AR-VCSEL刷新VCSEL小發(fā)散角和單模功率記錄

  2024年2月，縱慧芯光在Nature Communications發(fā)表了一篇文章“Antireflective vertical-cavity surface-emitting laser for LiDAR”，即增透腔面發(fā)射激光器（AR-VCSEL）。該文提出了全新的增透腔概念，顛覆了傳統(tǒng)的面發(fā)射激光器結構，并在實驗上取得了巨大成功。AR-VCSEL大幅刷新了VCSEL小發(fā)散角，亮度和單模功率的世界記錄，大幅甚至數倍領先國際頂尖廠商性能，克服了傳統(tǒng)VCSEL亮度的不足，為VCSEL在全距離特別是遠距離車載雷達中的應用掃清了障礙。從2021年開發(fā)至今，AR-VCSEL已出貨數百萬顆，得到車載雷達的迅速大規(guī)模應用。

  VCSEL的進階之路

  影響激光雷達探測距離的主要因素，除了探測器靈敏度，在光學透鏡大小固定的前提下，發(fā)射端的因素主要來源于激光器的功率（Power），功率密度（Power density），亮度（Brightness）。

  回顧歷史，第一代商用車載激光雷達比較自然的采用了當時比較成熟的1550 fiber laser或者905 EEL等大功率激光器，因為技術成熟且天然功率高，功率密度大，亮度大。但是他們各自有很難克服的缺點，比如fiber laser體積大，成本貴；EEL溫度穩(wěn)定性差，光斑是橢圓需要額外整形，可靠性風險也較大。這些都成為限制激光雷達性能和成本的瓶頸，在今天同時卷技術和價格的時代，已經無法滿足要求。

  VCSEL在手機等消費電子產品成功大規(guī)模應用后，也開始挺進車載激光雷達應用。其溫度穩(wěn)定性好，可靠性冗余高，光斑圓形，成本低等優(yōu)點，開始受到了主流激光雷達廠商的青睞。限制其應用的幾個缺點則通過下面幾個技術沿革在過去幾年逐一得到了解決：

  發(fā)光功率：VCSEL可以通過提升陣列總發(fā)光面積實現，同時低Duty cycle（<1%）的納秒級短脈沖TOF驅動模式也大幅提高了光脈沖的峰值強度。

  功率密度：多結技術（Multijunction）可以在不變發(fā)光面積的情況下成比例增加量子效率，即一個載流子經過器件可以發(fā)出多個光子，實現數倍于單結VCSEL的光功率密度。至此，VCSEL基本滿足了中遠距離LiDAR的基本要求，首批應用于量產車載LiDAR的為5/6結VCSEL，探測距離達到了約150 m。

  Brightness （~ power density / divergence2 ）：發(fā)散角成為突破更遠探測距離的最后瓶頸，傳統(tǒng)VCSEL結構很難做到16°以內，探測距離無法顯著超過150 m。

  AR-VCSEL，重塑激光雷達技術演進路線

  VCSEL在消費電子等領域獲得了很大的成功，但是在技術上依舊有它的局限性，正如上述說的技術方面，傳統(tǒng)VCSEL結構很難做到16°以內，探測距離無法顯著超過150 m。在這個需求背景下，小角度的AR-VCSEL誕生了。

  AR-VCSEL是對VCSEL一維駐波電場基本結構的創(chuàng)新，通過引入增透區(qū)和儲光區(qū)，突破了多年來行業(yè)默認的VCSEL結構，擺脫了傳統(tǒng)長腔VCSEL多縱模問題的困擾。在不增加諧振腔的總長度情況下可以大幅降低了氧化限制因子，確保了單縱模的同時大幅降低發(fā)散角，可以達到氧化孔的衍射極限。亮度實現數倍甚至一個數量級的增加。基于AR-VCSEL的激光雷達可以輕松突破300 m探測距離，且仍然有較大上升空間。AR-VCSEL一問世就創(chuàng)造了VCSEL領域多項世界紀錄，包括小發(fā)散角（4.1° in FWHM or 8.0° in D86 full angle）、高亮度（> 40 kW·mm-2sr-1）和單橫模光功率（28.4 mW）等，顯著提高了VCSEL-based LiDAR的探測距離和分辨率。

  其中，單模的功率從2023年AMS-OSRAM展示的14 mW翻倍到28 mW，同時邊模抑制比SMSR可達40 dB。

  在氧化孔徑7 μm的emitter上M2光束質量也實現接近1的理想光束。這對某些結構光的應用也可能會有顯著性能提升。Nature Communications的這篇文章中，還展示了多達幾十種AR-VCSEL和普通VCSEL的設計，從海量的實驗數據上證明了氧化限制因子和發(fā)散角呈現線性正相關。AR-VCSEL（圓圈）可以實現遠小于普通VCSEL（三角）的氧化限制因子，并且可以通過控制氧化層限制因子控制其D86發(fā)散角在8~20°的任意角度，可以非常便利地針對客戶的角度需求進行定制。

  VCSEL在消費電子產品中數量達到數十億，已成為人類歷史上使用最廣泛的激光器，超過了所有其他激光器類型的總使用量。上圖的橫軸是單位面積半導體產生的光功率，而半導體面積是決定成本的關鍵因素，所以越往右側，成本優(yōu)勢越大。可以看到AR-VCSEL具有和普通VCSEL同樣的成本優(yōu)勢，遠超其他激光器（數量級的差異），也優(yōu)于EEL。

  和傳統(tǒng)VCSEL相比，AR-VCSEL的亮度得到有幾倍的提升，徹底解決了VCSEL LiDAR探測距離的痛點，在200 m以上遠距離方面性能卓著。AR-VCSEL是迄今可以用于激光雷達的性價比最高的激光器類型，在激光雷達產業(yè)整個飛速降本且競爭白熱化的今天，相比其他方案有極大的競爭優(yōu)勢，影響了整個激光雷達產業(yè)未來的走向。

  除了在LiDAR領域的應用之外，AR-VCSEL中儲光概念和技術為表面發(fā)射激光器的設計提供了寶貴的工具，包括PCSEL、TCSEL和單模VCSEL等，為其他半導體激光技術提供了潛在的提升空間。AR-VCSEL作為Vertilite在VCSEL領域的一項開創(chuàng)性技術革新，其在全球主要國家和地區(qū)已取得多項專利保護。