激光雷达缘起VCSEL|深度解读 | 激光( 二 )

【激光雷达缘起VCSEL|深度解读 | 激光】

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iToF与dToF
在不同应用场景中，以上三种结构有不同的优势，比如结构光的深度信息精度与距离的平方成正比，在短距离时非常精确，超过一定距离（1米左右）精度就会下降，这也是苹果Face ID选择结构光的理由。因为结构光在1米以内、半米左右精度很高，距离再大，其精度就变得不如别的方案。

第二个方案是iToF，计算的是不同相位差，而dToF是计算飞出去打回来的时间。iToF主要是通过监测发射光和接收光之间的相位差，其精确度开始时不如结构光，超过1米后就比结构光好了。所以很多智能门禁或手机等距离远一点的应用经常采用。

dToF几乎对距离不太敏感，特别是长距离非常有优势，比如超过10米其精度很好，所以汽车激光雷达用dToF比较多，这也是后来苹果激光雷达扫描仪选中它构建外界3D VR环境的原因。

以上VCSEL采用的几个方案并不是相互竞争的，而会在不同场景下有不同的选择，VCSEL都会扮演很重要角色。

什么是多结结构？前面提到，多结技术代表VCSEL行业的下一个飞跃，因为多结发射的性能会好很多，目前业界最高能做到七结。多结技术是垂直将几个PN结叠在一起，和普通多量子阱不一样，多量子阱是一个PN结，几个量子阱基本上平均分布。多结VCSEL的能带利用隧道结隧穿原理，将上一个PN结价带中的电子变成下一个PN结中的导带电子，这样周而复始，但不会永远下去，一般多到一定程度就会出现别的问题。

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激光雷达用多结VCSEL技术
多结VCSEL的好处是可以得到更高的功率密度，这对激光雷达非常重要；同时也可以得到斜率效率，因为多个VCSEL只分享一个DBR，可以避免多次损耗。另外，对电源或驱动来说，在同样功率下，永远是高电压、低电流要比高电流、低电压更容易或更便宜。多结VCSEL通过电流不变，电压升高，对驱动和电源都是友好的变化，它是这两年VCSEL的重大突破，让其功率密度从几十瓦/平方毫米或几百瓦/平方毫米进入了几千瓦/平方毫米，从而变成了汽车雷达一个“光源选手”。

多结VCSEL的意义在于，假设把边发射激光器的几个量子阱叠起来，或把几个边发射激光器串联起来，如果把VCSEL做成多结，从光学角度看，是所谓的“没有变化”。如果把边发射激光器三个量子阱叠在一起，面积立体角乘积（Area Solid Angle）就变成了三倍；如果把3个器件串联起来也是三倍；而做成多结，面积立体角乘积没有变，只是光密度和远场变成了三倍。这样，多结在光学上可以获得很多好处，而且付出的代价相对较低。得到的好处远远多过付出的负面代价，这是做多结VCSEL背后非常重要的逻辑。

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多结VCSEL与多结EEL、多芯片EEL对比
VCSEL之光已照进现实苹果手机和iPad采用VCSEL将VCSEL带到了一个新的高度，使3D感测应用出现了数量级的增长。iPad Pro基于dToF技术的VCSEL方案可以帮助用户构建3D虚拟场景，扫描周边环境，这是未来苹果虚拟现实生态的出发点。

前面说过，VCSEL是一种半导体器件，其激光垂直于顶面射出，与一般切开式独立芯片工艺，激光由边缘射出的边射型激光不同。它集合了红外边发射激光器的很多优点，采用更优质的激光源，既像红外LED非常适合大规模晶圆级生产，工艺和封装成本较低，又有边发射激光器非常好的光谱和较高的光密度特性；它还有温度漂移非常低的特征，从低温到高温每组VCSEL的典型漂移仅为0.07nm/K。这是其他光源很难做到的，这也是被苹果选中作为Face ID光源的重要原因。这是用于VCSEL的架构决定了它可以在许多光源的选择中胜出。