头部企业引领技术

多结技术代表了VCSEL行业的下一个飞跃。多结VCSEL为用户提供了许多明显的好处,其背面发射配置比传统产品有优势,消除导线键合将提高VCSEL性能,并允许使用微透镜来实现更紧凑的封装。

Lumentum多结VCSEL阵列

Lumentum称,其多结VCSEL阵列在低占空比(小于1%)下用短纳秒脉冲驱动,可以达到数百瓦峰值功率,非常适合短、中、长距离激光雷达系统。VCSEL芯片中的多结减少了为每个电子发射多个光子所需的驱动电流,很容易实现每安培4W以上的光功率。其发射器布置紧凑,不仅高功率,而且是高功率密度。

多结VCSEL阵列中一个发射器示意图

Lumentum已经证明,在125℃及0．1%占空比下,每平方毫米片芯面积可超过1kW。

对于短距离,VCSEL芯片可与扩散器配对,以照亮宽视野。在这种情况下,更高的功率密度减少了所需芯片面积。对于较长距离,较小面积的较高功率简化了激光雷达光学设计,因此可以将更多功率准直到较低的发散光束中来扫描场景。

对于激光雷达而言,VCSEL比多结边缘发射激光器更具优势,因为其随温度变化的波长范围较窄,且可以形成可寻址条纹阵列,甚至可以形成矩阵可寻址格式。可寻址性有助于用更坚固的全电子激光雷达扫描取代机械式扫描激光雷达。

Lumentum首席执行官Alan Lowe认为:“明年汽车激光雷达对激光器及光子元件的需求将稳步增长。自动驾驶汽车和运载车辆对激光雷达和3D传感功能的需求为我们提供了巨大的长期市场机遇。我们与广泛的客户紧密接触,包括自动驾驶汽车、运载车辆制造商、主要Tier 1汽车供应商和激光雷达解决方案提供商。在近期,也许(自动)运载车辆可能会最早用上我们的产品。”

2021年3月,Lumentum推出高功率五结和六结VCSEL阵列,用于汽车激光雷达和其他3D传感应用。尺寸为1平方毫米的VCSEL阵列中,单个VCSEL发射器的光功率超过2W,整个阵列的峰值功率超过800W。这些新型多结VCSEL阵列拥有更低的功耗、较高的斜率效能,以及较高的峰值光功率,对于扩展其在高性能全固态中、远程激光雷达中的应用十分重要。多结VCSEL阵列的发射波长为940nm和905nm,与目前用于消费电子市场的量产VCSEL阵列产品采用相同的生产线。

Lumentum正在扩大其广泛的产品组合,以利用这一市场领先的多结技术所带来的高峰值功率和功率密度。除了用于消费电子市场和车内汽车应用的多结VCSEL解决方案外,Lumentum正在开发一系列用于各种3D传感应用的高功率器件,包括用于汽车、消费和工业市场的激光雷达系统。

车内应用940nm VCSEL阵列

Lumentum称,25年来已交付海底通信用半导体激光器1．5万颗,5年交付消费电子用二极管激光器10亿颗,现场故障均为0。目前,工业应用出货量为5万颗/年,消费电子产品2．5亿颗/年,电信50万颗/年。

罗姆(ROHM)也在开发100W大功率VCSEL。以往作为ToF光源的VCSEL和用来驱动光源的MOSFET在电路板上是独立贴装的,器件之间布线长度(寄生电感)会影响光源驱动时间和输出功率,给实现高精度传感所需的短脉冲大功率光源带来了局限性。罗姆的VCSEL模块技术将VCSEL元件和MOSFET集成在1个模块中,尽量缩短元件间布线长度,更大程度地发挥各元件的性能,且不易受阳光的外部干扰,同时实现了短脉冲(10纳秒以内)驱动及高于以往产品约30%的输出功率。

VCSEL模块技术提升输出功率和精度

关于3D传感解决方案测距区,结构光和间接ToF解决方案适用于小于10m的范围;直接飞行时间适用于更长的射程。

结构光:这是第一个用于人脸识别的解决方案,非常适合1米以下的短程飞行。

间接ToF:智能手机正面采用该解决方案进行人脸识别,背面采用该解决方案进行照片增强。

直接飞行时间:这一解决方案最近被苹果公司的iPad用于flash激光雷达。它具有最佳的长距离精度,并将支持新的应用。

3D传感解决方案测距区比较

进一步探索

Veeco首席技术官Ajit Paranjpe说,“随着新应用的兴起,VCSEL技术得到了显著重视和改善。我们终于克服了学习曲线,可以实现大规模生产制造,当我们进入第二个大规模应用——采用VCSEL阵列的激光雷达推进自动驾驶时,VCSEL也将迎来更高功率要求的汽车应用机遇。这类应用需要使用更大的VCSEL阵列。”

Cadence杰出工程师Gilles Lamant提醒说:“VCSEL激光往往接近可见光波段,因此,可能会在提高功率时具有一定的人眼危险性,因为激光雷达需要非常高的功率来获得所需的各种探测范围。”