用于3D摄像头的VCSEL技术

传感器技术编辑整理

传统的光电转换技术一般采用LED等发光器件。这种发光器件多采用边缘发射，体积大，因此比较难以和半导体技术结合。20世纪90年代垂直腔表面发射激光VCSEL技术成熟后，解决了发光器件和半导体技术结合的问题，因此迅速得到普及。

晶圆光学镜片中间的两面发射垂直腔面发射体激光器（VCSEL）

近年来，智能手机领域相关技术更新迭代十分迅速，由于人们的日常需求逐渐提高，手机的拍照，感应，识别等功能尤其受到关注，故手机摄像头用量提升的趋势仍处于加速态势，特别是3D摄像头等新创新的使用也将为手机摄像头领域提供增益，尤其以VCSEL激光器为核心关键元器件的3D Sensing摄像头在手机上的应用，带动相关市场迎来一轮爆发。

3D Sensing摄像头

3D Sensing摄像头相比于传统摄像头除了能够获取平面图像以外，还可以获得拍摄对象的深度信息，即三维的位置及尺寸信息，其通常由多个摄像头+深度传感器组成。3D 摄像头实现实时三维信息采集，为消费电子终端加上了物体感知功能，从而引入多个“痛点型应用场景”，包括人机交互、人脸识别、三维建模、安防和辅助驾驶等多个领域，3D Sensing摄像头让交互方式从平面变成了立体。而3D Sensing摄像头产业链与传统摄像头产业链相比主要新增加红外光源+光学组件+红外传感器等部分，其中最关键的部分就是红外光源。

因特尔公司研发的RealSense 3D摄像头架构

目前，可以提供800-1000nm波段的近红外光源主要有三种：红外LED、红外LD-EEL（边发射激光二极管）和VCSEL（垂直腔面发射激光器）。早期3D传感系统一般都使用LED作为红外光源，但是随着VCSEL技术的成熟，性价比已经接近红外LED，除此之外，在技术方面，由于LED不具有谐振腔，导致光束更加发散，在耦合性方面很差，而VCSEL在精确度、小型化、低功耗、可靠性全方面占优的情况下，现在常见的3D摄像头系统一般都采用VCSEL作为红外光源。而与传统边发射激光器相比，VCSEL 在光束质量、与光纤耦合效率、腔面反射率上都具有较大优势，且因为VCSEL发射光线垂直于衬底而边发射激光器发射光线平行于衬底，因此 VCSEL 能够实现二维阵列而边发射激光器不行。

VCSEL技术

垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，简称VCSEL，又译垂直共振腔面射型雷射）是一种半导体，其激光垂直于顶面射出，与一般用切开的独立芯片制成，激光由边缘射出的边射型激光有所不同。

VCSEL是很有发展前景的新型光电器件，也是光通信中革命性的光发射器件。顾名思义，边发射激光器是沿平行于衬底表面、垂直于解理面的方向出射，而面发射激光器其出光方向垂直于衬底表面，如下图：

边发射激光器（a）与面发射激光器(b)示意图

它优于边发射激光器的表现在于：易于实现二维平面和光电集成；圆形光束易于实现与光纤的有效耦合；可以实现高速调制，能够应用于长距离、高速率的光纤通信系统；有源区尺寸极小，可实现高封装密度和低阈值电流；芯片生长后无须解理，封装后即可进行在片实验；在很宽的温度和电流范围内都以单纵模工作；价格低。

VCSEL的优异性能已引起广泛关注，成为国际上研究的热点。这十多年来，VCSEL在结构、材料、波长和应用领域都得到飞速发展，部分产品已进入市场。

VCSEL基本结构

VCSEL的结构示意图如下图所示。它是在由高、低折射率介质材料交替生长成的分布布喇格反射器（DBR）之间连续生长单个或多个量子阱有源区所构成。典型的量子阱数目为3~5个，它们被置于驻波场的最大处附近，以便获得最大的受激辐射效率而进入振荡场。在底部还镀有金属层以加强下面DBR的光反馈作用，激光束从顶部透明窗口输出。

实际上，要完成低阈值电流工作，和一般的条型半导体激光器一样，必须使用很强的电流收敛结构，同时进行光约束和截流子约束。由上图可见，VCSEL的半导体多层模反射镜DBR是由GaAs/AlAs构成的，经蚀刻使之成为air-post（台面）结构。在高温水蒸汽中将AlAs层氧化，变为有绝缘性的AlxOy层，其折射率也大大降低，因而成为把光、载流子限制在垂直方向的结构。对VCSEL的设计集中在高反射率、低损耗的DBR和有源区在腔内的位置。

VCSEL激光器的特点

由于VCSEL与边发射激光器有着不同的结构，这就决定了两者之间有不同的特点和性能，下表中列出了两种激光器的基本参数。

从表中我们可以看出，VCSEL有源区的体积小、腔短，这就决定了它容易实现单纵模、低阈值(亚毫安级)电流工作，但是为了得到足够高的增益，其腔镜的反射率必须达到99%。VCSEL具有较高的弛豫振荡频率，从而在高速数据传输以及光通信中，预计将有着广泛的应用。VCSEL出光方向与衬底表面垂直，可以实现很好的横向光场限制，进行整片测试，得到圆形光束，易与制作二维阵列，外延晶片可以在整个工艺完成前，节约了生产成本。

VCSEL的优点主要有:

l.出射光束为圆形，发散角小，很容易与光纤及其他光学元件耦合且效率高。

2.可以实现高速调制，能够应用于长距离、高速率的光纤通信系统。

3.有源区体积小，容易实现单纵模、低阈值的工作。

4.电光转换效率可大于50%，可期待得到较长的器件寿命。 5.容易实现二维阵列，应用于平行光学逻辑处理系统，实现高速、大容量数据处理，并可应用于高功率器件。

6.器件在封装前就可以对芯片进行检测，进行产品筛选，极大降低了产品的成本。

7.可以应用到层叠式光集成电路上，可采用微机械等技术。

VCSEL的发展史

VCSEL的历史，也是在诸多学者机构的努力下，其性能不断优化的历史，在这几十年的历史中，IGA及其带领的团队起到了不可磨灭的作用，可以堪称IGA教授为VCSEL之父。

随着VCSEL的诸多优点，其应用也越来越广泛。并且为了适合这些应用，VCSEL也朝着多个方向在各自发展，如图所示，为其主要应用：

不同波长VCSEL应用领域

由于目前VCSEL最主要应用在光传输方面，基于1979年Soda等人的VCSEL为开端，VCSEL的发展，主要经历了2个阶段：

第一阶段：从VCSEL诞生到20世纪末，蛮荒发展阶段。

在这个阶段，各个组织机构都提出以及尝试了各种不同结构类型的VCSEL，最终氧化物限制型VCSEL由于其诸多优点而胜出。

1994年，Huffaker等人率先采用在台面结构（Mesa）下本征氧化AlGaAs，生成掩埋高阻层Al氧化物的方式，来对电流进行进一步的限制。利用这种结构，阈值电流可以降低到225uA。而这种结构就是目前普遍采用的氧化物限制型（Oxide-confined）结构的原型；

首个氧化物限制型VCSEL

2013年，Iga对VCSEL的关键指标如阈值电流、调制带宽与有源区的关系给出了简单的关系公式。

VCSEL的阈值电流同其他半导体激光器一样，与有源区体积有如下关系式：

由公式可以看出，为了降低阈值电流，就需要不断减小有源区体积。比较当前的VCSEL与条状激光器的有源区体积，可以发现，VCSEL的V=0.06um3， 条状激光器依然在V=60um3， 这就是为什么条状激光器的阈值电流典型值仍旧在几十mA的级别，而VCSEL的阈值电流已经达到了亚毫安级别。

第二阶段：逐渐发展成熟阶段及优化阶段。

由于氧化物限制型的VCSEL具有低阈值电流等很多优点，这种结构的VCSEL被很快运用到了光通信中。

由于高的工作电流可以带来更好的调制特性，但同时也会相应的增加功耗，进而带来温度的上升，会对可靠性带来影响。调制速率与功耗成了VCSEL在光传输领域中重要的挑战。2007年，Y-C.Chang等人采取增加深氧化层层数到5层以及增加p型掺杂浓度来降低串联阻抗的方式，在0.9mA电流下实现的15GHz调制带宽，相应的功耗只有1.2mW，带宽/功耗比只有12.5GHz/mW,是当时最先进水平。VCSEL截面结构如图所示：

深氧化层氧化物限制型VCSEL

利用相同的VCSEL结构，同年，Y-C.Chang等人又实现了35Gbps的无误码传输。

2011年，Petter Westbergh等人研究了850nm氧化物限制型VCSEL光子寿命与谐振频率及调制速率的关系，并指出在高谐振频率以及低阻尼震荡中取得一个折衷来提高速率：当光子寿命接近3ps时，可以使VCSEL的调制带宽达到23GHz，同时可以得到40Gb/s的无误码传输。

近年来，各个兴趣小组对于高速率、低功耗的VCSEL研究依然兴趣不减，图10是截止到2015年，各机构的研究成果。可以看出，如果采用预加重的方式，目前VCSEL背靠背传输可以达到71Gbit/s。

短波长VCSEL光互联领域发展近况

VCSEL在手机AR功能与投影领域的应用

AR即增强现实技术，它是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息(视觉信息,声音,味道,触觉等),通过电脑等科学技术，模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。而AR最核心技术在于光学，尤其是激光技术，无论是手势识别、三维重构还是成像，光学技术都是决定性基础。除了3D摄像模块，最关键的就是光学成像模块。例如微软公司的HoloLens 配备两块光导透明全息透镜，虚拟内容采用 LCoS（硅基液晶）投影技术，从前方微型投影仪投射至光导透镜后进入人眼。

Hololens AR眼镜的LCoS微型投影仪

LCOS（液晶覆硅技术）是小型化 AR 头显的关键技术之一。三片式的 LCOS 成像系统，首先将投影光源发出的白色光线，通过分光系统系统分成红绿蓝三原色的光线，然后，每一个原色光线照射到一块反射式的LCOS芯片上，系统通过控制 LCOS 面板上液晶分子的状态来改变该块芯片每个像素点反射光线的强弱，最后经过LCOS反射的光线通过必要的光学折射汇聚成一束光线，经过投影机镜头照射到屏幕上，形成彩色的图像。目前在投影光源上主要有LED和激光两种方案，由于激光在光束质量、亮度、功耗和使用寿命上无可比拟的优越性，将是未来的发展方向。

以色列Lumus的AR眼镜也采用了微型投影技术，成像关键部件由微型投影仪、光导元件（LOE）和反射波导组成。植入眼镜的微型投影仪（例如激光投影）将图像画面进行投放，通过光导元件、反射波导形成全反射。

Lumus AR眼镜也采用了微型投影技术

综上，微投成像和3D摄像将是未来AR产业两大核心技术，以VCSEL为代表的半导体激光器件将成为AR光学技术的最基础部件，引领消费电子光学时代。而随着投影显示技术的发展，人们对投影系统的亮度、解析度、色彩丰富性的要求将会越来越高，光源作为投影系统的重要部件，其发光特性将直接决定投影系统质量。激光光束色度、照度高度均匀，具有亮度高、单色性好、波长固定等传统光源无可比拟的优势，未来取代LED成为微型投影模块、投影仪、投影电视等设备光源将是大概率事件。

目前，激光显示技术主要有三基色纯激光、荧光粉+蓝光、LED+激光混合光源三种技术，对比来看，三基色纯激光优势较为明显。三基色激光被业界视为最正统的激光光源，其具有色域广、光效高、寿命长、功耗低、一致性好、色温亮度可调、稳定、安全可靠免维护、应用灵活等优点。

三基色纯激光显示原理示意图

技术进展来看，红光激光二极管技术（包括VCSEL红光阵列）发展已经十分成熟，蓝光激光二极管价格尚高，绿光激光二极管则还有待发展。从已披露专利来看，目前已有“红光VCSEL阵列+蓝光VCSEL阵列+绿色全固体激光器”的解决方案，VCSEL单元用于发出圆化激光光束，经过微透镜阵列准直化后作为R、B光输出。此外，采用VCSEL面阵可以减少VCSEL激光器之间的干涉性，弱化激光散斑，从而提高投影显示质量。

VCSEL在激光雷达领域的应用

日本汽车电子厂家日本电装近期公布了对Trilumina公司的战略投资，该公司主要进行针对雷达设备的高功率VCSEL阵列开发，而这些雷达设备主要面向辅助驾驶和无人驾驶应用。在CES2017上，Trilumina 公司展示了自己基于 VCSEL阵列的256像素3D激光雷达解决方案，如若进展顺利，公司开发的光源模块将高清和远距离传感器功能整合进小尺寸、稳定且具成本效益的包装中，可取代目前应用于自动驾驶汽车示范项目的大尺寸、高成本扫描激光雷达。

激光雷达感应周围车距、三维重建

VCSEL的迅速发展和固有优点已使其成为光电子应用中的关键器件，有强大的生命力。近年来，性能优异的VCSEL不断被研发，主要涉及其低阈值电流，高输出功率，高电光转换效率，低工作电压，高调制带宽和高产额。相信随着VCSEL的不断发展，它将会获得越来越多的潜在应用。