AR-VCSEL刷新VCSEL小發(fā)散角和單模功率記錄

  2024年2月，縱慧芯光在Nature Communications發(fā)表了一篇文章“Antireflective vertical-cavity surface-emitting laser for LiDAR”，即增透腔面發(fā)射激光器（AR-VCSEL）。該文提出了全新的增透腔概念，顛覆了傳統的面發(fā)射激光器結構，并在實(shí)驗上取得了巨大成功。AR-VCSEL大幅刷新了VCSEL小發(fā)散角，亮度和單模功率的世界記錄，大幅甚至數倍領(lǐng)先國際頂尖廠(chǎng)商性能，克服了傳統VCSEL亮度的不足，為VCSEL在全距離特別是遠距離車(chē)載雷達中的應用掃清了障礙。從2021年開(kāi)發(fā)至今，AR-VCSEL已出貨數百萬(wàn)顆，得到車(chē)載雷達的迅速大規模應用。

  VCSEL的進(jìn)階之路

  影響激光雷達探測距離的主要因素，除了探測器靈敏度，在光學(xué)透鏡大小固定的前提下，發(fā)射端的因素主要來(lái)源于激光器的功率（Power），功率密度（Power density），亮度（Brightness）。

  回顧歷史，第一代商用車(chē)載激光雷達比較自然的采用了當時(shí)比較成熟的1550 fiber laser或者905 EEL等大功率激光器，因為技術(shù)成熟且天然功率高，功率密度大，亮度大。但是他們各自有很難克服的缺點(diǎn)，比如fiber laser體積大，成本貴；EEL溫度穩定性差，光斑是橢圓需要額外整形，可靠性風(fēng)險也較大。這些都成為限制激光雷達性能和成本的瓶頸，在今天同時(shí)卷技術(shù)和價(jià)格的時(shí)代，已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足要求。

  VCSEL在手機等消費電子產(chǎn)品成功大規模應用后，也開(kāi)始挺進(jìn)車(chē)載激光雷達應用。其溫度穩定性好，可靠性冗余高，光斑圓形，成本低等優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)始受到了主流激光雷達廠(chǎng)商的青睞。限制其應用的幾個(gè)缺點(diǎn)則通過(guò)下面幾個(gè)技術(shù)沿革在過(guò)去幾年逐一得到了解決：

  發(fā)光功率：VCSEL可以通過(guò)提升陣列總發(fā)光面積實(shí)現，同時(shí)低Duty cycle（<1%）的納秒級短脈沖TOF驅動(dòng)模式也大幅提高了光脈沖的峰值強度。

  功率密度：多結技術(shù)（Multijunction）可以在不變發(fā)光面積的情況下成比例增加量子效率，即一個(gè)載流子經(jīng)過(guò)器件可以發(fā)出多個(gè)光子，實(shí)現數倍于單結VCSEL的光功率密度。至此，VCSEL基本滿(mǎn)足了中遠距離LiDAR的基本要求，首批應用于量產(chǎn)車(chē)載LiDAR的為5/6結VCSEL，探測距離達到了約150 m。

  Brightness （~ power density / divergence2 ）：發(fā)散角成為突破更遠探測距離的最后瓶頸，傳統VCSEL結構很難做到16°以?xún)?，探測距離無(wú)法顯著(zhù)超過(guò)150 m。

  AR-VCSEL，重塑激光雷達技術(shù)演進(jìn)路線(xiàn)

  VCSEL在消費電子等領(lǐng)域獲得了很大的成功，但是在技術(shù)上依舊有它的局限性，正如上述說(shuō)的技術(shù)方面，傳統VCSEL結構很難做到16°以?xún)?，探測距離無(wú)法顯著(zhù)超過(guò)150 m。在這個(gè)需求背景下，小角度的AR-VCSEL誕生了。

  AR-VCSEL是對VCSEL一維駐波電場(chǎng)基本結構的創(chuàng )新，通過(guò)引入增透區和儲光區，突破了多年來(lái)行業(yè)默認的VCSEL結構，擺脫了傳統長(cháng)腔VCSEL多縱模問(wèn)題的困擾。在不增加諧振腔的總長(cháng)度情況下可以大幅降低了氧化限制因子，確保了單縱模的同時(shí)大幅降低發(fā)散角，可以達到氧化孔的衍射極限。亮度實(shí)現數倍甚至一個(gè)數量級的增加?；贏(yíng)R-VCSEL的激光雷達可以輕松突破300 m探測距離，且仍然有較大上升空間。AR-VCSEL一問(wèn)世就創(chuàng )造了VCSEL領(lǐng)域多項世界紀錄，包括小發(fā)散角（4.1° in FWHM or 8.0° in D86 full angle）、高亮度（> 40 kW·mm-2sr-1）和單橫模光功率（28.4 mW）等，顯著(zhù)提高了VCSEL-based LiDAR的探測距離和分辨率。

  其中，單模的功率從2023年AMS-OSRAM展示的14 mW翻倍到28 mW，同時(shí)邊模抑制比SMSR可達40 dB。

  在氧化孔徑7 μm的emitter上M2光束質(zhì)量也實(shí)現接近1的理想光束。這對某些結構光的應用也可能會(huì )有顯著(zhù)性能提升。Nature Communications的這篇文章中，還展示了多達幾十種AR-VCSEL和普通VCSEL的設計，從海量的實(shí)驗數據上證明了氧化限制因子和發(fā)散角呈現線(xiàn)性正相關(guān)。AR-VCSEL（圓圈）可以實(shí)現遠小于普通VCSEL（三角）的氧化限制因子，并且可以通過(guò)控制氧化層限制因子控制其D86發(fā)散角在8~20°的任意角度，可以非常便利地針對客戶(hù)的角度需求進(jìn)行定制。

  VCSEL在消費電子產(chǎn)品中數量達到數十億，已成為人類(lèi)歷史上使用最廣泛的激光器，超過(guò)了所有其他激光器類(lèi)型的總使用量。上圖的橫軸是單位面積半導體產(chǎn)生的光功率，而半導體面積是決定成本的關(guān)鍵因素，所以越往右側，成本優(yōu)勢越大?？梢钥吹紸R-VCSEL具有和普通VCSEL同樣的成本優(yōu)勢，遠超其他激光器（數量級的差異），也優(yōu)于EEL。

  和傳統VCSEL相比，AR-VCSEL的亮度得到有幾倍的提升，徹底解決了VCSEL LiDAR探測距離的痛點(diǎn)，在200 m以上遠距離方面性能卓著(zhù)。AR-VCSEL是迄今可以用于激光雷達的性?xún)r(jià)比最高的激光器類(lèi)型，在激光雷達產(chǎn)業(yè)整個(gè)飛速降本且競爭白熱化的今天，相比其他方案有極大的競爭優(yōu)勢，影響了整個(gè)激光雷達產(chǎn)業(yè)未來(lái)的走向。

  除了在LiDAR領(lǐng)域的應用之外，AR-VCSEL中儲光概念和技術(shù)為表面發(fā)射激光器的設計提供了寶貴的工具，包括PCSEL、TCSEL和單模VCSEL等，為其他半導體激光技術(shù)提供了潛在的提升空間。AR-VCSEL作為Vertilite在VCSEL領(lǐng)域的一項開(kāi)創(chuàng )性技術(shù)革新，其在全球主要國家和地區已取得多項專(zhuān)利保護。