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用于3D攝像頭的VCSEL技術

傳感器技術 ? 來源:yxw ? 2019-06-17 17:21 ? 次閱讀

傳感器技術編輯整理

傳統的光電轉換技術一般采用LED等發光器件。這種發光器件多采用邊緣發射,體積大,因此比較難以和半導體技術結合。20世紀90年代垂直腔表面發射激光VCSEL技術成熟后,解決了發光器件和半導體技術結合的問題,因此迅速得到普及。

晶圓光學鏡片中間的兩面發射垂直腔面發射體激光器(VCSEL)

近年來,智能手機領域相關技術更新迭代十分迅速,由于人們的日常需求逐漸提高,手機的拍照,感應,識別等功能尤其受到關注,故手機攝像頭用量提升的趨勢仍處于加速態勢,特別是3D攝像頭等新創新的使用也將為手機攝像頭領域提供增益,尤其以VCSEL激光器為核心關鍵元器件的3D Sensing攝像頭在手機上的應用,帶動相關市場迎來一輪爆發。

3D Sensing攝像頭

3D Sensing攝像頭相比于傳統攝像頭除了能夠獲取平面圖像以外,還可以獲得拍攝對象的深度信息,即三維的位置及尺寸信息,其通常由多個攝像頭+深度傳感器組成。3D 攝像頭實現實時三維信息采集,為消費電子終端加上了物體感知功能,從而引入多個“痛點型應用場景”,包括人機交互、人臉識別、三維建模、安防和輔助駕駛等多個領域,3D Sensing攝像頭讓交互方式從平面變成了立體。而3D Sensing攝像頭產業鏈與傳統攝像頭產業鏈相比主要新增加紅外光源+光學組件+紅外傳感器等部分,其中最關鍵的部分就是紅外光源。

因特爾公司研發的RealSense 3D攝像頭架構

目前,可以提供800-1000nm波段的近紅外光源主要有三種:紅外LED、紅外LD-EEL(邊發射激光二極管)和VCSEL(垂直腔面發射激光器)。早期3D傳感系統一般都使用LED作為紅外光源,但是隨著VCSEL技術的成熟,性價比已經接近紅外LED,除此之外,在技術方面,由于LED不具有諧振腔,導致光束更加發散,在耦合性方面很差,而VCSEL在精確度、小型化、低功耗、可靠性全方面占優的情況下,現在常見的3D攝像頭系統一般都采用VCSEL作為紅外光源。而與傳統邊發射激光器相比,VCSEL 在光束質量、與光纖耦合效率、腔面反射率上都具有較大優勢,且因為VCSEL發射光線垂直于襯底而邊發射激光器發射光線平行于襯底,因此 VCSEL 能夠實現二維陣列而邊發射激光器不行。

VCSEL技術

垂直腔面發射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser,簡稱VCSEL,又譯垂直共振腔面射型雷射)是一種半導體,其激光垂直于頂面射出,與一般用切開的獨立芯片制成,激光由邊緣射出的邊射型激光有所不同。

VCSEL是很有發展前景的新型光電器件,也是光通信中革命性的光發射器件。顧名思義,邊發射激光器是沿平行于襯底表面、垂直于解理面的方向出射,而面發射激光器其出光方向垂直于襯底表面,如下圖:

邊發射激光器(a)與面發射激光器(b)示意圖

它優于邊發射激光器的表現在于:易于實現二維平面和光電集成;圓形光束易于實現與光纖的有效耦合;可以實現高速調制,能夠應用于長距離、高速率的光纖通信系統;有源區尺寸極小,可實現高封裝密度和低閾值電流;芯片生長后無須解理,封裝后即可進行在片實驗;在很寬的溫度和電流范圍內都以單縱模工作;價格低。

VCSEL的優異性能已引起廣泛關注,成為國際上研究的熱點。這十多年來,VCSEL在結構、材料、波長和應用領域都得到飛速發展,部分產品已進入市場。

VCSEL基本結構

VCSEL的結構示意圖如下圖所示。它是在由高、低折射率介質材料交替生長成的分布布喇格反射器(DBR)之間連續生長單個或多個量子阱有源區所構成。典型的量子阱數目為3~5個,它們被置于駐波場的最大處附近,以便獲得最大的受激輻射效率而進入振蕩場。在底部還鍍有金屬層以加強下面DBR的光反饋作用,激光束從頂部透明窗口輸出。

實際上,要完成低閾值電流工作,和一般的條型半導體激光器一樣,必須使用很強的電流收斂結構,同時進行光約束和截流子約束。由上圖可見,VCSEL的半導體多層模反射鏡DBR是由GaAs/AlAs構成的,經蝕刻使之成為air-post(臺面)結構。在高溫水蒸汽中將AlAs層氧化,變為有絕緣性的AlxOy層,其折射率也大大降低,因而成為把光、載流子限制在垂直方向的結構。對VCSEL的設計集中在高反射率、低損耗的DBR和有源區在腔內的位置。

VCSEL激光器的特點

由于VCSEL與邊發射激光器有著不同的結構,這就決定了兩者之間有不同的特點和性能,下表中列出了兩種激光器的基本參數

從表中我們可以看出,VCSEL有源區的體積小、腔短,這就決定了它容易實現單縱模、低閾值(亞毫安級)電流工作,但是為了得到足夠高的增益,其腔鏡的反射率必須達到99%。VCSEL具有較高的弛豫振蕩頻率,從而在高速數據傳輸以及光通信中,預計將有著廣泛的應用。VCSEL出光方向與襯底表面垂直,可以實現很好的橫向光場限制,進行整片測試,得到圓形光束,易與制作二維陣列,外延晶片可以在整個工藝完成前,節約了生產成本。

VCSEL的優點主要有:

l.出射光束為圓形,發散角小,很容易與光纖及其他光學元件耦合且效率高。

2.可以實現高速調制,能夠應用于長距離、高速率的光纖通信系統。

3.有源區體積小,容易實現單縱模、低閾值的工作。

4.電光轉換效率可大于50%,可期待得到較長的器件壽命。 5.容易實現二維陣列,應用于平行光學邏輯處理系統,實現高速、大容量數據處理,并可應用于高功率器件。

6.器件在封裝前就可以對芯片進行檢測,進行產品篩選,極大降低了產品的成本。

7.可以應用到層疊式光集成電路上,可采用微機械等技術。

VCSEL的發展史

VCSEL的歷史,也是在諸多學者機構的努力下,其性能不斷優化的歷史,在這幾十年的歷史中,IGA及其帶領的團隊起到了不可磨滅的作用,可以堪稱IGA教授為VCSEL之父。

隨著VCSEL的諸多優點,其應用也越來越廣泛。并且為了適合這些應用,VCSEL也朝著多個方向在各自發展,如圖所示,為其主要應用:

不同波長VCSEL應用領域

由于目前VCSEL最主要應用在光傳輸方面,基于1979年Soda等人的VCSEL為開端,VCSEL的發展,主要經歷了2個階段:

第一階段:從VCSEL誕生到20世紀末,蠻荒發展階段。

在這個階段,各個組織機構都提出以及嘗試了各種不同結構類型的VCSEL,最終氧化物限制型VCSEL由于其諸多優點而勝出。

1994年,Huffaker等人率先采用在臺面結構(Mesa)下本征氧化AlGaAs,生成掩埋高阻層Al氧化物的方式,來對電流進行進一步的限制。利用這種結構,閾值電流可以降低到225uA。而這種結構就是目前普遍采用的氧化物限制型(Oxide-confined)結構的原型;

首個氧化物限制型VCSEL

2013年,Iga對VCSEL的關鍵指標如閾值電流、調制帶寬與有源區的關系給出了簡單的關系公式。

VCSEL的閾值電流同其他半導體激光器一樣,與有源區體積有如下關系式:

由公式可以看出,為了降低閾值電流,就需要不斷減小有源區體積。比較當前的VCSEL與條狀激光器的有源區體積,可以發現,VCSEL的V=0.06um3, 條狀激光器依然在V=60um3, 這就是為什么條狀激光器的閾值電流典型值仍舊在幾十mA的級別,而VCSEL的閾值電流已經達到了亞毫安級別。

第二階段:逐漸發展成熟階段及優化階段。

由于氧化物限制型的VCSEL具有低閾值電流等很多優點,這種結構的VCSEL被很快運用到了光通信中。

由于高的工作電流可以帶來更好的調制特性,但同時也會相應的增加功耗,進而帶來溫度的上升,會對可靠性帶來影響。調制速率與功耗成了VCSEL在光傳輸領域中重要的挑戰。2007年,Y-C.Chang等人采取增加深氧化層層數到5層以及增加p型摻雜濃度來降低串聯阻抗的方式,在0.9mA電流下實現的15GHz調制帶寬,相應的功耗只有1.2mW,帶寬/功耗比只有12.5GHz/mW,是當時最先進水平。VCSEL截面結構如圖所示:

深氧化層氧化物限制型VCSEL

利用相同的VCSEL結構,同年,Y-C.Chang等人又實現了35Gbps的無誤碼傳輸。

2011年,Petter Westbergh等人研究了850nm氧化物限制型VCSEL光子壽命與諧振頻率及調制速率的關系,并指出在高諧振頻率以及低阻尼震蕩中取得一個折衷來提高速率:當光子壽命接近3ps時,可以使VCSEL的調制帶寬達到23GHz,同時可以得到40Gb/s的無誤碼傳輸。

近年來,各個興趣小組對于高速率、低功耗的VCSEL研究依然興趣不減,圖10是截止到2015年,各機構的研究成果。可以看出,如果采用預加重的方式,目前VCSEL背靠背傳輸可以達到71Gbit/s。

短波長VCSEL光互聯領域發展近況

VCSEL在手機AR功能與投影領域的應用

AR即增強現實技術,它是一種將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術,是把原本在現實世界的一定時間空間范圍內很難體驗到的實體信息(視覺信息,聲音,味道,觸覺等),通過電腦等科學技術,模擬仿真后再疊加,將虛擬的信息應用到真實世界,被人類感官所感知,從而達到超越現實的感官體驗。而AR最核心技術在于光學,尤其是激光技術,無論是手勢識別、三維重構還是成像,光學技術都是決定性基礎。除了3D攝像模塊,最關鍵的就是光學成像模塊。例如微軟公司的HoloLens 配備兩塊光導透明全息透鏡,虛擬內容采用 LCoS(硅基液晶)投影技術,從前方微型投影儀投射至光導透鏡后進入人眼。

Hololens AR眼鏡的LCoS微型投影儀

LCOS(液晶覆硅技術)是小型化 AR 頭顯的關鍵技術之一。三片式的 LCOS 成像系統,首先將投影光源發出的白色光線,通過分光系統系統分成紅綠藍三原色的光線,然后,每一個原色光線照射到一塊反射式的LCOS芯片上,系統通過控制 LCOS 面板上液晶分子的狀態來改變該塊芯片每個像素點反射光線的強弱,最后經過LCOS反射的光線通過必要的光學折射匯聚成一束光線,經過投影機鏡頭照射到屏幕上,形成彩色的圖像。目前在投影光源上主要有LED和激光兩種方案,由于激光在光束質量、亮度、功耗和使用壽命上無可比擬的優越性,將是未來的發展方向。

以色列Lumus的AR眼鏡也采用了微型投影技術,成像關鍵部件由微型投影儀、光導元件(LOE)和反射波導組成。植入眼鏡的微型投影儀(例如激光投影)將圖像畫面進行投放,通過光導元件、反射波導形成全反射。

Lumus AR眼鏡也采用了微型投影技術

綜上,微投成像和3D攝像將是未來AR產業兩大核心技術,以VCSEL為代表的半導體激光器件將成為AR光學技術的最基礎部件,引領消費電子光學時代。而隨著投影顯示技術的發展,人們對投影系統的亮度、解析度、色彩豐富性的要求將會越來越高,光源作為投影系統的重要部件,其發光特性將直接決定投影系統質量。激光光束色度、照度高度均勻,具有亮度高、單色性好、波長固定等傳統光源無可比擬的優勢,未來取代LED成為微型投影模塊、投影儀、投影電視等設備光源將是大概率事件。

目前,激光顯示技術主要有三基色純激光、熒光粉+藍光、LED+激光混合光源三種技術,對比來看,三基色純激光優勢較為明顯。三基色激光被業界視為最正統的激光光源,其具有色域廣、光效高、壽命長、功耗低、一致性好、色溫亮度可調、穩定、安全可靠免維護、應用靈活等優點。

三基色純激光顯示原理示意圖

技術進展來看,紅光激光二極管技術(包括VCSEL紅光陣列)發展已經十分成熟,藍光激光二極管價格尚高,綠光激光二極管則還有待發展。從已披露專利來看,目前已有“紅光VCSEL陣列+藍光VCSEL陣列+綠色全固體激光器”的解決方案,VCSEL單元用于發出圓化激光光束,經過微透鏡陣列準直化后作為R、B光輸出。此外,采用VCSEL面陣可以減少VCSEL激光器之間的干涉性,弱化激光散斑,從而提高投影顯示質量。

VCSEL在激光雷達領域的應用

日本汽車電子廠家日本電裝近期公布了對Trilumina公司的戰略投資,該公司主要進行針對雷達設備的高功率VCSEL陣列開發,而這些雷達設備主要面向輔助駕駛和無人駕駛應用。在CES2017上,Trilumina 公司展示了自己基于 VCSEL陣列的256像素3D激光雷達解決方案,如若進展順利,公司開發的光源模塊將高清和遠距離傳感器功能整合進小尺寸、穩定且具成本效益的包裝中,可取代目前應用于自動駕駛汽車示范項目的大尺寸、高成本掃描激光雷達。

激光雷達感應周圍車距、三維重建

VCSEL的迅速發展和固有優點已使其成為光電子應用中的關鍵器件,有強大的生命力。近年來,性能優異的VCSEL不斷被研發,主要涉及其低閾值電流,高輸出功率,高電光轉換效率,低工作電壓,高調制帶寬和高產額。相信隨著VCSEL的不斷發展,它將會獲得越來越多的潛在應用。

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原文標題:用于3D攝像頭的VCSEL技術

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