用于3D攝像頭的VCSEL技術(shù)

傳統的光電轉換技術(shù)一般采用 LED 等發(fā)光器件。這種發(fā)光器件多采用邊緣****，體積大，因此比較難以和半導體技術(shù)結合。20 世紀 90 年代垂直腔表面****激光 VCSEL 技術(shù)成熟后，解決了發(fā)光器件和半導體技術(shù)結合的問(wèn)題，因此迅速得到普及。

晶圓光學(xué)鏡片中間的兩面****垂直腔面****體激光器（VCSEL）

近年來(lái)，智能手機領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)更新迭代十分迅速，由于人們的日常需求逐漸提高，手機的拍照，感應，識別等功能尤其受到關(guān)注，故手機攝像頭用量提升的趨勢仍處于加速態(tài)勢，特別是3D攝像頭等新創(chuàng )新的使用也將為手機攝像頭領(lǐng)域提供增益，尤其以VCSEL激光器為核心關(guān)鍵元器件的3D Sensing攝像頭在手機上的應用，帶動(dòng)相關(guān)市場(chǎng)迎來(lái)一輪爆發(fā)。

3D Sensing攝像頭

3D Sensing攝像頭相比于傳統攝像頭除了能夠獲取平面圖像以外，還可以獲得拍攝對象的深度信息，即三維的位置及尺寸信息，其通常由多個(gè)攝像頭+深度傳感器組成。3D 攝像頭實(shí)現實(shí)時(shí)三維信息采集，為消費電子終端加上了物體感知功能，從而引入多個(gè)“痛點(diǎn)型應用場(chǎng)景”，包括人機交互、人臉識別、三維建模、安防和輔助駕駛等多個(gè)領(lǐng)域，3D Sensing攝像頭讓交互方式從平面變成了立體。而3D Sensing攝像頭產(chǎn)業(yè)鏈與傳統攝像頭產(chǎn)業(yè)鏈相比主要新增加紅外光源+光學(xué)組件+紅外傳感器等部分，其中最關(guān)鍵的部分就是紅外光源。

因特爾公司研發(fā)的RealSense 3D攝像頭架構

目前，可以提供800-1000nm波段的近紅外光源主要有三種：紅外LED、紅外LD-EEL（邊****激光二極管）和VCSEL（垂直腔面****激光器）。早期3D傳感系統一般都使用LED作為紅外光源，但是隨著(zhù)VCSEL技術(shù)的成熟，性?xún)r(jià)比已經(jīng)接近紅外LED，除此之外，在技術(shù)方面，由于LED不具有諧振腔，導致光束更加發(fā)散，在耦合性方面很差，而VCSEL在精確度、小型化、低功耗、可靠性全方面占優(yōu)的情況下，現在常見(jiàn)的3D攝像頭系統一般都采用VCSEL作為紅外光源。而與傳統邊****激光器相比，VCSEL 在光束質(zhì)量、與光纖耦合效率、腔面反射率上都具有較大優(yōu)勢，且因為VCSEL****光線(xiàn)垂直于襯底而邊****激光器****光線(xiàn)平行于襯底，因此 VCSEL 能夠實(shí)現二維陣列而邊****激光器不行。

VCSEL技術(shù)

垂直腔面****激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，簡(jiǎn)稱(chēng)VCSEL，又譯垂直共振腔面射型雷射）是一種半導體，其激光垂直于頂面射出，與一般用切開(kāi)的獨立芯片制成，激光由邊緣射出的邊射型激光有所不同。

VCSEL是很有發(fā)展前景的新型光電器件，也是光通信中革命性的光****件。顧名思義，邊****激光器是沿平行于襯底表面、垂直于解理面的方向出射，而面****激光器其出光方向垂直于襯底表面，如下圖：

邊****激光器（a）與面****激光器(b)示意圖

它優(yōu)于邊****激光器的表現在于：易于實(shí)現二維平面和光電集成；圓形光束易于實(shí)現與光纖的有效耦合；可以實(shí)現高速調制，能夠應用于長(cháng)距離、高速率的光纖通信系統；有源區尺寸極小，可實(shí)現高封裝密度和低閾值電流；芯片生長(cháng)后無(wú)須解理，封裝后即可進(jìn)行在片實(shí)驗；在很寬的溫度和電流范圍內都以單縱模工作；價(jià)格低。

VCSEL的優(yōu)異性能已引起廣泛關(guān)注，成為國際上研究的熱點(diǎn)。這十多年來(lái)，VCSEL在結構、材料、波長(cháng)和應用領(lǐng)域都得到飛速發(fā)展，部分產(chǎn)品已進(jìn)入市場(chǎng)。

VCSEL 基本結構

VCSEL 的結構示意圖如下圖所示。它是在由高、低折射率介質(zhì)材料交替生長(cháng)成的分布布喇格反射器（DBR）之間連續生長(cháng)單個(gè)或多個(gè)量子阱有源區所構成。典型的量子阱數目為 3~5 個(gè)，它們被置于駐波場(chǎng)的最大處附近，以便獲得最大的受激輻射效率而進(jìn)入振蕩場(chǎng)。在底部還鍍有金屬層以加強下面 DBR 的光反饋作用，激光束從頂部透明窗口輸出。

實(shí)際上，要完成低閾值電流工作，和一般的條型半導體激光器一樣，必須使用很強的電流收斂結構，同時(shí)進(jìn)行光約束和截流子約束。由上圖可見(jiàn)， VCSEL 的半導體多層模反射鏡 DBR 是由 GaAs/AlAs 構成的，經(jīng)蝕刻使之成為 air-post（臺面）結構。在高溫水蒸汽中將 AlAs 層氧化，變?yōu)橛薪^緣性的 AlxOy 層，其折射率也大大降低，因而成為把光、載流子限制在垂直方向的結構。對 VCSEL 的設計集中在高反射率、低損耗的 DBR 和有源區在腔內的位置。

VCSEL激光器的特點(diǎn)

由于VCSEL與邊****激光器有著(zhù)不同的結構，這就決定了兩者之間有不同的特點(diǎn)和性能，下表中列出了兩種激光器的基本參數。 

從表中我們可以看出，VCSEL有源區的體積小、腔短，這就決定了它容易實(shí)現單縱模、低閾值(亞毫安級)電流工作，但是為了得到足夠高的增益，其腔鏡的反射率必須達到99%。VCSEL具有較高的弛豫振蕩頻率，從而在高速數據傳輸以及光通信中，預計將有著(zhù)廣泛的應用。VCSEL出光方向與襯底表面垂直，可以實(shí)現很好的橫向光場(chǎng)限制，進(jìn)行整片測試，得到圓形光束，易與制作二維陣列，外延晶片可以在整個(gè)工藝完成前，節約了生產(chǎn)成本。 

VCSEL的優(yōu)點(diǎn)主要有: 

l.出射光束為圓形，發(fā)散角小，很容易與光纖及其他光學(xué)元件耦合且效率高。 

2.可以實(shí)現高速調制，能夠應用于長(cháng)距離、高速率的光纖通信系統。 

3.有源區體積小，容易實(shí)現單縱模、低閾值的工作。 

4.電光轉換效率可大于50%，可期待得到較長(cháng)的器件壽命。5.容易實(shí)現二維陣列，應用于平行光學(xué)邏輯處理系統，實(shí)現高速、大容量數據處理，并可應用于高功率器件。 

6.器件在封裝前就可以對芯片進(jìn)行檢測，進(jìn)行產(chǎn)品篩選，極大降低了產(chǎn)品的成本。 

7.可以應用到層疊式光集成電路上，可采用微機械等技術(shù)。 

VCSEL的發(fā)展史

VCSEL的歷史，也是在諸多學(xué)者機構的努力下，其性能不斷優(yōu)化的歷史，在這幾十年的歷史中，IGA及其帶領(lǐng)的團隊起到了不可磨滅的作用，可以堪稱(chēng)IGA教授為VCSEL之父。

隨著(zhù)VCSEL的諸多優(yōu)點(diǎn)，其應用也越來(lái)越廣泛。并且為了適合這些應用，VCSEL也朝著(zhù)多個(gè)方向在各自發(fā)展，如圖所示，為其主要應用：

不同波長(cháng)VCSEL應用領(lǐng)域

由于目前VCSEL最主要應用在光傳輸方面，基于1979年Soda等人的VCSEL為開(kāi)端，VCSEL的發(fā)展，主要經(jīng)歷了2個(gè)階段：

第一階段：從VCSEL誕生到20世紀末，蠻荒發(fā)展階段。 

在這個(gè)階段，各個(gè)組織機構都提出以及嘗試了各種不同結構類(lèi)型的VCSEL，最終氧化物限制型VCSEL由于其諸多優(yōu)點(diǎn)而勝出。

1994年，Huffaker等人率先采用在臺面結構（Mesa）下本征氧化AlGaAs，生成掩埋高阻層Al氧化物的方式，來(lái)對電流進(jìn)行進(jìn)一步的限制。利用這種結構，閾值電流可以降低到225uA。而這種結構就是目前普遍采用的氧化物限制型（Oxide-confined）結構的原型；

首個(gè)氧化物限制型VCSEL

2013年，Iga對VCSEL的關(guān)鍵指標如閾值電流、調制帶寬與有源區的關(guān)系給出了簡(jiǎn)單的關(guān)系公式。

VCSEL的閾值電流同其他半導體激光器一樣，與有源區體積有如下關(guān)系式：

由公式可以看出，為了降低閾值電流，就需要不斷減小有源區體積。比較當前的VCSEL與條狀激光器的有源區體積，可以發(fā)現，VCSEL的V=0.06um3， 條狀激光器依然在V=60um3， 這就是為什么條狀激光器的閾值電流典型值仍舊在幾十mA的級別，而VCSEL的閾值電流已經(jīng)達到了亞毫安級別。

第二階段：逐漸發(fā)展成熟階段及優(yōu)化階段。

由于氧化物限制型的VCSEL具有低閾值電流等很多優(yōu)點(diǎn)，這種結構的VCSEL被很快運用到了光通信中。

由于高的工作電流可以帶來(lái)更好的調制特性，但同時(shí)也會(huì )相應的增加功耗，進(jìn)而帶來(lái)溫度的上升，會(huì )對可靠性帶來(lái)影響。調制速率與功耗成了VCSEL在光傳輸領(lǐng)域中重要的挑戰。2007年，Y-C.Chang等人采取增加深氧化層層數到5層以及增加p型摻雜濃度來(lái)降低串聯(lián)阻抗的方式，在0.9mA電流下實(shí)現的15GHz調制帶寬，相應的功耗只有1.2mW，帶寬/功耗比只有12.5GHz/mW,是當時(shí)最先進(jìn)水平。VCSEL截面結構如圖所示：

深氧化層氧化物限制型VCSEL

利用相同的VCSEL結構，同年，Y-C.Chang等人又實(shí)現了35Gbps的無(wú)誤碼傳輸。

2011年，Petter Westbergh等人研究了850nm氧化物限制型VCSEL光子壽命與諧振頻率及調制速率的關(guān)系，并指出在高諧振頻率以及低阻尼震蕩中取得一個(gè)折衷來(lái)提高速率：當光子壽命接近3ps時(shí)，可以使VCSEL的調制帶寬達到23GHz，同時(shí)可以得到40Gb/s的無(wú)誤碼傳輸。

近年來(lái)，各個(gè)興趣小組對于高速率、低功耗的VCSEL研究依然興趣不減，圖10是截止到2015年，各機構的研究成果?？梢钥闯?，如果采用預加重的方式，目前VCSEL背靠背傳輸可以達到71Gbit/s。

短波長(cháng)VCSEL光互聯(lián)領(lǐng)域發(fā)展近況

VCSEL在手機AR功能與投影領(lǐng)域的應用

AR即增強現實(shí)技術(shù)，它是一種將真實(shí)世界信息和虛擬世界信息“無(wú)縫”集成的新技術(shù)，是把原本在現實(shí)世界的一定時(shí)間空間范圍內很難體驗到的實(shí)體信息(視覺(jué)信息,聲音,味道,觸覺(jué)等),通過(guò)電腦等科學(xué)技術(shù)，模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應用到真實(shí)世界，被人類(lèi)感官所感知，從而達到超越現實(shí)的感官體驗。而AR最核心技術(shù)在于光學(xué)，尤其是激光技術(shù)，無(wú)論是手勢識別、三維重構還是成像，光學(xué)技術(shù)都是決定性基礎。除了3D攝像模塊，最關(guān)鍵的就是光學(xué)成像模塊。例如微軟公司的HoloLens 配備兩塊光導透明全息透鏡，虛擬內容采用 LCoS（硅基液晶）投影技術(shù)，從前方微型投影儀投射至光導透鏡后進(jìn)入人眼。

  Hololens AR眼鏡的LCoS微型投影儀

LCOS（液晶覆硅技術(shù)）是小型化 AR 頭顯的關(guān)鍵技術(shù)之一。三片式的 LCOS 成像系統，首先將投影光源發(fā)出的白色光線(xiàn)，通過(guò)分光系統系統分成紅綠藍三原色的光線(xiàn)，然后，每一個(gè)原色光線(xiàn)照射到一塊反射式的LCOS芯片上，系統通過(guò)控制 LCOS 面板上液晶分子的狀態(tài)來(lái)改變該塊芯片每個(gè)像素點(diǎn)反射光線(xiàn)的強弱，最后經(jīng)過(guò)LCOS反射的光線(xiàn)通過(guò)必要的光學(xué)折射匯聚成一束光線(xiàn)，經(jīng)過(guò)投影機鏡頭照射到屏幕上，形成彩色的圖像。目前在投影光源上主要有LED和激光兩種方案，由于激光在光束質(zhì)量、亮度、功耗和使用壽命上無(wú)可比擬的優(yōu)越性，將是未來(lái)的發(fā)展方向。

以色列Lumus的AR眼鏡也采用了微型投影技術(shù)，成像關(guān)鍵部件由微型投影儀、光導元件（LOE）和反射波導組成。植入眼鏡的微型投影儀（例如激光投影）將圖像畫(huà)面進(jìn)行投放，通過(guò)光導元件、反射波導形成全反射。

Lumus AR眼鏡也采用了微型投影技術(shù)

綜上，微投成像和3D攝像將是未來(lái)AR產(chǎn)業(yè)兩大核心技術(shù)，以VCSEL為代表的半導體激光器件將成為AR光學(xué)技術(shù)的最基礎部件，引領(lǐng)消費電子光學(xué)時(shí)代。而隨著(zhù)投影顯示技術(shù)的發(fā)展，人們對投影系統的亮度、解析度、色彩豐富性的要求將會(huì )越來(lái)越高，光源作為投影系統的重要部件，其發(fā)光特性將直接決定投影系統質(zhì)量。激光光束色度、照度高度均勻，具有亮度高、單色性好、波長(cháng)固定等傳統光源無(wú)可比擬的優(yōu)勢，未來(lái)取代LED成為微型投影模塊、投影儀、投影電視等設備光源將是大概率事件。

目前，激光顯示技術(shù)主要有三基色純激光、熒光粉+藍光、LED+激光混合光源三種技術(shù)，對比來(lái)看，三基色純激光優(yōu)勢較為明顯。三基色激光被業(yè)界視為最正統的激光光源，其具有色域廣、光效高、壽命長(cháng)、功耗低、一致性好、色溫亮度可調、穩定、安全可靠免維護、應用靈活等優(yōu)點(diǎn)。

三基色純激光顯示原理示意圖

技術(shù)進(jìn)展來(lái)看，紅光激光二極管技術(shù)（包括VCSEL紅光陣列）發(fā)展已經(jīng)十分成熟，藍光激光二極管價(jià)格尚高，綠光激光二極管則還有待發(fā)展。從已披露專(zhuān)利來(lái)看，目前已有“紅光VCSEL陣列+藍光VCSEL陣列+綠色全固體激光器”的解決方案，VCSEL單元用于發(fā)出圓化激光光束，經(jīng)過(guò)微透鏡陣列準直化后作為R、B光輸出。此外，采用VCSEL面陣可以減少VCSEL激光器之間的干涉性，弱化激光散斑，從而提高投影顯示質(zhì)量。

VCSEL在激光雷達領(lǐng)域的應用

日本汽車(chē)電子廠(chǎng)家日本電裝近期公布了對Trilumina公司的戰略投資，該公司主要進(jìn)行針對雷達設備的高功率VCSEL陣列開(kāi)發(fā)，而這些雷達設備主要面向輔助駕駛和無(wú)人駕駛應用。在CES2017上，Trilumina 公司展示了自己基于 VCSEL陣列的256像素3D激光雷達解決方案，如若進(jìn)展順利，公司開(kāi)發(fā)的光源模塊將高清和遠距離傳感器功能整合進(jìn)小尺寸、穩定且具成本效益的包裝中，可取代目前應用于自動(dòng)駕駛汽車(chē)示范項目的大尺寸、高成本掃描激光雷達。 

 激光雷達感應周?chē)?chē)距、三維重建

VCSEL的迅速發(fā)展和固有優(yōu)點(diǎn)已使其成為光電子應用中的關(guān)鍵器件，有強大的生命力。近年來(lái)，性能優(yōu)異的VCSEL不斷被研發(fā)，主要涉及其低閾值電流，高輸出功率，高電光轉換效率，低工作電壓，高調制帶寬和高產(chǎn)額。相信隨著(zhù)VCSEL的不斷發(fā)展，它將會(huì )獲得越來(lái)越多的潛在應用。