頭部企業(yè)引領(lǐng)技術(shù)

多結(jié)技術(shù)代表了VCSEL行業(yè)的下一個飛躍。多結(jié)VCSEL為用戶提供了許多明顯的好處,其背面發(fā)射配置比傳統(tǒng)產(chǎn)品有優(yōu)勢,消除導(dǎo)線鍵合將提高VCSEL性能,并允許使用微透鏡來實(shí)現(xiàn)更緊湊的封裝。

Lumentum多結(jié)VCSEL陣列

Lumentum稱,其多結(jié)VCSEL陣列在低占空比(小于1%)下用短納秒脈沖驅(qū)動,可以達(dá)到數(shù)百瓦峰值功率,非常適合短、中、長距離激光雷達(dá)系統(tǒng)。VCSEL芯片中的多結(jié)減少了為每個電子發(fā)射多個光子所需的驅(qū)動電流,很容易實(shí)現(xiàn)每安培4W以上的光功率。其發(fā)射器布置緊湊,不僅高功率,而且是高功率密度。

多結(jié)VCSEL陣列中一個發(fā)射器示意圖

Lumentum已經(jīng)證明,在125℃及0．1%占空比下,每平方毫米片芯面積可超過1kW。

對于短距離,VCSEL芯片可與擴(kuò)散器配對,以照亮寬視野。在這種情況下,更高的功率密度減少了所需芯片面積。對于較長距離,較小面積的較高功率簡化了激光雷達(dá)光學(xué)設(shè)計,因此可以將更多功率準(zhǔn)直到較低的發(fā)散光束中來掃描場景。

對于激光雷達(dá)而言,VCSEL比多結(jié)邊緣發(fā)射激光器更具優(yōu)勢,因?yàn)槠潆S溫度變化的波長范圍較窄,且可以形成可尋址條紋陣列,甚至可以形成矩陣可尋址格式�？蓪ぶ沸杂兄�于用更堅固的全電子激光雷達(dá)掃描取代機(jī)械式掃描激光雷達(dá)。

Lumentum首席執(zhí)行官Alan Lowe認(rèn)為:“明年汽車激光雷達(dá)對激光器及光子元件的需求將穩(wěn)步增長。自動駕駛汽車和運(yùn)載車輛對激光雷達(dá)和3D傳感功能的需求為我們提供了巨大的長期市場機(jī)遇。我們與廣泛的客戶緊密接觸,包括自動駕駛汽車、運(yùn)載車輛制造商、主要Tier 1汽車供應(yīng)商和激光雷達(dá)解決方案提供商。在近期,也許(自動)運(yùn)載車輛可能會最早用上我們的產(chǎn)品�！�

2021年3月,Lumentum推出高功率五結(jié)和六結(jié)VCSEL陣列,用于汽車激光雷達(dá)和其他3D傳感應(yīng)用。尺寸為1平方毫米的VCSEL陣列中,單個VCSEL發(fā)射器的光功率超過2W,整個陣列的峰值功率超過800W。這些新型多結(jié)VCSEL陣列擁有更低的功耗、較高的斜率效能,以及較高的峰值光功率,對于擴(kuò)展其在高性能全固態(tài)中、遠(yuǎn)程激光雷達(dá)中的應(yīng)用十分重要。多結(jié)VCSEL陣列的發(fā)射波長為940nm和905nm,與目前用于消費(fèi)電子市場的量產(chǎn)VCSEL陣列產(chǎn)品采用相同的生產(chǎn)線。

Lumentum正在擴(kuò)大其廣泛的產(chǎn)品組合,以利用這一市場領(lǐng)先的多結(jié)技術(shù)所帶來的高峰值功率和功率密度。除了用于消費(fèi)電子市場和車內(nèi)汽車應(yīng)用的多結(jié)VCSEL解決方案外,Lumentum正在開發(fā)一系列用于各種3D傳感應(yīng)用的高功率器件,包括用于汽車、消費(fèi)和工業(yè)市場的激光雷達(dá)系統(tǒng)。

車內(nèi)應(yīng)用940nm VCSEL陣列

Lumentum稱,25年來已交付海底通信用半導(dǎo)體激光器1．5萬顆,5年交付消費(fèi)電子用二極管激光器10億顆,現(xiàn)場故障均為0。目前,工業(yè)應(yīng)用出貨量為5萬顆/年,消費(fèi)電子產(chǎn)品2．5億顆/年,電信50萬顆/年。

羅姆(ROHM)也在開發(fā)100W大功率VCSEL。以往作為ToF光源的VCSEL和用來驅(qū)動光源的MOSFET在電路板上是獨(dú)立貼裝的,器件之間布線長度(寄生電感)會影響光源驅(qū)動時間和輸出功率,給實(shí)現(xiàn)高精度傳感所需的短脈沖大功率光源帶來了局限性。羅姆的VCSEL模塊技術(shù)將VCSEL元件和MOSFET集成在1個模塊中,盡量縮短元件間布線長度,更大程度地發(fā)揮各元件的性能,且不易受陽光的外部干擾,同時實(shí)現(xiàn)了短脈沖(10納秒以內(nèi))驅(qū)動及高于以往產(chǎn)品約30%的輸出功率。

VCSEL模塊技術(shù)提升輸出功率和精度

關(guān)于3D傳感解決方案測距區(qū),結(jié)構(gòu)光和間接ToF解決方案適用于小于10m的范圍;直接飛行時間適用于更長的射程。

結(jié)構(gòu)光:這是第一個用于人臉識別的解決方案,非常適合1米以下的短程飛行。

間接ToF:智能手機(jī)正面采用該解決方案進(jìn)行人臉識別,背面采用該解決方案進(jìn)行照片增強(qiáng)。

直接飛行時間:這一解決方案最近被蘋果公司的iPad用于flash激光雷達(dá)。它具有最佳的長距離精度,并將支持新的應(yīng)用。

3D傳感解決方案測距區(qū)比較

進(jìn)一步探索

Veeco首席技術(shù)官Ajit Paranjpe說,“隨著新應(yīng)用的興起,VCSEL技術(shù)得到了顯著重視和改善。我們終于克服了學(xué)習(xí)曲線,可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)制造,當(dāng)我們進(jìn)入第二個大規(guī)模應(yīng)用——采用VCSEL陣列的激光雷達(dá)推進(jìn)自動駕駛時,VCSEL也將迎來更高功率要求的汽車應(yīng)用機(jī)遇。這類應(yīng)用需要使用更大的VCSEL陣列�！�

Cadence杰出工程師Gilles Lamant提醒說:“VCSEL激光往往接近可見光波段,因此,可能會在提高功率時具有一定的人眼危險性,因?yàn)榧す饫走_(dá)需要非常高的功率來獲得所需的各種探測范圍�！�