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激光雷达缘起VCSEL

星之球科技 来源:TechSugar 企鹅号2021-12-17 我要评论(0 )   

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...

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。

车载应用要求更高

时下,之所以影响应用推广,还因为VCSEL和激光雷达缺乏相关标准,生产厂商要满足的条件非常多,只能根据客户要求进行定制,影响了产量和成本效益。因此,他希望能够通过与应用厂商和上下游生产厂商的更多合作,尽量形成共识,提升VCSEL的用量,实现应用的市场化和规模化。


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