VCSEL：從電信應用邁向元宇宙

最新一代VCSEL芯片，已經(jīng)從最初的用于電信和數(shù)據(jù)通信領域，發(fā)展到用于高級3D傳感應用，如人臉識別、汽車激光雷達和元宇宙。

如果我們能夠?qū)σ豁楆P鍵技術表示敬意，這項技術實現(xiàn)了當今幾乎恒定的虛擬連接，那么小型激光源將在候選名單中名列前茅。特別值得一提的是，垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL，1987年發(fā)明的一個術語）這種小型激光器，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)能使人們實現(xiàn)高速網(wǎng)絡連接。今天，VCSEL的應用已經(jīng)遠遠超出了電信領域。

1977年，貝爾實驗室的研究員Kinichi Iga首次設想了一種微型單片半導體激光二極管，以此作為光纖傳輸中邊緣發(fā)射激光器的低成本替代品。二極管的發(fā)射垂直于薄膜表面，并且可以通過大的晶圓實現(xiàn)廉價的批量制造。Iga 1980年的原型，使用了一個刻蝕在磷化鎵銦砷化物（GaInAsP）薄膜上的6μm厚的腔，但其光學損耗很高。他堅持不懈地致力于自己的想法；與此同時，其他研究人員對VCSEL的熱情也高漲起來。

直到1996年，霍尼韋爾國際公司才推出了第一款商用的VCSEL，這是一款850nm GaAs質(zhì)子注入二極管，能在室溫下工作，適用于小于300m的光纖鏈路。850nm的GaAs VCSEL很快成為用于數(shù)據(jù)通信的光纖網(wǎng)絡中，普遍存在的關鍵元件。VCSEL的快速成功歸功于其固有的單片設計，它能實現(xiàn)具有成本效益地批量生產(chǎn)、高可靠性、高光束質(zhì)量、快速調(diào)制帶寬，能滿足低功率要求以及通過陣列能實現(xiàn)可擴展性。此外，分布式布拉格反射器和微腔設計的結(jié)合，實現(xiàn)了低功率密度閾值，這也使VCSEL成為了一種非常節(jié)能的光源。

今天，VCSEL的最大應用是移動電話中用于人臉識別的3D傳感功能。這需要一些新的進步才能實現(xiàn)該功能。單個VCSEL對于消費類設備來說功率太低，可以通過直接在晶圓上制造VCSEL陣列來提升功率，并通過透鏡準直以將功率放大到瓦級水平。，2D VCSEL芯片的大型陣列，最初是在4英寸晶圓上制造的，以滿足數(shù)據(jù)通信器件的應用要求。但是要以具備經(jīng)濟效益的方式滿足消費類設備的需求，必須要在6英寸晶圓上集成VCSEL陣列，6英寸是自20世紀90年代以來用于手機制造的晶圓尺寸。通過在每個晶圓上制造更多的VCSEL陣列，VCSEL技術可以充分利用成熟的GaAs 6英寸晶圓制造技術。大約在2015年，6英寸晶圓平臺開始為VCSEL陣列生產(chǎn)提供了更高的規(guī)模經(jīng)濟性，并便于在晶圓劃片前進行批量測試（見圖1）。

“6英寸晶圓實現(xiàn)了第一代VCSEL產(chǎn)品，其應用包括眼球跟蹤、手勢識別和深度傳感。當今的技術進步，如多結(jié)堆疊、多層金屬和背面發(fā)射等，又實現(xiàn)了第2代VCSEL產(chǎn)品，它們能用于汽車激光雷達、AR/VR耳機和健康監(jiān)測等應用?！?/p>

多結(jié)優(yōu)勢

早期的VCSEL具有單個p-n結(jié)，這限制了單個器件的感測范圍和輸出功率（通常小于10mW）。堆疊多個單結(jié)VCSEL實現(xiàn)了多結(jié)陣列，從而能獲得更高的峰值光功率密度和效率，并簡化了驅(qū)動器和封裝設計。多結(jié)設計允許VCSEL實現(xiàn)更遠的感測距離，從而能實現(xiàn)更遠距離的應用，如用于汽車激光雷達中。同樣，多結(jié)VCSEL陣列由于更高的輸出功率和更復雜的光學集成能力，也能提供更好的短距離3D傳感。

多結(jié)技術的推出只有短短幾年的時間，目前多結(jié)VCSEL陣列產(chǎn)品已經(jīng)在高級消費產(chǎn)品、汽車激光雷達和其他3D傳感應用中實現(xiàn)了商業(yè)化。2021年10月，宣布了業(yè)界首個三結(jié)VCSEL陣列，該陣列能夠在手機安全中實現(xiàn)飛行時間（ToF）生物特征3D傳感。10W泛光照明器采用高性能三結(jié)VCSEL陣列，使客戶能夠選擇三種不同的照明視場：60°×45°、72°×58°或更寬的110°×85°，能夠以更高的功率和更高的效率捕獲更多信息，并且不會失去眼睛安全功能。三結(jié)VCSEL陣列還將用于新興的工業(yè)類與消費類人工智能物聯(lián)網(wǎng)（AIoT）應用。隨后研究人員展示了高性能的五結(jié)和六結(jié)VCSEL陣列，這是業(yè)界的首次突破。

可尋址VCSEL陣列

早期的激光雷達系統(tǒng)使用機械光束掃描，其中的旋轉(zhuǎn)激光模塊體積龐大，而且對于汽車應用來說過于脆弱。芯片上的多結(jié)VCSEL陣列，已經(jīng)能滿足激光雷達所需的感測范圍，并且具有魯棒性、小型化和價格優(yōu)勢，但典型的互連方案不支持能夠自適應地照亮各種感興趣區(qū)域（ROI）的3D傳感，這一特性稱為可尋址能力或智能照明。

智能照明被定義為控制和獨立照明陣列的不同行或段的能力，VCSEL驅(qū)動的汽車激光雷達需要智能照明，以直接成像場景，控制照明內(nèi)容，并減少功耗。隨著多層金屬和驅(qū)動電子技術的突破，首款高性能1D和2D可尋址VCSEL陣列，用于汽車、消費和工業(yè)激光雷達應用以及3D傳感應用?？蓪ぶ逢嚵械陌l(fā)射波長為905nm和940nm，它們?yōu)槎叹嚯x和長距離激光雷達提供了發(fā)展?jié)摿Α?/p>

“芯片上陣列的可尋址能力，可以消除對機械光束掃描的需求，這為自動駕駛汽車和其他新興的3D傳感應用開辟了一個新的可能性，并有助于加速激光雷達應用于更廣泛的系統(tǒng)中。

更長的波長

940nm VCSEL陣列自2014年以來已經(jīng)發(fā)展成了一種主力產(chǎn)品，它能很容易地與現(xiàn)有的基于CMOS的GaAs傳感器配對。940nm非常適合戶外應用，VCSEL的研發(fā)正在擴展到更長的波長。

NIR/SWIR光學傳感平臺，將940nm和1380nm VCSEL陣列與Artilux的基于CMOS制程的GeSi傳感器相結(jié)合，創(chuàng)建了一個具有緊湊外觀和超低功耗要求的一體式模塊。未來的TWS耳塞式耳機，能夠提供耳朵內(nèi)部的皮膚偵測從而提供無縫聲音，同時保持電池壽命。與其他波長相比，1380nm的SWIR光對眼睛來說更安全，能更深地穿透組織而不會造成損傷。NIR/SWIR組合是汽車激光雷達、活體組織醫(yī)學成像以及手機和可穿戴設備中的消費類3D傳感的理想選擇。

10W泛光照明器模塊（芯片的中心部分）融入到ToF智能占用感測的參考設計原型中。

“世界正在等待SWIR VCSEL和傳感器的成熟，“一旦它們發(fā)展成熟，帶來的好處將是巨大的。”

研究繼續(xù)在推進可能的極限。最近中國的研究人員展示了可調(diào)諧工作在376~409nm波段的紫外A（UVA）光譜區(qū)的VCSEL，其閾值功率密度約為400kW/cm2；與此同時，也報告了藍光VCSEL成功實現(xiàn)了連續(xù)工作1000小時。[4]雖然藍光和紫外VCSEL的商業(yè)實現(xiàn)可能還需要一些時間，然而它們在全色微微投影儀和視網(wǎng)膜掃描等應用中的潛力令人振奮。

除了打破峰值光功率密度和效率的記錄外，VCSEL的可靠性也更加值得信賴。在過去的幾年中已售出超過10億個VCSEL陣列，這些產(chǎn)品沒有出現(xiàn)過任何故障。隨著技術的不斷進步，下一代VCSEL無疑將很快在AR/VR設備中得到應用，這是元宇宙（虛擬世界）發(fā)展的關鍵。

“VCSEL的應用是無窮無盡的，“VCSEL的應用始于移動電話，隨后拓展到汽車激光雷達和可穿戴式設備，現(xiàn)在我們又在訪問控制、機器視覺、占用監(jiān)控和支付亭等場景看到了應用機會。隨著波長的延伸，VCSEL將會進入AR/VR耳機市場和醫(yī)療保健市場。每隔幾個月，VCSEL就會有新的應用出現(xiàn)?！?/p>

未來的電信

雖然未來的元宇宙和物聯(lián)網(wǎng)應用與最初的電信應用相去甚遠，但是VCSEL仍然參與面向未來的電信計劃。數(shù)據(jù)中心和無線運營商正在朝著200G甚至800G的超規(guī)模連接發(fā)展，其中VCSEL將在降低成本、延遲和功率需求方面發(fā)揮重要作用。

芯片組使用模擬技術，在低功率、低延遲解決方案中實現(xiàn)了一系列激光器，包括VCSEL、直接調(diào)制激光器和電吸收調(diào)制激光器，實現(xiàn)了<500ps的絕對延遲和接近零的延遲變化。集成芯片技術的這種創(chuàng)新，將使我們在未來幾十年內(nèi)能以驚人的速度傳輸數(shù)據(jù)。

銀月光科技深耕健康智慧光源，向市場提供全品類紫外UVA UVB UVC LED，紅外，IR LED VCSEL產(chǎn)品和方案服務，在國內(nèi)市場擁有數(shù)百家優(yōu)質(zhì)合作伙伴，共同推動月光科技創(chuàng)造健康智慧生活的事業(yè)。

審核編輯 黃昊宇