電子發(fā)燒友網(wǎng)綜合報(bào)道 隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)向高階演進(jìn)，車載LiDAR對(duì)感知性能的需求日益嚴(yán)苛，探測(cè)距離、分辨率、可靠性及成本控制等指標(biāo)不斷升級(jí)，而光源技術(shù)作為L(zhǎng)iDAR系統(tǒng)的“眼睛”，已成為決定系統(tǒng)性能上限的核心變量。傳統(tǒng)激光光源在功率密度、光束發(fā)散角與亮度的平衡上存在難以突破的瓶頸，無法滿足長(zhǎng)距離、高分辨率LiDAR的應(yīng)用需求。

為破解這一行業(yè)痛點(diǎn)，縱慧芯光創(chuàng)新推出了AR-VCSEL技術(shù)。與傳統(tǒng)VCSEL相比，AR-VCSEL通過在有源區(qū)與擴(kuò)展區(qū)之間加入增透層，成功打破了氧化層對(duì)發(fā)散角的物理限制，實(shí)現(xiàn)了8°~26°（D86）范圍內(nèi)的精準(zhǔn)調(diào)控，同時(shí)大幅提升了器件的亮度與功率密度。從實(shí)驗(yàn)室研發(fā)走向大規(guī)模量產(chǎn)，AR-VCSEL已通過海量生產(chǎn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了其可靠性與一致性，一款6結(jié)AR-VCSEL產(chǎn)品在超過500片6寸晶圓的量產(chǎn)過程中，保持平均16.7度小發(fā)散角，標(biāo)準(zhǔn)偏差僅0.254°，為車載LiDAR的規(guī)?；瘧?yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

在最近的Photonics West展會(huì)上，縱慧芯光聯(lián)合創(chuàng)始人Leon受邀作特邀報(bào)告，系統(tǒng)展示了縱慧AR-VCSEL的近期研發(fā)成果。

多結(jié)VCSEL的大規(guī)模應(yīng)用始于LiDAR領(lǐng)域，相較于消費(fèi)電子領(lǐng)域的3D傳感應(yīng)用，LiDAR對(duì)功率、探測(cè)距離和亮度的需求更為苛刻，而AR-VCSEL的核心創(chuàng)新的就是通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了這些性能指標(biāo)的協(xié)同提升，在所有已發(fā)表的多結(jié)VCSEL中，創(chuàng)下了8°（D86）的全發(fā)散角新低，以及約140 kW mm?2 sr?1的亮度新高。

AR-VCSEL實(shí)現(xiàn)氧化層限制型VCSEL所需發(fā)散角的關(guān)鍵，在于對(duì)縱向氧化層限制因子（Γox）的精準(zhǔn)控制。其架構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔高效，通過在有源區(qū)與擴(kuò)展區(qū)之間集成一層專用增透層，使擴(kuò)展區(qū)內(nèi)的駐波電場(chǎng)（E2場(chǎng)）強(qiáng)度得到顯著增強(qiáng)，進(jìn)而大幅降低Γox值。在這個(gè)“增透型光子存儲(chǔ)區(qū)”內(nèi)部，電場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)到有源區(qū)（量子阱、隧道結(jié)和限流氧化孔徑所在區(qū)域）強(qiáng)度的數(shù)倍之高，從根本上削弱了橫向光學(xué)限制，實(shí)現(xiàn)了發(fā)散角的靈活調(diào)控。

縱慧芯光的研究表明，發(fā)散角與Γox之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，這一規(guī)律適用于5至14個(gè)結(jié)層、統(tǒng)一250 μm陣列結(jié)構(gòu)的各類器件，且在3 ns脈沖、20 kHz頻率、室溫的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，可實(shí)現(xiàn)8°至25°（D86全角）的精確調(diào)控。此外，單個(gè)發(fā)射單元的孔徑尺寸（OA）和電流密度對(duì)發(fā)散角影響顯著：隨著孔徑尺寸每增加5 μm，發(fā)散角便會(huì)相應(yīng)增大約1°，這為不同場(chǎng)景的LiDAR應(yīng)用提供了定制化設(shè)計(jì)的可能。

量產(chǎn)落地：6結(jié)器件奠定基礎(chǔ)，多結(jié)升級(jí)持續(xù)突破

目前，縱慧芯光已實(shí)現(xiàn)6結(jié)（6J）、8結(jié)（8J）和9結(jié)（9J）AR-VCSEL的量產(chǎn)，其中6結(jié)AR-VCSEL技術(shù)已日臻成熟，成為混合掃描LiDAR的核心光源。對(duì)500片6英寸晶圓的性能數(shù)據(jù)分析顯示，該器件展現(xiàn)出卓越的晶圓一致性：晶圓發(fā)散角中位數(shù)為16.66°，標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.254°，在發(fā)散角規(guī)格方面的良率接近100%，充分驗(yàn)證了AR-VCSEL規(guī)?；a(chǎn)的可行性與可靠性。

針對(duì)下一代LiDAR的高性能需求，縱慧芯光推出的8結(jié)與9結(jié)AR-VCSEL陣列實(shí)現(xiàn)了性能的跨越式提升。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，9J架構(gòu)下30 μm氧化孔徑的AR-VCSEL陣列，功率密度可高達(dá)5450 W/mm2（非極限值），而在實(shí)際應(yīng)用中，為保障器件壽命，工作電流密度通常控制在1000 A/mm2以下。值得注意的是，增加結(jié)數(shù)不僅能提升輸出功率、功率密度和功率轉(zhuǎn)換效率（PCE），還能改善溫度穩(wěn)定性——9結(jié)30 μm OA規(guī)格的AR-VCSEL陣列，在105°C的高溫環(huán)境下仍能保持80%的輸出功率，完全滿足車載環(huán)境的嚴(yán)苛要求。

亮度作為衡量功率密度與發(fā)散角平衡關(guān)系的核心指標(biāo)，在9結(jié)20 μm OA陣列器件上達(dá)到了67.6 kW·mm?2·sr?1，而通過進(jìn)一步優(yōu)化增透層以調(diào)整Γox參數(shù)，8結(jié)AR-VCSEL已實(shí)現(xiàn)14.7°、11.8°、10.1°和8.1°的D86全發(fā)散角，其中8.1°設(shè)計(jì)相較于14.7°設(shè)計(jì)，亮度提升兩倍，光譜亮度提升三倍。未來，將這一小角度優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用于9結(jié)外延平臺(tái)，有望實(shí)現(xiàn)更高的亮度水平。

偏振突破：630W功率刷新行業(yè)紀(jì)錄

除了功率密度和亮度的提升，偏振控制也是LiDAR光源優(yōu)化的關(guān)鍵方向，能夠顯著改善系統(tǒng)信噪比（SNR）——通過在接收端配置線性偏振片，可將環(huán)境非偏振噪聲抑制約3dB，同時(shí)偏振特征還能為材料識(shí)別提供獨(dú)特的數(shù)據(jù)維度，推動(dòng)LiDAR系統(tǒng)向小型化、高精度方向發(fā)展。

縱慧芯光已成功開發(fā)出偏振AR-VCSEL，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)和高精度制造工藝，將偏振光輸出帶來的功率損耗控制在10%至20%以內(nèi)。其推出的8結(jié)偏振可控AR-VCSEL陣列，在各種工作條件和溫度環(huán)境下，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了630 W的輸出功率、2 kW/mm2的功率密度、大于12 dB的偏振消光比（PER），以及小于20°的光束發(fā)散角，其中630 W的偏振光輸出功率（PER > 12 dB）刷新了目前所有已發(fā)表VCSEL技術(shù)成果的最高紀(jì)錄，為高性能LiDAR提供了更優(yōu)的光源解決方案。

向全固態(tài)演進(jìn)：適配LiDAR終極形態(tài)

全固態(tài)LiDAR憑借緊湊的體積、更低的系統(tǒng)成本，以及無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件帶來的更高可靠性，已成為商用汽車領(lǐng)域LiDAR技術(shù)的終極形態(tài)。而AR-VCSEL技術(shù)的融入，進(jìn)一步推動(dòng)了全固態(tài)LiDAR的小型化——結(jié)合AR-VCSEL遠(yuǎn)距離探測(cè)技術(shù)，主LiDAR模塊的體積可縮小至信用卡大小，完美適配車載場(chǎng)景的安裝需求。

目前，具備一維（1D）和二維（2D）尋址功能的AR-VCSEL陣列正處于研發(fā)與量產(chǎn)并行階段。其中，一維可尋址陣列（2×32個(gè)單元，尺寸5.0 mm × 3.7 mm）采用8結(jié)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)21°中等遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角，適配盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)、行人檢測(cè)等輔助型LiDAR應(yīng)用；二維可尋址陣列（16×32個(gè)單元，尺寸5.0 mm × 3.9 mm）同樣采用8結(jié)設(shè)計(jì)，目標(biāo)遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角24°。未來，針對(duì)遠(yuǎn)距離、高分辨率的全固態(tài)主LiDAR系統(tǒng)，AR-VCSEL將通過優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)低于18°的發(fā)散角，成為不可或缺的核心技術(shù)。