VCSEL与3D传感：互相促进、互相成就
2021-10-18 13:59:07   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询介绍，垂直腔面发射激光器（VCSEL）最初主要用于高带宽数据通信，近年来，消费电子、工业和汽车领域3D传感应用的兴起，为VCSEL带来了第二波重大机遇。现在，VCSEL应用范围越来越广，包括可穿戴设备、医疗、安防、增强现实/虚拟现实（AR/VR）、无人机、物流、机器人、工业安全、乘员监控、手势识别以及激光雷达（LiDAR）等。

基于VCSEL的3D成像已经超越了传统立体视觉方案，主要包括结构光和飞行时间（ToF）方案及其混合应用。传统立体视觉利用两个已知间隔距离的摄像头从不同角度拍摄，然后利用算法构建3D图像。结构光方案通过投射已知的光点图案，将捕捉到的光点图像失真转化为被摄物体的3D信息。ToF方案则依赖测量激光脉冲到物体之间的往返时间或相位差来构建场景或物体的3D图像。

VCSEL广泛应用于工业、消费、医疗和汽车市场（来源：ams OSRAM）

结构光和ToF方案都需要在宽泛的工作条件下（包括峰值光功率和脉冲参数等）利用VCSEL照射目标场景。优化激光器输出功率和效率、光束发散角等对于VCSEL性能至关重要。此外，VCSEL芯片设计，以及在用户特定模块中的高效集成也将成为VCSEL未来能否实现更多应用导入的关键。VCSEL通常被集成到包括光学元件和/或驱动器的模块中，以创建所需要的照明配置。VCSEL设计和集成方面的创新可以优化封装，从而改善器件的占位面积和激光器性能。

提高功率输出

虽然，最大限度地提高激光效率一直是VCSEL开发人员的目标，但是，3D传感应用一直在挑战VCSEL光源的峰值功率密度极限。传统上，为了达到3D传感应用所需要的功率水平，需要更大的VCSEL发光孔阵列。但单个发光孔之间的热串扰限制了VCSEL的峰值效率和功率密度，导致在发光孔间距和阵列数量之间进行权衡。

标准的1平方毫米VCSEL芯片可在高达80℃的相对较长脉冲宽度（>1 ms）下产生3 W的可用峰值功率。虽然更大的发光孔间距和更多的发光孔数量可以提升高温下的总功率输出，但这种改进的代价是更大尺寸的芯片，最终导致更高的生产成本，无法显著提高VCSEL功率密度。在设计VCSEL芯片尺寸时需要权衡以防止热退化。

尽管目前VCSEL主要应用于手机和汽车应用领域的3D传感，但在工业和医疗领域它们也扮演着类似及补充的角色。机器人和物流领域都需要先进的自动化，它们利用VCSEL提供更完整的接近传感和物体测量方法。借助带通滤光片，窄线宽有助于抑制不必要的环境噪声，瞄准特定吸收波长还可以检测元素及其特性。

VCSEL的窄线宽有利于工业和医疗应用，因为它可以高度可控地测量能量传递，以其高度的光谱选择性实现原子传感、光疗和工业加热等功能。

基于VCSEL、EEL、红外LED照明的多样化3D传感方案：直接飞行时间、间接飞行时间、立体视觉以及结构光（来源：ams OSRAM）

突破性的性能改进，需要通过开发多结VCSEL来重新设计VCSEL芯片和外延生长工艺。利用由隧道结分隔的多个有源区可以增加激光增益并降低VCSEL腔内的电流要求。多结结构设计的优化可以显著提高效率和输出功率密度，以支持高速应用及其它高要求应用。

多结VCSEL包含夹在分离的多量子阱发光区之间的高掺杂隧道结。通过优化控制隧道结掺杂，可以降低电流通过的电阻。激光由多量子阱中的载流子复合产生，因此有效地扩展了激光腔内的增益区域。隧道结掺杂需在内部电场最小值处高度集中，以减少腔内不必要的自由载流子吸收。

所需的电压必须克服每个多量子阱的正向偏置和隧道结的反向偏置，以使电流流过激光器。达到开启电压后，单结、三结和五结VCSEL的电压电流斜率几乎相同，表明增加的隧道结几乎不会增加额外的串联电阻。结果显示，三结VCSEL效率测量值达到创记录的60%，五结VCSEL效率测量值达61.5%。不仅如此，可以在更宽泛的驱动条件下实现高效率（>50%）。

多结VCSEL表现出斜率效率的提高，并且显著降低了达到目标功率所需要的电流。降低正向电流要求还可以减少电阻中不必要的内部发热，从而改善VCSEL的温度性能。斜率效率的提高对高速应用的脉冲上升时间也有显著影响。

由于克服寄生电感所需要的电流显著降低，多结VCSEL可以实现更快的上升时间（dI/dt）以达到目标峰值功率。斜率效率与隧道结的数量近似成正比，因此在更窄的脉冲宽度内可以实现更高的电流和功率密度。

多结VCSEL技术也有利于远距离汽车激光雷达的开发，因为多结VCSEL可以提高脉冲上升时间和输出功率密度。多结技术可以应用于各种工作波长的VCSEL。五结905 nm VCSEL的实验结果表明，在105℃时峰值功率密度>2 kW/mm²，125℃工作温度下的输出功率降低< 25%，这种温度稳定性可以满足汽车高温应用环境的要求。

多结VCSEL结构示意图

照明模块的开发不仅需要高性能VCSEL芯片，还必须对VCSEL发出的光进行整形，以满足目标区域的照明需求。第一代VCSEL的表面贴装器件（SMD）封装，涉及在模块中整合光束整形光学元件。下一代封装整合了一颗驱动芯片，既可以实现小型化，又可以为高速和ToF应用降低寄生电感。未来几代VCSEL集成的目标是在增强照明、小型化封装以及更快的上升时间等方面进行改进。

用于VCSEL的表面贴装器件（SMD）封装，可以为各种应用设计整合光束整形光学元件（a、b）以及改进的电气集成（c）（来源：ams OSRAM）

VCSEL芯片设计可以为激光器集成商改善封装要求提供所需要的功能。提高VCSEL性能的一种方法是采用分区的可寻址阵列。传统VCSEL芯片是“二元”光源，因此，多个激光照明源需要一定数量的单个激光芯片。

或者，可以将VCSEL芯片分区并与适当的光学元件配对，顺序照亮视场中的各个区域，以补偿探测器阵列有限的尺寸，并降低探测区域高反射率物体的眩光。

将VCSEL芯片分割为可寻址单元使VCSEL能够进行照明场调节，以改善照明和传感控制。如果单个VCSEL区域可以瞄准照明场中的一个子单元，则可以调整各个区域以控制信号强度，提高模块效率，并减少来自照明目标的眩光。具有定制发光孔阵列的分区域VCSEL可以和投影光学元件及衍射光学元件相结合，为先进的结构光算法构建灵活的点阵图案。

VCSEL还可以整合不同功能的区域，将多个传感功能组合到一个封装之中。例如，低功率和高功率区域可以合并在同一颗芯片上，以分别提供接近传感和泛光照明功能。

倒装芯片VCSEL

下一代集成的方向是开发可以凸点键合到硅衬底上的倒装芯片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可以更靠近或直接键合到激光驱动芯片的顶部，以进一步减小封装尺寸和寄生电感。此外，光学元件可以集成到芯片的背发射侧，以进一步减小模块的尺寸。

（a）“二元”VCSEL示意图、（b）1D线性可寻址VCSEL示意图和（c）包含接近传感和2D泛光照明的分区VCSEL示意图（来源：ams OSRAM）

为了获得所需要的照明场，传统的顶部发射VCSEL需要外部光学扩散片（diffuser）来整形VCSEL的输出光束。该扩散片必须与VCSEL发光孔保持最小距离以正常工作。这种解决方案需要在恶劣环境中坚固耐用，以防止扩散片破裂或分离时，激光对人眼安全造成危害。

或者，通过使用砷化镓（GaAs）VCSEL衬底，将光学扩散片图纹沉积或蚀刻到倒装芯片VCSEL上，可以进一步降低器件高度。将光学元件直接集成到倒装芯片VCSEL上，为宽照明扩展并整形输出光束，确保了光源的人眼安全，而无需高鲁棒性的封装解决方案。

顶部发射VCSEL需要外部光学元件以实现有效的光束整形（左）；晶圆级光学元件可以直接构建在倒装芯片VCSEL上，用于光束整形（右）（来源：ams OSRAM）

该设计将阴极和阳极触点与晶圆原始顶面上的凸点键合在一起，以及用于后续回流焊连接子底座或印刷电路板（PCB）的焊料凸点。VCSEL将光向下发射到GaAs晶圆的衬底侧，从而可以翻转（flipped）芯片以实现向上发射。除非将衬底从晶圆移除，否则VCSEL工作波长必须大于900 nm，以避免GaAs衬底的过度吸收。

倒装芯片VCSEL由于其独特的设计而表现出更高的功率密度。传统的顶部发射VCSEL由于难以在出光孔中传播电流而限制在20 μm的孔径。相比之下，倒装芯片VCSEL中的发光孔可以完全金属化，从而显著改善了更大尺寸孔径上的均匀电流分布，孔径大到100 μm的性能退化也很小。

消费电子、工业和汽车领域3D传感技术的兴起，以及对该技术应用需求的不断提高，为VCSEL带来了第二波市场机遇。这些应用对VCSEL功能和特性的需求各异，因而在多个方向上推动了VCSEL技术的创新。

多结VCSEL技术的开发使得VCSEL在多个工作波长下的效率、峰值功率以及脉冲上升时间得到了持续改进。随着芯片分区技术的出现，VCSEL还可以实现更灵活且多功能的激光照明。

提高脉冲性能和进一步小型化的需求推动了倒装芯片VCSEL技术的出现。所有这些技术进步都可以集成到高性能、定制化的下一代VCSEL模块中。并且，由于消费电子、工业和汽车市场的强劲需求，这些新的芯片设计和封装技术预计将在未来几年内实现大规模商业应用。

作者简介

本文作者Kevin Kruse博士是ams OSRAM高级应用工程师。他负责协助客户进行产品设计和制造，研究光电子市场的技术趋势，并提供技术培训等服务支持。Kruse在2015年获得密歇根理工大学电气工程博士学位，已在ams OSRAM工作五年多。

延伸阅读：

《传感应用的VCSEL技术及市场-2021版》

《飞行时间（ToF）传感器技术及应用-2020版》

《激光雷达产业及核心元器件-2020版》

《AR/VR/MR光学元件和显示器-2020版》