用于3D摄像头的VCSEL技术

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传统的光电转换技术一般采用 LED 等待发光器件。这种发光器件多采用边缘发射，体积大，难以与半导体技术相结合。世纪 90垂直腔表面发射激光 VCSEL 发光器件与半导体技术与半导体技术的结合得到了解决，因此迅速普及。

晶圆光学镜片中间两侧垂直腔发射体激光器（VCSEL）

近年来，智能手机领域的相关技术更新迭代非常迅速。由于人们日常需求的逐渐增加，手机的摄影、感应、识别等功能尤其受到关注，手机摄像头消耗的增加趋势仍在加速，特别是3D使用摄像头等新的创新也将为手机摄像头领域提供好处，特别是VCSEL激光器是3个核心关键元件D Sensing手机上摄像头的应用，带动相关市场迎来一轮爆发。

3D Sensing摄像头

3D Sensing与传统摄像头相比，摄像头不仅可以获得平面图像，还可以获得摄像头的深度信息，即三维位置和尺寸信息，通常由多个摄像头组成 由深度传感器组成。3D 摄像头实现实时三维信息采集，为消费电子终端增加物体感知功能，引入人机交互、人脸识别、三维建模、安全、辅助驾驶等多个痛点应用场景D Sensing相机将交互模式从平面变为立体。而3D Sensing与传统摄像头产业链相比，摄像头产业链主要增加红外光源 光学组件 红外光源是红外传感器等最关键的部分。

由特尔公司开发的RealSense 3D摄像头架构

目前可提供800-10000nm主要有三种近红外光源：红外LED、红外LD-EEL(边发射激光二极管)和VCSEL(垂直腔表面发射激光器)。早期3D一般采用传感系统LED作为红外光源，但随之而来VCSEL技术成熟，性价比接近红外LED，另外，在技术方面，因为LED没有谐振腔，光束更发散，耦合性差VCSEL以精度、小型化、低功耗、可靠性为主，现在常见的3D摄像头系统一般采用VCSEL作为红外光源。与传统的边发射激光器相比，VCSEL 由于光束质量、光纤耦合效率、腔反射率等优点，VCSEL发射光垂直于衬底，而发射激光的发射光与衬底平行 VCSEL 能实现二维阵列，边发射激光器不好。

VCSEL技术

激光器发射在垂直腔表面（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，简称VCSEL，垂直共振腔面射性雷射)是一种垂直于顶部表面的半导体，不同于通常由切割的独立芯片制成的边缘激光。

VCSEL它是一种发展前景广阔的新型光电器件，也是光通信中革命性的光发射器件。顾名思义，边发射激光器沿平行于衬底表面和解理表面的方向发射，而面发射激光器的发射方向垂直于衬底表面，如下图所示：

边发射激光器（a）与面发射激光器(b)示意图

它优于边发射激光器：易于实现二维平面和光电集成；圆束易于与光纤有效耦合；可实现高速调制，可应用于长距离、高速光纤通信系统；有源区尺寸小，包装密度高，阈值电流低；芯片生长后无需解决，包装后可进行片试验；单纵向模具在宽温度和电流范围内工作；价格低。

VCSEL其优异的性能引起了广泛的关注，成为国际研究的热点。十多年来，VCSEL在结构、材料、波长和应用领域发展迅速，部分产品已进入市场。

VCSEL基本结构

VCSEL 如下图所示。它是一种分布式喇叭反射器，由高低折射率介质材料交替生长（DBR）由单个或多个量子陷阱有源区组成的连续生长。典型的量子陷阱数为 3~5 个，它们被置于驻波场的最大处附近，以便获得最大的受激辐射效率而进入振荡场。底部镀金属层加强下部 DBR 激光束从顶部透明窗口输出。

事实上，要完成低阈值电流工作，就像一般的条形半导体激光器一样，必须采用强电流收敛结构，同时进行光约束和截流子约束。从上图可以看出， VCSEL 半导体多层模反射镜 DBR 是由 GaAs/AlAs 它是由蚀刻组成的 air-post(台面)结构。在高温水蒸气中 AlAs 层氧化，变为有绝缘性的 AlxOy 层的折射率也大大降低，从而成为将光和载流子限制在垂直方向的结构。对 VCSEL 设计集中在高反射率、低损失 DBR 腔内有源区的位置。

VCSEL激光器的特点

由于VCSEL与边缘发射激光器有不同的结构，这决定了两者之间有不同的特性和性能下表列出了两种激光器的基本参数。

从表中可以看出，VCSEL有源区的体积小、腔短，这就决定了它容易实现单纵模、低阈值(亚毫安级)电流工作，但是为了得到足够高的增益，其腔镜的反射率必须达到99%。VCSEL它具有较高的放松振荡频率，预计将广泛应用于高速数据传输和光通信。VCSEL出光方向垂直于衬底表面，可实现良好的横向光场限制，进行整体试验，得到圆光束，易于制作二维阵列，延伸晶片可节省整个过程完成前的生产成本。

VCSEL的优点主要有:

l.发射光束为圆形，发散角小，易与光纤等光学元件耦合，效率高。

2.可实现高速调制，可应用于长距离、高速光纤通信系统。

3.有源区体积小，单纵模、低阈值工作容易实现。

4.电光转换效率可大于50%，可预期设备寿命长。5.易于实现二维阵列，应用于平行光学逻辑处理系统、高速大容量数据处理和高功率设备。

6.芯片可在包装前进行检测和筛选，大大降低了产品成本。

7.可应用于层叠光集成电路，可采用微机械等技术。

VCSEL的发展史

VCSEL在许多学者的努力下，历史也是其性能不断优化的历史，在这几十年的历史中，IGA其领导团队发挥了不可磨灭的作用，可以称之为IGA教授为VCSEL之父。

随着VCSEL它的应用越来越广泛。并且为了适合这些应用，VCSEL它也朝着多个方向发展，如图所示，作为它的主要应用：

不同波长VCSEL应用领域

由于目前VCSEL基于1979年，主要用于光传输Soda等人的VCSEL为开端，VCSEL主要经历了两个阶段：

第一阶段：从VCSEL蛮荒发展阶段诞生于20世纪末。

现阶段，各组织机构提出并尝试了各种结构类型VCSEL，最终氧化物限制型VCSEL因其诸多优点而获胜。

1994年，Huffaker等人率先采用台面结构（Mesa）下本征氧化AlGaAs，产生掩埋高阻层Al氧化物进一步限制了电流。阈值电流可降低到225uA。这种结构是目前常用的氧化物限制型（Oxide-confined）结构原型；

第一个氧化物限制型VCSEL

2013年，Iga对VCSEL阈值电流、调制带宽、有源区等关键指标给出了简单的关系公式。

VCSEL与其他半导体激光器一样，阈值电流与有源区体积有以下关系：

从公式可以看出，为了降低阈值电流，有源区体积需要不断减小。与目前的情况相比VCSEL可以发现条状激光器的有源区体积，VCSEL的V=0.06um3， 条状激光器还在V=60um3， 这就是为什么条状激光器的阈值电流仍然是几十个典型值mA的级别，而VCSEL阈值电流已达到亚毫安级。

第二阶段：逐步发展成熟阶段和优化阶段。

由于氧化物的限制VCSEL这种结构具有许多优点，如低阈值电流VCSEL在光通信中应用很快。

由于高工作电流可以带来更好的调制特性，但也会相应增加功耗，从而提高温度，影响可靠性。调制速率和功耗已成VCSEL在光传输领域的重要挑战。2007年，Y-C.Chang将深氧化层层数增加到5层，增加p型掺杂浓度，以减少串联阻抗.9mA在电流下实现的15GHz调制带宽，相应功耗只有1.2mW，带宽/功耗比仅为12.5GHz/mW,是当时最先进的平。VCSEL截面结构如图所示：

深氧化层氧化物限制型VCSEL

利用相同的VCSEL结构，同年，Y-C.Chang等人又实现了35Gbps的无误码传输。

2011年，Petter Westbergh等人研究了850nm氧化物限制型VCSEL光子寿命与谐振频率及调制速率的关系，并指出在高谐振频率以及低阻尼震荡中取得一个折衷来提高速率：当光子寿命接近3ps时，可以使VCSEL的调制带宽达到23GHz，同时可以得到40Gb/s的无误码传输。

近年来，各个兴趣小组对于高速率、低功耗的VCSEL研究依然兴趣不减，图10是截止到2015年，各机构的研究成果。可以看出，如果采用预加重的方式，目前VCSEL背靠背传输可以达到71Gbit/s。

短波长VCSEL光互联领域发展近况

VCSEL在手机AR功能与投影领域的应用

AR即增强现实技术，它是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息(视觉信息,声音,味道,触觉等),通过电脑等科学技术，模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。而AR最核心技术在于光学，尤其是激光技术，无论是手势识别、三维重构还是成像，光学技术都是决定性基础。除了3D摄像模块，最关键的就是光学成像模块。例如微软公司的HoloLens 配备两块光导透明全息透镜，虚拟内容采用 LCoS（硅基液晶）投影技术，从前方微型投影仪投射至光导透镜后进入人眼。

  Hololens AR眼镜的LCoS微型投影仪

LCOS（液晶覆硅技术）是小型化 AR 头显的关键技术之一。三片式的 LCOS 成像系统，首先将投影光源发出的白色光线，通过分光系统系统分成红绿蓝三原色的光线，然后，每一个原色光线照射到一块反射式的LCOS芯片上，系统通过控制 LCOS 面板上液晶分子的状态来改变该块芯片每个像素点反射光线的强弱，最后经过LCOS反射的光线通过必要的光学折射汇聚成一束光线，经过投影机镜头照射到屏幕上，形成彩色的图像。目前在投影光源上主要有LED和激光两种方案，由于激光在光束质量、亮度、功耗和使用寿命上无可比拟的优越性，将是未来的发展方向。

以色列Lumus的AR眼镜也采用了微型投影技术，成像关键部件由微型投影仪、光导元件（LOE）和反射波导组成。植入眼镜的微型投影仪（例如激光投影）将图像画面进行投放，通过光导元件、反射波导形成全反射。

Lumus AR眼镜也采用了微型投影技术

综上，微投成像和3D摄像将是未来AR产业两大核心技术，以VCSEL为代表的半导体激光器件将成为AR光学技术的最基础部件，引领消费电子光学时代。而随着投影显示技术的发展，人们对投影系统的亮度、解析度、色彩丰富性的要求将会越来越高，光源作为投影系统的重要部件，其发光特性将直接决定投影系统质量。激光光束色度、照度高度均匀，具有亮度高、单色性好、波长固定等传统光源无可比拟的优势，未来取代LED成为微型投影模块、投影仪、投影电视等设备光源将是大概率事件。

目前，激光显示技术主要有三基色纯激光、荧光粉+蓝光、LED+激光混合光源三种技术，对比来看，三基色纯激光优势较为明显。三基色激光被业界视为最正统的激光光源，其具有色域广、光效高、寿命长、功耗低、一致性好、色温亮度可调、稳定、安全可靠免维护、应用灵活等优点。

三基色纯激光显示原理示意图

技术进展来看，红光激光二极管技术（包括VCSEL红光阵列）发展已经十分成熟，蓝光激光二极管价格尚高，绿光激光二极管则还有待发展。从已披露专利来看，目前已有“红光VCSEL阵列+蓝光VCSEL阵列+绿色全固体激光器”的解决方案，VCSEL单元用于发出圆化激光光束，经过微透镜阵列准直化后作为R、B光输出。此外，采用VCSEL面阵可以减少VCSEL激光器之间的干涉性，弱化激光散斑，从而提高投影显示质量。

VCSEL在激光雷达领域的应用

日本汽车电子厂家日本电装近期公布了对Trilumina公司的战略投资，该公司主要进行针对雷达设备的高功率VCSEL阵列开发，而这些雷达设备主要面向辅助驾驶和无人驾驶应用。在CES2017上，Trilumina 公司展示了自己基于 VCSEL阵列的256像素3D激光雷达解决方案，如若进展顺利，公司开发的光源模块将高清和远距离传感器功能整合进小尺寸、稳定且具成本效益的包装中，可取代目前应用于自动驾驶汽车示范项目的大尺寸、高成本扫描激光雷达。 

 激光雷达感应周围车距、三维重建

VCSEL的迅速发展和固有优点已使其成为光电子应用中的关键器件，有强大的生命力。近年来，性能优异的VCSEL不断被研发，主要涉及其低阈值电流，高输出功率，高电光转换效率，低工作电压，高调制带宽和高产额。相信随着VCSEL的不断发展，它将会获得越来越多的潜在应用。

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