AR-VCSEL刷新VCSEL小发散角和单模功率记录

  2024年2月，纵慧芯光在Nature Communications发表了一篇文章“Antireflective vertical-cavity surface-emitting laser for LiDAR”，即增透腔面发射激光器（AR-VCSEL）。该文提出了全新的增透腔概念，颠覆了传统的面发射激光器结构，并在实验上取得了巨大成功。AR-VCSEL大幅刷新了VCSEL小发散角，亮度和单模功率的世界记录，大幅甚至数倍领先国际顶尖厂商性能，克服了传统VCSEL亮度的不足，为VCSEL在全距离特别是远距离车载雷达中的应用扫清了障碍。从2021年开发至今，AR-VCSEL已出货数百万颗，得到车载雷达的迅速大规模应用。

  VCSEL的进阶之路

  影响激光雷达探测距离的主要因素，除了探测器灵敏度，在光学透镜大小固定的前提下，发射端的因素主要来源于激光器的功率（Power），功率密度（Power density），亮度（Brightness）。

  回顾历史，第一代商用车载激光雷达比较自然的采用了当时比较成熟的1550 fiber laser或者905 EEL等大功率激光器，因为技术成熟且天然功率高，功率密度大，亮度大。但是他们各自有很难克服的缺点，比如fiber laser体积大，成本贵；EEL温度稳定性差，光斑是椭圆需要额外整形，可靠性风险也较大。这些都成为限制激光雷达性能和成本的瓶颈，在今天同时卷技术和价格的时代，已经无法满足要求。

  VCSEL在手机等消费电子产品成功大规模应用后，也开始挺进车载激光雷达应用。其温度稳定性好，可靠性冗余高，光斑圆形，成本低等优点，开始受到了主流激光雷达厂商的青睐。限制其应用的几个缺点则通过下面几个技术沿革在过去几年逐一得到了解决：

  发光功率：VCSEL可以通过提升阵列总发光面积实现，同时低Duty cycle（<1%）的纳秒级短脉冲TOF驱动模式也大幅提高了光脉冲的峰值强度。

  功率密度：多结技术（Multijunction）可以在不变发光面积的情况下成比例增加量子效率，即一个载流子经过器件可以发出多个光子，实现数倍于单结VCSEL的光功率密度。至此，VCSEL基本满足了中远距离LiDAR的基本要求，首批应用于量产车载LiDAR的为5/6结VCSEL，探测距离达到了约150 m。

  Brightness （~ power density / divergence2 ）：发散角成为突破更远探测距离的最后瓶颈，传统VCSEL结构很难做到16°以内，探测距离无法显著超过150 m。

  AR-VCSEL，重塑激光雷达技术演进路线

  VCSEL在消费电子等领域获得了很大的成功，但是在技术上依旧有它的局限性，正如上述说的技术方面，传统VCSEL结构很难做到16°以内，探测距离无法显著超过150 m。在这个需求背景下，小角度的AR-VCSEL诞生了。

  AR-VCSEL是对VCSEL一维驻波电场基本结构的创新，通过引入增透区和储光区，突破了多年来行业默认的VCSEL结构，摆脱了传统长腔VCSEL多纵模问题的困扰。在不增加谐振腔的总长度情况下可以大幅降低了氧化限制因子，确保了单纵模的同时大幅降低发散角，可以达到氧化孔的衍射极限。亮度实现数倍甚至一个数量级的增加。基于AR-VCSEL的激光雷达可以轻松突破300 m探测距离，且仍然有较大上升空间。AR-VCSEL一问世就创造了VCSEL领域多项世界纪录，包括小发散角（4.1° in FWHM or 8.0° in D86 full angle）、高亮度（> 40 kW·mm-2sr-1）和单横模光功率（28.4 mW）等，显著提高了VCSEL-based LiDAR的探测距离和分辨率。

  其中，单模的功率从2023年AMS-OSRAM展示的14 mW翻倍到28 mW，同时边模抑制比SMSR可达40 dB。

  在氧化孔径7 μm的emitter上M2光束质量也实现接近1的理想光束。这对某些结构光的应用也可能会有显著性能提升。Nature Communications的这篇文章中，还展示了多达几十种AR-VCSEL和普通VCSEL的设计，从海量的实验数据上证明了氧化限制因子和发散角呈现线性正相关。AR-VCSEL（圆圈）可以实现远小于普通VCSEL（三角）的氧化限制因子，并且可以通过控制氧化层限制因子控制其D86发散角在8~20°的任意角度，可以非常便利地针对客户的角度需求进行定制。

  VCSEL在消费电子产品中数量达到数十亿，已成为人类历史上使用最广泛的激光器，超过了所有其他激光器类型的总使用量。上图的横轴是单位面积半导体产生的光功率，而半导体面积是决定成本的关键因素，所以越往右侧，成本优势越大。可以看到AR-VCSEL具有和普通VCSEL同样的成本优势，远超其他激光器（数量级的差异），也优于EEL。

  和传统VCSEL相比，AR-VCSEL的亮度得到有几倍的提升，彻底解决了VCSEL LiDAR探测距离的痛点，在200 m以上远距离方面性能卓著。AR-VCSEL是迄今可以用于激光雷达的性价比最高的激光器类型，在激光雷达产业整个飞速降本且竞争白热化的今天，相比其他方案有极大的竞争优势，影响了整个激光雷达产业未来的走向。

  除了在LiDAR领域的应用之外，AR-VCSEL中储光概念和技术为表面发射激光器的设计提供了宝贵的工具，包括PCSEL、TCSEL和单模VCSEL等，为其他半导体激光技术提供了潜在的提升空间。AR-VCSEL作为Vertilite在VCSEL领域的一项开创性技术革新，其在全球主要国家和地区已取得多项专利保护。