用于3D攝像頭的VCSEL技術(shù)

傳統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換技術(shù)一般采用LED等發(fā)光器件。這種發(fā)光器件多采用邊緣發(fā)射，體積大，因此比較難以和半導(dǎo)體技術(shù)結(jié)合。20世紀90年代垂直腔表面發(fā)射激光VCSEL技術(shù)成熟后，解決了發(fā)光器件和半導(dǎo)體技術(shù)結(jié)合的問題，因此迅速得到普及。

晶圓光學(xué)鏡片中間的兩面發(fā)射垂直腔面發(fā)射體激光器（VCSEL）

近年來，智能手機領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)更新迭代十分迅速，由于人們的日常需求逐漸提高，手機的拍照，感應(yīng)，識別等功能尤其受到關(guān)注，故手機攝像頭用量提升的趨勢仍處于加速態(tài)勢，特別是3D攝像頭等新創(chuàng)新的使用也將為手機攝像頭領(lǐng)域提供增益，尤其以VCSEL激光器為核心關(guān)鍵元器件的3D Sensing攝像頭在手機上的應(yīng)用，帶動相關(guān)市場迎來一輪爆發(fā)。

3D Sensing攝像頭

3D Sensing攝像頭相比于傳統(tǒng)攝像頭除了能夠獲取平面圖像以外，還可以獲得拍攝對象的深度信息，即三維的位置及尺寸信息，其通常由多個攝像頭+深度傳感器組成。3D 攝像頭實現(xiàn)實時三維信息采集，為消費電子終端加上了物體感知功能，從而引入多個“痛點型應(yīng)用場景”，包括人機交互、人臉識別、三維建模、安防和輔助駕駛等多個領(lǐng)域，3D Sensing攝像頭讓交互方式從平面變成了立體。而3D Sensing攝像頭產(chǎn)業(yè)鏈與傳統(tǒng)攝像頭產(chǎn)業(yè)鏈相比主要新增加紅外光源+光學(xué)組件+紅外傳感器等部分，其中最關(guān)鍵的部分就是紅外光源。

因特爾公司研發(fā)的RealSense 3D攝像頭架構(gòu)

目前，可以提供800-1000nm波段的近紅外光源主要有三種：紅外LED、紅外LD-EEL（邊發(fā)射激光二極管）和VCSEL（垂直腔面發(fā)射激光器）。早期3D傳感系統(tǒng)一般都使用LED作為紅外光源，但是隨著VCSEL技術(shù)的成熟，性價比已經(jīng)接近紅外LED，除此之外，在技術(shù)方面，由于LED不具有諧振腔，導(dǎo)致光束更加發(fā)散，在耦合性方面很差，而VCSEL在精確度、小型化、低功耗、可靠性全方面占優(yōu)的情況下，現(xiàn)在常見的3D攝像頭系統(tǒng)一般都采用VCSEL作為紅外光源。而與傳統(tǒng)邊發(fā)射激光器相比，VCSEL 在光束質(zhì)量、與光纖耦合效率、腔面反射率上都具有較大優(yōu)勢，且因為VCSEL發(fā)射光線垂直于襯底而邊發(fā)射激光器發(fā)射光線平行于襯底，因此 VCSEL 能夠?qū)崿F(xiàn)二維陣列而邊發(fā)射激光器不行。

VCSEL技術(shù)

垂直腔面發(fā)射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，簡稱VCSEL，又譯垂直共振腔面射型雷射）是一種半導(dǎo)體，其激光垂直于頂面射出，與一般用切開的獨立芯片制成，激光由邊緣射出的邊射型激光有所不同。

VCSEL是很有發(fā)展前景的新型光電器件，也是光通信中革命性的光發(fā)射器件。顧名思義，邊發(fā)射激光器是沿平行于襯底表面、垂直于解理面的方向出射，而面發(fā)射激光器其出光方向垂直于襯底表面，如下圖：

邊發(fā)射激光器（a）與面發(fā)射激光器(b)示意圖

它優(yōu)于邊發(fā)射激光器的表現(xiàn)在于：易于實現(xiàn)二維平面和光電集成；圓形光束易于實現(xiàn)與光纖的有效耦合；可以實現(xiàn)高速調(diào)制，能夠應(yīng)用于長距離、高速率的光纖通信系統(tǒng)；有源區(qū)尺寸極小，可實現(xiàn)高封裝密度和低閾值電流；芯片生長后無須解理，封裝后即可進行在片實驗；在很寬的溫度和電流范圍內(nèi)都以單縱模工作；價格低。

VCSEL的優(yōu)異性能已引起廣泛關(guān)注，成為國際上研究的熱點。這十多年來，VCSEL在結(jié)構(gòu)、材料、波長和應(yīng)用領(lǐng)域都得到飛速發(fā)展，部分產(chǎn)品已進入市場。

VCSEL基本結(jié)構(gòu)

VCSEL的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。它是在由高、低折射率介質(zhì)材料交替生長成的分布布喇格反射器（DBR）之間連續(xù)生長單個或多個量子阱有源區(qū)所構(gòu)成。典型的量子阱數(shù)目為3~5個，它們被置于駐波場的最大處附近，以便獲得最大的受激輻射效率而進入振蕩場。在底部還鍍有金屬層以加強下面DBR的光反饋作用，激光束從頂部透明窗口輸出。

實際上，要完成低閾值電流工作，和一般的條型半導(dǎo)體激光器一樣，必須使用很強的電流收斂結(jié)構(gòu)，同時進行光約束和截流子約束。由上圖可見，VCSEL的半導(dǎo)體多層模反射鏡DBR是由GaAs/AlAs構(gòu)成的，經(jīng)蝕刻使之成為air-post（臺面）結(jié)構(gòu)。在高溫水蒸汽中將AlAs層氧化，變?yōu)橛薪^緣性的AlxOy層，其折射率也大大降低，因而成為把光、載流子限制在垂直方向的結(jié)構(gòu)。對VCSEL的設(shè)計集中在高反射率、低損耗的DBR和有源區(qū)在腔內(nèi)的位置。

VCSEL激光器的特點

由于VCSEL與邊發(fā)射激光器有著不同的結(jié)構(gòu)，這就決定了兩者之間有不同的特點和性能，下表中列出了兩種激光器的基本參數(shù)。

從表中我們可以看出，VCSEL有源區(qū)的體積小、腔短，這就決定了它容易實現(xiàn)單縱模、低閾值(亞毫安級)電流工作，但是為了得到足夠高的增益，其腔鏡的反射率必須達到99%。VCSEL具有較高的弛豫振蕩頻率，從而在高速數(shù)據(jù)傳輸以及光通信中，預(yù)計將有著廣泛的應(yīng)用。VCSEL出光方向與襯底表面垂直，可以實現(xiàn)很好的橫向光場限制，進行整片測試，得到圓形光束，易與制作二維陣列，外延晶片可以在整個工藝完成前，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

VCSEL的優(yōu)點主要有:

l.出射光束為圓形，發(fā)散角小，很容易與光纖及其他光學(xué)元件耦合且效率高。

2.可以實現(xiàn)高速調(diào)制，能夠應(yīng)用于長距離、高速率的光纖通信系統(tǒng)。

3.有源區(qū)體積小，容易實現(xiàn)單縱模、低閾值的工作。

4.電光轉(zhuǎn)換效率可大于50%，可期待得到較長的器件壽命。 5.容易實現(xiàn)二維陣列，應(yīng)用于平行光學(xué)邏輯處理系統(tǒng)，實現(xiàn)高速、大容量數(shù)據(jù)處理，并可應(yīng)用于高功率器件。

6.器件在封裝前就可以對芯片進行檢測，進行產(chǎn)品篩選，極大降低了產(chǎn)品的成本。

7.可以應(yīng)用到層疊式光集成電路上，可采用微機械等技術(shù)。

VCSEL的發(fā)展史

VCSEL的歷史，也是在諸多學(xué)者機構(gòu)的努力下，其性能不斷優(yōu)化的歷史，在這幾十年的歷史中，IGA及其帶領(lǐng)的團隊起到了不可磨滅的作用，可以堪稱IGA教授為VCSEL之父。

隨著VCSEL的諸多優(yōu)點，其應(yīng)用也越來越廣泛。并且為了適合這些應(yīng)用，VCSEL也朝著多個方向在各自發(fā)展，如圖所示，為其主要應(yīng)用：

不同波長VCSEL應(yīng)用領(lǐng)域

由于目前VCSEL最主要應(yīng)用在光傳輸方面，基于1979年Soda等人的VCSEL為開端，VCSEL的發(fā)展，主要經(jīng)歷了2個階段：

第一階段：從VCSEL誕生到20世紀末，蠻荒發(fā)展階段。

在這個階段，各個組織機構(gòu)都提出以及嘗試了各種不同結(jié)構(gòu)類型的VCSEL，最終氧化物限制型VCSEL由于其諸多優(yōu)點而勝出。

1994年，Huffaker等人率先采用在臺面結(jié)構(gòu)（Mesa）下本征氧化AlGaAs，生成掩埋高阻層Al氧化物的方式，來對電流進行進一步的限制。利用這種結(jié)構(gòu)，閾值電流可以降低到225uA。而這種結(jié)構(gòu)就是目前普遍采用的氧化物限制型（Oxide-confined）結(jié)構(gòu)的原型；

首個氧化物限制型VCSEL

2013年，Iga對VCSEL的關(guān)鍵指標如閾值電流、調(diào)制帶寬與有源區(qū)的關(guān)系給出了簡單的關(guān)系公式。

VCSEL的閾值電流同其他半導(dǎo)體激光器一樣，與有源區(qū)體積有如下關(guān)系式：

由公式可以看出，為了降低閾值電流，就需要不斷減小有源區(qū)體積。比較當前的VCSEL與條狀激光器的有源區(qū)體積，可以發(fā)現(xiàn)，VCSEL的V=0.06um3， 條狀激光器依然在V=60um3， 這就是為什么條狀激光器的閾值電流典型值仍舊在幾十mA的級別，而VCSEL的閾值電流已經(jīng)達到了亞毫安級別。

第二階段：逐漸發(fā)展成熟階段及優(yōu)化階段。

由于氧化物限制型的VCSEL具有低閾值電流等很多優(yōu)點，這種結(jié)構(gòu)的VCSEL被很快運用到了光通信中。

由于高的工作電流可以帶來更好的調(diào)制特性，但同時也會相應(yīng)的增加功耗，進而帶來溫度的上升，會對可靠性帶來影響。調(diào)制速率與功耗成了VCSEL在光傳輸領(lǐng)域中重要的挑戰(zhàn)。2007年，Y-C.Chang等人采取增加深氧化層層數(shù)到5層以及增加p型摻雜濃度來降低串聯(lián)阻抗的方式，在0.9mA電流下實現(xiàn)的15GHz調(diào)制帶寬，相應(yīng)的功耗只有1.2mW，帶寬/功耗比只有12.5GHz/mW,是當時最先進水平。VCSEL截面結(jié)構(gòu)如圖所示：

深氧化層氧化物限制型VCSEL

利用相同的VCSEL結(jié)構(gòu)，同年，Y-C.Chang等人又實現(xiàn)了35Gbps的無誤碼傳輸。

2011年，Petter Westbergh等人研究了850nm氧化物限制型VCSEL光子壽命與諧振頻率及調(diào)制速率的關(guān)系，并指出在高諧振頻率以及低阻尼震蕩中取得一個折衷來提高速率：當光子壽命接近3ps時，可以使VCSEL的調(diào)制帶寬達到23GHz，同時可以得到40Gb/s的無誤碼傳輸。

近年來，各個興趣小組對于高速率、低功耗的VCSEL研究依然興趣不減，圖10是截止到2015年，各機構(gòu)的研究成果。可以看出，如果采用預(yù)加重的方式，目前VCSEL背靠背傳輸可以達到71Gbit/s。

短波長VCSEL光互聯(lián)領(lǐng)域發(fā)展近況

VCSEL在手機AR功能與投影領(lǐng)域的應(yīng)用

AR即增強現(xiàn)實技術(shù)，它是一種將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術(shù)，是把原本在現(xiàn)實世界的一定時間空間范圍內(nèi)很難體驗到的實體信息(視覺信息,聲音,味道,觸覺等),通過電腦等科學(xué)技術(shù)，模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應(yīng)用到真實世界，被人類感官所感知，從而達到超越現(xiàn)實的感官體驗。而AR最核心技術(shù)在于光學(xué)，尤其是激光技術(shù)，無論是手勢識別、三維重構(gòu)還是成像，光學(xué)技術(shù)都是決定性基礎(chǔ)。除了3D攝像模塊，最關(guān)鍵的就是光學(xué)成像模塊。例如微軟公司的HoloLens 配備兩塊光導(dǎo)透明全息透鏡，虛擬內(nèi)容采用 LCoS（硅基液晶）投影技術(shù)，從前方微型投影儀投射至光導(dǎo)透鏡后進入人眼。

Hololens AR眼鏡的LCoS微型投影儀

LCOS（液晶覆硅技術(shù)）是小型化 AR 頭顯的關(guān)鍵技術(shù)之一。三片式的 LCOS 成像系統(tǒng)，首先將投影光源發(fā)出的白色光線，通過分光系統(tǒng)系統(tǒng)分成紅綠藍三原色的光線，然后，每一個原色光線照射到一塊反射式的LCOS芯片上，系統(tǒng)通過控制 LCOS 面板上液晶分子的狀態(tài)來改變該塊芯片每個像素點反射光線的強弱，最后經(jīng)過LCOS反射的光線通過必要的光學(xué)折射匯聚成一束光線，經(jīng)過投影機鏡頭照射到屏幕上，形成彩色的圖像。目前在投影光源上主要有LED和激光兩種方案，由于激光在光束質(zhì)量、亮度、功耗和使用壽命上無可比擬的優(yōu)越性，將是未來的發(fā)展方向。

以色列Lumus的AR眼鏡也采用了微型投影技術(shù)，成像關(guān)鍵部件由微型投影儀、光導(dǎo)元件（LOE）和反射波導(dǎo)組成。植入眼鏡的微型投影儀（例如激光投影）將圖像畫面進行投放，通過光導(dǎo)元件、反射波導(dǎo)形成全反射。

Lumus AR眼鏡也采用了微型投影技術(shù)

綜上，微投成像和3D攝像將是未來AR產(chǎn)業(yè)兩大核心技術(shù)，以VCSEL為代表的半導(dǎo)體激光器件將成為AR光學(xué)技術(shù)的最基礎(chǔ)部件，引領(lǐng)消費電子光學(xué)時代。而隨著投影顯示技術(shù)的發(fā)展，人們對投影系統(tǒng)的亮度、解析度、色彩豐富性的要求將會越來越高，光源作為投影系統(tǒng)的重要部件，其發(fā)光特性將直接決定投影系統(tǒng)質(zhì)量。激光光束色度、照度高度均勻，具有亮度高、單色性好、波長固定等傳統(tǒng)光源無可比擬的優(yōu)勢，未來取代LED成為微型投影模塊、投影儀、投影電視等設(shè)備光源將是大概率事件。

目前，激光顯示技術(shù)主要有三基色純激光、熒光粉+藍光、LED+激光混合光源三種技術(shù)，對比來看，三基色純激光優(yōu)勢較為明顯。三基色激光被業(yè)界視為最正統(tǒng)的激光光源，其具有色域廣、光效高、壽命長、功耗低、一致性好、色溫亮度可調(diào)、穩(wěn)定、安全可靠免維護、應(yīng)用靈活等優(yōu)點。

三基色純激光顯示原理示意圖

技術(shù)進展來看，紅光激光二極管技術(shù)（包括VCSEL紅光陣列）發(fā)展已經(jīng)十分成熟，藍光激光二極管價格尚高，綠光激光二極管則還有待發(fā)展。從已披露專利來看，目前已有“紅光VCSEL陣列+藍光VCSEL陣列+綠色全固體激光器”的解決方案，VCSEL單元用于發(fā)出圓化激光光束，經(jīng)過微透鏡陣列準直化后作為R、B光輸出。此外，采用VCSEL面陣可以減少VCSEL激光器之間的干涉性，弱化激光散斑，從而提高投影顯示質(zhì)量。

VCSEL在激光雷達領(lǐng)域的應(yīng)用

日本汽車電子廠家日本電裝近期公布了對Trilumina公司的戰(zhàn)略投資，該公司主要進行針對雷達設(shè)備的高功率VCSEL陣列開發(fā)，而這些雷達設(shè)備主要面向輔助駕駛和無人駕駛應(yīng)用。在CES2017上，Trilumina 公司展示了自己基于 VCSEL陣列的256像素3D激光雷達解決方案，如若進展順利，公司開發(fā)的光源模塊將高清和遠距離傳感器功能整合進小尺寸、穩(wěn)定且具成本效益的包裝中，可取代目前應(yīng)用于自動駕駛汽車示范項目的大尺寸、高成本掃描激光雷達。

激光雷達感應(yīng)周圍車距、三維重建

VCSEL的迅速發(fā)展和固有優(yōu)點已使其成為光電子應(yīng)用中的關(guān)鍵器件，有強大的生命力。近年來，性能優(yōu)異的VCSEL不斷被研發(fā)，主要涉及其低閾值電流，高輸出功率，高電光轉(zhuǎn)換效率，低工作電壓，高調(diào)制帶寬和高產(chǎn)額。相信隨著VCSEL的不斷發(fā)展，它將會獲得越來越多的潛在應(yīng)用。