加速激光雷达降本的创新技术：AR-VCSEL

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）VCSEL全称垂直腔面发射激光器，与传统的EEL边发射激光器不同的是，VCSEL出光的方向垂直于衬底，且可调频率极高，最早被用于光纤通信中，用于高速数据传输。
 
另一方面VCSEL的电光转换效率可以达到50%以上，因此在功率密度逐步提高后，激光雷达领域也已经开始大规模使用VCSEL光源。不过，目前在激光雷达应用中，VCSEL作为光源，由于传统的多结VCSELs工作在多纵模上，传统的扩展腔设计很难实现小于16°的发散角。
 
而目前VCSEL阵列已经被广泛用于激光雷达，但如果要想提高探测距离，就需要降低VCSEL的光束发散角，以获得更高的亮度。
 
因此相比EEL，VCSEL阵列设计需要更高的功率密度、更小的发散角和更高的光谱亮度，才能在激光雷达光源竞争中占据优势。
 
创新的AR-VCSEL
 
为了解决目前VCSEL在车载激光雷达上应用的短板，纵慧芯光最近在《自然·通讯》线上期刊发表的论文中，展示了一种创新的超小发散角AR-VCSEL（增透型垂直腔面发射激光器）产品。
 
纵慧芯光表示，AR-VCSEL标志着纵慧芯光在实现低发散和高亮度方面取得了重大突破，克服了传统长腔多结VCSEL所面临的限制。那么AR-VCSEL跟主流的VCSEL有哪些区别和创新？
 
纵慧芯光在论文中，提出了一种具有抗反射腔的独特VCSEL结构，包括多结有源区、抗反射镜和光池，其中电场强度特别高，远高于有源区的电场强度。而储存在这种抗反射腔中的总电场能量是具有相同空间体积的普通扩展腔的数倍。
 

图源：Nature Communications

 
如上图所示，AR-VCSEL具有由交替的InGaAs/AlGaAs多量子阱、GaAs TJ和氧化限制层组成的有源区、具有交替的高和低铝含量四分之一波长厚AlGaAs层的n掺杂抗反射镜以及由AlGaAs制成的2微米厚的光贮存器组成的腔。
 
紧挨着active region的左侧，研究人员添加了一个抗反射镜，以从active region提取光并将其存储在光储库中，而不是简单地扩展腔体，就像一个光学大坝一样保存光子并提高它们的强度水平。测试结果显示，光贮存器内部的电场峰值强度大约是有源区强度的3倍，大约是扩展腔区强度的4-5倍。
 
这种独特的设计将长腔延长部分转换为短腔延长部分，但电场更强。储存在容器内的光子几乎没有受到横向限制，它们在横向上基本上是“自由”的，显著减小了整体发散角。因此，通过这种设计，能够降低发散角对扩展腔厚度的依赖。
 

图源：Nature Communications

最终，纵慧芯光在250μm直径的6结AR-VCSEL阵列上实现了D86发散角8°或FWHM 4.1°的超小全发散角，亮度超过40 kW mm−2 sr−1，光谱亮度超过75.6 kW nm−1 mm−2 sr−1。
 
通过增加结的数量，研究人员在直径为250μm的14结AR-VCSEL阵列上实现了5000 W/mm2的功率密度。通过改变氧化孔尺寸，在7μm直径6结AR-VCSEL单发射器中实现了28.4 mW高功率单横模激光发射。据称，这是已发布的多结VCSELs中性能最好的。
 
纵慧芯光认为，对于要求16°（D86）或更低发散度的高功率和低成本扫描激光雷达来说，AR-VCSEL是现有的最佳解决方案。目前其16款AR-VCSEL产品中有一款已经通过了AEC-Q102车规可靠性测试，已经量产用于高性能激光雷达。
 
小结：
 
此前PCSEL被认为是激光雷达未来的理想光源之一，尽管亮度极高，但PCSEL的功率密度较低，且在目前的PCSEL技术下，由于功率密度低带来的同亮度芯片面积较大，会为激光器增加大量成本。而AR-VCSEL可以采用标准的低成本VCSEL工艺，不需要复杂的器件结构和额外的制造步骤，在提供极佳的性能同时，还能加速激光雷达的降本节奏。因此AR-VCSEL未来有望能够在激光雷达市场快速上量。