VCSEL 激光技术： 三维传感和激光雷达中的应用

有没有想过如今智能手机是如何实现面部识别的？垂直腔面发射激光器（缩写为 VCSEL，发音为 "vixel"）为智能手机增添了间谍般的功能！它们的工作波长范围涵盖 650-1080nm、1300nm 和 1550nm，具体取决于所使用的制造材料。它们输出的功率从毫瓦到瓦特不等。VCSEL 的低功率一致性使其成为人脸和手势识别的理想选择。相比之下，它们能够产生更高的功率输出，对于依赖于激光雷达的机器人和自动驾驶汽车应用来说更为理想。

感谢您的规格概述，但 VCSEL 究竟是什么？
VCSEL 通常使用砷化镓等半导体材料的两层外延堆叠。这些叠层定义了上下布拉格反射器，从而形成谐振腔。在这些反射器之间，有一个由量子阱组成的增益结构。该增益区可放大功率，并使其通过上布拉格反射器，成为可用输出。下图给出了直观的示意图：

VCSEL 原理图，显示主要部分：底部和顶部的反射镜堆叠、带有氧化层增益区的激光腔。图片由 II-VI 公司提供。

VCSEL 的增益区由总厚度为几微米的量子阱组成。由于增益区非常小，因此功率较低，大约在 0.5-5mW 之间。人们可能会认为，只要增大增益区的尺寸，就能获得更高的功率。然而，增益区越大，就越容易激发高阶横向模式，从而无法对增益区进行均匀抽运。虽然较小增益区限制了 VCSEL 的输出功率，但较小增益区的好处是可以轻松实现单频操作，并具有一定的波长调节能力。较小的区域还允许 VCSEL 以更高的频率进行调制。这非常适合使用光纤的电信应用。

VCSEL 技术的特殊之处在于其输出光束质量相当高，发散性低。这并不意味着不需要透镜来控制光输出，而是意味着可以在较少依赖光学器件的情况下实现光准直。

与其他光源相比，VCSEL 在面部识别三维传感等应用方面有何优势？
用于面部识别的三维传感技术现在很常见。它在很大程度上依赖于 VCSEL 技术，这是有道理的。VCSEL 因其与生俱来的垂直于芯片表面向外发光的能力而得名。这种超紧凑的几何形状和高质量的光束输出使 VCSEL 成为智能手机应用的理想选择。

下面的示意图比较了 VCSEL、发光二极管 (LED) 和边缘发光激光器 (EEL) 直接从芯片发出的光传播情况。然后，您可以看到在每个发光体上添加一个非扩散透镜对光分布的影响。图中显示，VCSEL 既能保持圆形光束形状，又能在整个光束形状中保持平滑的强度分布。同样，发光二极管也能产生圆形光束，但在接近光斑形状的边缘处会出现强度下降。
 

不带透镜时芯片的 VCSEL、LED 和 EEL 光输出，带透镜时的光输出以及光束轮廓。图片来源：Radiant Vision Systems

在此应用中使用的 LED 将受益于具有扩散表面的透镜，以获得均匀的光强度。这是 VCSEL 不需要考虑的额外设计因素。你可能会认为 EEL 会比 LED 好得多，因为它和 VCSEL 一样都是激光器。恰恰相反，EEL 的不均匀强度分布也将受益于扩散式光学器件。更令人担忧的是，EEL 至少需要一个额外的光学器件来使光束形状圆润。这可以通过一个圆柱透镜或一对拟态棱镜来实现，但会增加封装尺寸。在这种应用中，VCSEL 技术是迄今为止的首选，其光学元件最少，封装尺寸和输出紧凑，光束轮廓漂亮而理想。

智能手机中的 3D 检测如何采用 VCSEL 技术？
通过前面对 VCSEL、LED 和 EEL 光源的比较，我们对消费电子产品的选择有了更深的了解。例如，VCSEL 技术在 iPhone X 中以芯片上 VCSEL 孔阵列的形式实现。这种阵列通常被称为 "点阵投影仪"，它将红外光图案投射到被观测物体上。阵列中每个 VCSEL 的光输出都是均匀分布和定向的。这样就能从传感器传回的信号中更精确地再现物体的三维网格。虽然 LED 光过去曾用于三维传感，但在这方面无法与 VCSEL 相媲美。与 VCSEL 光相比，LED 光更难控制/调节，因此无法实现像 VCSEL 那样高分辨率的 3D 网格。

现在您可能会想："但 VCSEL 的输出功率低，这难道不会令人担忧吗？功率不是问题，因为重要的是信号质量。额外的滤光片/涂层可以使探测器更容易将近红外 VCSEL 信号与其他光线（如太阳光）区分开来，并提高探测器的信噪比。

关于波长问题，VCSEL 制造商使用测试设备来验证 VCSEL 的输出强度和分布。由于人眼无法看到 VCSEL 的输出，因此必须牢记激光器的工作参数。虽然短期照射可能不是问题，但质量控制对于减少长期照射对人眼的伤害至关重要。

您能谈谈 VCSEL 在激光雷达（LiDAR）等当前正在发展的领域中的应用吗？
可以！研究特定工具（如 VCSEL）的多种应用总是有帮助的，这样才能更透彻地了解其效用。

在这种情况下，我们将把 VCSEL 与边缘发射激光器 (EEL)、二极管泵浦固体激光器 (DPSSL) 和光纤激光器进行比较。在将 VCSEL 与其他激光器进行比较时，VCSEL 在可制造性、可靠性、成本和眼睛安全性方面都很出色，但输出功率却不如其他激光器高。在安全性方面，光纤激光器可能与 VCSEL 不相上下，甚至更胜一筹。就功率范围而言，EEL 和 DPSSL 确实超过了过去的光纤激光器，但所有这些激光器类型都让 VCSEL 望尘莫及。根据具体的激光雷达应用，所有这些评估激光器类型的类别都为激光器的选择提供了指导。
 

不同激光器在激光雷达方面的优势比较。图片由 Photonics Media 和 Focuslight Technologies 提供

在这些大批量应用中，VCSEL 最有前途。这是因为 VCSEL 制造过程中采用了高效的涂层、测试和筛选工艺。在智能手机的面部识别中，VCSEL 作为大批量解决方案的价值已得到充分证实。激光雷达则是一个不同的挑战，因为 VCSEL 信号 "飞越 "的距离要长得多。更高的功率无疑有助于满足激光雷达系统的更高要求。VCSEL 制造商已经开发出具有多达八个结点的 VCSEL 设备，以产生更高的功率密度，满足此类需求。VCSEL 的输出功率肯定会赶上其他激光器。

既然激光雷达仍在不断进步，那么 VCSEL 技术的未来前景如何？
在智能手机市场占据主导地位之后，VCSEL 技术有望继续发展和调整，以满足汽车在激光雷达方面的需求。汽车中的 VCSEL 技术似乎仅限于激光雷达，但事实并非如此！车内监控可以识别车内人员，这将使 VCSEL 在汽车中 "一举两得"。VCSEL 制造商还在推动其他方面的进步。例如 "背发射 VCSEL 设计"。这种设计将通过减少导线接合增加 VCSEL 制造的灵活性，从而加快上升和下降时间。这些类型的进步表明，VCSEL 还需要不断发展，以应对当今的挑战。

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