頭部企業(yè)引領(lǐng)技術(shù)

多結(jié)技術(shù)代表了VCSEL行業(yè)的下一個(gè)飛躍。多結(jié)VCSEL為用戶提供了許多明顯的好處,其背面發(fā)射配置比傳統(tǒng)產(chǎn)品有優(yōu)勢(shì),消除導(dǎo)線鍵合將提高VCSEL性能,并允許使用微透鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)更緊湊的封裝。

Lumentum多結(jié)VCSEL陣列

Lumentum稱,其多結(jié)VCSEL陣列在低占空比(小于1%)下用短納秒脈沖驅(qū)動(dòng),可以達(dá)到數(shù)百瓦峰值功率,非常適合短、中、長(zhǎng)距離激光雷達(dá)系統(tǒng)。VCSEL芯片中的多結(jié)減少了為每個(gè)電子發(fā)射多個(gè)光子所需的驅(qū)動(dòng)電流,很容易實(shí)現(xiàn)每安培4W以上的光功率。其發(fā)射器布置緊湊,不僅高功率,而且是高功率密度。

多結(jié)VCSEL陣列中一個(gè)發(fā)射器示意圖

Lumentum已經(jīng)證明,在125℃及0．1%占空比下,每平方毫米片芯面積可超過(guò)1kW。

對(duì)于短距離,VCSEL芯片可與擴(kuò)散器配對(duì),以照亮寬視野。在這種情況下,更高的功率密度減少了所需芯片面積。對(duì)于較長(zhǎng)距離,較小面積的較高功率簡(jiǎn)化了激光雷達(dá)光學(xué)設(shè)計(jì),因此可以將更多功率準(zhǔn)直到較低的發(fā)散光束中來(lái)掃描場(chǎng)景。

對(duì)于激光雷達(dá)而言,VCSEL比多結(jié)邊緣發(fā)射激光器更具優(yōu)勢(shì),因?yàn)槠潆S溫度變化的波長(zhǎng)范圍較窄,且可以形成可尋址條紋陣列,甚至可以形成矩陣可尋址格式。可尋址性有助于用更堅(jiān)固的全電子激光雷達(dá)掃描取代機(jī)械式掃描激光雷達(dá)。

Lumentum首席執(zhí)行官Alan Lowe認(rèn)為:“明年汽車(chē)激光雷達(dá)對(duì)激光器及光子元件的需求將穩(wěn)步增長(zhǎng)。自動(dòng)駕駛汽車(chē)和運(yùn)載車(chē)輛對(duì)激光雷達(dá)和3D傳感功能的需求為我們提供了巨大的長(zhǎng)期市場(chǎng)機(jī)遇。我們與廣泛的客戶緊密接觸,包括自動(dòng)駕駛汽車(chē)、運(yùn)載車(chē)輛制造商、主要Tier 1汽車(chē)供應(yīng)商和激光雷達(dá)解決方案提供商。在近期,也許(自動(dòng))運(yùn)載車(chē)輛可能會(huì)最早用上我們的產(chǎn)品。”

2021年3月,Lumentum推出高功率五結(jié)和六結(jié)VCSEL陣列,用于汽車(chē)激光雷達(dá)和其他3D傳感應(yīng)用。尺寸為1平方毫米的VCSEL陣列中,單個(gè)VCSEL發(fā)射器的光功率超過(guò)2W,整個(gè)陣列的峰值功率超過(guò)800W。這些新型多結(jié)VCSEL陣列擁有更低的功耗、較高的斜率效能,以及較高的峰值光功率,對(duì)于擴(kuò)展其在高性能全固態(tài)中、遠(yuǎn)程激光雷達(dá)中的應(yīng)用十分重要。多結(jié)VCSEL陣列的發(fā)射波長(zhǎng)為940nm和905nm,與目前用于消費(fèi)電子市場(chǎng)的量產(chǎn)VCSEL陣列產(chǎn)品采用相同的生產(chǎn)線。

Lumentum正在擴(kuò)大其廣泛的產(chǎn)品組合,以利用這一市場(chǎng)領(lǐng)先的多結(jié)技術(shù)所帶來(lái)的高峰值功率和功率密度。除了用于消費(fèi)電子市場(chǎng)和車(chē)內(nèi)汽車(chē)應(yīng)用的多結(jié)VCSEL解決方案外,Lumentum正在開(kāi)發(fā)一系列用于各種3D傳感應(yīng)用的高功率器件,包括用于汽車(chē)、消費(fèi)和工業(yè)市場(chǎng)的激光雷達(dá)系統(tǒng)。

車(chē)內(nèi)應(yīng)用940nm VCSEL陣列

Lumentum稱,25年來(lái)已交付海底通信用半導(dǎo)體激光器1．5萬(wàn)顆,5年交付消費(fèi)電子用二極管激光器10億顆,現(xiàn)場(chǎng)故障均為0。目前,工業(yè)應(yīng)用出貨量為5萬(wàn)顆/年,消費(fèi)電子產(chǎn)品2．5億顆/年,電信50萬(wàn)顆/年。

羅姆(ROHM)也在開(kāi)發(fā)100W大功率VCSEL。以往作為T(mén)oF光源的VCSEL和用來(lái)驅(qū)動(dòng)光源的MOSFET在電路板上是獨(dú)立貼裝的,器件之間布線長(zhǎng)度(寄生電感)會(huì)影響光源驅(qū)動(dòng)時(shí)間和輸出功率,給實(shí)現(xiàn)高精度傳感所需的短脈沖大功率光源帶來(lái)了局限性。羅姆的VCSEL模塊技術(shù)將VCSEL元件和MOSFET集成在1個(gè)模塊中,盡量縮短元件間布線長(zhǎng)度,更大程度地發(fā)揮各元件的性能,且不易受陽(yáng)光的外部干擾,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了短脈沖(10納秒以內(nèi))驅(qū)動(dòng)及高于以往產(chǎn)品約30%的輸出功率。

VCSEL模塊技術(shù)提升輸出功率和精度

關(guān)于3D傳感解決方案測(cè)距區(qū),結(jié)構(gòu)光和間接ToF解決方案適用于小于10m的范圍;直接飛行時(shí)間適用于更長(zhǎng)的射程。

結(jié)構(gòu)光:這是第一個(gè)用于人臉識(shí)別的解決方案,非常適合1米以下的短程飛行。

間接ToF:智能手機(jī)正面采用該解決方案進(jìn)行人臉識(shí)別,背面采用該解決方案進(jìn)行照片增強(qiáng)。

直接飛行時(shí)間:這一解決方案最近被蘋(píng)果公司的iPad用于flash激光雷達(dá)。它具有最佳的長(zhǎng)距離精度,并將支持新的應(yīng)用。

3D傳感解決方案測(cè)距區(qū)比較

進(jìn)一步探索

Veeco首席技術(shù)官Ajit Paranjpe說(shuō),“隨著新應(yīng)用的興起,VCSEL技術(shù)得到了顯著重視和改善。我們終于克服了學(xué)習(xí)曲線,可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)制造,當(dāng)我們進(jìn)入第二個(gè)大規(guī)模應(yīng)用——采用VCSEL陣列的激光雷達(dá)推進(jìn)自動(dòng)駕駛時(shí),VCSEL也將迎來(lái)更高功率要求的汽車(chē)應(yīng)用機(jī)遇。這類(lèi)應(yīng)用需要使用更大的VCSEL陣列。”

Cadence杰出工程師Gilles Lamant提醒說(shuō):“VCSEL激光往往接近可見(jiàn)光波段,因此,可能會(huì)在提高功率時(shí)具有一定的人眼危險(xiǎn)性,因?yàn)榧す饫走_(dá)需要非常高的功率來(lái)獲得所需的各種探測(cè)范圍。”