发射功率从 500mW 到 10W 的 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。

1 应用和要求

高功率光源的消费类应用主要是消费电子产品的传感器、手势识别和 3D 扫描设备。感应目标的范围可以从感应手机的“滑动”动作到交互式游戏系统的复杂手势识别。器件还可以作为 3D 扫描仪集成到消费电子产品中，记录物体或空间的形状，以创建数字 CAD 文件，以后可以对其进行操作或将其输入 3D 打印机。

工业应用还包括照明应用、传感或扫描。红外照明可用于安全系统中的夜视，而传感器可用于工厂或物流自动化的运动控制，扫描仪可用于建筑。

基于光学设备的汽车传感器正在开发用于避免碰撞，并最终用于自动驾驶车辆。

图1：VCSEL 结构示意图。

对于需要更多功率的应用，解决方案是在芯片上创建多个并行运行的 VCSEL。该解决方案的一个重要优点是为相互非相干光源的阵列提供了低散斑照明光源，该光源也是窄线宽光源。阵列芯片的照片如图 2 所示。

图 2：具有 60 个独立 VCSEL 的 VCSEL 功率阵列。在芯片的右侧可以看到与封装的引线键合。

对光源的要求取决于应用和使用的传感机制。夜视摄像机的照明可能涉及简单地打开光源以便在广角上形成恒定的均匀照明。然而，传感器可以基于将光源与一个或多个光电探测器或照相机相结合的多种机制。图 3 说明了用于收集所有三维信息的一些机制。

在结构化照明中，在光源上施加一种图案（点、线等），然后使用一个或多个相机来检测光结构中的变形以估计距离。距离也可以通过飞行时间方案来测量，使用时间门控相机来测量光脉冲的往返飞行时间，或者调制光束并测量返回光的相移以估计行进距离。

图3：用于手势识别传感器的机制图示。

（a)结构化照明

(b)飞行时间

(c)调制相移

这些应用对光源的一些重要要求包括：

光输出功率：照明目标区域需要足够的功率。其范围可以从 10 毫瓦的光功率（用于几厘米的感应范围）到数百毫瓦（用于游戏或感应距离超过1~2米），再到 10 瓦（用于防撞系统）和千瓦的总功率（用于自动驾驶汽车）。

电源效率：特别是对于移动消费设备，将电能转换为光能的高效率是有利的。

波长：对于大多数消费、安全和汽车应用来说，照明对人眼来说最好是不可见的，因此波长是在红外区域。另一方面，低成本的硅光电探测器或相机限制了光谱长端的波长。因此，对于这些应用，最理想的波长范围是 800 到 900nm 之间。然而，一些工业应用更喜欢可见光源来校准传感器，而一些医疗应用则依赖于组织的吸收光谱，或在可见光区域（主要在 650-700nm 附近）具有敏感性的材料。

光谱宽度和稳定性：太阳光等背景辐射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。然而，在不损失效率的情况下实现这一点需要具有窄且稳定光谱的光源。

调制率或脉冲宽度：对于基于飞行时间或调制相移的传感器，调制速度或光源的调制率可以确定三维空间分辨率。

光束发散度：可能会指定多种光束发散度，具体取决于传感器是针对特定点或方向还是大区域。

封装：封装为光源提供电气和光学接口。它可以包含有助于控制光束轮廓并可以生成结构化照明图案的光学元件。特别是对于移动设备，整体封装应尽可能紧凑。

2 VCSEL 技术的优势

VCSEL 为光学传感和照明应用提供了多项优势，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着的封装灵活性。

在 800-900nm 范围内的波长可以实现 40% 或更高的功率转换效率 (PCE)。功率转换效率是光功率除以用于驱动设备的电功率的比值。单独的 VCSEL PCE 优于大多数 LED，当考虑光谱宽度和光束发散度时，效率优势变得更加明显。

功率阵列的光谱宽度约为 1nm。这允许将滤光片与光电探测器或照相机一起使用，以减少与背景辐射相关的噪声。相比之下，LED 通常具有 20-50nm 的光谱线宽，导致该滤光片拒绝大部分光，从而降低 LED 的有效 PCE。此外，VCSEL 的波长对温度的敏感性较低，每升高 1 摄氏度仅增加 0.06nm。VCSEL 波长随温度变化的速率比 LED 低 4 倍。另一方面，与传统的高功率激光器相比，阵列中的 VCSEL 是非相干的这一事实可以减少散斑。这是一个独特的组合：低散斑光源，也具有窄光谱宽度。

VCSEL 的光束发散角通常为 10-30°（FWHM），而 LED 是朗伯光源。这意味着可以使用各种光学元件收集 VCSEL 的所有光，例如用于准直或聚焦光束轮廓的透镜、用于宽光束（40-90 度或更大）的扩散器或用于产生斑点或线条的图案。由于 LED 的宽光束角，难以收集所有光（导致 PCE 进一步退化），并且也难以像使用 VCSEL 一样尽可能精确地管理它。

VCSEL 的垂直发射特性使其具有比传统激光器更大的封装灵活性，并为使用可用于 LED 或半导体 IC 的各种封装技术打开了大门。可以将多个 VCSEL 集成在单个芯片上以形成高功率阵列，也可以更轻松地与光电探测器或光学元件封装在一起。VCSEL 提供塑料或陶瓷表面贴装封装或板上芯片选项。

3 功率阵列技术（以Vixar相关产品为例）

3.1 连续波 (CW) 功率

可以缩放阵列大小以实现输出功率。对于特定的功率目标，有一个尺寸可以优化功率效率。图 4 显示了一系列阵列尺寸以及 680nm 和 850nm 阵列的输出功率与电流的关系。

图4：针对不同输出功率的阵列示例。

(a)850nm 50mW

(b)850nm 800mW

(c)850nm 4W

(d)680nm 350mW

3.2 脉冲功率

高功率阵列经常用于脉冲操作。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。图 5 (a) 说明了以 20 ms脉冲宽度和 1% 占空比脉冲的阵列的输出功率。与 600mW CW 峰值输出功率相比，脉冲输出功率在 1.4A 时大约翻倍至 1W。对于 680nm VCSEL 阵列，脉冲输出功率增加到接近 700mW 峰值功率，而 CW 峰值功率为 400mW，如图 5(b) 所示。功率的增加是脉冲宽度、占空比和环境温度的函数。例如，更短的脉冲将提供更高的峰值功率。

图 5：样本阵列的 CW 和峰值脉冲输出功率。 

(a)850nm VCSEL 阵列

(b)680nm VCSEL 阵列

3.3 电源效率

高功率转换效率对于消费类移动设备尤为重要。图6 描绘了在 1A 时发射 800mW 的器件实现的功率转换效率。在很宽的电流驱动范围内，功率转换超过 40%。

图 6：大功率阵列的功率转换效率为 40% 的图示。

3.4 功率密度

功率密度是另一个感兴趣的参数，特别是对于消费类设备。空间非常宝贵，因此较小的芯片有利于小型化和低成本。图 7 中所示的 VCSEL 阵列实现了 5W/mm2 CW 输出功率密度，当以 20 µs 脉冲宽度和 1% 占空比进行脉冲时，输出功率密度为 7.8W/mm2。

图 7：高功率密度阵列的图示。

(a) 5W/mm2 操作的 CW。

(b)7.8W/mm2 脉冲操作。

(c)具有 0.4mm x 0.4mm 有效区域的阵列照片。

3.5 输出功率与温度

高功率 VCSEL 阵列将在传感器、消费类、医疗或汽车设备中得到应用，在这些设备中，环境温度可能因自热或附近电子元件散发的热量而升高。希望器件性能和效率对温度相对不敏感。图 8 是 459 孔的高功率阵列的数据。在 25°C 至 85°C 的环境温度范围内以及在 CW 和脉冲条件下输出功率与电流的关系。在后一种情况下，脉冲宽度为 1 毫秒，占空比为 5%。在 CW 条件下，在 70°C 和 85°C 下观察到一些性能下降，但在脉冲运行时输出功率在整个温度范围内保持相当稳定，在 85°C 下运行时会出现一些轻微的功率下降。

图 8：在 (a) CW 条件和 (b) 脉冲条件下，在一定温度范围内输出功率与电流的关系，脉冲宽度为 1 毫秒，占空比为 5%。

(a)

(b)

3.6 光谱宽度

阵列的光谱宽度对于与过滤器一起使用以抑制背景辐射很重要。图 9 显示了在 700mA 驱动电流下从阵列获取的频谱。阵列耦合到积分球中，并且光纤连接到积分球的端口，因此从阵列发出的所有光都被采样。请注意，相对强度是对数刻度。光谱的 FWHM 约为 0.7nm，与单个 VCSEL 器件相同。这是意料之中的，因为晶片上相邻 VCSEL 的波长往往非常紧密地聚集在一起。该器件的峰值波长每摄氏度偏移 0.06nm，比 LED 或传统激光器慢 4 倍。

图 9：具有 60 个独立 VCSEL 孔的 VCSEL 阵列的光谱。

3.7 封装
 

封装为 VCSEL 阵列提供电气和光学接口，以及机械保护。高功率阵列的封装具有额外的挑战，即必须管理热功率耗散。从阵列中去除的热量不理想会导致器件性能下降。

VCSEL 的垂直发射特性使我们能够利用为 LED 和集成电路开发的表面贴装封装。图 10(a) 显示了封装在塑料表面贴装封装（特别是 PLCC 或塑料引线芯片载体）中的阵列照片。在连接和引线键合芯片后，通过用光学透明的密封剂填充腔体来保护它。图 10(b) 展示了 Vixar 开发的定制封装，其中 VCSEL 直接安装在电路板上，间隔层放置在芯片周围，然后在顶部表面放置散射体。还可以将衍射光栅或透镜连接到该封装的顶部表面。图 10(c) 提供了将各种组件组合成子组件的示例。电路板包含多个直接在电路板上首尾相连的线性 VCSEL 阵列，以及电路用于控制 VCSEL，以创建没有移动部件的激光扫描仪。它还与渐变折射率透镜 (GRIN) 阵列集成，以将光束聚焦到光点阵列。该组件通过依次点亮阵列中的每个 VCSEL 来充当没有移动部件的扫描仪。

图 10：(a) VCSEL 阵列表面贴装 PLCC 封装。(b) 带有漫射器的定制板上芯片 (c) 用于扫描仪的子组件，将线性 VCSEL 阵列集成在带有驱动电子设备的板上。

(a)

(b)

(c)

这三个示例说明了高功率阵列存在的一些封装选项的广度，以及 VCSEL 如何与光学器件或其他组件（如 IC）集成。还有许多其他的封装选择。VCSEL 也可以连接到具有高导热性的硅或陶瓷底座上。

封装 VCSEL 的重要方面之一是能够结合光学器件来控制光束轮廓。人们可能希望使用透镜或透镜阵列准直或聚焦光束，使用漫射器扩展和均匀化光束，或使用全息光栅创建光点阵列。图 11 提供了光束如何成形的示例。图 11(a) 包含光束强度与角度的关系图，说明了多模 VCSEL 经常观察到的环形光束轮廓。在 11(b) 中，该轮廓使用漫射器转换为均匀的宽光束角照明。图 11(c) 说明了圆环模式形状的多模式 VCSEL 阵列转变为顶帽形状的照明，其中照明在一个角度阵列内是均匀的，然后迅速下降到零。

图 11. (a) 多模 VCSEL 功率阵列的典型光束轮廓。(b) 具有漫射器的 VCSEL 的角度轮廓。(c) 定制光学器件的结合可以在指定的角度范围内创建平顶轮廓。

(a)

(b)

(c)

3.8 驱动集成

VCSEL 本质上是快速响应器件。在实际应用中实现快速响应需要注意封装和匹配合适的驱动电路。图 12 展示了高功率 VCSEL 阵列与为高功率激光器设计的基于 IC 的驱动器的集成。该图显示了用 1 A 脉冲驱动时 VCSEL 阵列的光输出。脉冲宽度为 20nsec，上升和下降时间为 5nsec 或更短，适用于飞行时间传感。

图 12：由基于 IC 的激光驱动器驱动的 VCSEL 阵列的光输出脉冲形状。脉冲宽度为 20nsec，电流为 1A。脉冲的上升和下降时间在 5 纳秒的范围内。

4 结论

光学传感正在成为各种市场的关键技术。结构照明和飞行时间这两种主要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，在光学模块设计中是必不可少的。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。

原文来源：www.vixarinc.com