基于高阶表面光栅的新型高功率VCSEL，可应用于3D传感和成像
2021-10-12 19:58:39   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

垂直腔表面发射激光器（VCSEL）正在引领着新一轮的3D传感和成像技术革命。智能手机3D人脸识别、自动驾驶激光雷达（LiDAR）以及智能家居中的手势控制器等以VCSEL为关键元器件的新兴应用开始受到越来越多的关注。VCSEL作为一种先进的半导体激光器，在制造和测试方法上具有相当高的成本效益。单模VCSEL具备功耗低、阈值电流低且光束质量高等优势，其输出功率损耗可控制在几毫瓦内。这些优势不断推动VCSEL功率向瓦特级扩展，以满足更多3D传感应用的需求。

据麦姆斯咨询报道，近期，东京工业大学（Tokyo Institute of Technology）创新研究院联合埃及艾资哈尔大学（Al-Azhar University）物理学院、Ambition Photonics公司及日本国立信息通信技术研究院（National Institute of Information and Communications Technology）等机构共同研究设计了一款基于高阶表面光栅的新型高功率VCSEL，该激光器制作工艺简单，具备高功率和高光束质量等特点，有望成为3D光学传感和成像应用的可靠选择。

该研究项目展示了一种基于高阶表面光栅的新型VCSEL结构，可实现单模高功率运行。在脉冲操作下，该激光器可以在6毫米的氧化物孔径中实现超过3W的单模高功率稳定输出。在注入电流高达5A的情况下，可以获得窄发散扇形光束。由于VCSEL结构慢光模式下有效折射率较低，光栅间距超过2.5μm，因此可以使用标准光刻技术进行制备。

该设计结构将VCSEL功率扩展到表面光栅慢光中的瓦特级。通过二维阵列的VCSEL多样化设计，实现了高功率特性。可提供单模功率超过10W，并具有近衍射极限的高光束质量。为了保持单模运行模式，研究团队通过标准光刻技术形成浅表面光栅，然后进行湿法蚀刻。研究结果证明了高功率单模VCSEL应用于3D传感和成像的可能性。

（a）基于高阶表面光栅的VCSEL俯视图和剖面结构示意图；（b）侧切面展示了VCSEL在角度（θ）范围内的慢光辐射；（c）显微镜下的器件俯视图，光栅占空比为50%。

该项目获得日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的支持。研究成果已发表于日本应用物理学会（The Japan Society of Applied Physics）出版的《应用物理快报》（Applied Physics Express）。

相关论文：https://doi.org/10.35848/1882-0786/ac1de7

延伸阅读：

《传感应用的VCSEL技术及市场-2021版》