面调制后，所述目标VCSEL芯片的光线被调制为线光源。
另一方面，提供一种调制角能量分布的超表面构造系统，包括：
目标参数获取模块，用于获取目标VCSEL芯片的目标波长、目标VCSEL芯片结构、目标芯片衬底材料、目标纳米单元的目标纳米单元结构材料、目标纳米单元结构；所述目标纳米单元设置在目标超表面上；
相位关系获取模块，用于根据所述目标波长、所述目标VCSEL芯片结构、所述目标芯片衬底材料、所述目标纳米结构材料、所述目标纳米单元结构，通过时域有限差分法构建目标超表面的相位和透过率随所述目标纳米单元的半径或偏转角度的变化曲线图；
晶格常数生成模块，用于根据所述变化曲线图，获取在目标范围内维持目标透过率的晶格常数；
超表面晶胞集获取模块，用于根据所述晶格常数划分所述目标超表面，获取超表面晶胞集；目标能量分布获取模块，根据每个所述超表面晶胞集中的晶胞所对应的目标角能量分布，获取对应的目标相位分布；
目标纳米单元集获取模块，用于根据每个所述超表面晶胞集中的超表面晶格所对应的所述目标相位分布查找所述变化曲线图，以构建对应的超表面目标纳米单元集；
目标超表面构造模块，用于根据所述目标纳米单元集、所述超表面晶胞集，构建所述目标超表面。
优选地，所述目标相位分布满足其中，φ为相位差，f为采用所述目标超表面的VCSEL芯片的视场角的等效焦距，x为所述晶胞在所述视场角的长轴方向坐标，y为所述晶胞在所述视场角的短轴方向坐标，所述λ为所述目标波长。
优选地，所述目标相位分布满足其中，φ为相位差，f为采用所述目标超表面的VCSEL芯片的视场角的等效焦距，x为所述晶胞在所述视场角的长轴方向坐标，y为所述晶胞在所述视场角的短轴方向坐标，所述λ为所述目标波长。
优选地，所述目标纳米单元结构为圆柱体或者立方体，所述目标纳米单元的高度小于所述目标波长。
另一方面，提供调制角能量分布的芯片制备方法，包括：
在VCSEL外延片上进行刻蚀得到台面结构；
对所述台面结构进行湿法氧化，以形成氧化孔；
在所述台面结构上生长SiO2；
利用电子束蒸镀逐次蒸镀所述台面结构的P、N面电极；
对所述台面结构进行高温退火形成欧姆接触，以形成VCSEL激光器；
在所述VCSEL激光器的发射孔上生长一层超表面介质材料薄膜；所述超表面介质材料薄膜的材料为单晶硅。
对在所述VCSEL激光器上通过刻蚀的工艺将超表面介质薄膜加工为可形成线形出射激光束的超表面结构阵列，所述超表面结构根据所述的一种调制角能量分布的超表面构造方法构造。
调制角能量分布的芯片，包括依次设置的N电极、GaAs衬底、缓冲层、NDBR层、量子阱有源层、氧化层、PDBR层、接触层、P电极；其中，所述N电极放置在所述GaAs衬底之下，与所述GaAs衬底接触，所述P电极放置在接触层之上，与所述接触层接触；所述NDBR层由不同组分的AlGaAs组成分布布拉格反射镜，采用n型掺杂；所述PDBR层由不同组分的AlGaAs组成分布布拉格反射镜，采用p型掺杂，其特征在于：
还包括超表面结构，所述超表面结构根据所述的调制角能量分布的超表面构造方法构造。
本发明至少包括以下一项技术效果：本实施例通过FDTD模拟，构建出可实现目标角能量分布的超表面结构，实现了将相位结构超表面与垂直腔表面发射激光器(VCSEL)集成在一起，光源将变为芯片级产品，而不再需要以集成模组的形式去生产。与现有技术方案相比，其能够极大简化光源模组的生产工艺及尺寸结构。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种调制角能量分布的超表面构造方法的流程示意图；
图2为本发明所涉及的VCSEL芯片的结构示意图；
图3为本发明所涉及的VCSEL芯片的超表面示意图；
图4为本发明设计波长940nm、衬底材料SiO2、纳米结构材料为单晶硅Si、纳米结构为圆柱形的VCSEL芯片的透过率和相位随目标纳米单元半径或偏转角度变化的示意图；
图5为本发明相位与角能量分布关系示意图；
图6为本发明线激光效果示意图；
图7为本发明调制角能量分布的芯片制备方法的流程示意图；
图8为本发明调制角能量分布的芯片制备方法的制造流程中的结构变化示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其他实施例中也可以实现本申请。在其他情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所述描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或集合的存在或添加。
为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘出了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
实施例1：
本实施例提供一种调制角能量分布的超表面构造方法，如图1所示，包括：
S7-1：获取目标VCSEL芯片的目标波长、目标VCSEL芯片结构、目标芯片衬底材料、目标纳米单元的目标纳米单元结构材料、目标纳米单元结构；所述目标纳米单元设置在目标超表面上；
S7-2：根据所述目标波长、所述目标VCSEL芯片结构、所述目标芯片衬底材料、所述目标纳米结构材料、所述目标纳米单元结构，通过时域有限差分法构建目标超表面的相位和透过率随所述目标纳米单元的半径的变化曲线图；
S7-3：根据所述变化曲线图，获取在目标范围内维持目标透过率的晶格常数；
S7-4：根据所述晶格常数划分所述目标超表面，并获取超表面晶胞集；
S7-5：根据每个所述超表面晶胞集中的晶胞所对应的目标角能量分布，获取对应的目标相位分布；
S7-6：根据每个所述超表面晶胞集中的超表面晶格所对应的所述目标相位分布查找所述变化曲线图，以构建对应的超表面目标纳米单元集；
S7-7：根据所述目标纳米单元集、所述超表面晶胞集，构建所述目标超表面。
传统主流线光源包括光源芯片、光束整形透镜、芯片封装基板、固定结构。生产时需将光源芯片固定于封装基板之上，而后将光源整形所需透镜逐个与封装基板、固定结构相连并固定，整套工艺流程复杂耗时，且需多个不同的自动化设备参与。超表面是由亚波长间隔的纳米结构排列成的二维表面材料结构，其目标纳米单元由金属或全介质材料构成。其利用单元结构的光学响应在亚波长尺度改变局域光波分布，光通过超表面能产生相位突变，可利用此性质调控光场的振幅、相位、偏振态。超表面具有小型化平面元件的优点，并具有取代传统折射光学元件的前景。
通过将相位结构超表面(metasurface)与垂直腔表面发射激光器(VCSEL)集成在一起，线激光光源将变为芯片级产品，而不再需要以集成模组的形式去生产。与现有技术方案相比，其能够极大简化线结构光光源模组的生产工艺及尺寸结构。但是在传统的技术方案中对于超表面的应用，多应用于对于光的波长本身的改变，但并不涉及到关于光束的能量分布类的变化。因此在本实施例中，提出一种能够调制角能量分布的超表面构造方法，以构建出可以满足目标角能量需求的超表面。
具体来说，首先先获取到目标VCSEL芯片的目标波长、目标VCSEL芯片结构、目标芯片衬底材料、目标纳米单元的目标纳米单元结构材料、目标纳米单元结构。
一般而言，如图2、3所示，该目标VCSEL芯片的结构为：自下而上分别为N电极、GaAs衬底、缓冲层、NDBR(由不同组分的AlGaAs组成分布布拉格反射镜,n型掺杂)、量子阱有源层(MQW)、氧化层(oxide)、PDBR(由不同组分的AlGaAs组成分布布拉格反射镜,p型掺杂)、接触层、P电极。N电极放置在GaAs衬底之下，与GaAs衬底接触，P电极放置在接触层之上，与接触层接触。二氧化硅钝化层对器件(除电极外)与空气接触的部分进行包覆。
器件工作状态下，电流从P面环形电极注入，N面电极流出。P电极注入的空穴，N电极注入的电子到达量子阱有源层区域，并在量子阱有源层进行受激复合，产生光。光在NDBR和PDBR之间震荡，最终在PDBR(反射率较低)一侧出射。
在超表面的具体设置上，将超表面层做在出光孔内(上分布布拉格反射镜结构)，一束多模态混合光束经过超表面层后其空间角能量分布会变为指定线激光束。同时，也可以将超表面层设置在GaAs衬底上，当超表面层设置在GaAs衬底上时，所述VCSEL的结构中NDBR反射率减小，PDBR反射率增加，最终PDBR反射率接近100％，NDBR反射率低于PDBR，此时器件在工作状态下量子阱有源层产生的光将在NDBR和PDBR之间震荡，最终在NDBR(反射率较低)一侧出射。
一般而言，将超表面层做在出光孔内，超表面距离出光面较近，需要额外的衬底层才能实现技术效果，故一般采用超表面层设置在GaAs衬底上的方式，从而提高效率，节约成本。
然后在获取到对应的目标超表面的相位和透过率随所述目标纳米单元的半径或偏转角度的变化曲线图后，根据该变化曲线图来划分晶格单元，并根据每一个晶胞所在的位置所对应的角能量分布所对应的相位分布情况，来确定该处的纳米单元所要实现的相位分布，并根据变化曲线图明确纳米单元的半径，进而构建出整个的超表面结构。
本实施例通过FDTD模拟，构建出可实现目标角能量分布的超表面结构，实现了将相位结构超表面与垂直腔表面发射激光器(VCSEL)集成在一起，光源将变为芯片级产品，而不再需要以集成模组的形式去生产。与现有技术方案相比，其能够极大简化光源模组的生产工艺及尺寸结构。
优选地，所述目标纳米单元结构为圆柱体或者立方体；所述目标纳米单元的高度小于所述目标波长。
在具体的目标纳米单元的结构和材料上，超表面层可以被刻蚀成在DBR层之上的纳米柱作为目标纳米单元，也可以被刻蚀成在超表面介质材料上的小孔作为目标纳米单元，一般将目标纳米单元设置为立方体或圆柱体，其高度为亚波长级，即小于VCSEL出射激光的波长；在具体的目标纳米单元的形状上，如果设计应用不考虑对出射光偏振态进行管控时，可选择圆柱体作为目标纳米单元。
超表面层的纳米结构布局方式可以为定间距变尺寸或定尺寸变间距，一般而言，出于便于生产以及计算的考量，采用定间距变尺寸的方式进行。其中所有目标纳米单元的高度一致，其构成材料可以为金属或者全介质材料，如单晶硅等。
在获取到了目标VCSEL芯片的目标波长、目标VCSEL芯片结构、目标芯片衬底材料、目标纳米单元的目标纳米单元结构材料、目标纳米单元结构之后，便可以构建每一个晶格常数、目标纳米单元结构的半径、透过率之间的关系图，其中晶格常数指的是在超表面上每一个晶胞的边长，每个目标纳米单元结构都设置在对应的晶胞的中央，如图3所示。根据该关系图，可以获取到在2π的相位覆盖范围内满足范围内可保持较高透过率下的晶格常数，一般情况下，选用透过率在0.85以上的晶格常数来划分超表面。然后以晶胞为单位，获取到每个晶胞对应的目标能量分布，并根据该能量分布获取到所需要的目标相位分布，在已知该相位分布的情况下，可以通过反向查找前述的关系表，从而获取到所需要的目标纳米单元结构的大小，然后再根据每个目标纳米单元所构成的目标纳米单元集、超表面晶胞集，构建所述目标超表面，从而获得所需要的超表面结构。
优选地，所述目标相位分布满足其中，φ为相位差，f为采用所述目标超表面的VCSEL芯片的视场角的等效焦距，x为所述晶胞在所述视场角的长轴方向坐标，y为所述晶胞在所述视场角的短轴方向坐标，所述λ为所述目标波长。
或：所述目标相位分布满足其中，φ为相位差，f为采用所述目标超表面的VCSEL芯片的视场角的等效焦距，x为所述晶胞在所述视场角的长轴方向坐标，y为所述晶胞在所述视场角的短轴方向坐标，所述λ为所述目标波长。
如图6所示，在具体的调制过程中，由于调制到目标的能量分布本质上是要对目标VCSEL芯片的视场角，即FOV进行调制。更具体而言，当需要调制视场角的长轴时，使用公式1：
而如果需要调制视场角的短轴时，则使用公式2：
优选地，经所述目标超表面调制后，所述目标VCSEL芯片的光线被调制为线光源。
一般而言，经过超表面调制之后，得到的应当是线光源，常见的规格有120×1和80×2两种，在该种光源下，短轴方向上的光源的发散角相对长轴可忽略，而实践过程中，也往往只需要控制在长轴方向上的光源发散角，因此往往在长轴方面进行更多的相位调控，短轴方向几乎不动。即一般通过公式1来构建对应的超表面，进而产生对应的出射角。
以设计波长940nm、衬底材料SiO2、纳米结构材料为单晶硅Si、纳米结构为圆柱形的VCSEL芯片为例，在设计过程中，因为不同的晶格常数对应有不同的变化曲线图，因此设定多个不同的晶格常数，通过时域有限差分法构建目标超表面的相位和透过率随所述目标纳米单元的半径的变化曲线图，并选取其中在0到2π的范围中透过率始终大于0.85的晶格常数，作为目标超表面的晶格常数，如图4所示，然后以该晶格常数，离散化均匀设置超表面的目标纳米单元，并选用对应的变化曲线图作为后续每个晶胞中的圆柱体的半径大小作为参考。然后根据每个晶胞所对应的角能量，获取到对应的相位分布，如图5所示，并根据该相位分布，通过前述的公式1，在已知等效焦距、晶胞的位置，波长的情况下，可以很容易的算出需要通过该处晶胞所补充相位差，并参考变化曲线图，通过相位分布与圆柱形的目标纳米单元之间的关系，推算出所需要的目标纳米单元的半径，进而获取到所需要的纳米超表面结构。
实施例2：
本实施例提供一种调制角能量分布的超表面构造系统，包括：
目标参数获取模块，用于获取目标VCSEL芯片的目标波长、目标VCSEL芯片结构、目标芯片衬底材料、目标纳米单元的目标纳米单元结构材料、目标纳米单元结构；所述目标纳米单元设置在目标超表面上；
相位关系获取模块，用于根据所述目标波长、所述目标VCSEL芯片结构、所述目标芯片衬底材料、所述目标纳米结构材料、所述目标纳米单元结构，通过时域有限差分法构建目标超表面的相位和透过率随所述目标纳米单元的半径的变化曲线图；
晶格常数生成模块，用于根据所述变化曲线图，获取在目标范围内维持目标透过率的晶格常数；
超表面晶胞集获取模块，用于根据所述晶格常数划分所述目标超表面，获取超表面晶胞集；
目标能量分布获取模块，根据每个所述超表面晶胞集中的晶胞所对应的目标角能量分布，获取对应的目标相位分布；
目标纳米单元集获取模块，用于根据每个所述超表面晶胞集中的超表面晶格所对应的所述目标相位分布查找所述变化曲线图，以构建对应的超表面目标纳米单元集；
目标超表面构造模块，用于根据所述目标纳米单元集、所述超表面晶胞集，构建所述目标超表面。
传统主流线光源包括光源芯片、光束整形透镜、芯片封装基板、固定结构。生产时需将光源芯片固定于封装基板之上，而后将光源整形所需透镜逐个与封装基板、固定结构相连并固定，整套工艺流程复杂耗时，且需多个不同的自动化设备参与。超表面是由亚波长间隔的纳米结构排列成的二维表面材料结构，其目标纳米单元由金属或全介质材料构成。其利用单元结构的光学响应在亚波长尺度改变局域光波分布，光通过超表面能产生相位突变，可利用此性质调控光场的振幅、相位、偏振态。超表面具有小型化平面元件的优点，并具有取代传统折射光学元件的前景。
通过将相位结构超表面(metasurface)与垂直腔表面发射激光器(VCSEL)集成在一起，线激光光源将变为芯片级产品，而不再需要以集成模组的形式去生产。与现有技术方案相比，其能够极大简化线光源模组的生产工艺及尺寸结构。但是在传统的技术方案中对于超表面的应用，多应用于对于光的波长本身的改变，但并不涉及到关于光束的能量分布类的变化。因此在本实施例中，提出一种能够调制角能量分布的超表面构造方法，以构建出可以满足目标角能量需求的超表面。
具体来说，首先先获取到目标VCSEL芯片的目标波长、目标VCSEL芯片结构、目标芯片衬底材料、目标纳米单元的目标纳米单元结构材料、目标纳米单元结构。
一般而言，如图2、3所示，该目标VCSEL芯片的结构为：自下而上分别为N电极、GaAs衬底、缓冲层、NDBR(由不同组分的AlGaAs组成分布布拉格反射镜,n型掺杂)、量子阱有源层(MQW)、氧化层(oxide)、PDBR(由不同组分的AlGaAs组成分布布拉格反射镜,p型掺杂)、接触层、P电极。N电极放置在GaAs衬底之下，与GaAs衬底接触，P电极放置在接触层之上，与接触层接触。二氧化硅钝化层对器件(除电极外)与空气接触的部分进行包覆。
器件工作状态下，电流从P面环形电极注入，N面电极流出。P电极注入的空穴，N电极注入的电子到达量子阱有源层区域，并在量子阱有源层进行受激复合，产生光。光在NDBR和PDBR之间震荡，最终在PDBR(反射率较低)一侧出射。
在超表面的具体设置上，将超表面层做在出光孔内(上分布布拉格反射镜结构)，一束多模态混合光束经过超表面层后其空间角能量分布会变为指定线激光束。同时，也可以将超表面层设置在GaAs衬底上，当超表面层设置在GaAs衬底上时，所述VCSEL的结构中NDBR反射率减小，PDBR反射率增加，最终PDBR反射率接近100％，NDBR反射率低于PDBR，此时器件在工作状态下量子阱有源层产生的光将在NDBR和PDBR之间震荡，最终在NDBR(反射率较低)一侧出射。
一般而言，由于将超表面层做在出光孔内，超表面距离发光区较远，需要额外的衬底层才能实现技术效果，故一般采用超表面层设置在GaAs衬底上的方式，从而提高效率，节约成本。
然后在获取到对应的目标超表面的相位和透过率随所述目标纳米单元的半径的变化曲线图后，根据该变化曲线图来划分晶格单元，并根据每一个晶胞所在的位置所对应的角能量分布所对应的相位分布情况，来确定该处的纳米单元所要实现的相位分布，并根据变化曲线图明确纳米单元的半径，进而构建出整个的超表面结构。
本实施例通过FDTD模拟，构建出可实现目标角能量分布的超表面结构，实现了将相位结构超表面与垂直腔表面发射激光器(VCSEL)集成在一起，光源将变为芯片级产品，而不再需要以集成模组的形式去生产。与现有技术方案相比，其能够极大简化光源模组的生产工艺及尺寸结构。
优选地，所述目标纳米单元结构为圆柱体或者立方体；所述目标纳米单元的高度小于所述目标波长。
在具体的目标纳米单元的结构和材料上，超表面层可以被刻蚀成在DBR层之上的纳米柱作为目标纳米单元，也可以被刻蚀成在超表面介质材料上的小孔作为目标纳米单元，一般将目标纳米单元设置为为立方体或圆柱体，其高度为亚波长级，即小于VCSEL出射激光的波长；在具体的目标纳米单元的形状上，如果设计应用不考虑对出射光偏振态进行管控时，可选择圆柱体作为目标纳米单元。
超表面层的纳米结构布局方式可以为定间距变尺寸或定尺寸变间距，一般而言，出于便于生产以及计算的考量，采用定间距变尺寸的方式进行。其中所有目标纳米单元的高度一致，其构成材料可以为金属或者全介质材料，如单晶硅等。
在获取到了目标VCSEL芯片的目标波长、目标VCSEL芯片结构、目标芯片衬底材料、目标纳米单元的目标纳米单元结构材料、目标纳米单元结构之后，便可以构建每一个晶格常数、目标纳米单元结构的半径、透过率之间的关系图，其中晶格常数指的是在超表面上每一个晶胞的边长，每个目标纳米单元结构都设置在对应的晶胞的中央，如图3所示。根据该关系图，可以获取到在2π的相位覆盖范围内满足范围内可保持较高透过率下的晶格常数，一般情况下，选用透过率在0.85以上的晶格常数来划分超表面。然后以晶胞为单位，获取到每个晶胞对应的目标能量分布，并根据该能量分布获取到所需要的目标相位分布，在已知该相位分布的情况下，可以通过反向查找前述的关系表，从而获取到所需要的目标纳米单元结构的大小，然后再根据每个目标纳米单元所构成的目标纳米单元集、超表面晶胞集，构建所述目标超表面，从而获得所需要的超表面结构。
优选地，所述目标相位分布满足其中，φ为相位差，f为采用所述目标超表面的VCSEL芯片的视场角的等效焦距，x为所述晶胞在所述视场角的长轴方向坐标，y为所述晶胞在所述视场角的短轴方向坐标，所述λ为所述目标波长。
或：所述目标相位分布满足其中，φ为相位差，f为采用所述目标超表面的VCSEL芯片的视场角的等效焦距，x为所述晶胞在所述视场角的长轴方向坐标，y为所述晶胞在所述视场角的短轴方向坐标，所述λ为所述目标波长。
如图6所示，在具体的调制过程中，由于调制到目标的能量分布本质上是要对目标VCSEL芯片的视场角，即FOV进行调制。更具体而言，当需要调制视场角的长轴时，使用公式1：
而如果需要调制视场角的短轴时，则使用公式2：
优选地，经所述目标超表面调制后，所述目标VCSEL芯片的光线被调制为线光源。
一般而言，经过超表面调制之后，得到的应当是线光源，常见的规格有120×1和80×2两种，在该种光源下，短轴方向上的光源的发散角相对长轴颗忽略，而实践过程中，也往往只需要控制在长轴方向上的光源发散角，因此往往在长轴方面进行更多的相位调控，短轴方向几乎不动。即一般通过公式1来构建对应的超表面，进而产生对应的出射角。
以设计波长940nm、衬底材料SiO2、纳米结构材料为单晶硅Si、纳米结构为圆柱形的VCSEL芯片为例，在设计过程中，因为不同的晶格常数对应有不同的变化曲线图，因此设定多个不同的晶格常数，通过时域有限差分法构建目标超表面的相位和透过率随所述目标纳米单元的半径的变化曲线图，如图4所示，并选取其中在0到2π的范围中透过率始终大于0.85的晶格常数，作为目标超表面的晶格常数，然后以该晶格常数，离散化均匀设置超表面的目标纳米单元，并选用对应的变化曲线图作为后续每个晶胞中的圆柱体的半径大小作为参考。然后根据每个晶胞所对应的角能量，获取到对应的相位分布，如图5所示，并根据该相位分布，通过前述的公式1，在已知等效焦距、晶胞的位置，波长的情况下，可以很容易的算出需要通过该处晶胞所补充相位差，并参考变化曲线图，通过相位分布与圆柱形的目标纳米单元之间的关系，推算出所需要的目标纳米单元的半径，进而获取到所需要的纳米超表面结构。
实施例3：
本实施例提供调制角能量分布的芯片制备方法，如图7、8所示，包括：
S1：在VCSEL外延片上进行刻蚀得到台面结构；
S2：对所述台面结构进行湿法氧化，以形成氧化孔；
S3：在所述台面结构上生长SiO2；
S4：利用电子束蒸镀逐次蒸镀所述台面结构的P、N面电极；
S5：对所述台面结构进行高温退火形成欧姆接触，以形成VCSEL激光器；
S6：在所述VCSEL激光器的发射孔上生长一层超表面介质材料薄膜；所述超表面介质材料薄膜的材料为单晶硅；
S7：对在所述VCSEL激光器上通过刻蚀的工艺将超表面介质薄膜加工为可形成线形出射激光束的超表面结构阵列，所述超表面结构根据实施例1所述的一种调制角能量分布的超表面构造方法构造。
在本实施例中，通过将相位结构超表面(metasurface)与垂直腔表面发射激光器(VCSEL)集成在一起，线激光光源将变为芯片级产品，而不再需要以集成模组的形式去生产。具体来说，该目标VCSEL芯片的结构为：自下而上分别为N电极、GaAs衬底、缓冲层、NDBR(由不同组分的AlGaAs组成分布布拉格反射镜,n型掺杂)、量子阱有源层(MQW)、氧化层(oxide)、PDBR(由不同组分的AlGaAs组成分布布拉格反射镜,p型掺杂)、接触层、P电极。N电极放置在GaAs衬底之下，与GaAs衬底接触，P电极放置在接触层之上，与接触层接触。二氧化硅钝化层对器件(除电极外)与空气接触的部分进行包覆。
器件工作状态下，电流从P面环形电极注入，N面电极流出。P电极注入的空穴，N电极注入的电子到达量子阱有源层区域，并在量子阱有源层进行受激复合，产生光。光在NDBR和PDBR之间震荡，最终在PDBR(反射率较低)一侧出射。将超表面层做在出光孔内(上分布布拉格反射镜结构)，一束多模态混合光束经过超表面层后其空间角能量分布会变为指定线激光束。同时，也可以将超表面层设置在GaAs衬底上，当超表面层设置在GaAs衬底上时，所述VCSEL的结构中NDBR反射率减小，PDBR反射率增加，最终PDBR反射率接近100％，NDBR反射率低于PDBR，此时器件在工作状态下量子阱有源层产生的光将在NDBR和PDBR之间震荡，最终在NDBR(反射率较低)一侧出射。
本实施例将相位结构超表面与垂直腔表面发射激光器(VCSEL)集成在一起，光源将变为芯片级产品，而不再需要以集成模组的形式去生产。与现有技术方案相比，其能够极大简化光源模组的生产工艺及尺寸结构。
实施例4：
本实施例提供调制角能量分布的芯片，包括依次设置的N电极、GaAs衬底、缓冲层、NDBR层、量子阱有源层、氧化层、PDBR层、接触层、P电极；其中，所述N电极放置在所述GaAs衬底之下，与所述GaAs衬底接触，所述P电极放置在接触层之上，与所述接触层接触；所述NDBR层由不同组分的AlGaAs组成分布布拉格反射镜，采用n型掺杂；所述PDBR层由不同组分的AlGaAs组成分布布拉格反射镜，采用p型掺杂，其特征在于：
还包括超表面结构，所述超表面结构根据所述的调制角能量分布的超表面构造方法构造。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种调制角能量分布的超表面构造方法，其特征在于，包括：
获取目标VCSEL芯片的目标波长、目标VCSEL芯片结构、目标芯片衬底材料、目标纳米单元的目标纳米单元结构材料、目标纳米单元结构；所述目标纳米单元设置在目标超表面上；
根据所述目标波长、所述目标VCSEL芯片结构、所述目标芯片衬底材料、所述目标纳米单元结构材料、所述目标纳米单元结构，通过时域有限差分法构建目标超表面的相位和透过率随所述目标纳米单元的半径的变化曲线图；
根据所述变化曲线图，获取在目标范围内维持目标透过率的晶格常数；
根据所述晶格常数划分所述目标超表面，获取超表面晶胞集；
根据每个所述超表面晶胞集中的晶胞所对应的目标角能量分布，获取对应的目标相位分布；
根据每个所述超表面晶胞集中的超表面晶格所对应的所述目标相位分布查找所述变化曲线图，以构建对应的超表面目标纳米单元集；
根据所述目标纳米单元集、所述超表面晶胞集，构建所述目标超表面。
2.根据权利要求1所述的一种调制角能量分布的超表面构造方法，其特征在于，所述目标相位分布满足其中，φ为相位差，f为采用所述目标超表面的VCSEL芯片的视场角的等效焦距，x为所述晶胞在所述视场角的长轴方向坐标，y为所述晶胞在所述视场角的短轴方向坐标，所述λ为所述目标波长。
3.根据权利要求1所述的一种调制角能量分布的超表面构造方法，其特征在于，所述目标相位分布满足其中，φ为相位差，f为采用所述目标超表面的VCSEL芯片的视场角的等效焦距，x为所述晶胞在所述视场角的长轴方向坐标，y为所述晶胞在所述视场角的短轴方向坐标，所述λ为所述目标波长。
4.根据权利要求1所述的一种调制角能量分布的超表面构造方法，其特征在于，所述目标纳米单元结构为圆柱体或者立方体；所述目标纳米单元的高度小于所述目标波长；经所述目标超表面调制后，所述目标VCSEL芯片的光线被调制为线光源。
5.一种调制角能量分布的超表面构造系统，其特征在于，包括：
目标参数获取模块，用于获取目标VCSEL芯片的目标波长、目标VCSEL芯片结构、目标芯片衬底材料、目标纳米单元的目标纳米单元结构材料、目标纳米单元结构；所述目标纳米单元设置在目标超表面上；
相位关系获取模块，用于根据所述目标波长、所述目标VCSEL芯片结构、所述目标芯片衬底材料、所述目标纳米单元结构材料、所述目标纳米单元结构，通过时域有限差分法构建目标超表面的相位和透过率随所述目标纳米单元的半径的变化曲线图；
晶格常数生成模块，用于根据所述变化曲线图，获取在目标范围内维持目标透过率的晶格常数；
超表面晶胞集获取模块，用于根据所述晶格常数划分所述目标超表面，获取超表面晶胞集；
目标能量分布获取模块，根据每个所述超表面晶胞集中的晶胞所对应的目标角能量分布，获取对应的目标相位分布；
目标纳米单元集获取模块，用于根据每个所述超表面晶胞集中的超表面晶格所对应的所述目标相位分布查找所述变化曲线图，以构建对应的超表面目标纳米单元集；
目标超表面构造模块，用于根据所述目标纳米单元集、所述超表面晶胞集，构建所述目标超表面。
6.根据权利要求5所述的一种调制角能量分布的超表面构造系统，其特征在于，所述目标相位分布满足其中，φ为相位差，f为采用所述目标超表面的VCSEL芯片的视场角的等效焦距，x为所述晶胞在所述视场角的长轴方向坐标，y为所述晶胞在所述视场角的短轴方向坐标，所述λ为所述目标波长。
7.根据权利要求5所述的一种调制角能量分布的超表面构造系统，其特征在于，所述目标相位分布满足其中，φ为相位差，f为采用所述目标超表面的VCSEL芯片的视场角的等效焦距，x为所述晶胞在所述视场角的长轴方向坐标，y为所述晶胞在所述视场角的短轴方向坐标，所述λ为所述目标波长。
8.根据权利要求5所述的一种调制角能量分布的超表面构造系统，其特征在于，所述目标纳米单元结构为圆柱体或者立方体，所述目标纳米单元的高度小于所述目标波长。
9.调制角能量分布的芯片制备方法，其特征在于，包括：
在VCSEL外延片上进行刻蚀得到台面结构；
对所述台面结构进行湿法氧化，以形成氧化孔；
在所述台面结构上生长SiO2；
利用电子束蒸镀逐次蒸镀所述台面结构的P、N面电极；
对所述台面结构进行高温退火形成欧姆接触，以形成VCSEL激光器；
在所述VCSEL激光器的发射孔上生长一层超表面介质材料薄膜；所述超表面介质材料薄膜的材料为单晶硅；
对在所述VCSEL激光器上通过刻蚀的工艺将超表面介质材料薄膜加工为可形成线形出射激光束的超表面结构阵列，所述超表面结构根据权利要求1-4任一所述的调制角能量分布的超表面构造方法构造。
10.调制角能量分布的芯片，包括依次设置的N电极、GaAs衬底、缓冲层、NDBR层、量子阱有源层、氧化层、PDBR层、接触层、P电极；其中，所述N电极放置在所述GaAs衬底之下，与所述GaAs衬底接触，所述P电极放置在接触层之上，与所述接触层接触；所述NDBR层由不同组分的AlGaAs组成分布布拉格反射镜，采用n型掺杂；所述PDBR层由不同组分的AlGaAs组成分布布拉格反射镜，采用p型掺杂，其特征在于：
还包括超表面结构，所述超表面结构根据权利要求1-4任一所述的调制角能量分布的超表面构造方法构造。
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