電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/梁浩斌）VCSEL全稱垂直腔面發(fā)射激光器，與傳統(tǒng)的EEL邊發(fā)射激光器不同的是，VCSEL出光的方向垂直于襯底，且可調(diào)頻率極高，最早被用于光纖通信中，用于高速數(shù)據(jù)傳輸。

另一方面VCSEL的電光轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到50%以上，因此在功率密度逐步提高后，激光雷達(dá)領(lǐng)域也已經(jīng)開始大規(guī)模使用VCSEL光源。不過，目前在激光雷達(dá)應(yīng)用中，VCSEL作為光源，由于傳統(tǒng)的多結(jié)VCSELs工作在多縱模上，傳統(tǒng)的擴(kuò)展腔設(shè)計(jì)很難實(shí)現(xiàn)小于16°的發(fā)散角。

而目前VCSEL陣列已經(jīng)被廣泛用于激光雷達(dá)，但如果要想提高探測(cè)距離，就需要降低VCSEL的光束發(fā)散角，以獲得更高的亮度。

因此相比EEL，VCSEL陣列設(shè)計(jì)需要更高的功率密度、更小的發(fā)散角和更高的光譜亮度，才能在激光雷達(dá)光源競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)。

創(chuàng)新的AR-VCSEL

為了解決目前VCSEL在車載激光雷達(dá)上應(yīng)用的短板，縱慧芯光最近在《自然·通訊》線上期刊發(fā)表的論文中，展示了一種創(chuàng)新的超小發(fā)散角AR-VCSEL（增透型垂直腔面發(fā)射激光器）產(chǎn)品。

縱慧芯光表示，AR-VCSEL標(biāo)志著縱慧芯光在實(shí)現(xiàn)低發(fā)散和高亮度方面取得了重大突破，克服了傳統(tǒng)長(zhǎng)腔多結(jié)VCSEL所面臨的限制。那么AR-VCSEL跟主流的VCSEL有哪些區(qū)別和創(chuàng)新？

縱慧芯光在論文中，提出了一種具有抗反射腔的獨(dú)特VCSEL結(jié)構(gòu)，包括多結(jié)有源區(qū)、抗反射鏡和光池，其中電場(chǎng)強(qiáng)度特別高，遠(yuǎn)高于有源區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度。而儲(chǔ)存在這種抗反射腔中的總電場(chǎng)能量是具有相同空間體積的普通擴(kuò)展腔的數(shù)倍。

圖源：Nature Communications

如上圖所示，AR-VCSEL具有由交替的InGaAs/AlGaAs多量子阱、GaAs TJ和氧化限制層組成的有源區(qū)、具有交替的高和低鋁含量四分之一波長(zhǎng)厚AlGaAs層的n摻雜抗反射鏡以及由AlGaAs制成的2微米厚的光貯存器組成的腔。

緊挨著active region的左側(cè)，研究人員添加了一個(gè)抗反射鏡，以從active region提取光并將其存儲(chǔ)在光儲(chǔ)庫(kù)中，而不是簡(jiǎn)單地?cái)U(kuò)展腔體，就像一個(gè)光學(xué)大壩一樣保存光子并提高它們的強(qiáng)度水平。測(cè)試結(jié)果顯示，光貯存器內(nèi)部的電場(chǎng)峰值強(qiáng)度大約是有源區(qū)強(qiáng)度的3倍，大約是擴(kuò)展腔區(qū)強(qiáng)度的4-5倍。

這種獨(dú)特的設(shè)計(jì)將長(zhǎng)腔延長(zhǎng)部分轉(zhuǎn)換為短腔延長(zhǎng)部分，但電場(chǎng)更強(qiáng)。儲(chǔ)存在容器內(nèi)的光子幾乎沒有受到橫向限制，它們?cè)跈M向上基本上是“自由”的，顯著減小了整體發(fā)散角。因此，通過這種設(shè)計(jì)，能夠降低發(fā)散角對(duì)擴(kuò)展腔厚度的依賴。

圖源：Nature Communications

最終，縱慧芯光在250μm直徑的6結(jié)AR-VCSEL陣列上實(shí)現(xiàn)了D86發(fā)散角8°或FWHM 4.1°的超小全發(fā)散角，亮度超過40 kW mm?2 sr?1，光譜亮度超過75.6 kW nm?1 mm?2 sr?1。

通過增加結(jié)的數(shù)量，研究人員在直徑為250μm的14結(jié)AR-VCSEL陣列上實(shí)現(xiàn)了5000 W/mm2的功率密度。通過改變氧化孔尺寸，在7μm直徑6結(jié)AR-VCSEL單發(fā)射器中實(shí)現(xiàn)了28.4 mW高功率單橫模激光發(fā)射。據(jù)稱，這是已發(fā)布的多結(jié)VCSELs中性能最好的。

縱慧芯光認(rèn)為，對(duì)于要求16°（D86）或更低發(fā)散度的高功率和低成本掃描激光雷達(dá)來(lái)說(shuō)，AR-VCSEL是現(xiàn)有的最佳解決方案。目前其16款A(yù)R-VCSEL產(chǎn)品中有一款已經(jīng)通過了AEC-Q102車規(guī)可靠性測(cè)試，已經(jīng)量產(chǎn)用于高性能激光雷達(dá)。

小結(jié)：

此前PCSEL被認(rèn)為是激光雷達(dá)未來(lái)的理想光源之一，盡管亮度極高，但PCSEL的功率密度較低，且在目前的PCSEL技術(shù)下，由于功率密度低帶來(lái)的同亮度芯片面積較大，會(huì)為激光器增加大量成本。而AR-VCSEL可以采用標(biāo)準(zhǔn)的低成本VCSEL工藝，不需要復(fù)雜的器件結(jié)構(gòu)和額外的制造步驟，在提供極佳的性能同時(shí)，還能加速激光雷達(dá)的降本節(jié)奏。因此AR-VCSEL未來(lái)有望能夠在激光雷達(dá)市場(chǎng)快速上量。