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(diǎn)，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(jī)、平板電腦以及機(jī)器人等終端中的人臉識別（Face ID）、紅外照明、飛行時(shí)間（ToF）接近傳感、3D傳感等應(yīng)用的推動(dòng)下，VCSEL芯片及其模組的產(chǎn)量達(dá)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(kuò)展到自動(dòng)駕駛、計(jì)算、虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、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(dá)（LiDAR）系統(tǒng)已經(jīng)在自動(dòng)駕駛汽車上實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

高分辨率激光雷達(dá)光源的性能指標(biāo)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(dá)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(jìn)入激光雷達(dá)應(yīng)用，因?yàn)閱螚lEEL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(diǎn)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(dá)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(jìn)步，VCSEL的功率密度已經(jīng)足夠滿足激光雷達(dá)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(jìn)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(shí)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(dá)來說還是相當(dāng)大的。此外，與單結(jié)VCSEL相比，多結(jié)VCSEL具有多個(gè)用于電流限制的氧化物層，由于橫向光學(xué)局限更強(qiáng)，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(qiáng)度峰值至高于有源層的光場強(qiáng)度峰值。通過增透層調(diào)整駐波光場強(qiáng)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(shí)，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(shí)，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(dú)特的設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)現(xiàn)了28.4 mW的高功率單橫模激光。

面向激光雷達(dá)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(kuò)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(jìn)行多方面對比表明，功率密度是低成本激光雷達(dá)的關(guān)鍵，也是PCSEL最難克服的挑戰(zhàn)。總體而言，AR-VCSEL在滿足激光雷達(dá)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(dá)，AR-VCSEL是最佳解決方案?？v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(dá)。

審核編輯：劉清