激光雷达缘起VCSEL|深度解读

以下文章来源于TechSugar ，作者立厷，江苏激光联盟陈长军转载
文︱立厷

知名分析机构Yole Developpement前不久的《VCSEL——2021年技术和市场趋势》报告指出，在数据通信和移动应用推动下，全球VCSEL（垂直腔面发射激光器）市场将在2026年达到24亿美元，年复合增长率为13.6%；目前最大市场是手机和消费电子，预计同期将达17亿美元，年复合增长率为16.4%。数据通信是VCSEL第二大市场，预计2021年将产生4.3亿美元的收入，2026年将达到5.66亿美元，年复合增长率为5.6%。

报告指出，多结技术代表VCSEL行业的下一个飞跃，将加速VCSEL在汽车领域的应用，激光雷达（LiDAR）将是典型的应用场景，加上5G网络增加了对高速光模块的需求，这些都为VCSEL带来了更多市场机遇，不过，有一些技术挑战仍需面对。

VCSEL从哪里来？从VCSEL结构看，它和普通边发射激光器（EEL）的最大区别在于，在腔体内其光场振荡是沿垂直方向，电流注入方向也是垂直的，所以电流注入和光场振荡方向平行，而边发射结构的振荡和电流是垂直的。
VCSEL的基本结构
感谢老鹰半导体首席科学家莫庆伟博士的报告提供了一张老照片，说明VCSEL诞生走到今天真的很不容易。1965年，美国林肯实验室的Ivars Melngailis最早提出了类似VCSEL的概念，是在普通边发射激光器上加了一个高反射电极，又做了隔断，所以强迫电流从右向左注入，同时强迫光场左右之间来回振荡，这就具有了现代VCSEL的基本形态。

VCSEL的诞生
这样得到的激光器虽然样子还是边发射器，但光发出的方向实际上是从底部发出，本质上已经很接近现代VCSEL激光器的雏形了。当然，当时是基于锑化铟（InSb）材料体系，参数并不好，50ns脉冲，在10K超低温条件下电流阈值为20A（600A/mm2），但这已经很不容易了。

现代真正的VCSEL公认的发名者是东京技术大学的教授Kenichi lga。1977年，他在实验室笔记本上画出了VCSEL图形。后来他对VCSEL的发展做出了很多非常重要的贡献。

从发展历程看，最早的VCSEL始于1962年的红外波长半导体激光器；1964年出现了第一个接近VCSEL的纵向电流注入面发射激光器；1979年Kenichi lga在实验室实现了其1977年的概念；1984年实现了室温脉冲，越来越接近实用，之前是脉冲加低温。之后，贝尔实验室的很多人前赴后继，做DBR（分布布拉格反射）、离子注入等各种各样的VCSEL研究。1994年，在奥斯汀实现了湿法氧化技术，最后由霍尼韦尔把VCSEL带到了实用阶段，后来霍尼韦尔VCSEL业务被Finisar收购。

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VCSEL发展历程
不同使用场景各取所需除了数据通信，VCSEL的使用场景绝大多数和3D感测有关。3D感测的重要工作模式包括：被动双目、主动双目、结构光和飞行时间，基本上囊括了现在VCSEL的3D感测的应用场景。被动双目是用两个摄像头模拟人的两个眼睛，从两个不同点看同一个物体，然后用大脑进行一些简单的几何运算，这是人类多年的进化获得的一个功能，现在是用VCSEL或计算机实现。

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3D感测的基本种类主动双目也是两个摄像头，以投影仪主动投射光斑或光照，用两个摄像头接收这些光斑。结构光保留了一个摄像头，另一个是投射光斑的投影仪，以摄像头接收这些光斑。这也是苹果Face ID的基本原理。飞行时间有好几种，包括直接飞行时间（dToF）和间接飞行时间（iToF）。飞行时间本质上也是汽车激光雷达的基本用法。

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