激光雷達(dá)緣起VCSEL
激光雷達(dá)緣起VCSEL
知名分析機(jī)構(gòu)Yole Developpement前不久的《VCSEL——2021年技術(shù)和市場(chǎng)趨勢(shì)》報(bào)告指出，在數(shù)據(jù)通信和移動(dòng)應(yīng)用推動(dòng)下，全球VCSEL（垂直腔面發(fā)射激光器）市場(chǎng)將在2026年達(dá)到24億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為13．6％；目前最大市場(chǎng)是手機(jī)和消費(fèi)電子，預(yù)計(jì)同期將達(dá)17億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為16．4％。數(shù)據(jù)通信是VCSEL第二大市場(chǎng)，預(yù)計(jì)2021年將產(chǎn)生4．3億美元的收入，2026年將達(dá)到5．66億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為5．6％。
報(bào)告指出，多結(jié)技術(shù)代表VCSEL行業(yè)的下一個(gè)飛躍，將加速VCSEL在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，激光雷達(dá)（LiDAR）將是典型的應(yīng)用場(chǎng)景，加上5G網(wǎng)絡(luò)增加了對(duì)高速光模塊的需求，這些都為VCSEL帶來了更多市場(chǎng)機(jī)遇，不過，有一些技術(shù)挑戰(zhàn)仍需面對(duì)。
VCSEL從哪里來？
從VCSEL結(jié)構(gòu)看，它和普通邊發(fā)射激光器（EEL）的最大區(qū)別在于，在腔體內(nèi)其光場(chǎng)振蕩是沿垂直方向，電流注入方向也是垂直的，所以電流注入和光場(chǎng)振蕩方向平行，而邊發(fā)射結(jié)構(gòu)的振蕩和電流是垂直的。
VCSEL的基本結(jié)構(gòu)
感謝老鷹半導(dǎo)體首席科學(xué)家莫慶偉博士提供了一張老照片，說明VCSEL誕生走到今天真的很不容易。1965年，美國林肯實(shí)驗(yàn)室的Ivars Melngailis最早提出了類似VCSEL的概念，是在普通IGBT激光器上加了一個(gè)高反射電極，又做了隔斷，所以強(qiáng)迫電流從右向左注入，同時(shí)強(qiáng)迫光場(chǎng)左右之間來回振蕩，這就具有了現(xiàn)代VCSEL的基本形態(tài)。
VCSEL的誕生
這樣得到的激光器雖然樣子還是邊發(fā)射器，但光發(fā)出的方向?qū)嶋H上是從底部發(fā)出，本質(zhì)上已經(jīng)很接近現(xiàn)代VCSEL激光器的雛形了。當(dāng)然，當(dāng)時(shí)是基于銻化銦（InSb）材料體系，參數(shù)并不好，50ns脈沖，在10K超低溫條件下電流閾值為20A（600A／mm2），但這已經(jīng)很不容易了。
現(xiàn)代真正的VCSEL公認(rèn)的發(fā)名者是東京技術(shù)大學(xué)的教授Kenichi lga。1977年，他在實(shí)驗(yàn)室筆記本上畫出了VCSEL圖形。后來他對(duì)VCSEL的發(fā)展做出了很多非常重要的貢獻(xiàn)。
從發(fā)展歷程看，最早的VCSEL始于1962年的紅外波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器；1964年出現(xiàn)了第一個(gè)接近VCSEL的縱向電流注入面發(fā)射激光器；1979年Kenichi lga在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了其1977年的概念；1984年實(shí)現(xiàn)了室溫脈沖，越來越接近實(shí)用，之前是脈沖加低溫。之后，貝爾實(shí)驗(yàn)室的很多人前赴后繼，做DBR（分布布拉格反射）、離子注入等各種各樣的VCSEL研究。1994年，在奧斯汀實(shí)現(xiàn)了濕法氧化技術(shù)，最后由霍尼韋爾把VCSEL帶到了實(shí)用階段，后來霍尼韋爾VCSEL業(yè)務(wù)被Finisar收購。
VCSEL發(fā)展歷程
不同使用場(chǎng)景各取所需
除了數(shù)據(jù)通信，VCSEL的使用場(chǎng)景絕大多數(shù)和3D感測(cè)有關(guān)。3D感測(cè)的重要工作模式包括：被動(dòng)雙目、主動(dòng)雙目、結(jié)構(gòu)光和飛行時(shí)間，基本上囊括了現(xiàn)在VCSEL的3D感測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景。
被動(dòng)雙目是用兩個(gè)攝像頭模擬人的兩個(gè)眼睛，從兩個(gè)不同點(diǎn)看同一個(gè)物體，然后用大腦進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的幾何運(yùn)算，這是人類多年的進(jìn)化獲得的一個(gè)功能，現(xiàn)在是用VCSEL或計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。
3D感測(cè)的基本種類
主動(dòng)雙目也是兩個(gè)攝像頭，以投影儀主動(dòng)投射光斑或光照，用兩個(gè)攝像頭接收這些光斑。
結(jié)構(gòu)光保留了一個(gè)攝像頭，另一個(gè)是投射光斑的投影儀，以攝像頭接收這些光斑。這也是蘋果Face ID的基本原理。
飛行時(shí)間有好幾種，包括直接飛行時(shí)間（dToF）和間接飛行時(shí)間（iToF）。飛行時(shí)間本質(zhì)上也是汽車激光雷達(dá)的基本原理。
iToF與dToF
在不同應(yīng)用場(chǎng)景中，以上三種結(jié)構(gòu)有不同的優(yōu)勢(shì)，比如結(jié)構(gòu)光的深度信息精度與距離的平方成正比，在短距離時(shí)非常精確，超過一定距離（1米左右）精度就會(huì)下降，這也是蘋果Face ID選擇結(jié)構(gòu)光的理由。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)光在1米以內(nèi)、半米左右精度很高，距離再大，其精度就變得不如別的方案。
第二個(gè)方案是iToF，計(jì)算的是不同相位差，而dToF是計(jì)算飛出去打回來的時(shí)間。iToF主要是通過監(jiān)測(cè)發(fā)射光和接收光之間的相位差，其精確度開始時(shí)不如結(jié)構(gòu)光，超過1米后就比結(jié)構(gòu)光好了。所以很多智能門禁或手機(jī)等距離遠(yuǎn)一點(diǎn)的應(yīng)用經(jīng)常采用。
dToF幾乎對(duì)距離不太敏感，特別是長(zhǎng)距離非常有優(yōu)勢(shì)，比如超過10米其精度很好，所以汽車激光雷達(dá)用dToF比較多，這也是后來蘋果激光雷達(dá)掃描儀選中它構(gòu)建外界3D VR環(huán)境的原因。
以上VCSEL采用的幾個(gè)方案并不是相互競(jìng)爭(zhēng)的，而會(huì)在不同場(chǎng)景下有不同的選擇，VCSEL都會(huì)扮演很重要角色。
什么是多結(jié)結(jié)構(gòu)？
前面提到，多結(jié)技術(shù)代表VCSEL行業(yè)的下一個(gè)飛躍，因?yàn)槎嘟Y(jié)發(fā)射的性能會(huì)好很多，目前業(yè)界最高能做到五結(jié)。多結(jié)技術(shù)是垂直將幾個(gè)PN結(jié)疊在一起，和普通多量子阱不一樣，多量子阱是一個(gè)PN結(jié)，幾個(gè)量子基本上平均分布。多結(jié)VCSEL的能帶利用隧道結(jié)隧穿原理，將上一個(gè)PN結(jié)價(jià)帶中的電子變成下一個(gè)PN結(jié)中的導(dǎo)帶電子，這樣周而復(fù)始，但不會(huì)永遠(yuǎn)下去，一般多到一定程度就會(huì)出現(xiàn)別的問題。
激光雷達(dá)用多結(jié)VCSEL技術(shù)
多結(jié)VCSEL的好處是可以得到更高的功率密度，這對(duì)激光雷達(dá)非常重要；同時(shí)也可以得到斜率效率，因?yàn)槎鄠€(gè)VCSEL只分享一個(gè)DBR，可以避免多次損耗。另外，對(duì)電源或驅(qū)動(dòng)來說，在同樣功率下，永遠(yuǎn)是高電壓、低電流要比高電流、低電壓更容易或更便宜。多結(jié)VCSEL通過電流不變，電壓升高，對(duì)驅(qū)動(dòng)和電源都是友好的變化，它是這兩年VCSEL的重大突破，讓其功率密度從幾十瓦／平方毫米或幾百瓦／平方毫米進(jìn)入了幾千瓦／平方毫米，從而變成了汽車?yán)走_(dá)一個(gè)“系列賽選手”。
多結(jié)VCSEL的意義在于，假設(shè)把邊發(fā)射激光器的幾個(gè)量子阱疊起來，或把幾個(gè)邊發(fā)射激光器串聯(lián)起來，再把VCSEL做成多結(jié)，從光學(xué)角度看，是所謂的“沒有變化”，如果把邊發(fā)射激光器三個(gè)量子阱疊在一起，面積立體角乘積（Area Solid Angle）就變成了三倍；如果把3個(gè)器件串聯(lián)起來也是三倍；而做成多結(jié)，面積立體角乘積沒有變，只是光密度和遠(yuǎn)場(chǎng)變成了三倍。這樣，多結(jié)在光學(xué)上可以獲得很多好處，而且付出的代價(jià)相對(duì)較低。得到的好處遠(yuǎn)遠(yuǎn)多過付出的負(fù)面代價(jià)，這是做多結(jié)VCSEL背后非常重要的邏輯。
多結(jié)VCSEL與多結(jié)EEL、多芯片EEL對(duì)比
VCSEL之光已照進(jìn)現(xiàn)實(shí)
蘋果手機(jī)和iPad采用VCSEL將VCSEL帶到了一個(gè)新的高度，使3D感測(cè)應(yīng)用出現(xiàn)了數(shù)量級(jí)的增長(zhǎng)。iPad Pro基于dToF技術(shù)的VCSEL方案可以幫助用戶構(gòu)建3D虛擬場(chǎng)景，掃描周邊環(huán)境，這是未來蘋果虛擬現(xiàn)實(shí)生態(tài)的出發(fā)點(diǎn)。
前面說過，VCSEL是一種半導(dǎo)體器件，其激光垂直于頂面射出，與一般切開式獨(dú)立芯片工藝，激光由邊緣射出的邊射型激光不同。它集合了紅外邊發(fā)射激光器的很多優(yōu)點(diǎn)，采用更優(yōu)質(zhì)的激光源，既像紅外LED非常適合大規(guī)模晶圓級(jí)生產(chǎn)，工藝和封裝成本較低，又有邊發(fā)射激光器非常好的光譜和較高的光密度特性；它還有溫度漂移非常低的特征，從低溫到高溫每組VCSEL的典型漂移僅為0．07nm／K。這是其他光源很難做到的，這也是被蘋果選中作為Face ID光源的重要原因。這是用于VCSEL的架構(gòu)決定了它可以在許多光源的選擇中勝出。
VCSEL技術(shù)的優(yōu)勢(shì)
總之，VCSEL具有光電轉(zhuǎn)換效率高、發(fā)散角小、光束質(zhì)量好、波長(zhǎng)穩(wěn)定性好、可靠性高、閾值電流小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，且易于與光纖耦合，易于單縱模發(fā)射和實(shí)現(xiàn)高調(diào)制頻率，加上易于制備二維發(fā)光陣列，大批量生產(chǎn)成本可控，是3D成像、識(shí)別感測(cè)模組的關(guān)鍵器件，廣泛應(yīng)用于光通信和互連、數(shù)據(jù)采集和傳輸、消費(fèi)電子3D成像、數(shù)據(jù)中心及云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛車輛、生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)等領(lǐng)域。
目前，基于VCSEL和SPAD（單光子陣列）的緊湊型全固態(tài)激光雷達(dá)已經(jīng)量產(chǎn)。例如Ouster利用這種基于純芯片的架構(gòu)，不使用移動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，推出了OS0、OS1、OS2三個(gè)系列9款激光雷達(dá)；最近又將數(shù)字激光雷達(dá)技術(shù)擴(kuò)展至日韓兩國工業(yè)和機(jī)器人垂直領(lǐng)域；并牽手英偉達(dá)加速部署自動(dòng)駕駛汽車，基于NVIDIA DRIVE提供專用的NVIDIA DriveWorks插件，幫助客戶將其數(shù)字激光雷達(dá)集成到自動(dòng)駕駛車輛上。
另一家公司Ibeo也是采用基于VCSEL加SPAD陣列的方案實(shí)現(xiàn)二維掃描，其ibeoNEXT固態(tài)激光雷達(dá)方案體積非常小，已在長(zhǎng)城摩卡SUV上車。
還有Valeo，2021年也推出了第二代SCALA和一款近場(chǎng)激光雷達(dá)，后者可以在車輛4個(gè)角代替現(xiàn)有毫米波雷達(dá)或超聲波雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)防撞避障、倒車等功能。這對(duì)VCSEL在汽車上的應(yīng)用有重要意義，能夠讓使用場(chǎng)景變得更加豐富。這種VCSEL加SPAD的小體積方案可以將其集成在后視鏡中，既美觀又實(shí)用。
VCSEL想到哪里去？
VCSEL應(yīng)用趨勢(shì)
從Yole對(duì)VCSEL歷史到未來的展望可以看出，最初90年代實(shí)現(xiàn)工業(yè)化時(shí)主要用處是數(shù)據(jù)通信，如850nm高速激光器，后來在光學(xué)鼠標(biāo)內(nèi)也有應(yīng)用；直到蘋果推動(dòng)第二次浪潮，令3D感測(cè)呈數(shù)量級(jí)增加。人們期待的下一波浪潮是汽車激光雷達(dá)，其數(shù)量未來也非常可觀。激光雷達(dá)過后還有什么？IoT、人工智能或智能互聯(lián)應(yīng)用都會(huì)用到VCSEL。LED最早也是從手機(jī)背光開始，然后是電視背光，再到照明，汽車照明又是一個(gè)浪潮，現(xiàn)在Mini LED和Micro LED光電器件的市場(chǎng)規(guī)模和應(yīng)用在一浪又一浪的批量應(yīng)用中逐步放大。
Insight的市場(chǎng)分析表明，根據(jù)VCSEL技術(shù)的發(fā)展，功率越來越高，作用距離越來越遠(yuǎn)，使用場(chǎng)合也會(huì)逐步豐富。比如從最早的數(shù)據(jù)通信、移動(dòng)傳感器，到車輛監(jiān)控或安防，或自動(dòng)駕駛車輛。所以，其應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)隨著VCSEL技術(shù)的發(fā)展或性能的提高越來越豐富，越來越廣闊。
應(yīng)用場(chǎng)景：功率與距離
挑戰(zhàn)依然
從邊射型激光器到現(xiàn)在的VCSEL走了很長(zhǎng)一段路，蘋果讓VCSEL獲得了行業(yè)的關(guān)注。不過，它所面對(duì)的挑戰(zhàn)也是不一而足。
VIGO亞太區(qū)總經(jīng)理廖明智博士指出，現(xiàn)在激光雷達(dá)還有很多技術(shù)路線之爭(zhēng)，如905nm、1500nm和MEMS等，使用的半導(dǎo)體材料不同，性能方面各有利弊。
過去幾年，VCSEL市場(chǎng)在進(jìn)一步延伸和滲透，特別是車載應(yīng)用也對(duì)VCSEL的性能、可靠性和成本提出了更多和更高要求。另外，還有幾個(gè)重要參數(shù)需要考慮，包括視野、發(fā)射角度、探測(cè)范圍和對(duì)象。相比消費(fèi)類產(chǎn)品，激光雷達(dá)的發(fā)射范圍有明顯不同的要求，前者10米范圍、小功率就能夠滿足需求，而VCSEL用于自動(dòng)駕駛車輛其探測(cè)距離和功率都必須大幅提高，性能及可靠性的要求也要顯著提升。
車載應(yīng)用要求更高
時(shí)下，之所以影響應(yīng)用推廣，還因?yàn)閂CSEL和激光雷達(dá)缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)廠商要滿足的條件非常多，只能根據(jù)客戶要求進(jìn)行定制，影響了產(chǎn)量和成本效益。因此，他希望能夠通過與應(yīng)用廠商和上下游生產(chǎn)廠商的更多合作，盡量形成共識(shí)，提升VCSEL的用量，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的市場(chǎng)化和規(guī)?；?。