縱慧芯光研發(fā)小發(fā)散角AR-VCSEL有望變革汽車激光雷達

過去三十年來，垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）憑借其結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)速度快以及能量轉(zhuǎn)換效率高等特點，已成為高速數(shù)據(jù)通信和傳感應(yīng)用的主要光源。特別是最近幾年，在智能手機、平板電腦以及機器人等終端中的人臉識別（Face ID）、紅外照明、飛行時間（ToF）接近傳感、3D傳感等應(yīng)用的推動下，VCSEL芯片及其模組的產(chǎn)量達到了前所未有的數(shù)十億顆量級。隨著量產(chǎn)供應(yīng)鏈的成熟，VCSEL的大規(guī)模應(yīng)用正擴展到自動駕駛、計算、虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實、工業(yè)快速加熱、醫(yī)美等領(lǐng)域。其中，配備VCSEL陣列固態(tài)光源的激光雷達（LiDAR）系統(tǒng)已經(jīng)在自動駕駛汽車上實現(xiàn)商業(yè)化。

高分辨率激光雷達光源的性能指標有很多，例如功率、功率密度、發(fā)散角、光束質(zhì)量、光束參數(shù)乘積、光譜寬度、亮度、光譜亮度、波長、溫度穩(wěn)定性、脈沖寬度、能量轉(zhuǎn)換效率、開關(guān)速度以及模塊尺寸等。

對于商用激光雷達最合適的半導(dǎo)體激光源，邊發(fā)射激光器（EEL）和VCSEL之間的競爭一直存在。EEL相比VCSEL更早進入激光雷達應(yīng)用，因為單條EEL通常比單發(fā)射極VCSEL提供更高的功率。但最近，業(yè)界開始傾向于使用VCSEL。與大功率法布里-珀羅（FP）EEL相比，VCSEL具有更窄的光譜寬度（< 2 nm），波長隨溫度變化的穩(wěn)定性更好（0.06~0.07 nm/℃）。此外，VCSEL可以產(chǎn)生圓形對稱的優(yōu)質(zhì)光束，而EEL的光束輪廓為橢圓形。最后，VCSEL固有的二維陣列可制造性，使其在2D點云生成和芯片級光學(xué)集成方面具有EEL無法比擬的優(yōu)勢，而且無需復(fù)雜的封裝。因此，許多激光雷達制造商正在采用VCSEL陣列作為其光源。

隨著VCSEL技術(shù)的發(fā)展進步，VCSEL的功率密度已經(jīng)足夠滿足激光雷達的需求，現(xiàn)在迫切需要降低其光束發(fā)散角以獲得更高的亮度。降低VCSEL光束發(fā)散角通常的手段是加長腔長，使得VCSEL發(fā)光孔內(nèi)外的有效折射率差異降低，進而抑制高階模式的產(chǎn)生。高階模式的光束具有更大的發(fā)散角，因此，將高階模式的光束抑制之后，剩下的低階模式光束可以實現(xiàn)更小的發(fā)散角。

因此，壓縮光束發(fā)散角通常伴隨著較少的高階模態(tài)和較窄的光譜寬度，因此其對光譜亮度的影響會加倍。氧化物基VCSEL的典型D86發(fā)散全角通常約為20°~30°，這對于大多數(shù)中長距離（> 100 m）掃描激光雷達來說還是相當大的。此外，與單結(jié)VCSEL相比，多結(jié)VCSEL具有多個用于電流限制的氧化物層，由于橫向光學(xué)局限更強，因此發(fā)散角可能更大。

6結(jié)AR-VCSEL

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，常州縱慧芯光半導(dǎo)體科技有限公司（以下簡稱“縱慧芯光”）近期在Nature Communications期刊上發(fā)表了一篇題為“Antireflective vertical-cavity surface-emitting laser for LiDAR”的研究文章。為了解決上述難題，研究人員首先對多結(jié)氧化物VCSEL應(yīng)用加長的腔長，以壓縮VCSEL光束發(fā)散角，然而，這也引入了新的問題，即多縱模的挑戰(zhàn)。

為此，研究人員通過引入增透儲光層來解決這一難題，開發(fā)出創(chuàng)新的增透垂直腔面發(fā)射激光器（AR-VCSEL）。其中，儲光層用于儲存駐波光場能量；儲光層與有源層之間設(shè)置有具有增透界面的增透層，增透層用于增大儲光層的光場強度峰值至高于有源層的光場強度峰值。通過增透層調(diào)整駐波光場強度分布，降低了電流限制層的光限制因子，區(qū)別于傳統(tǒng)單純加長腔長減小發(fā)散角的方法，在有效降低發(fā)散角的同時，使得腔長的增加相對較少，從而避免加長腔長導(dǎo)致的多縱模問題。從而在極大降低發(fā)散角的同時，還可以保持單縱模激射，避免多波長輸出。

相比傳統(tǒng)加長腔長VCSEL，AR-VCSEL展現(xiàn)了更優(yōu)越的性能

單橫模AR-VCSEL演示

這種獨特的設(shè)計只需重建外延層，既不需要復(fù)雜的器件結(jié)構(gòu)，也不需要額外的制造步驟。利用標準的低成本VCSEL工藝，縱慧芯光在直徑為250 μm的6結(jié)AR-VCSEL陣列上實現(xiàn)了8.0°（D86）或4.1°（FWHM）的超小發(fā)散全角，超過40 kW mm?2 sr?1的亮度，以及75.6 kW nm?1 mm?2 sr?1的光譜亮度。通過應(yīng)用更緊湊的100 μm方形陣列，研究人員在實驗中將AR-VCSEL的亮度提高到了100 kW mm?2 sr?1以上，光譜亮度超過180 kW nm?1 mm?2 sr?1。通過增加結(jié)的數(shù)量，利用直徑為250 μm的14結(jié)AR-VCSEL陣列實現(xiàn)了5000 W/mm2功率密度。通過改變氧化孔徑尺寸，研究人員在直徑為7 μm的6結(jié)AR-VCSEL單發(fā)射器中實現(xiàn)了28.4 mW的高功率單橫模激光。

面向激光雷達應(yīng)用，AR-VCSEL和其它類型半導(dǎo)體激光器的最大亮度及功率密度對比

這種AR-VCSEL還具有可擴展的高輸出功率、近乎圓形對稱的光束以及濾光片匹配的溫度波長偏移，與競爭型EEL相比，AR-VCSEL展現(xiàn)了更多優(yōu)勢。另外，通過將AR-VCSEL與光子晶體面發(fā)射激光器（PCSEL）進行多方面對比表明，功率密度是低成本激光雷達的關(guān)鍵，也是PCSEL最難克服的挑戰(zhàn)?？傮w而言，AR-VCSEL在滿足激光雷達各種要求方面表現(xiàn)出了均衡的性能。特別是對于需要16°（D86）及以下發(fā)散角的高功率、低成本掃描激光雷達，AR-VCSEL是最佳解決方案。縱慧芯光的一款16°AR-VCSEL產(chǎn)品已經(jīng)通過AEC-Q102可靠性測試，目前已量產(chǎn)用于高性能汽車激光雷達。

審核編輯：劉清