激光雷达缘起VCSEL

2021-12-16 10:53

文︱立厷

图︱网络

知名分析机构Yole Developpement前不久的《VCSEL——2021年技术和市场趋势》报告指出，在数据通信和移动应用推动下，全球VCSEL（垂直腔面发射激光器）市场将在2026年达到24亿美元，年复合增长率为13．6％；目前最大市场是手机和消费电子，预计同期将达17亿美元，年复合增长率为16．4％。数据通信是VCSEL第二大市场，预计2021年将产生4．3亿美元的收入，2026年将达到5．66亿美元，年复合增长率为5．6％。

报告指出，多结技术代表VCSEL行业的下一个飞跃，将加速VCSEL在汽车领域的应用，激光雷达（LiDAR）将是典型的应用场景，加上5G网络增加了对高速光模块的需求，这些都为VCSEL带来了更多市场机遇，不过，有一些技术挑战仍需面对。

VCSEL从哪里来？

从VCSEL结构看，它和普通边发射激光器（EEL）的最大区别在于，在腔体内其光场振荡是沿垂直方向，电流注入方向也是垂直的，所以电流注入和光场振荡方向平行，而边发射结构的振荡和电流是垂直的。

VCSEL的基本结构

感谢老鹰半导体首席科学家莫庆伟博士提供了一张老照片，说明VCSEL诞生走到今天真的很不容易。1965年，美国林肯实验室的Ivars Melngailis最早提出了类似VCSEL的概念，是在普通IGBT激光器上加了一个高反射电极，又做了隔断，所以强迫电流从右向左注入，同时强迫光场左右之间来回振荡，这就具有了现代VCSEL的基本形态。

VCSEL的诞生

这样得到的激光器虽然样子还是边发射器，但光发出的方向实际上是从底部发出，本质上已经很接近现代VCSEL激光器的雏形了。当然，当时是基于锑化铟（InSb）材料体系，参数并不好，50ns脉冲，在10K超低温条件下电流阈值为20A（600A／mm2），但这已经很不容易了。

现代真正的VCSEL公认的发名者是东京技术大学的教授Kenichi lga。1977年，他在实验室笔记本上画出了VCSEL图形。后来他对VCSEL的发展做出了很多非常重要的贡献。

从发展历程看，最早的VCSEL始于1962年的红外波长半导体激光器；1964年出现了第一个接近VCSEL的纵向电流注入面发射激光器；1979年Kenichi lga在实验室实现了其1977年的概念；1984年实现了室温脉冲，越来越接近实用，之前是脉冲加低温。之后，贝尔实验室的很多人前赴后继，做DBR（分布布拉格反射）、离子注入等各种各样的VCSEL研究。1994年，在奥斯汀实现了湿法氧化技术，最后由霍尼韦尔把VCSEL带到了实用阶段，后来霍尼韦尔VCSEL业务被Finisar收购。

VCSEL发展历程

不同使用场景各取所需

除了数据通信，VCSEL的使用场景绝大多数和3D感测有关。3D感测的重要工作模式包括：被动双目、主动双目、结构光和飞行时间，基本上囊括了现在VCSEL的3D感测的应用场景。

被动双目是用两个摄像头模拟人的两个眼睛，从两个不同点看同一个物体，然后用大脑进行一些简单的几何运算，这是人类多年的进化获得的一个功能，现在是用VCSEL或计算机实现。

3D感测的基本种类

主动双目也是两个摄像头，以投影仪主动投射光斑或光照，用两个摄像头接收这些光斑。

结构光保留了一个摄像头，另一个是投射光斑的投影仪，以摄像头接收这些光斑。这也是苹果Face ID的基本原理。

飞行时间有好几种，包括直接飞行时间（dToF）和间接飞行时间（iToF）。飞行时间本质上也是汽车激光雷达的基本原理。

iToF与dToF

在不同应用场景中，以上三种结构有不同的优势，比如结构光的深度信息精度与距离的平方成正比，在短距离时非常精确，超过一定距离（1米左右）精度就会下降，这也是苹果Face ID选择结构光的理由。因为结构光在1米以内、半米左右精度很高，距离再大，其精度就变得不如别的方案。

第二个方案是iToF，计算的是不同相位差，而dToF是计算飞出去打回来的时间。iToF主要是通过监测发射光和接收光之间的相位差，其精确度开始时不如结构光，超过1米后就比结构光好了。所以很多智能门禁或手机等距离远一点的应用经常采用。

dToF几乎对距离不太敏感，特别是长距离非常有优势，比如超过10米其精度很好，所以汽车激光雷达用dToF比较多，这也是后来苹果激光雷达扫描仪选中它构建外界3D VR环境的原因。

以上VCSEL采用的几个方案并不是相互竞争的，而会在不同场景下有不同的选择，VCSEL都会扮演很重要角色。

什么是多结结构？

前面提到，多结技术代表VCSEL行业的下一个飞跃，因为多结发射的性能会好很多，目前业界最高能做到五结。多结技术是垂直将几个PN结叠在一起，和普通多量子阱不一样，多量子阱是一个PN结，几个量子基本上平均分布。多结VCSEL的能带利用隧道结隧穿原理，将上一个PN结价带中的电子变成下一个PN结中的导带电子，这样周而复始，但不会永远下去，一般多到一定程度就会出现别的问题。

激光雷达用多结VCSEL技术

多结VCSEL的好处是可以得到更高的功率密度，这对激光雷达非常重要；同时也可以得到斜率效率，因为多个VCSEL只分享一个DBR，可以避免多次损耗。另外，对电源或驱动来说，在同样功率下，永远是高电压、低电流要比高电流、低电压更容易或更便宜。多结VCSEL通过电流不变，电压升高，对驱动和电源都是友好的变化，它是这两年VCSEL的重大突破，让其功率密度从几十瓦／平方毫米或几百瓦／平方毫米进入了几千瓦／平方毫米，从而变成了汽车雷达一个“系列赛选手”。

多结VCSEL的意义在于，假设把边发射激光器的几个量子阱叠起来，或把几个边发射激光器串联起来，再把VCSEL做成多结，从光学角度看，是所谓的“没有变化”，如果把边发射激光器三个量子阱叠在一起，面积立体角乘积（Area Solid Angle）就变成了三倍；如果把3个器件串联起来也是三倍；而做成多结，面积立体角乘积没有变，只是光密度和远场变成了三倍。这样，多结在光学上可以获得很多好处，而且付出的代价相对较低。得到的好处远远多过付出的负面代价，这是做多结VCSEL背后非常重要的逻辑。

多结VCSEL与多结EEL、多芯片EEL对比

VCSEL之光已照进现实

苹果手机和iPad采用VCSEL将VCSEL带到了一个新的高度，使3D感测应用出现了数量级的增长。iPad Pro基于dToF技术的VCSEL方案可以帮助用户构建3D虚拟场景，扫描周边环境，这是未来苹果虚拟现实生态的出发点。

前面说过，VCSEL是一种半导体器件，其激光垂直于顶面射出，与一般切开式独立芯片工艺，激光由边缘射出的边射型激光不同。它集合了红外边发射激光器的很多优点，采用更优质的激光源，既像红外LED非常适合大规模晶圆级生产，工艺和封装成本较低，又有边发射激光器非常好的光谱和较高的光密度特性；它还有温度漂移非常低的特征，从低温到高温每组VCSEL的典型漂移仅为0．07nm／K。这是其他光源很难做到的，这也是被苹果选中作为Face ID光源的重要原因。这是用于VCSEL的架构决定了它可以在许多光源的选择中胜出。

VCSEL技术的优势

总之，VCSEL具有光电转换效率高、发散角小、光束质量好、波长稳定性好、可靠性高、阈值电流小、功耗低等优点，且易于与光纤耦合，易于单纵模发射和实现高调制频率，加上易于制备二维发光阵列，大批量生产成本可控，是3D成像、识别感测模组的关键器件，广泛应用于光通信和互连、数据采集和传输、消费电子3D成像、数据中心及云计算、物联网、自动驾驶车辆、生物医学、工业等领域。

目前，基于VCSEL和SPAD（单光子阵列）的紧凑型全固态激光雷达已经量产。例如Ouster利用这种基于纯芯片的架构，不使用移动机械结构，推出了OS0、OS1、OS2三个系列9款激光雷达；最近又将数字激光雷达技术扩展至日韩两国工业和机器人垂直领域；并牵手英伟达加速部署自动驾驶汽车，基于NVIDIA DRIVE提供专用的NVIDIA DriveWorks插件，帮助客户将其数字激光雷达集成到自动驾驶车辆上。

另一家公司Ibeo也是采用基于VCSEL加SPAD阵列的方案实现二维扫描，其ibeoNEXT固态激光雷达方案体积非常小，已在长城摩卡SUV上车。

还有Valeo，2021年也推出了第二代SCALA和一款近场激光雷达，后者可以在车辆4个角代替现有毫米波雷达或超声波雷达，实现防撞避障、倒车等功能。这对VCSEL在汽车上的应用有重要意义，能够让使用场景变得更加丰富。这种VCSEL加SPAD的小体积方案可以将其集成在后视镜中，既美观又实用。

VCSEL想到哪里去？

VCSEL应用趋势

从Yole对VCSEL历史到未来的展望可以看出，最初90年代实现工业化时主要用处是数据通信，如850nm高速激光器，后来在光学鼠标内也有应用；直到苹果推动第二次浪潮，令3D感测呈数量级增加。人们期待的下一波浪潮是汽车激光雷达，其数量未来也非常可观。激光雷达过后还有什么？IoT、人工智能或智能互联应用都会用到VCSEL。LED最早也是从手机背光开始，然后是电视背光，再到照明，汽车照明又是一个浪潮，现在Mini LED和Micro LED光电器件的市场规模和应用在一浪又一浪的批量应用中逐步放大。

Insight的市场分析表明，根据VCSEL技术的发展，功率越来越高，作用距离越来越远，使用场合也会逐步丰富。比如从最早的数据通信、移动传感器，到车辆监控或安防，或自动驾驶车辆。所以，其应用场景会随着VCSEL技术的发展或性能的提高越来越丰富，越来越广阔。

应用场景：功率与距离

挑战依然

从边射型激光器到现在的VCSEL走了很长一段路，苹果让VCSEL获得了行业的关注。不过，它所面对的挑战也是不一而足。

VIGO亚太区总经理廖明智博士指出，现在激光雷达还有很多技术路线之争，如905nm、1500nm和MEMS等，使用的半导体材料不同，性能方面各有利弊。

过去几年，VCSEL市场在进一步延伸和渗透，特别是车载应用也对VCSEL的性能、可靠性和成本提出了更多和更高要求。另外，还有几个重要参数需要考虑，包括视野、发射角度、探测范围和对象。相比消费类产品，激光雷达的发射范围有明显不同的要求，前者10米范围、小功率就能够满足需求，而VCSEL用于自动驾驶车辆其探测距离和功率都必须大幅提高，性能及可靠性的要求也要显著提升。