纵慧芯光研发小发散角AR-VCSEL有望变革汽车激光雷达

过去三十年来，垂直腔面发射激光器（VCSEL）凭借其结构紧凑、响应速度快以及能量转换效率高等特点，已成为高速数据通信和传感应用的主要光源。特别是最近几年，在智能手机、平板电脑以及机器人等终端中的人脸识别（Face ID）、红外照明、飞行时间（ToF）接近传感、3D传感等应用的推动下，VCSEL芯片及其模组的产量达到了前所未有的数十亿颗量级。随着量产供应链的成熟，VCSEL的大规模应用正扩展到自动驾驶、计算、虚拟现实/增强现实、工业快速加热、医美等领域。其中，配备VCSEL阵列固态光源的激光雷达（LiDAR）系统已经在自动驾驶汽车上实现商业化。

高分辨率激光雷达光源的性能指标有很多，例如功率、功率密度、发散角、光束质量、光束参数乘积、光谱宽度、亮度、光谱亮度、波长、温度稳定性、脉冲宽度、能量转换效率、开关速度以及模块尺寸等。

对于商用激光雷达最合适的半导体激光源，边发射激光器（EEL）和VCSEL之间的竞争一直存在。EEL相比VCSEL更早进入激光雷达应用，因为单条EEL通常比单发射极VCSEL提供更高的功率。但最近，业界开始倾向于使用VCSEL。与大功率法布里-珀罗（FP）EEL相比，VCSEL具有更窄的光谱宽度（< 2 nm），波长随温度变化的稳定性更好（0.06~0.07 nm/℃）。此外，VCSEL可以产生圆形对称的优质光束，而EEL的光束轮廓为椭圆形。最后，VCSEL固有的二维阵列可制造性，使其在2D点云生成和芯片级光学集成方面具有EEL无法比拟的优势，而且无需复杂的封装。因此，许多激光雷达制造商正在采用VCSEL阵列作为其光源。

随着VCSEL技术的发展进步，VCSEL的功率密度已经足够满足激光雷达的需求，现在迫切需要降低其光束发散角以获得更高的亮度。降低VCSEL光束发散角通常的手段是加长腔长，使得VCSEL发光孔内外的有效折射率差异降低，进而抑制高阶模式的产生。高阶模式的光束具有更大的发散角，因此，将高阶模式的光束抑制之后，剩下的低阶模式光束可以实现更小的发散角。

因此，压缩光束发散角通常伴随着较少的高阶模态和较窄的光谱宽度，因此其对光谱亮度的影响会加倍。氧化物基VCSEL的典型D86发散全角通常约为20°~30°，这对于大多数中长距离（> 100 m）扫描激光雷达来说还是相当大的。此外，与单结VCSEL相比，多结VCSEL具有多个用于电流限制的氧化物层，由于横向光学局限更强，因此发散角可能更大。

6结AR-VCSEL

据麦姆斯咨询介绍，常州纵慧芯光半导体科技有限公司（以下简称“纵慧芯光”）近期在Nature Communications期刊上发表了一篇题为“Antireflective vertical-cavity surface-emitting laser for LiDAR”的研究文章。为了解决上述难题，研究人员首先对多结氧化物VCSEL应用加长的腔长，以压缩VCSEL光束发散角，然而，这也引入了新的问题，即多纵模的挑战。

为此，研究人员通过引入增透储光层来解决这一难题，开发出创新的增透垂直腔面发射激光器（AR-VCSEL）。其中，储光层用于储存驻波光场能量；储光层与有源层之间设置有具有增透界面的增透层，增透层用于增大储光层的光场强度峰值至高于有源层的光场强度峰值。通过增透层调整驻波光场强度分布，降低了电流限制层的光限制因子，区别于传统单纯加长腔长减小发散角的方法，在有效降低发散角的同时，使得腔长的增加相对较少，从而避免加长腔长导致的多纵模问题。从而在极大降低发散角的同时，还可以保持单纵模激射，避免多波长输出。

相比传统加长腔长VCSEL，AR-VCSEL展现了更优越的性能

单横模AR-VCSEL演示

这种独特的设计只需重建外延层，既不需要复杂的器件结构，也不需要额外的制造步骤。利用标准的低成本VCSEL工艺，纵慧芯光在直径为250 μm的6结AR-VCSEL阵列上实现了8.0°（D86）或4.1°（FWHM）的超小发散全角，超过40 kW mm⁻² sr⁻¹的亮度，以及75.6 kW nm⁻¹ mm⁻² sr⁻¹的光谱亮度。通过应用更紧凑的100 μm方形阵列，研究人员在实验中将AR-VCSEL的亮度提高到了100 kW mm⁻² sr⁻¹以上，光谱亮度超过180 kW nm⁻¹ mm⁻² sr⁻¹。通过增加结的数量，利用直径为250 μm的14结AR-VCSEL阵列实现了5000 W/mm²功率密度。通过改变氧化孔径尺寸，研究人员在直径为7 μm的6结AR-VCSEL单发射器中实现了28.4 mW的高功率单横模激光。

面向激光雷达应用，AR-VCSEL和其它类型半导体激光器的最大亮度及功率密度对比

这种AR-VCSEL还具有可扩展的高输出功率、近乎圆形对称的光束以及滤光片匹配的温度波长偏移，与竞争型EEL相比，AR-VCSEL展现了更多优势。另外，通过将AR-VCSEL与光子晶体面发射激光器（PCSEL）进行多方面对比表明，功率密度是低成本激光雷达的关键，也是PCSEL最难克服的挑战。总体而言，AR-VCSEL在满足激光雷达各种要求方面表现出了均衡的性能。特别是对于需要16°（D86）及以下发散角的高功率、低成本扫描激光雷达，AR-VCSEL是最佳解决方案。纵慧芯光的一款16°AR-VCSEL产品已经通过AEC-Q102可靠性测试，目前已量产用于高性能汽车激光雷达。

审核编辑：刘清