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VCSEL可提高3D传感的功率和波长

2022-10-24 20:02| 发布者: 光执事| 查看: 660| 评论: 0

摘要: 对于垂直腔面发射激光器(VCSEL),未来看起来很光明 - 因为它们的性能在上升,而价格在下降。即将出现的也是从近红外到短波红外波长的转变。这些趋势将帮助VCSEL满足不断增长的需求,这是由于它们在3D传感应用中的 ...

对于垂直腔面发射激光器(VCSEL),未来看起来很光明 - 因为它们的性能在上升,而价格在下降。即将出现的也是从近红外到短波红外波长的转变。这些趋势将帮助VCSEL满足不断增长的需求,这是由于它们在3D传感应用中的使用越来越多(图1)。


1.根据2021 Yole DéDevelopment关于该技术市场趋势的报告,2021至2026年的VCSEL市场预测。移动和消费应用仍然是VCSEL的最大市场,而汽车和移动应用正在迅速增长。


  Yole Développement光电子和传感部门的高级技术和市场分析师Pierrick Boulay表示:“五年多前,它就开始出现在智能手机上但它正开始进入汽车和工业应用领域-主要与物流链的自主性相关-如叉车、自动导引车、卡车、送货机器人等,以及用于交通监控和人员监控的智能基础设施应用。”


  在汽车领域,主要应用是前视激光雷达,以及后视和侧视。在驾驶室内也使用3D感测。瞄准汽车前方的激光雷达需要高功率光源,因为系统必须检测远距离物体,而后部和侧面激光雷达使用低功率光源,以缩短3D感测范围,这与驾驶室内应用一样。


  使用各种方法(例如飞行时间和结构光)实现3D感测。飞行时间技术用于激光雷达和一些汽车应用中,例如通过测量光往返于物体所需的时间来确定距离(图2)。用于手机面部识别和其他地方的结构光将图案投射到物体上,然后根据反射图案中的失真计算相对深度信息。


2.飞行时间传感广泛应用于汽车应用中,例如,用于确定与另一辆汽车或物体的距离。


提高VCSEL效率

  VCSEL在支持高性能3D传感的大规模需求方面取得了许多进步。Lumentum 3D传感产品线管理副总裁AndréWong表示,术语“VCSEL”有时指单个发射器,但对于3D传感,客户希望在单个芯片上购买VCSEL阵列。


  II-VI消费电子产品战略营销总监杰拉尔德·达尔曼(Gerald Dahlmann)表示,芯片上的VCSEL阵列占地面积达1×1mm,通常包括数百个发射器,其输出功率从毫瓦到几瓦不等,用于移动设备的3D感测。


  公司已经展示了更大的芯片,其阵列包括多达数千个发射器,功率可达几十瓦,适合远程激光雷达。所有这些器件的波长都在近红外范围内,通常在850或940nm。


  大约十年前,制造商将用于制造VCSEL的砷化镓(GaAs)晶片的直径从100毫米扩大到150毫米,使每个晶片的芯片数量增加了一倍多,并降低了每个芯片的制造成本。在此后的几年中,供应商通过实施多层结来倍增光子生产,从而提高了器件功率密度。另一个进步是多层金属,它提高了单个发射器的寻址能力,从而实现了3D传感照明的动态优化。


  供应商还增加了定制光束形状和改变其特性的选项,如偏振(图3)。TRUMPF Photonic Components营销和销售副总裁拉尔夫·古德(Ralph Gudde)表示,可控的偏振光提高了高要求3D应用的照明质量和分辨率。


3偏振锁定光栅的扫描电子显微镜图像。控制偏振有助于满足苛刻的VCSEL照明规范。


  Gudde表示:“高端智能手机应用需要不断开发用于飞行时间或结构光的激光器功能,以改进人脸识别或激光自动对焦等应用。”。


管理热量和功率

  然而,每一项改进都有局限性和新的要求。增加晶圆尺寸需要对工厂进行重组,并为更大的晶圆建立来源,因此,晶圆供应商、VCSEL制造系统制造商和VCSEL生产商之间的协调得到了加强。


  多层结不仅使光子产生倍增,而且使热量产生倍增。Wong表示,Lumentum可堆叠多达六个结发射器,以提供足以满足汽车应用的功率密度(图4)。然而,在设计解决方案时,工程师必须平衡应用程序的电力需求和消除废热的竞争需求。


4.多结VCSEL堆叠发射区域以增加每个芯片的光子产生。


  他说,软件在一些应用程序中解决了这个问题。脉冲输出可降低平均功率(和废热),同时保持峰值功率。对于可单独寻址的VCSEL阵列,软件可以关闭全部或部分阵列,调整脉冲操作以达到应用要求。


  当特征尺寸必须缩小以管理系统封装尺寸时,散热问题也会出现。VCSEL的最新特征尺寸目前为单个发射器几十微米。通过缩小发射器和其他系统组件,制造商可以在不增加芯片尺寸的情况下将更多单个VCSEL封装到芯片中。增加的输出功率密度有利于3D感测。


  “提高每单位面积的功率意味着缩小系统规模,提高系统效率,”Wong说。“在这些传感应用中,最重要的是你的信噪比:你在你的物体上得到了多少能量?你能得到多少能量?”


更长波长的优点

  根据Wong的说法,影响信噪比的另一个关键因素是传感器性能。如果传感器能更有效地检测光,光源就会发出更少的光。因此,传感器的进步推动了VCSEL的创新和改进。


  Wong表示,索尼已经开发出一种传感器设备,通过将磷化铟(InP)(用于短波IR光)和砷化铟镓(InGaAs)(用于可见光)层叠在一起,覆盖400至1700 nm的光谱。


  Yole Développement的Boulay表示,这个范围的上限很重要,因为显示器中使用的OLED在1300至1400 nm波长下是透明的。这使得将3D传感器隐藏在智能手机内成为可能——例如,隐藏在显示器下面。如今,3D传感使用940 nm VCSEL,其传感器对该波长敏感,需要在显示器上进行小切口。


  更长的波长也能增强眼睛的安全性。虽然人们在近红外波段看不到光,但当光线足够强烈时,会对眼睛造成伤害。随着3D感测应用的增加和功率水平的增加,这种曝光的可能性更大。将3D感测转换为更长波长可最小化或有效消除这种危险。


  此外,背景光限制在1400 nm附近。这既降低了噪声,又增加了功率。II-VI的Dahlmann表示:“信噪比可以提高,从而实现更高的分辨率和更长的射程。”。


SWIR的VCSEL

  如果VCSEL要在向SWIR的转变中幸存下来,器件制造商需要一种能在1400nm附近产生光子的材料,而目前的GaAs VCSEL无法做到这一点。因此,研究人员和公司正在研究基于氮化物的GaAs VCSEL配方以及其他新材料。长波VCSEL制造商VERTILAS最近宣布了一种基于InP的阵列,该阵列在1300nm处发射8W的准连续功率。该功率水平接近当前用于近红外短程3D感测应用(例如移动电话中的面部识别)的功率水平。


  半导体晶片制造商IQE宣布,它实现了基于氮化物的砷化镓技术在SWIR中3D传感所需的功率和寿命里程碑。该公司正在与合作伙伴合作,完善技术,并为生产做好准备。


  这些新材料面临挑战。InP晶片的直径是GaAs晶片的三分之一到一半,与使用相同尺寸晶片的GaAs晶片相比,每片晶片的裸片可能有四分之一。这种差异意味着在所有条件相同的情况下,基于InP的器件的制造成本会更高。


  这些新材料的另一个潜在问题涉及获得市场认可。例如,汽车应用需要大量证据证明VCSEL符合严格的性能和可靠性规范。因此,较长波长VCSEL在这些应用中获得牵引力可能需要一些时间。


  Boulay表示:“变化是渐进的。技术上没有革命。”他补充道,市场可能会分裂,消费者应用将采用更长波长的VCSEL,而工业和汽车行业将继续使用近红外解决方案。


  尽管存在这些障碍,SWIR VCSEL仍在地平线上。主要生产商正在关注并开发更长波长的产品。博莱表示,Lumentum和II-VI正在积极开发SWIR技术。今年3月,Lumentum与传感器制造商Artilux合作,展示了一个940和1380 nm的NIR/SWIR平台,该平台在生物传感和生物识别方面具有初步应用。Gudde表示,TRUMPF也在探索为早期SWIR市场开发服务的机会。


虚拟空间的3D感测

  为了总结他对VCSEL未来的想法,Wong提出了元宇宙的概念,这是一个虚拟现实空间,用户可以在这里与计算机生成的环境和其他用户交互。实现这一空间的技术需要扩展的3D感测能力VCSEL将是其中的关键部分。

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