大话苹果TOFLiDAR之二___VCSEL平面激光器

光电与显示 · 2020-03-31

已上头条

垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser,简称VCSEL,又译垂直共振腔面射型激光)是一种半导体,其激光垂直于顶面射出,与一般用切开的独立芯片制程,激光由边缘射出的边射型激光有所不同。

因为VCSEL是从集成电路的顶面发出激光光,所以它们被分割成单独的个体以前,可以直接在芯片上测试。这可以节省半导体制作过程中装置的花费及使用。这也允许VCSEL的制作不再只是一维,而可以是二维的排列,可以同时有数万个VCSEL在一个三英寸大的砷镓芯片上被处理。

我们先来看一个简单的CO2光管激光器的原理,就不难理解VCSEL了。

CO2玻璃管激光器主要由三个部分构成:硬质玻璃、谐振腔、电极。

1、硬质玻璃由GG17料烧制成放电管、水冷套、储气套和回气管而组成。封离式CO2激光器通常为三层套管结构。最里面的是放电管,中间是水净套,最外一层是储气套,回气管是用于连通放电管和储气管。

2、谐振腔由全反镜和输出反射镜组成。谐振腔的全反镜一般以光学玻璃为基底,表面渡金膜,金膜反射镜在10.6um附近的反射率达98%以上;谐振腔的输出反射镜一般采用能透射10.6um辐射的红外线材料锗为基底,在上面渡上多层介质膜而制成。

3、CO2激光器一般采用冷阴极,形状为圆筒形,阴极材料选用对激光器的寿命有很大的影响,对阴极材料的基本要求是:溅射率低,气体吸收率小。

那么VCSEL激光器又是怎样的呢?实际上就是把CO2玻璃管激光器从两头拍扁,再竖起来,然后把除最底下的全反射镜保留外,其它所有的全反射镜换成半反射镜,让激光工作物质发出来的光线,一层一层的来回反射加速,然后从顶面输出去。

如果把CO2玻璃管激光器换成固体半导体激光器,就更清楚一点。

然后再把固定激光器拍扁后,一层层叠起来,就成了下面VCSEL激光器件的样子。

再把这种堆叠起来的单个激光器,按需求阵列起来,就可以制作成VCSEL平面激光平面光源,可以用在所谓的光、电通信或3D探测光源上了。

因为在垂直于衬底的方向上可并行排列着多个激光器,所以非常适合应用在并行光传输以及并行光互连等领域,VCSEL可以用来在光纤网络中高速传输数据其相比传统电缆系统可以以更快的速度传输更大的数据量。速度达到每秒40G,是这一领域美国目前的最高速度纪录。由于其体积很小,这种VCSEL装置还拥有很高的能源效率,相比传统的电线要节能100倍。但与此同时其传输数据的精确性也非常高。

总体来说,VCSEL激光光学器件有很多特点或优点:

1多重反应区域设计(aka bipolar cascade VCSELs)。允许回馈时不同效能量值之间的差异超过100%。

2通道相接VCSEL:利用通道相接(np),一个对电子有利的n-np-p-i-n结构就可以被建立,且可以影响其他结构的分子。(e.g. in the form of aBuried Tunnel Junction(BTJ))。

3可利用机械式(MEMS)调整镜面来广泛的调整VCSEL。

4"芯片接合"或"芯片融合"VCSEL:利用两种不同的半导体材料可以制造出不同性质的底层。

5Monolithically光学泵VCSEL:两个相叠合的VCSEL,其中一个利用光学来对另一个作泵。

6纵向的VCSEL整合监测二极管:一个光二极管与VCSEL的背面镜子做整合。横向的VCSEL整合监测二极管:利用适当的VCSEL芯片石刻法,一个发光二极管就可以被制造用来测量邻近VCSEL的发光强度。

7具有外部共振腔的VCSEL,参照VECSEL或是盘激光半导体disk laser。VECSEL是传统激光二极管的光学泵。这样的设置使装置有更广泛的区域可被泵,也因此有更多的能量可被吸收,大约30W左右。外部共振腔也允许了intracavity技术,如频率倍增、单频操作和femtosecond pulse modelocking。

8垂直共振腔半导体光学扩大器VCSOA。与震荡器不同,这个装置使扩大器更优化。因为VOSOA必须在限制下工作,故会要求减少镜子的反射以达到减少回馈的作用。为了使讯号增至最大,这些装置会包含大量的量子井(光学泵装置已被证实有21-28个量子井),导致讯号的增加量值比典型的VCSEL来的大(约5%左右)。这装置的运作于窄线宽的扩大器(约十几个GHz),且可能可以有增强滤光器的效果。

由于VECSEL激光器件的性能可控,以及成本远低于其它激光器,所以VCSEL主要用作跟踪计算机鼠标,激光打印机和光纤中移动和传输数据的低成本方式。

然而真正要生产精密VECSEL激光器件,其实难度还是很大的,尽管从半导体制程来讲,每加工一层,都是可以检测和调试产线参数,但这也说明了生产VECSEL的工艺一致性很难保证,需要大量的人力来检测和调试,才能把最终产品调试在一个可控范围内。

如国内纵慧光电就表示,其生产用于智能手机3D探测的VCSEL器件,就有三百多层,上千个步骤。

VCSEL是通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)工艺在衬底上沉积复杂的多层膜结构而形成的。外延层主要由产生光子的有源层和分布布拉格反射镜(DBR)组成,有源层夹在上、下两个分布布拉格反射镜之间,形成类三明治型结构,它对外延生长质量要求很高。有源层产生的光子在上、下两个分布布拉格反射镜中来回反射产生谐振效应,最终放大并形成激光。每个分布布拉格反射镜由许多外延层构成,每个外延层的折射率和厚度经过定制化,可引起相长干涉,从而产生所需波长的光波。

VCSEL制造流程大致为::材料外延生长→外延结构的表征(X射线衍射、反射谱、光致荧光谱、电化学C-V特性等)→器件工艺(包括外延片清洗、晶片键合、刻蚀、金属膜溅射、光学镀膜等)→后段工艺(包括引线键合、划片、封装、光纤耦合等)→器件性能测试(包括I-V特性、I-P特性、发射光谱、频响特性等),最终完成从材料到器件的全过程。

VCSEL的关键工艺过程大致是,外延:利用MOCVD(有机气相外延沉积)与MBE(分子束外延)技术;光刻:决定芯片图形与尺寸,ICP-RIE(电感耦合反应离子刻蚀)技术刻蚀出发光平台(Mesa);氧化:让谐振腔定义出最佳的VCSEL光电特性;钝化:绝缘工艺让暴露的半导体材料不受空气与水汽影响可靠度;研磨与切割:变成一颗颗芯片,再进行测试与出货给封装厂。

事实上垂直腔表面发射激光器(VCSEL,Vertical cavity surface emitting laser)技术,直到近年才被证明是一种久经考验的小众技术,由于在手机和其他移动设备中引入了面部识别技术,它突然变得非常热门,特别是苹果手机的成功应用。

而此次苹果iPad再次把VCSEL用在后置TOF LiDAR上,则为消费类电子上应用高精密VCSEL激光器件,打开了另一扇大门。可能其它苹果的技术复制过来比较困难,但高精密VCSEL激光器件应用,还算是一个较简单的过程。

对了此前苹果的VCSEL激光器件,也是ams提供,2017年ams以现金收购VCSEL领先供应商PrincetonOptronics公司100%股权。PrincetonOptronics总部位于美国新泽西的普林斯顿,当时仅拥有37名员工,实际上是一家设计公司,加工业务全部外包给台湾、美国以及英国的合作伙伴。

不过后来ams又把VCSEL激光器件部门给拆分了,变成了飞利浦光子学卖给了通快激光。