VCSEL：从电信应用迈向元宇宙-电子发烧友网

最新一代VCSEL芯片，已经从最初的用于电信和数据通信领域，发展到用于高级3D传感应用，如人脸识别、汽车激光雷达和元宇宙。

如果我们能够对一项关键技术表示敬意，这项技术实现了当今几乎恒定的虚拟连接，那么小型激光源将在候选名单中名列前茅。特别值得一提的是，垂直腔面发射激光器（VCSEL，1987年发明的一个术语）这种小型激光器，经过几十年的发展，已经能使人们实现高速网络连接。今天，VCSEL的应用已经远远超出了电信领域。

1977年，贝尔实验室的研究员Kinichi Iga首次设想了一种微型单片半导体激光二极管，以此作为光纤传输中边缘发射激光器的低成本替代品。二极管的发射垂直于薄膜表面，并且可以通过大的晶圆实现廉价的批量制造。Iga 1980年的原型，使用了一个刻蚀在磷化镓铟砷化物（GaI nAsP）薄膜上的6µm厚的腔，但其光学损耗很高。他坚持不懈地致力于自己的想法；与此同时，其他研究人员对VCSEL的热情也高涨起来。

直到1996年，霍尼韦尔国际公司才推出了第一款商用的VCSEL，这是一款850nm GaAs质子注入二极管，能在室温下工作，适用于小于300m的光纤链路。850nm的GaAs VCSEL很快成为用于数据通信的光纤网络中，普遍存在的关键元件。VCSEL的快速成功归功于其固有的单片设计，它能实现具有成本效益地批量生产、高可靠性、高光束质量、快速调制带宽，能满足低功率要求以及通过阵列能实现可扩展性。此外，分布式布拉格反射器和微腔设计的结合，实现了低功率密度阈值，这也使VCSEL成为了一种非常节能的光源。

今天，VCSEL的最大应用是移动电话中用于人脸识别的3D传感功能。这需要一些新的进步才能实现该功能。单个VCSEL对于消费类设备来说功率太低，可以通过直接在晶圆上制造VCSEL阵列来提升功率，并通过透镜准直以将功率放大到瓦级水平。，2D VCSEL芯片的大型阵列，最初是在4英寸晶圆上制造的，以满足数据通信器件的应用要求。但是要以具备经济效益的方式满足消费类设备的需求，必须要在6英寸晶圆上集成VCSEL阵列，6英寸是自20世纪90年代以来用于手机制造的晶圆尺寸。通过在每个晶圆上制造更多的VCSEL阵列，VCSEL技术可以充分利用成熟的GaAs 6英寸晶圆制造技术。大约在2015年，6英寸晶圆平台开始为VCSEL阵列生产提供了更高的规模经济性，并便于在晶圆划片前进行批量测试（见图1）。

“6英寸晶圆实现了第一代VCSEL产品，其应用包括眼球跟踪、手势识别和深度传感。当今的技术进步，如多结堆叠、多层金属和背面发射等，又实现了第2代VCSEL产品，它们能用于汽车激光雷达、AR/VR耳机和健康监测等应用。”

多结优势

早期的VCSEL具有单个p-n结，这限制了单个器件的感测范围和输出功率（通常小于10mW）。堆叠多个单结VCSEL实现了多结阵列，从而能获得更高的峰值光功率密度和效率，并简化了驱动器和封装设计。多结设计允许VCSEL实现更远的感测距离，从而能实现更远距离的应用，如用于汽车激光雷达中。同样，多结VCSEL阵列由于更高的输出功率和更复杂的光学集成能力，也能提供更好的短距离3D传感。

多结技术的推出只有短短几年的时间，目前多结VCSEL阵列产品已经在高级消费产品、汽车激光雷达和其他3D传感应用中实现了商业化。2021年10月，宣布了业界首个三结VCSEL阵列，该阵列能够在手机安全中实现飞行时间（ToF）生物特征3D传感。10W泛光照明器采用高性能三结VCSEL阵列，使客户能够选择三种不同的照明视场：60°×45°、72°×58°或更宽的110°×85°，能够以更高的功率和更高的效率捕获更多信息，并且不会失去眼睛安全功能。三结VCSEL阵列还将用于新兴的工业类与消费类人工智能物联网（AIoT）应用。随后研究人员展示了高性能的五结和六结VCSEL阵列，这是业界的首次突破。

可寻址VCSEL阵列

早期的激光雷达系统使用机械光束扫描，其中的旋转激光模块体积庞大，而且对于汽车应用来说过于脆弱。芯片上的多结VCSEL阵列，已经能满足激光雷达所需的感测范围，并且具有鲁棒性、小型化和价格优势，但典型的互连方案不支持能够自适应地照亮各种感兴趣区域（ROI）的3D传感，这一特性称为可寻址能力或智能照明。

智能照明被定义为控制和独立照明阵列的不同行或段的能力，VCSEL驱动的汽车激光雷达需要智能照明，以直接成像场景，控制照明内容，并减少功耗。随着多层金属和驱动电子技术的突破，首款高性能1D和2D可寻址VCSEL阵列，用于汽车、消费和工业激光雷达应用以及3D传感应用。可寻址阵列的发射波长为905nm和940nm，它们为短距离和长距离激光雷达提供了发展潜力。

“芯片上阵列的可寻址能力，可以消除对机械光束扫描的需求，这为自动驾驶汽车和其他新兴的3D传感应用开辟了一个新的可能性，并有助于加速激光雷达应用于更广泛的系统中。

更长的波长

940nm VCSEL阵列自2014年以来已经发展成了一种主力产品，它能很容易地与现有的基于CMOS的GaAs传感器配对。940nm非常适合户外应用，VCSEL的研发正在扩展到更长的波长。

NIR/SWIR光学传感平台，将940nm和1380nm VCSEL阵列与Artilux的基于CMOS制程的GeSi传感器相结合，创建了一个具有紧凑外观和超低功耗要求的一体式模块。未来的TWS耳塞式耳机，能够提供耳朵内部的皮肤侦测从而提供无缝声音，同时保持电池寿命。与其他波长相比，1380nm的SWIR光对眼睛来说更安全，能更深地穿透组织而不会造成损伤。NIR/SWIR组合是汽车激光雷达、活体组织医学成像以及手机和可穿戴设备中的消费类3D传感的理想选择。

10W泛光照明器模块（芯片的中心部分）融入到ToF智能占用感测的参考设计原型中。

“世界正在等待SWIR VCSEL和传感器的成熟，“一旦它们发展成熟，带来的好处将是巨大的。”

研究继续在推进可能的极限。最近中国的研究人员展示了可调谐工作在376~409nm波段的紫外A（UVA）光谱区的VCSEL，其阈值功率密度约为400kW/cm2；与此同时，也报告了蓝光VCSEL成功实现了连续工作1000小时。[4]虽然蓝光和紫外VCSEL的商业实现可能还需要一些时间，然而它们在全色微微投影仪和视网膜扫描等应用中的潜力令人振奋。

除了打破峰值光功率密度和效率的记录外，VCSEL的可靠性也更加值得信赖。在过去的几年中已售出超过10亿个VCSEL阵列，这些产品没有出现过任何故障。随着技术的不断进步，下一代VCSEL无疑将很快在AR/VR设备中得到应用，这是元宇宙（虚拟世界）发展的关键。

“VCSEL的应用是无穷无尽的，“VCSEL的应用始于移动电话，随后拓展到汽车激光雷达和可穿戴式设备，现在我们又在访问控制、机器视觉、占用监控和支付亭等场景看到了应用机会。随着波长的延伸，VCSEL将会进入AR/VR耳机市场和医疗保健市场。每隔几个月，VCSEL就会有新的应用出现。”

未来的电信

虽然未来的元宇宙和物联网应用与最初的电信应用相去甚远，但是VCSEL仍然参与面向未来的电信计划。数据中心和无线运营商正在朝着200G甚至800G的超规模连接发展，其中VCSEL将在降低成本、延迟和功率需求方面发挥重要作用。

芯片组使用模拟技术，在低功率、低延迟解决方案中实现了一系列激光器，包括VCSEL、直接调制激光器和电吸收调制激光器，实现了<500ps的绝对延迟和接近零的延迟变化。集成芯片技术的这种创新，将使我们在未来几十年内能以惊人的速度传输数据。