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(tǒng)的面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)，并在實(shí)驗(yàn)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(shù)倍領(lǐng)先國(guó)際頂尖廠商性能，克服了傳統(tǒng)VCSEL亮度的不足，為VCSEL在全距離特別是遠(yuǎn)距離車載雷達(dá)中的應(yīng)用掃清了障礙。從2021年開發(fā)至今，AR-VCSEL已出貨數(shù)百萬顆，得到車載雷達(dá)的迅速大規(guī)模應(yīng)用。

  VCSEL的進(jìn)階之路

  影響激光雷達(dá)探測(cè)距離的主要因素，除了探測(cè)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，第一代商用車載激光雷達(dá)比較自然的采用了當(dāng)時(shí)比較成熟的1550 fiber laser或者905 EEL等大功率激光器，因?yàn)榧夹g(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(wěn)定性差，光斑是橢圓需要額外整形，可靠性風(fēng)險(xiǎn)也較大。這些都成為限制激光雷達(dá)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)無法滿足要求。

  VCSEL在手機(jī)等消費(fèi)電子產(chǎn)品成功大規(guī)模應(yīng)用后，也開始挺進(jìn)車載激光雷達(dá)應(yīng)用。其溫度穩(wěn)定性好，可靠性冗余高，光斑圓形，成本低等優(yōu)點(diǎn)，開始受到了主流激光雷達(dá)廠商的青睞。限制其應(yīng)用的幾個(gè)缺點(diǎn)則通過下面幾個(gè)技術(shù)沿革在過去幾年逐一得到了解決：

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

  功率密度：多結(jié)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)過器件可以發(fā)出多個(gè)光子，實(shí)現(xiàn)數(shù)倍于單結(jié)VCSEL的光功率密度。至此，VCSEL基本滿足了中遠(yuǎn)距離LiDAR的基本要求，首批應(yīng)用于量產(chǎn)車載LiDAR的為5/6結(jié)VCSEL，探測(cè)距離達(dá)到了約150 m。

  Brightness （~ power density / divergence2 ）：發(fā)散角成為突破更遠(yuǎn)探測(cè)距離的最后瓶頸，傳統(tǒng)VCSEL結(jié)構(gòu)很難做到16°以內(nèi)，探測(cè)距離無法顯著超過150 m。

  AR-VCSEL，重塑激光雷達(dá)技術(shù)演進(jìn)路線

  VCSEL在消費(fèi)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，正如上述說的技術(shù)方面，傳統(tǒng)VCSEL結(jié)構(gòu)很難做到16°以內(nèi)，探測(cè)距離無法顯著超過150 m。在這個(gè)需求背景下，小角度的AR-VCSEL誕生了。

  AR-VCSEL是對(duì)VCSEL一維駐波電場(chǎng)基本結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，通過引入增透區(qū)和儲(chǔ)光區(qū)，突破了多年來行業(yè)默認(rèn)的VCSEL結(jié)構(gòu)，擺脫了傳統(tǒng)長(zhǎng)腔VCSEL多縱模問題的困擾。在不增加諧振腔的總長(zhǎng)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(dá)到氧化孔的衍射極限。亮度實(shí)現(xiàn)數(shù)倍甚至一個(gè)數(shù)量級(jí)的增加。基于AR-VCSEL的激光雷達(dá)可以輕松突破300 m探測(cè)距離，且仍然有較大上升空間。AR-VCSEL一問世就創(chuàng)造了VCSEL領(lǐng)域多項(xiàng)世界紀(jì)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，顯著提高了VCSEL-based LiDAR的探測(cè)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(dá)40 dB。

  在氧化孔徑7 μm的emitter上M2光束質(zhì)量也實(shí)現(xiàn)接近1的理想光束。這對(duì)某些結(jié)構(gòu)光的應(yīng)用也可能會(huì)有顯著性能提升。Nature Communications的這篇文章中，還展示了多達(dá)幾十種AR-VCSEL和普通VCSEL的設(shè)計(jì)，從海量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上證明了氧化限制因子和發(fā)散角呈現(xiàn)線性正相關(guān)。AR-VCSEL（圓圈）可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)小于普通VCSEL（三角）的氧化限制因子，并且可以通過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(duì)客戶的角度需求進(jìn)行定制。

  VCSEL在消費(fèi)電子產(chǎn)品中數(shù)量達(dá)到數(shù)十億，已成為人類歷史上使用最廣泛的激光器，超過了所有其他激光器類型的總使用量。上圖的橫軸是單位面積半導(dǎo)體產(chǎn)生的光功率，而半導(dǎo)體面積是決定成本的關(guān)鍵因素，所以越往右側(cè)，成本優(yōu)勢(shì)越大。可以看到AR-VCSEL具有和普通VCSEL同樣的成本優(yōu)勢(shì)，遠(yuǎn)超其他激光器（數(shù)量級(jí)的差異），也優(yōu)于EEL。

  和傳統(tǒng)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(cè)距離的痛點(diǎn)，在200 m以上遠(yuǎn)距離方面性能卓著。AR-VCSEL是迄今可以用于激光雷達(dá)的性價(jià)比最高的激光器類型，在激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)整個(gè)飛速降本且競(jìng)爭(zhēng)白熱化的今天，相比其他方案有極大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，影響了整個(gè)激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)未來的走向。

  除了在LiDAR領(lǐng)域的應(yīng)用之外，AR-VCSEL中儲(chǔ)光概念和技術(shù)為表面發(fā)射激光器的設(shè)計(jì)提供了寶貴的工具，包括PCSEL、TCSEL和單模VCSEL等，為其他半導(dǎo)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(xiàng)開創(chuàng)性技術(shù)革新，其在全球主要國(guó)家和地區(qū)已取得多項(xiàng)專利保護(hù)。