背面发射 VCSEL 改善了 3D 传感
2020/8/4 13:55:32 材料来源：CSC化合物半导体
背面发射的VCSEL阵列即将实现诸多 3D传感应用，从短距离面部识别到长距离汽车激光雷达LiDAR均在其列。
作者：James Foresi, Luke Smithwick，TRILUMINA 公司
3D 传感已经悄然得到普遍的使用。iPhone X 面部识别系统的出现使数百万人每天都能与 3D 传感系统展开互动。
这些面部识别系统的核心是一种被称为 VCSEL（垂直腔面发射激光器）的激光器。VCSEL 实现了图像的结构化光深度传感分析。不仅如此，VCSEL的特性也使其成为其他形式 3D 传感颇为青睐的一种选择，比如它在汽车市场用来提供飞行时间传感，在 LiDAR 领域中应用于自动驾驶。
这些应用将确保传感市场具有美好的前景。根据市场分析人士提供的数字，3D 传感市场的全球营销收入将从 2017 年的 21 亿美元大幅攀升至 2023 年的 185 亿美元。这是 44% 的复合总增长率，将有助于刺激 VCSEL 的销售。到 2023 年，仅 VCSEL 照明和相关光学器件的市场就将超过 60亿美元。
在可预见的未来，VCSEL 销售将出现增长的领域涵盖了移动、消费、工业和汽车行业。在这些领域中，对于照明光源均有着不同的要求。不过，尽管存在这些差异，但是却具有 5 个共同的考虑因素：波长选择、随温度变化的性能稳定性、可靠性、工作范围和成本。
VCSEL 的优点
由于其所具备的优越性能，VCSEL 的销售增长速度因而远远高于其更常见的同类产品——边缘发射激光器。VCSEL的优点包括其垂直架构（见图 1 (a)），该架构因为免除切割晶圆和涂层端面 (coating facets) 的需要，简化了生产。在加工之后，所需做的全部工作就只有切割晶圆了。VCSEL 的另一个特点是其腔体相对较短，从而实现了高数据速率。这些优势，再加上由孔径确定的圆形发射轮廓，使得 VCSEL 成为适合数据通信的非常有竞争力、同时也是很成功的产品，并将推动其在 3D 传感领域取得成功。对于后者而言，需要较高的输出功率，这是通过在单颗晶片上组装孔径阵列来实现的。
传统的 VCSEL 是一种“顶面发射器”(top-emitter)，即：光是通过半导体晶圆片的顶面发射的。不过，这并不是唯一可行的配置。在美国新墨西哥州阿尔伯克基 (Albuquerque, NM) 的 TriLumina 公司，我们的团队倡导采用“背面发射器”(back-emitter)，这是一种可在 VCSEL 阵列设计中提供更大灵活性的架构。为了制作我们的器件，我们以倒置（相对于顶面发射器）的方式生长异质结构，并在激光器结构的内部使用特殊的层，以实现至阳极和阴极的电连接（见图 1 (b)）。
我们的背面发射 VCSEL 配置相比于传统的同类产品拥有一些显著的优势。它不需要采用键合线来实现至阵列的电连接，作为替代方法，简单地将 VCSEL 晶片倒装焊接至一个次黏着基台 (sub-mount)，该次黏着基台具有定义的所有必需的电连接。由于没有键合线，所以可将背面发射 VCSEL 晶片彼此紧贴在一起，以形成可为长距离传感应用提供足够电能的大型照明模块。此外，免除键合线还降低了封装的寄生阻抗，而这反过来又加快了上升和下降时间，从而改善了针对脉冲深度传感应用的性能。
背面发射的另一个优点是其允许将微透镜直接单片蚀刻至发射表面之中。有了这种特性，光束整形就成为可能：要么降低每个发射器的发散，要么扩散光输出。另外，透镜可从发射器孔径偏移，以使光束偏离轴。通过将光束指向与 VCSEL 孔径区域的个别可寻址能力相结合，这实现了全固态光束控制。由于坐拥这些特性，因而可通过免除光学元件或光束控制组件降低 3D 传感的总系统成本。
选择什么波长？
对于设计 3D 传感系统的工程师来说，他们所做的最大决定之一是选择工作波长。常见的激射波长包括 850 nm、905 nm、940 nm 和 1550 nm。工程师所选的波长将影响：眼睛安全；可见度，因为满足眼睛安全要求的光源仍然会分散注意力；来自环境光的干扰；和用于探测的传感器的可用性。需要注意的是，所有这些考虑因素都会对系统设计的其他方面产生影响。
为了满足眼睛安全要求，工程师必须遵守最大允许照射量。这随波长和脉冲的持续时间而变化（见图 2）。持续时间较短的脉冲具有较低的最大允许照射量（这是图 2 所示曲线图的构建方式产生的结果，因为在短脉冲和长脉冲里传递的能量是相同的），这与波长无关。对于 3D 传感系统，脉冲宽度最短可至 10 ns（在某些场合中甚至更�。�。这增加了眼睛安全考虑方面的负担。
改为使用较长的波长能够缓解该负担，因为工作在 1550 nm 波长的光源可针对眼睛安全限值提供最大的脉冲功率。
VCSEL 阵列通常工作在 850 nm 至 980 nm 的波长范围。依据图 2，这可能意味着眼睛安全要求将限制输出功率（相比于工作在较长波长的光源）。然而，事情不是那么简单的。这是因为眼睛安全考虑顾及了一个低功率光源阵列和单个高亮度发射器（比如，边缘发射激光器）之间的差异。在远离光源的地方，VCSEL 阵列仿佛是单个圆形输出光束，而且在这些距离上，它们发挥的作用类似于点光源。但是当你靠近 VCSEL 阵列时，它们就变成了扩展光源，而且眼睛安全考虑发生变化，此时由个别发射器的输出决定。这一点是受欢迎的，因其能够大幅降低总功率因数达 4 个数量级，并使 940 nm VCSEL 阵列光源在眼睛安全方面近乎等同于 1550 nm 波长的点光源。
另一个影响系统性能和成本的考虑因素是：位于或靠近光源波长的背景照明水平。当背景光照度很高时，必须利用额外的滤光对其加以抑制。如欲估计所需的滤光级别，可考虑空气质量为1.5 时的太阳辐射。美国国家可再生能源实验室 (NREL) 提供的数据（见图 3）显示了在 850 nm、940 nm 和 1550 nm 波长的背景辐射水平。在 850 nm，太阳辐射相对较高，对于工作在该波长的系统，需要提供额外的滤光。940 nm（并非巧合的是，iPhone X VCSEL 就工作在此波长）和 1550 nm 波长均具有相当低的背景辐射。
最后一个与波长有关的考虑因素涉及合适传感器的可用性。用于 3D 传感系统的常见探测器有三种不同的类型：硅雪崩二极管；多光谱 CMOS 成像器；以及化合物半导体探测器和阵列，如 InGaAs 雪崩光电二极管。前两种类型可兼容 850 nm 和 940 nm 光源，而后一种类型则是工作在 1550 nm 波长的系统所需要的（见图 4）。如果注重成本，则优先选择硅传感器。具有成像器的硅传感器品种繁多，可支持许多不同的 3D 传感方法。
应对热量
3D 传感系统的所有主要市�。ㄏ选⒐ひ岛推担┒夹枰庠�，以在扩展的温度范围内保持性能。最严苛的要求出现在汽车领域，这里的工作温度范围可能必需从 －40°C 扩展到 +125°C。这种挑战特别棘手，原因在于：为了避免系统成本上升，照明光源必须在没有温度控制的情况下理想地运行。遗憾的是，激光器的特性会随温度而改变，包括其波长和输出功率。
采用 VCSEL 时，特性随温度发生变化的幅度远远小于边缘发射器，因而对于设计合理的 3D 传感系统而言，无需配备温度控制功能。波长的变化幅度下降了 5 倍，从通常的 0.4 nm/K 降至 0.07 nm/K。波长稳定性的优势源自使用了短得多的腔体，这使得 VCSEL 内部的谐振腔模式在波长上是疏散的。当 VCSEL 升温时，谐振腔波长和增益轮廓 (gain profile) 移至较长的波长。然而，仅有一种谐振腔模式与增益轮廓重叠，而这决定了波长。与此相反，在边缘发射器中，谐振腔模式在波长上是密集的，因此，当增益轮廓移动时，在增益峰值处出现一种新的激光模式，因而产生一种新的激射波长。
半导体激光器的输出功率随温度而改变，这往往与谐振腔模式和增益轮廓移位以及非辐射复合速率相关联。功率的变化幅度在很大程度上取决于设计，但是，在典型的边缘发射器中，它在 85°C 温度下会骤降至接近于零。相比之下，我们的 VCSEL 阵列在高达 125°C 温度条件下工作时的输出功率接近 25°C 时额定功率的 70%（见图 5），因而可满足极为苛刻的汽车环境要求，并不需要采用温度控制系统。
确�？煽啃�
可靠性是一个关键的问题，在用户安全至关重要的汽车应用中尤其如此。在判断该特性的测试中，我们的 VCSEL 的表现胜人一筹，这是因为背面发射架构针对用于可靠性评估的典型应力具备固有的坚固性。n型和 p型触点位于 VCSEL 阵列的同一面，并且均完全包裹在金属或氮化硅中。由于采用了这种设计，因此就不存在湿气侵入器件活性区域的进入通路。
对于顶面发射 VCSEL 情况就不是这样了，其在p型触点中必需具有一个出口，以使光能够离开器件。不得不诚实地说，这些顶面发射 VCSEL 已被证明是高度可靠的，但是我们的背面发射配置为长期运行提供了更大的信心，对于这一点我们是毫无疑问的。当在加速条件下驱动我们的阵列达 9,000 小时以上时，我们并未发现任何性能劣化的迹象。目前，我们正在依照汽车质量标准 AEC-Q102 对我们的8W照明模块进行全面评估，并期望在本篇文章发表之前完成标准认证。
扩大工作范围
深度感应系统采用各种不同的方法来确定距离。对于短距离系统，要么采纳结构光方法（比如在 iPhone X 中），要么运用基于立体视觉的方法。而对于中远距离系统（包括 LiDAR），则更常用的方法是基于飞行时间。它们既可以是直接的（使用闪光灯）；也可以是间接的（见图 6）。
我们设计并向客户提供了覆盖每种范围的背面发射 VCSEL 阵列�？椋有枰诩该椎木嗬肷辖猩疃却械南牙嘤τ�，到工作距离为 250米或更长的前置汽车 LiDAR 无所不包（我们的产品实例请见图 7，照明�？榈闹饕副昕刹渭� 1）。
我们的激光器将进入短距离系统，从而在“放眼”世界、面向移动应用的摄像机中提供了一个关键要素。用我们的 VCSEL 构成的照明�？榈亩捞赜攀剖瞧淠芄幌袢魏纹渌缱幼榧谎苯雍附拥接∷⒌缏钒迳稀Ｕ馐顾浅晌� VCSEL 光源取代 LED 的一种低成本选项。这些照明模块以低占空比（平均占空比通常为1%至3%）运行，而且它们可以产生约4W的输出功率。
可提供稍多一点功率的是我们面向汽车安全应用（如乘坐者监控）的照明�？�。产品实例包括两个串接、安装在陶瓷次黏着基台上的1 mm x 2 mm晶片，它们可在3%的占空比条件下产生约8W的输出。
对于50米至100米的范围，我们的照明模块被部署在多模式飞行时间摄像机中。这些模块在间接飞行时间系统中使用，具有获得高分辨率深度图以及黑白和红外图像的多光谱CMOS成像器。摄像机安装在汽车上四个灯的位置，使驾驶员能受益于意识和安全信息量的增加。对于该应用，我们生产了100W照明�？�，此类模块由10个 2 mm x 2 mm VCSEL 阵列在陶瓷次黏着基台上形成，以2% 的占空比运行。
我们为最长距离提供了600W照明模块。它们采用20颗 1 mm x 2 mm 晶片进行组装，并封装在陶瓷次黏着基台上，适合直接飞行时间和闪光前置LiDAR系统。为了实现窄发散角（它大约为12°，用其半最大值全宽度来表示），将微透镜蚀刻到芯片之中。采用最短10纳秒左右的脉冲，以100kHz的重复频率传递，LiDAR实现了规定的工作距离。需要注意的是，仅0.1%的低占空比就使照明�？榇锏搅怂芨叩姆逯倒β�。
我们所有照明�？榫弑赣芯赫Φ男阅�，做到这一点的关键是我们独特的背面发射 VXSEL 阵列设计。通常，如需开发一款新型模块，我们所需做的全部工作就是打造新的陶瓷次黏着基台设计。通过将我们的 VCSEL 阵列晶片平铺在适当的串联或并联网络（或者有时是这两者的某种组合）中，我们能够满足期望的电气和光学规范。
展望未来
VCSEL技术正在持续不断地进入新的应用领域。3D传感系统的出现使 VCSEL 阵列成为红外照明的有力竞争者。有了我们具有集成型微透镜的背面发射激光器，我们能够提供一种引人注目的产品，该产品有助于降低先进3D传感系统的总系统成本。背面发射配置为提高集成度铺平了道路，人们将在3D传感领域的最前沿看到 VCSEL 技术被创新设计所采用。
图1. VCSEL 设计采用了一对分布式布拉格反射器 (DBR)。这些反射器为一个包含放射层的谐振腔提供了反射镜，具有多量子阱结构。在顶面发射 VCSEL (a) 中，光从晶圆的顶面发射。这种设计需要使用键合线来实现电连接。在 TriLumina 新颖的背面发射 VCSEL (b) 中，光从晶圆的背面发射。在此配置中，无需键合线，并且能够在发射器的上方对透镜进行单片蚀刻，以减少光束发散（置中微透镜）或改变光束的输出角（偏置微透镜）。请注意，这些特性未按比例显示。
图2. 眼睛安全的最大允许照射量，其作为波长和脉冲宽度的函数来计算（针对每个脉冲的某一固定能量）。对于高功率点光源，眼睛安全配置推动系统采用较长的波长。对于 VCSEL 阵列，单独的发射器输出会相当低，因而实现了视力无害操作，即使当总阵列输出很高的时候也不例外。
图3. 来自 NREL 的 AM 1.5 参考光谱以三种不同的波长（850nm、940nm和 1550nm）为中心。在3D传感系统中，环境太阳光会变成背景噪声。为了限制这种背景噪声，可在940nm或1550nm（而不是850nm）波长形成系统。
图4. 作为波长的函数的响应性（针对用于3D传感系统的三种不同候选传感器）。为了减低系统成本，相比于更加昂贵的 III-V 族同类产品，优先选择硅探测器和 CMOS 成像器。
图5. 以0.1%占空比工作的一款 TriLumina 照明�？椋�10ns 脉冲，100kHz 重复频率）的输出功率与温度的函数关系。输出功率被归一化至 25°C 时的输出功率。在 125°C 温度下，该照明�？槿匀徊烁哂谄涠疃üβ实�70%的输出功率。
图6. 在差分飞行时间系统中，脉冲红外光源用编码（脉冲）光束来照亮物体。反射脉冲的到达时间利用探测器或摄像系统来测量。编码方案往往采用一种突发脉冲群图，该突发脉冲群图以与系统的最大测量范围相对应的突发脉冲序列周期重复。这里所示的抽象突发脉冲群图可包含额外的脉冲图形，因而使得系统能够消除多次反射或其他乱真信号回应产生的歧义。
表1. TriLumina 照明�？椋ò垂ぷ鞣段Ш陀τ没郑�
图7. TriLumina 照明�？槭道ㄓ糜� 5米至300米的工作范围）。
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