VCSEL:从电信应用迈向元宇宙

2022-09-30

最新一代VCSEL芯片,已经从最初的用于电信和数据通信领域,发展到用于高级3D传感应用,如人脸识别、汽车激光雷达和元宇宙。


如果我们能够对一项关键技术表示敬意,这项技术实现了当今几乎恒定的虚拟连接,那么小型激光源将在候选名单中名列前茅。特别值得一提的是,垂直腔面发射激光器(VCSEL,1987年发明的一个术语)这种小型激光器,经过几十年的发展,已经能使人们实现高速网络连接。今天,VCSEL的应用已经远远超出了电信领域。


1977年,贝尔实验室的研究员Kinichi Iga首次设想了一种微型单片半导体激光二极管,以此作为光纤传输中边缘发射激光器的低成本替代品。二极管的发射垂直于薄膜表面,并且可以通过大的晶圆实现廉价的批量制造。Iga 1980年的原型,使用了一个刻蚀在磷化镓铟砷化物(GaInAsP)薄膜上的6µm厚的腔,但其光学损耗很高。他坚持不懈地致力于自己的想法;与此同时,其他研究人员对VCSEL的热情也高涨起来。


直到1996年,霍尼韦尔国际公司才推出了第一款商用的VCSEL,这是一款850nm GaAs质子注入二极管,能在室温下工作,适用于小于300m的光纤链路。850nm的GaAs VCSEL很快成为用于数据通信的光纤网络中,普遍存在的关键元件。VCSEL的快速成功归功于其固有的单片设计,它能实现具有成本效益地批量生产、高可靠性、高光束质量、快速调制带宽,能满足低功率要求以及通过阵列能实现可扩展性。此外,分布式布拉格反射器和微腔设计的结合,实现了低功率密度阈值,这也使VCSEL成为了一种非常节能的光源。


今天,VCSEL的最大应用是移动电话中用于人脸识别的3D传感功能。这需要一些新的进步才能实现该功能。单个VCSEL对于消费类设备来说功率太低,可以通过直接在晶圆上制造VCSEL阵列来提升功率,并通过透镜准直以将功率放大到瓦级水平。,2D VCSEL芯片的大型阵列,最初是在4英寸晶圆上制造的,以满足数据通信器件的应用要求。但是要以具备经济效益的方式满足消费类设备的需求,必须要在6英寸晶圆上集成VCSEL阵列,6英寸是自20世纪90年代以来用于手机制造的晶圆尺寸。通过在每个晶圆上制造更多的VCSEL阵列,VCSEL技术可以充分利用成熟的GaAs 6英寸晶圆制造技术。大约在2015年,6英寸晶圆平台开始为VCSEL阵列生产提供了更高的规模经济性,并便于在晶圆划片前进行批量测试(见图1)。

图1:通快940nm以上的VCSEL阵列,可以在更宽泛的温度范围内工作,并在消费设备上的面部识别等NIR应用中,提高了可靠性和使用寿命。

“6英寸晶圆实现了第一代VCSEL产品,其应用包括眼球跟踪、手势识别和深度传感。当今的技术进步,如多结堆叠、多层金属和背面发射等,又实现了第2代VCSEL产品,它们能用于汽车激光雷达、AR/VR耳机和健康监测等应用。”


多结优势

早期的VCSEL具有单个p-n结,这限制了单个器件的感测范围和输出功率(通常小于10mW)。堆叠多个单结VCSEL实现了多结阵列,从而能获得更高的峰值光功率密度和效率,并简化了驱动器和封装设计。多结设计允许VCSEL实现更远的感测距离,从而能实现更远距离的应用,如用于汽车激光雷达中。同样,多结VCSEL阵列由于更高的输出功率和更复杂的光学集成能力,也能提供更好的短距离3D传感。

多结技术的推出只有短短几年的时间,目前多结VCSEL阵列产品已经在高级消费产品、汽车激光雷达和其他3D传感应用中实现了商业化。2021年10月,宣布了业界首个三结VCSEL阵列,该阵列能够在手机安全中实现飞行时间(ToF)生物特征3D传感。10W泛光照明器采用高性能三结VCSEL阵列,使客户能够选择三种不同的照明视场:60°×45°、72°×58°或更宽的110°×85°,能够以更高的功率和更高的效率捕获更多信息,并且不会失去眼睛安全功能。三结VCSEL阵列还将用于新兴的工业类与消费类人工智能物联网(AIoT)应用。随后研究人员展示了高性能的五结和六结VCSEL阵列,这是业界的首次突破。

可寻址VCSEL阵列
早期的激光雷达系统使用机械光束扫描,其中的旋转激光模块体积庞大,而且对于汽车应用来说过于脆弱。芯片上的多结VCSEL阵列,已经能满足激光雷达所需的感测范围,并且具有鲁棒性、小型化和价格优势,但典型的互连方案不支持能够自适应地照亮各种感兴趣区域(ROI)的3D传感,这一特性称为可寻址能力或智能照明。

智能照明被定义为控制和独立照明阵列的不同行或段的能力,VCSEL驱动的汽车激光雷达需要智能照明,以直接成像场景,控制照明内容,并减少功耗。随着多层金属和驱动电子技术的突破,首款高性能1D和2D可寻址VCSEL阵列,用于汽车、消费和工业激光雷达应用以及3D传感应用。可寻址阵列的发射波长为905nm和940nm,它们为短距离和长距离激光雷达提供了发展潜力。


“芯片上阵列的可寻址能力,可以消除对机械光束扫描的需求,这为自动驾驶汽车和其他新兴的3D传感应用开辟了一个新的可能性,并有助于加速激光雷达应用于更广泛的系统中。

更长的波长
940nm VCSEL阵列自2014年以来已经发展成了一种主力产品,它能很容易地与现有的基于CMOS的GaAs传感器配对。940nm非常适合户外应用,VCSEL的研发正在扩展到更长的波长。

NIR/SWIR光学传感平台,将940nm和1380nm VCSEL阵列与Artilux的基于CMOS制程的GeSi传感器相结合,创建了一个具有紧凑外观和超低功耗要求的一体式模块。未来的TWS耳塞式耳机,能够提供耳朵内部的皮肤侦测从而提供无缝声音,同时保持电池寿命。与其他波长相比,1380nm的SWIR光对眼睛来说更安全,能更深地穿透组织而不会造成损伤。NIR/SWIR组合是汽车激光雷达、活体组织医学成像以及手机和可穿戴设备中的消费类3D传感的理想选择。


VCSEL阵列以及基于CMOS制程的传感器,是可穿戴设备中眼睛安全的皮肤侦测的理想选择。


10W泛光照明器模块(芯片的中心部分)融入到ToF智能占用感测的参考设计原型中。

“世界正在等待SWIR VCSEL和传感器的成熟,“一旦它们发展成熟,带来的好处将是巨大的。”


研究继续在推进可能的极限。最近中国的研究人员展示了可调谐工作在376~409nm波段的紫外A(UVA)光谱区的VCSEL,其阈值功率密度约为400kW/cm2;与此同时,也报告了蓝光VCSEL成功实现了连续工作1000小时。[4]虽然蓝光和紫外VCSEL的商业实现可能还需要一些时间,然而它们在全色微微投影仪和视网膜扫描等应用中的潜力令人振奋。


除了打破峰值光功率密度和效率的记录外,VCSEL的可靠性也更加值得信赖。在过去的几年中已售出超过10亿个VCSEL阵列,这些产品没有出现过任何故障。随着技术的不断进步,下一代VCSEL无疑将很快在AR/VR设备中得到应用,这是元宇宙(虚拟世界)发展的关键。


“VCSEL的应用是无穷无尽的,“VCSEL的应用始于移动电话,随后拓展到汽车激光雷达和可穿戴式设备,现在我们又在访问控制、机器视觉、占用监控和支付亭等场景看到了应用机会。随着波长的延伸,VCSEL将会进入AR/VR耳机市场和医疗保健市场。每隔几个月,VCSEL就会有新的应用出现。”


未来的电信
虽然未来的元宇宙和物联网应用与最初的电信应用相去甚远,但是VCSEL仍然参与面向未来的电信计划。数据中心和无线运营商正在朝着200G甚至800G的超规模连接发展,其中VCSEL将在降低成本、延迟和功率需求方面发挥重要作用。

芯片组使用模拟技术,在低功率、低延迟解决方案中实现了一系列激光器,包括VCSEL、直接调制激光器和电吸收调制激光器,实现了<500ps的绝对延迟和接近零的延迟变化。集成芯片技术的这种创新,将使我们在未来几十年内能以惊人的速度传输数据。


20220923


银月光科技深耕健康智慧光源,向市场提供全品类紫外UVA UVB UVC LED,红外,IR LED VCSEL产品和方案服务,在国内市场拥有数百家优质合作伙伴,共同推动月光科技创造健康智慧生活的事业。

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