加速激光雷達降本的創(chuàng)新技術：AR-VCSEL

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/梁浩斌）VCSEL全稱垂直腔面發(fā)射激光器，與傳統(tǒng)的EEL邊發(fā)射激光器不同的是，VCSEL出光的方向垂直于襯底，且可調(diào)頻率極高，最早被用于光纖通信中，用于高速數(shù)據(jù)傳輸。

另一方面VCSEL的電光轉換效率可以達到50%以上，因此在功率密度逐步提高后，激光雷達領域也已經(jīng)開始大規(guī)模使用VCSEL光源。不過，目前在激光雷達應用中，VCSEL作為光源，由于傳統(tǒng)的多結VCSELs工作在多縱模上，傳統(tǒng)的擴展腔設計很難實現(xiàn)小于16°的發(fā)散角。

而目前VCSEL陣列已經(jīng)被廣泛用于激光雷達，但如果要想提高探測距離，就需要降低VCSEL的光束發(fā)散角，以獲得更高的亮度。

因此相比EEL，VCSEL陣列設計需要更高的功率密度、更小的發(fā)散角和更高的光譜亮度，才能在激光雷達光源競爭中占據(jù)優(yōu)勢。

創(chuàng)新的AR-VCSEL

為了解決目前VCSEL在車載激光雷達上應用的短板，縱慧芯光最近在《自然·通訊》線上期刊發(fā)表的論文中，展示了一種創(chuàng)新的超小發(fā)散角AR-VCSEL（增透型垂直腔面發(fā)射激光器）產(chǎn)品。

縱慧芯光表示，AR-VCSEL標志著縱慧芯光在實現(xiàn)低發(fā)散和高亮度方面取得了重大突破，克服了傳統(tǒng)長腔多結VCSEL所面臨的限制。那么AR-VCSEL跟主流的VCSEL有哪些區(qū)別和創(chuàng)新？

縱慧芯光在論文中，提出了一種具有抗反射腔的獨特VCSEL結構，包括多結有源區(qū)、抗反射鏡和光池，其中電場強度特別高，遠高于有源區(qū)的電場強度。而儲存在這種抗反射腔中的總電場能量是具有相同空間體積的普通擴展腔的數(shù)倍。

圖源：Nature Communications

如上圖所示，AR-VCSEL具有由交替的InGaAs/AlGaAs多量子阱、GaAs TJ和氧化限制層組成的有源區(qū)、具有交替的高和低鋁含量四分之一波長厚AlGaAs層的n摻雜抗反射鏡以及由AlGaAs制成的2微米厚的光貯存器組成的腔。

緊挨著active region的左側，研究人員添加了一個抗反射鏡，以從active region提取光并將其存儲在光儲庫中，而不是簡單地擴展腔體，就像一個光學大壩一樣保存光子并提高它們的強度水平。測試結果顯示，光貯存器內(nèi)部的電場峰值強度大約是有源區(qū)強度的3倍，大約是擴展腔區(qū)強度的4-5倍。

這種獨特的設計將長腔延長部分轉換為短腔延長部分，但電場更強。儲存在容器內(nèi)的光子幾乎沒有受到橫向限制，它們在橫向上基本上是“自由”的，顯著減小了整體發(fā)散角。因此，通過這種設計，能夠降低發(fā)散角對擴展腔厚度的依賴。

圖源：Nature Communications

最終，縱慧芯光在250μm直徑的6結AR-VCSEL陣列上實現(xiàn)了D86發(fā)散角8°或FWHM 4.1°的超小全發(fā)散角，亮度超過40 kW mm?2 sr?1，光譜亮度超過75.6 kW nm?1 mm?2 sr?1。

通過增加結的數(shù)量，研究人員在直徑為250μm的14結AR-VCSEL陣列上實現(xiàn)了5000 W/mm2的功率密度。通過改變氧化孔尺寸，在7μm直徑6結AR-VCSEL單發(fā)射器中實現(xiàn)了28.4 mW高功率單橫模激光發(fā)射。據(jù)稱，這是已發(fā)布的多結VCSELs中性能最好的。

縱慧芯光認為，對于要求16°（D86）或更低發(fā)散度的高功率和低成本掃描激光雷達來說，AR-VCSEL是現(xiàn)有的最佳解決方案。目前其16款AR-VCSEL產(chǎn)品中有一款已經(jīng)通過了AEC-Q102車規(guī)可靠性測試，已經(jīng)量產(chǎn)用于高性能激光雷達。

小結：

此前PCSEL被認為是激光雷達未來的理想光源之一，盡管亮度極高，但PCSEL的功率密度較低，且在目前的PCSEL技術下，由于功率密度低帶來的同亮度芯片面積較大，會為激光器增加大量成本。而AR-VCSEL可以采用標準的低成本VCSEL工藝，不需要復雜的器件結構和額外的制造步驟，在提供極佳的性能同時，還能加速激光雷達的降本節(jié)奏。因此AR-VCSEL未來有望能夠在激光雷達市場快速上量。