垂直腔面发射激光器 (VCSEL) 阵列已成为消费、工业、汽车和医疗行业应用的一项重要技术。虽然基于激光的传感和成像已经可用多年，但随着使用结构光方法将人脸识别集成到手机中的出现，VCSEL 的应用确实得到了扩展。这一市场机会为 VCSEL 在高带宽数据通信领域取得初步成功后创造了第二次繁荣。从那时起，VCSEL 已被纳入越来越广泛的应用领域，包括可穿戴设备、医疗、安全、增强/虚拟现实、无人机、物流、机器人技术、工业安全、乘客监控、手势识别和汽车激光雷达。本文介绍了相关的传感市场、VCSEL 技术的优势以及已证明的性能，还有与光源性能要求相关的关键属性，以及适用于 3D 传感解决方案的高功率 VCSEL 裸片的适用激光设计选项。

1 传感应用

1.1 适用市场

高功率激光器最近在消费市场取得了重大进展。它们已在手机中用作接近和测距传感器、面部识别和 3D 摄像头。3D 摄像头还可以在游戏系统中实现手势识别，并在增强和虚拟现实系统中实现姿态感知。潜在的未来消费者应用包括家庭自动化，包括用于安全的生物特征识别或用于控制电器和电子产品的手势识别。汽车市场也认可 3D 成像和传感的优势。激光在该市场的初步应用将在汽车内部，例如手势识别和驾驶员监控。外部应用包括先进驾驶辅助系统 (ADAS) 中较短距离的 3D 监控，以检测行人或非机动车避免碰撞。在工业市场中，VCSEL 阵列在为工厂和仓库自动化的安全传感器、运动控制和机器人应用提供 3D 视觉方面发挥着重要作用。工业应用还包括用于安全夜视系统的红外照明。用于监视或投递应用的无人机受益于 3D 成像和传感，而 3D 成像可以帮助构建用于施工的 CAD 模型。医疗市场的应用也在不断涌现。除了前面提到的众多好处之外，可见光和 IR 3D 成像通过揭示组织氧合和高分辨率患者扫描系统的差异，为更传统的 X 射线或 MRI 成像方法提供了补充信息。高功率激光器也可用于低能力激光生发治疗应用。

图一

1.2 3D 传感方法

VCSEL通过提供具有独特特性和成本优势的光源，实现了 3D 传感和成像的变革。近年来，3D 传感应用推动了激光技术的大部分创新。基于激光成像的技术路线已经多样化，包括立体视觉 (SV)、结构光 (SL)、飞行时间 (ToF) 以及这些方法的混合方法。立体视觉 (SV) 使用两个相机，相机之间具有已知的间隔，从两个角度拍摄图像以重建 3D 图像。这包括用于夜视摄像机的照明，以在广角范围内实现恒定、均匀的照明。然而，传感器可以基于多种机制，将激光源与多个摄像头相结合，以捕获用于复杂算法的多个视图，并计算可以附加到最终渲染图像的 3D 深度信息。结构光 (SL) 方法投射已知的光图案，将观察到的深度失真转换为有关被照射物体的三维信息。在结构化照明中，将图案施加在光源（点、线等）上，然后使用高分辨率相机检测光结构中的失真，以通过三角法估计物体深度。这种方法需要更复杂的光学投影系统来提高 3D 测量分辨率并降低算法复杂度。飞行时间 (ToF) 依赖于测量短激光脉冲的时间延迟。在直接飞行时间 (dToF) 中，时间选通相机测量光脉冲的往返飞行时间。dToF 是长距离的理想选择，但距离分辨率受限于激光电子设备的脉冲宽度和一致性。这种方法的一种变体是间接飞行时间 (iToF) 方法，它调制脉冲序列并测量反射光信号的强度相移以估计行进距离。iToF 中的多个信号被收集和平均以提高距离测量的分辨率，但其性能通常仅限于短距离应用。

图二

1.3 照明光源要求

对光源的要求取决于应用和使用的传感机制。每种方法需要考虑VCSEL照明的各种工作条件，如峰值光功率和脉冲条件等。在VCSEL性能方面，优化激光输出功率、效率和光束发散度是至关重要的。虽然最大限度地提高激光效率一直是 VCSEL 开发的目标，但 3D 传感解决方案也在改善其他关键特性以接近理想照明光源。这些应用对光源的一些重要要求包括：

• 光功率：照明目标区域需要足够的功率。对于长距离和宽视场 (FoV) 应用，光功率可超过 100 W。对于车辆和运输应用，激光解决方案需要 > 1 kW 的峰值光功率才能用于自动驾驶汽车中的 LIDAR。
• 功率转换效率 (PCE)：高效率的光电转换有利于产品的移动性。对于消费类设备和自动驾驶汽车来说尤其如此，因为它们的电池寿命很大程度上取决于环境感应和照明。此外，实现所需照明功率所需的热解决方案可降低重量和产品成本。
• 光谱波长：对于大多数人机交互应用，照明最好在红外区域内，这样对人眼不可见。另一方面，低成本的硅光电探测器或相机无法检测光谱红端的波长。因此，最理想的波长范围是在 800nm 到 1000nm 之间。以 940nm 工作的激光器有利于户外应用，因为大气中的水分吸收降低了该波长的太阳辐射噪声。
• 光谱宽度和稳定性：阵列的光谱宽度对于与过滤器一起使用时，过滤背景辐射很重要。背景辐射（包括阳光）的存在会降低传感器或相机的信噪比。这可以通过探测器或相机上的光谱过滤器进行补偿。当使用的照明光源具有窄而稳定光谱时，可以使用更有效的陷波滤波器。
• 光束发散：当使用准直光学器件进行图案投影或使用漫射光学器件进行均匀照明时，窄的对称光束是理想的光采集和光分发。
• 封装方案：封装为光源提供电气和光学接口。它可以结合一个光学元件来控制光束轮廓并且可以生成结构化的照明图案。特别是对于移动设备，整体包装应尽可能紧凑。

2 半导体光电器件

基于半导体的NIR光源主要有 3 种类型，但由于各自的设计特点，每种半导体光电器件的性能各不相同。它们都始于在砷化镓或磷化铟衬底上生长单晶半导体层。然后通过光刻图案化晶片来创建单个器件。发光二极管 (LED) 从晶圆的顶面发光，可以在晶圆级进行测试。相比之下，激光器需要发光的材料和腔体来提供反馈以实现受激发射。边缘发射激光器 (EEL) 的腔体是通过切割晶片和抛光端面形成的。由于设计原因，光是从芯片的切割边缘发出的，因此在封装之前无法测试 EEL。VCSEL 的腔体通过生长由两种不同折射率的交替层形成的生长镜在晶体内构建，从而形成分布式布拉格反射器 (DBR)。利用两个布拉格反射器之间的发光层，形成了一个腔，该腔产生从晶片表面辐射的受激发射。与 LED 一样，VCSEL 也可以在晶圆上进行测试。这通过在包装前对非功能性芯片进行分类来降低生产成本。因此，VCSEL 将 LED 的制造优势与 EEL 的性能优势相结合，具备高光束质量和波长稳定性的关键优势。此外，VCSEL 的垂直发射特性可以利用为 LED 开发的表面贴装封装。封装为 VCSEL 阵列提供电气和光学接口，以及机械保护。VCSEL 经常组合成包含光学器件和/或驱动器的模块，以创建所需的照明特性。VCSEL 设计和集成中的创新方法可以使封装提高照明光源性能和焊接。

图三

3 VCSEL 性能优势

功率转换效率 (PCE) 是输出光功率除以用于驱动设备的输入电功率之比。VCSEL 的 PCE 在 800-1000nm 的波长范围内可高达60%，这通常优于大多数 LED 的效率。当考虑光谱宽度和光束发散度时，对于完整的照明模块，效率优势变得更加明显。VCSEL 几何结构限制了单个 VCSEL 可以高效提供的光功率量。单个 VCSEL 可以处理的最大电流密度以及电流在较大直径孔径上可以有效传播的距离都有限制。因此，可以从单个孔径发射的最大功率是有限的。对于需要更多功率的应用，在芯片上创建了多个并行运行的 VCSEL 孔径。高功率 VCSEL 的终极解决方案，是开发具有多个孔径的更大 VCSEL 裸片，每个孔径都以峰值功率运行以满足传感照明要求。由于 VCSEL 孔径的圆形设计，来自 VCSEL 的光束是圆形的，与其他半导体光电技术相比，发射角要窄得多。VCSEL 的光束发散角通常为 10-25 度半峰全宽 (FWHM)。可以使用光学元件聚集来自 VCSEL 的全光束，这些光学元件包括用于聚焦光束轮廓的微透镜阵列 (MLA)、用于宽光束的漫射光学元件或用于生成图案的衍射光学元件 (DOE)。此外，与传统的高功率 EEL 相比，阵列中的 VCSEL 孔径是非相干的，这一事实减少了散斑现象。该解决方案的一个重要优点是，相互不相干的激光器阵列提供了低散斑照明图案，同时仍为陷波滤波器保持窄线宽。大功率 VCSEL 阵列通常用于脉冲操作。在这种模式下，会产生高峰值功率，从而提高信噪比，而脉冲操作可用于将平均功率保持在人眼安全范围内。VCSEL 阵列的输出功率也受到操作期间自发热的限制，因此脉冲操作通常可以产生显着更高的峰值输出功率。可以使用更窄的脉冲宽度和更低的占空比来实现更高的峰值光功率输出。与 EEL 一样，VCSEL 可以用小于 10ns 的极短脉冲宽度驱动。由于LED上升时间慢，这通常比 LED快一百倍。高功率 VCSEL 的光谱宽度约为 1nm。相比之下，LED 通常具有 20-50nm 的光谱线宽，导致陷波滤光片滤除大部分光，从而降低 LED 的有效 PCE。此外，VCSEL的波长偏移对温度不太敏感，每增加1摄氏度仅增加0.06nm。这种随温度变化的变化比 LED 或法布里-珀罗 EEL 中的波长变化小 4 倍。这允许使用带有滤光片的光电探测器或照相机来减少与背景太阳辐射相关的噪声。VCSEL 技术解决了 3D 传感和成像所需的属性，包括功率效率、将窄光谱宽度与低散斑照明源相结合的能力、窄光束发散角以及显著的封装灵活性。

4 VCSEL 设计解决方案

4.1 先进的 VCSEL 设计

凭借在可扩展 2D 芯片中包含多个激光发射器的高功率 VCSEL 产品，该框架可提高 VCSEL 设计和应用的灵活性，以用于 3D 传感应用。利用投影光学器件，发射器阵列可以成为具有光刻分辨率的点投影照明源，用于结构光应用。VCSEL 发射器的结构可以通过使用衍射光学元件 (DOE) 进一步复合，以创建复杂的结构化图案，从而提高传感应用中的 3D 测量分辨率。

图四

VCSEL 裸片可设计用于提高照明能力。提高性能的一种方法是利用分段可寻址阵列。传统的 VCSEL 管芯是二元光源，因此激光照明源需要适当数量的单个激光管芯。或者，可以将 VCSEL 裸片分段并与适当的光学器件配对，以依次照亮视场中的不同部分，以补偿探测器阵列的有限尺寸并减少探测区域中高反射率物体的眩光。将 VCSEL 裸片分割成可寻址单元使 VCSEL 能够进行 FOI 调整，以改善照明和传感控制。如果每个段可以针对 FOI 中的一个子单元，则可以调整每个段以控制信号强度、提高模块效率并减少来自照明目标的不需要的眩光。VCSEL 还可以合并用于不同功能的段，以将多个传感功能组合到一个封装中。例如，可以在同一个 VCSEL 裸片上将低功率段和高功率段合并在一起，以分别组合接近感应和泛光照明。

图五

4.2 倒装芯片 VCSEL

VCSEL 集成的下一个级别是开发可以凸点键合到基板上的倒装芯片 VCSEL。与需要额外空间进行引线键合的顶部发射 VCSEL 相比，这种设计减少了占位面积。倒装芯片 VCSEL 可以更靠近或直接接合在激光驱动器芯片的顶部，以进一步减小封装尺寸和寄生电感。该设计将阴极和阳极触点与晶圆原始顶面上的凸点结合在一起，以及焊料凸点，通过随后的焊料回流连接到基板。VCSEL设计用于将光向下发射到 GaAs 晶圆的衬底侧，因此芯片被翻转以实现向上发射。除非从晶圆上去除衬底，否则工作 VCSEL 波长必须长于 900 nm，以避免 GaAs 衬底的过度吸收。由于其独特的设计，倒装芯片 VCSEL 表现出更高的功率密度。传统的顶部发射 VCSEL 受限于 20 μm 直径的孔径，因为难以将电流扩散到开孔。相比之下，倒装芯片 VCSEL 中的孔径可以完全金属化，从而显著改善更大尺寸孔径上的均匀电流分布，在孔径直径高达 100 μm 的情况下性能下降极小。

图六

4.3晶圆集成光学

照明模块的开发需要的不仅仅是高性能 VCSEL 芯片。从 VCSEL 发出的光必须成形为能够正确照亮目标照明场的轮廓。未来几代的 VCSEL 集成将在改进 FOI、封装小型化和更快上升时间的趋势上继续改进。第一代 VCSEL SMD 封装涉及将光束整形光学器件集成到模块中。在下一代模块中，光学元件可以集成到倒装芯片 VCSEL 的顶部，以进一步减小模块的尺寸。微透镜阵列 (MLA) 可以沉积在倒装芯片 VCSEL 上，每个透镜对准功率阵列中的相应孔径，孔径间距减小，对准精度提高。或者，可以将漫射器和全息图案应用到倒装芯片 VCSEL 裸片上，以扩展和塑造输出光束以实现宽照明度，并确保光源对眼睛无害，而无需外部光学器件。MLA 和漫射器图案均可用于控制光束宽度和角度方向，可应用于分段 VCSEL，以改善 3D 传感应用中的分段照明。

图七

5 概括

光学传感正在成为各种市场的关键技术。包括结构化照明和飞行时间在内的多种方法决定了对光源的性能要求。光学 3D 传感的其他要求，例如输出光束轮廓和眼睛安全要求，在照明源中是必不可少的。半导体激光器满足这些要求，VCSEL 特别适用于需要小尺寸、高效率和窄光谱的应用。3D传感技术在消费者、工业和汽车市场的出现，以及对需要这种技术的应用需求的增加，导致VCSELs市场的第二次显著扩张。这些应用的首选性能特征在许多方面与以前的要求不同，这推动了 VCSEL 技术的创新。对 VCSEL 技术的投入能够持续提高多个工作波长的效率、峰值功率和脉冲上升时间。随着芯片分割的出现，VCSEL 也可以设计用于灵活和多功能的激光照明。未来对提高脉冲性能和进一步小型化的要求导致了倒装芯片 VCSEL 技术的出现。所有这些已知的技术进步都可以集成到下一代 VCSEL 模块中，并且由于消费、工业和汽车市场的强劲经济需求，预计将在未来几年内用于商业应用。

原文来源：http://vixarinc.com