深度解读垂直腔面发射激光器!

来源:江苏激光产业创新联盟    关键词:激光器, 激光技术,    发布时间:2020-03-16

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传统的光电转换技术一般采用LED等发光器件。这种发光器件多采用边缘发射,体积大,因此比较难以和半导体技术结合。20世纪90年代垂直腔表面发射激光VCSEL技术成熟后,解决了发光器件和半导体技术结合的问题,因此迅速得到普及。

晶圆光学镜片中间的两面发射垂直腔面发射体激光器(VCSEL)

近年来,智能手机领域相关技术更新迭代十分迅速,由于人们的日常需求逐渐提高,手机的拍照,感应,识别等功能尤其受到关注,故手机摄像头用量提升的趋势仍处于加速态势,特别是3D摄像头等新创新的使用也将为手机摄像头领域提供增益,尤其以VCSEL激光器为核心关键元器件的3D Sensing摄像头在手机上的应用,带动相关市场迎来一轮爆发。

3D Sensing摄像头

3D Sensing摄像头相比于传统摄像头除了能够获取平面图像以外,还可以获得拍摄对象的深度信息,即三维的位置及尺寸信息,其通常由多个摄像头+深度传感器组成。3D 摄像头实现实时三维信息采集,为消费电子终端加上了物体感知功能,从而引入多个“痛点型应用场景”,包括人机交互、人脸识别、三维建模、安防和辅助驾驶等多个领域,3D Sensing摄像头让交互方式从平面变成了立体。而3D Sensing摄像头产业链与传统摄像头产业链相比主要新增加红外光源+光学组件+红外传感器等部分,其中最关键的部分就是红外光源。

因特尔公司研发的RealSense 3D摄像头架构

目前,可以提供800-1000nm波段的近红外光源主要有三种:红外LED、红外LD-EEL(边发射激光二极管)和VCSEL(垂直腔面发射激光器)。早期3D传感系统一般都使用LED作为红外光源,但是随着VCSEL技术的成熟,性价比已经接近红外LED,除此之外,在技术方面,由于LED不具有谐振腔,导致光束更加发散,在耦合性方面很差,而VCSEL在精确度、小型化、低功耗、可靠性全方面占优的情况下,现在常见的3D摄像头系统一般都采用VCSEL作为红外光源。而与传统边发射激光器相比,VCSEL 在光束质量、与光纤耦合效率、腔面反射率上都具有较大优势,且因为VCSEL发射光线垂直于衬底而边发射激光器发射光线平行于衬底,因此 VCSEL 能够实现二维阵列而边发射激光器不行。

VCSEL技术

深度解读(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser,简称VCSEL,又译垂直共振腔面射型雷射)是一种半导体,其激光垂直于顶面射出,与一般用切开的独立芯片制成,激光由边缘射出的边射型激光有所不同。

VCSEL是很有发展前景的新型光电器件,也是光通信中革命性的光发射器件。顾名思义,边发射激光器是沿平行于衬底表面、垂直于解理面的方向出射,而面发射激光器其出光方向垂直于衬底表面,如下图:

边发射激光器(a)与面发射激光器(b)示意图

它优于边发射激光器的表现在于:易于实现二维平面和光电集成;圆形光束易于实现与光纤的有效耦合;可以实现高速调制,能够应用于长距离、高速率的光纤通信系统;有源区尺寸极小,可实现高封装密度和低阈值电流;芯片生长后无须解理,封装后即可进行在片实验;在很宽的温度和电流范围内都以单纵模工作;价格低。

VCSEL的优异性能已引起广泛关注,成为国际上研究的热点。这十多年来,VCSEL在结构、材料、波长和应用领域都得到飞速发展,部分产品已进入市场。

VCSEL 基本结构

VCSEL 的结构示意图如下图所示。它是在由高、低折射率介质材料交替生长成的分布布喇格反射器(DBR)之间连续生长单个或多个量子阱有源区所构成。典型的量子阱数目为 3~5 个,它们被置于驻波场的最大处附近,以便获得最大的受激辐射效率而进入振荡场。在底部还镀有金属层以加强下面 DBR 的光反馈作用,激光束从顶部透明窗口输出。

实际上,要完成低阈值电流工作,和一般的条型半导体激光器一样,必须使用很强的电流收敛结构,同时进行光约束和截流子约束。由上图可见,VCSEL的半导体多层模反射镜 DBR 是由 GaAs/AlAs 构成的,经蚀刻使之成为 air-post(台面)结构。在高温水蒸汽中将 AlAs 层氧化,变为有绝缘性的 AlxOy 层,其折射率也大大降低,因而成为把光、载流子限制在垂直方向的结构。对 VCSEL 的设计集中在高反射率、低损耗的 DBR 和有源区在腔内的位置。

VCSEL激光器的特点

由于VCSEL与边发射激光器有着不同的结构,这就决定了两者之间有不同的特点和性能,下表中列出了两种激光器的基本参数。

从表中我们可以看出,VCSEL有源区的体积小、腔短,这就决定了它容易实现单纵模、低阈值(亚毫安级)电流工作,但是为了得到足够高的增益,其腔镜的反射率必须达到99%。VCSEL具有较高的弛豫振荡频率,从而在高速数据传输以及光通信中,预计将有着广泛的应用。VCSEL出光方向与衬底表面垂直,可以实现很好的横向光场限制,进行整片测试,得到圆形光束,易与制作二维阵列,外延晶片可以在整个工艺完成前,节约了生产成本。

VCSEL的优点主要有:

1、出射光束为圆形,发散角小,很容易与光纤及其他光学元件耦合且效率高。

2、可以实现高速调制,能够应用于长距离、高速率的光纤通信系统。

3、有源区体积小,容易实现单纵模、低阈值的工作。

4、电光转换效率可大于50%,可期待得到较长的器件寿命。

5、容易实现二维阵列,应用于平行光学逻辑处理系统,实现高速、大容量数据处理,并可应用于高功率器件。

6、器件在封装前就可以对芯片进行检测,进行产品筛选,极大降低了产品的成本。

7、可以应用到层叠式光集成电路上,可采用微机械等技术。

VCSEL的发展史

VCSEL的历史,也是在诸多学者机构的努力下,其性能不断优化的历史,在这几十年的历史中,IGA及其带领的团队起到了不可磨灭的作用,可以堪称IGA教授为VCSEL之父。

随着VCSEL的诸多优点,其应用也越来越广泛。并且为了适合这些应用,VCSEL也朝着多个方向在各自发展,如图所示,为其主要应用:

不同波长VCSEL应用领域

由于目前VCSEL最主要应用在光传输方面,基于1979年Soda等人的VCSEL为开端,VCSEL的发展,主要经历了2个阶段:

第一阶段:从VCSEL诞生到20世纪末,蛮荒发展阶段。

在这个阶段,各个组织机构都提出以及尝试了各种不同结构类型的VCSEL,最终氧化物限制型VCSEL由于其诸多优点而胜出。

1994年,Huffaker等人率先采用在台面结构(Mesa)下本征氧化AlGaAs,生成掩埋高阻层Al氧化物的方式,来对电流进行进一步的限制。利用这种结构,阈值电流可以降低到225uA。而这种结构就是目前普遍采用的氧化物限制型(Oxide-confined)结构的原型;

首个氧化物限制型VCSEL

2013年,Iga对VCSEL的关键指标如阈值电流、调制带宽与有源区的关系给出了简单的关系公式。

VCSEL的阈值电流同其他半导体激光器一样,与有源区体积有如下关系式:

由公式可以看出,为了降低阈值电流,就需要不断减小有源区体积。比较当前的VCSEL与条状激光器的有源区体积,可以发现,VCSEL的V=0.06um3,条状激光器依然在V=60um3,这就是为什么条状激光器的阈值电流典型值仍旧在几十mA的级别,而VCSEL的阈值电流已经达到了亚毫安级别。

第二阶段:逐渐发展成熟阶段及优化阶段。

由于氧化物限制型的VCSEL具有低阈值电流等很多优点,这种结构的VCSEL被很快运用到了光通信中。

由于高的工作电流可以带来更好的调制特性,但同时也会相应的增加功耗,进而带来温度的上升,会对可靠性带来影响。调制速率与功耗成了VCSEL在光传输领域中重要的挑战。2007年,Y-C.Chang等人采取增加深氧化层层数到5层以及增加p型掺杂浓度来降低串联阻抗的方式,在0.9mA电流下实现的15GHz调制带宽,相应的功耗只有1.2mW,带宽/功耗比只有12.5GHz/mW,是当时最先进水平。VCSEL截面结构如图所示:

深氧化层氧化物限制型VCSEL

利用相同的VCSEL结构,同年,Y-C.Chang等人又实现了35Gbps的无误码传输。

2011年,Petter Westbergh等人研究了850nm氧化物限制型VCSEL光子寿命与谐振频率及调制速率的关系,并指出在高谐振频率以及低阻尼震荡中取得一个折衷来提高速率:当光子寿命接近3ps时,可以使VCSEL的调制带宽达到23GHz,同时可以得到40Gb/s的无误码传输。

近年来,各个兴趣小组对于高速率、低功耗的VCSEL研究依然兴趣不减,图10是截止到2015年,各机构的研究成果。可以看出,如果采用预加重的方式,目前VCSEL背靠背传输可以达到71Gbit/s。

短波长VCSEL光互联领域发展近况

VCSEL厂商情况

VCSEL国外厂商主要有Broadcom、Lumentum、Finisar、II-VI、Philips Photonics、ams、Osram等,国内主要有江苏华芯、武汉光迅科技,其他还有山东太平洋、深圳源国、国星光电、华工科技、三安光电、乾照光电、华灿光电以及睿熙科技等公司。可以看出,基本上都是来自于光通信芯片的龙头企业;也正是VCSEL有了在光通信领域的经验,消费级应用变得顺理成章,两者产品具备很强的技术延展性。

1、Broadcom

Broadcom是VCSEL芯片的主要供应商之一。2016年2月,Avago收购了博通,成立了新博通。博通在光学数据通讯市场产品供应丰富,包括光纤接收器、嵌入式光学模组以及自适应光缆等。博通凭借近期VCSEL出货量的升级,该公司已经出货100万件25G VCSEL器件,使其市场领导领域扩展至光学网络市场。

2、Lumentum

Lumentum是2015年从JDSU分拆出来的公司,主要生产和销售光纤相关产品,销售给全球光纤网络及商用激光客户,公司分2个部门来运作:光通信、商用激光器。Lumentum是苹果公司的第一家VCSEL供应商,芯片代工在台湾稳懋。

2018年3月,Lumentum宣布溢价27%收购Oclaro,交易金额约18亿美元。通过收购,Lumentum将获得Oclaro的磷化铟、光电积体整合电路技术。

3、Finisar

Finisar是苹果公司的第二家VCSEL供应商。2017年12月,苹果对Finisar投资3.9亿美元,用于增加VCSEL的研发和生产。Finisar将使用这笔资金把德克萨斯州谢尔曼一家面积70万平方英尺的已关闭制造厂,改造成开发VCSEL芯片的工厂,未来将用于苹果产品。所有的苹果订单的加工将使用100%的可再生能源,预计新工厂将于2018年下半年投入运营。

4、II-VI

II-VI公司成立于1987年,业务主要分为红外光学、近红外光学、军事和材料、先进产品部四大部门。

II-VI公司重金投入2017年8月以8000万美元从Kaiam收购的6英寸VCSEL制造厂。Kaiam位于英国牛顿艾克利夫占地30万平方英尺的工厂拥有10万平方英尺的洁净室,专为大规模制造GaAs、SiC以及InP化合物半导体器件而设计。

2018年3月,II-VI公司宣布8500万美元收购波长选择开关(WSS)供应商CoAdna。2018年9月,交易完成。CoAdna将并入II-VI Photonics部门此项交易将强化II-VI公司ROADMs产品垂直整合能力。

5、Philips Photonics

Philips Photonics是飞利浦全资子公司,生产760nm-948nm VCSEL传感类用的单模激光管,VCSEL技术具有20多年研发经验,是原德国Ulm Photonics公司,2006年Philips收购Ulm Photonics。760nm-948nm VCSEL单模激光器主要应用于,激光吸收光谱TDLAS测量氧气和水分子、红外傅里叶变换光谱、原子钟、干涉仪、编码器以及运动控制等传感方面应用。

6、ams

ams通过收购快速转型,成为聚焦在光学传感器领域的主要供应商。在总部奥地利的工厂负责前端晶圆制造,新加坡厂则负责光学传感器生产和封装以及VCSEL制造,测试/传感器校准工作则在奥地利和菲律宾的厂内进行。2017年,ams对其位于新加坡的6吋晶圆厂(2000 wspm)产能(主要生产VCSEL芯片)进行扩充投资,针对最新具有人脸识别技术的高端手机所需器件进行投产,增加员工也大部分集中于此,以支持3D和光学传感领域的迅速增长,预计在2019年实现量产。

ams在成像和光学方面陆续收购了Heptagon、Princeton Optronics、CMOSIS、KeyLemon、Mazet这几家公司。其中,KeyLemon公司具备领先的3D人脸识别知识产权库。Princeton Optronics公司可以提供VCSEL光源发射器。

7、Osram

2018年5月,Osram收购美国Vixar公司。Osram是红外LED和红外激光二极管的技术领导者,通过引入Vixar在VCSEL方面的专业技术,Osram将在该领域拥有更强的技术能力和产品组合。

Vixar公司成立于 2005 年,为生物医学、工业、办公产品、汽车和消费品行业的传感器等应用制造波长在650~1000 nm 之间的 VCSEL。

8、江苏华芯

江苏华芯成立于2015年底,是目前国内唯一一家能够自主完成VCSEL和蓝光半导体激光器芯片外延及芯片工艺制造,并实现量产的公司。2017年11月,10G VCSEL芯片量产并批量出货。2018年3月,940nm 100mW VCSEL产品定型。

目前年产能为5000万颗单管光通讯VCSEL芯片、2500万颗VCSEL面列阵芯片、500万颗蓝光芯片。预计到2018年底,将形成5000万颗3D传感VCSEL芯片的年产能。

华芯半导体提供真正可靠的国产VCSEL芯片

9、武汉光迅科技

武汉光迅科技是国内光通信光模块器件最大的公司,公司牵头组建了“国家信息光电子创新中心”,短期来看可以帮助公司节约研发支出,长期来看有利于公司充分发挥产业协同优势,完善技术前瞻布局。光迅科技近年来积极开展波长为850nm/940nm VCSEL 芯片的研发,应用于光通信、3D传感等领域。

光迅科技光芯片平台能力

VCSEL应用领域

在应用领域方面,VCSEL从诞生起就作为新一代光存储和光通信应用的核心器件,应用在光并行处理、光识别、光互联系统、光存储等领域。随着工艺、材料技术改进,VCSEL器件在功耗、制造成本、集成、散热等领域的优势开始显现,逐渐应用于工业加热、环境监测、医疗设备等商业级应用以及3D感知等消费级应用。

未来,随着智能化信息世界的不断发展,VCSEL将广泛应用在消费电子3D成像、物联网、数据中心/云计算、自动驾驶等领域。其中,VCSEL在消费电子领域发挥越来越重要的作用,VCSEL可用来进行智能手机人脸识别、无人机避障、VR/AR、扫地机器人、家用摄像头等。

(1)消费电子3D成像:VCSEL是消费电子视觉成像、三维感应的基础元器件,预计2020年,仅智能手机为VCSEL市场贡献超过20亿美元的收入。

(2)物联网:VCSEL是物联网的重要传感器件,预计2025年,全球将有数十亿设备接入物联网,全球物联网市场有望超过30万亿美元。

(3)数据中心/云计算:VCSEL用于数据中心,预计2020年,全球VCSEL数据通讯的市场规模将达到100亿美元。

(4)自动驾驶:VCSEL应用于自动驾驶中的车身通讯、传感器等,预计到2030年,激光雷达的使用数量将超过3亿枚。

VCSEL在手机AR功能与投影领域的应用

AR即增强现实技术,它是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术,是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息(视觉信息,声音,味道,触觉等),通过电脑等科学技术,模拟仿真后再叠加,将虚拟的信息应用到真实世界,被人类感官所感知,从而达到超越现实的感官体验。而AR最核心技术在于光学,尤其是激光技术,无论是手势识别、三维重构还是成像,光学技术都是决定性基础。除了3D摄像模块,最关键的就是光学成像模块。例如微软公司的HoloLens 配备两块光导透明全息透镜,虚拟内容采用 LCoS(硅基液晶)投影技术,从前方微型投影仪投射至光导透镜后进入人眼。

Hololens AR眼镜的LCoS微型投影仪

LCOS(液晶覆硅技术)是小型化 AR 头显的关键技术之一。三片式的 LCOS 成像系统,首先将投影光源发出的白色光线,通过分光系统系统分成红绿蓝三原色的光线,然后,每一个原色光线照射到一块反射式的LCOS芯片上,系统通过控制 LCOS 面板上液晶分子的状态来改变该块芯片每个像素点反射光线的强弱,最后经过LCOS反射的光线通过必要的光学折射汇聚成一束光线,经过投影机镜头照射到屏幕上,形成彩色的图像。目前在投影光源上主要有LED和激光两种方案,由于激光在光束质量、亮度、功耗和使用寿命上无可比拟的优越性,将是未来的发展方向。

以色列Lumus的AR眼镜也采用了微型投影技术,成像关键部件由微型投影仪、光导元件(LOE)和反射波导组成。植入眼镜的微型投影仪(例如激光投影)将图像画面进行投放,通过光导元件、反射波导形成全反射。

Lumus AR眼镜也采用了微型投影技术

综上,微投成像和3D摄像将是未来AR产业两大核心技术,以VCSEL为代表的半导体激光器件将成为AR光学技术的最基础部件,引领消费电子光学时代。而随着投影显示技术的发展,人们对投影系统的亮度、解析度、色彩丰富性的要求将会越来越高,光源作为投影系统的重要部件,其发光特性将直接决定投影系统质量。激光光束色度、照度高度均匀,具有亮度高、单色性好、波长固定等传统光源无可比拟的优势,未来取代LED成为微型投影模块、投影仪、投影电视等设备光源将是大概率事件。

目前,激光显示技术主要有三基色纯激光、荧光粉+蓝光、LED+激光混合光源三种技术,对比来看,三基色纯激光优势较为明显。三基色激光被业界视为最正统的激光光源,其具有色域广、光效高、寿命长、功耗低、一致性好、色温亮度可调、稳定、安全可靠免维护、应用灵活等优点。

三基色纯激光显示原理示意图

技术进展来看,红光激光二极管技术(包括VCSEL红光阵列)发展已经十分成熟,蓝光激光二极管价格尚高,绿光激光二极管则还有待发展。从已披露专利来看,目前已有“红光VCSEL阵列+蓝光VCSEL阵列+绿色全固体激光器”的解决方案,VCSEL单元用于发出圆化激光光束,经过微透镜阵列准直化后作为R、B光输出。此外,采用VCSEL面阵可以减少VCSEL激光器之间的干涉性,弱化激光散斑,从而提高投影显示质量。

VCSEL在激光雷达领域的应用

日本汽车电子厂家日本电装近期公布了对Trilumina公司的战略投资,该公司主要进行针对雷达设备的高功率VCSEL阵列开发,而这些雷达设备主要面向辅助驾驶和无人驾驶应用。在CES2017上,Trilumina 公司展示了自己基于 VCSEL阵列的256像素3D激光雷达解决方案,如若进展顺利,公司开发的光源模块将高清和远距离传感器功能整合进小尺寸、稳定且具成本效益的包装中,可取代目前应用于自动驾驶汽车示范项目的大尺寸、高成本扫描激光雷达。

激光雷达感应周围车距、三维重建

VCSEL的迅速发展和固有优点已使其成为光电子应用中的关键器件,有强大的生命力。近年来,性能优异的VCSEL不断被研发,主要涉及其低阈值电流,高输出功率,高电光转换效率,低工作电压,高调制带宽和高产额。相信随着VCSEL的不断发展,它将会获得越来越多的潜在应用。(本文来自传感器技术、SIMIT战略研究院)

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