1mm3大小 世界首個(gè)功率破KW的單芯片激光模組誕生

　　近年來(lái)隨著技術(shù)不斷發(fā)展，激光雷達(dá)的體積、成本也在不斷降低，成為了一種受到各行業(yè)關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)。它的用途越發(fā)廣泛，可用于自動(dòng)駕駛汽車、大氣觀測(cè)使用的LiDAR傳感器，還可以用于醫(yī)療保健(治療和檢查分析)、生物光子學(xué)等領(lǐng)域。在非熱精密切割、微創(chuàng)治療等激光加工、激光醫(yī)療場(chǎng)景的應(yīng)用潛力也越來(lái)越大。與此同時(shí)，市場(chǎng)對(duì)于千瓦級(jí)高功率激光模組的需求也開(kāi)始增加。

　　激光雷達(dá)有多種方案，比如LiDAR、MEMS(微機(jī)電)等等，其中LiDAR采用VCSEL(垂直腔面發(fā)射激光器)光源，而MEMS則基于固體鐳射技術(shù)。然而，固態(tài)鐳射和VCSEL各有局限，前者功率高但體積大，而后者體積雖小，但功率也小。為了解決現(xiàn)有激光技術(shù)的局限，索尼研發(fā)了一種單片激光器，并宣稱這是世界上首個(gè)峰值功率高達(dá)千瓦級(jí)(57.0千瓦)的激光方案。據(jù)悉，其體積不到1立方毫米(相當(dāng)于固體鐳射的1/1000倍)，輸出脈沖持續(xù)時(shí)間為450皮秒，強(qiáng)度是半導(dǎo)體激光1000倍。

　　與傳統(tǒng)的固態(tài)鐳射方案相比，索尼的激光模組的排列更簡(jiǎn)單，結(jié)合了半導(dǎo)體和固態(tài)鐳射模組的結(jié)構(gòu)，可以很好的滿足LiDAR對(duì)于尺寸小巧、高功率激光源的需求。另外，小尺寸激光單元可并列排列在一個(gè)芯片中，并利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體光刻工藝，實(shí)現(xiàn)高精度的陣列排列(微米級(jí))。

　　索尼表示：目前市場(chǎng)上還沒(méi)有可以滿足這一需求的其他激光技術(shù)，盡管高功率激光模組的可用性已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室得到驗(yàn)證，但在投入市場(chǎng)時(shí)還需要考慮成本、尺寸的限制。而如果這種小尺寸、高功率的超短激光光源能以低成本量產(chǎn)，將為高功率激光行業(yè)帶來(lái)一場(chǎng)革命。

　　應(yīng)用場(chǎng)景方面，該技術(shù)可用于開(kāi)發(fā)更好的LiDAR傳感器，用于自動(dòng)駕駛汽車、無(wú)人機(jī)、機(jī)器人、3D傳感、AR/VR等場(chǎng)景�？s減激光腔的尺寸

　　迄今為止，市面上的高功率激光光源方案僅限于固態(tài)鐳射模組，比如碟片激光、光纖激光器、微晶片鐳射等等。固態(tài)鐳射由于載流子壽命長(zhǎng)(微秒到毫秒級(jí))，所以可輸出高功率脈沖。然而，固態(tài)鐳射晶體需要用外部激光來(lái)激活，因此硬件系統(tǒng)尺寸大，而且需要手動(dòng)組裝。通常，一臺(tái)固態(tài)鐳射系統(tǒng)的成本可達(dá)數(shù)百萬(wàn)日元(約合人民幣5萬(wàn)元)，高成本限制了這項(xiàng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

　　另一方面，半導(dǎo)體激光方案的效率更高，由于它可以用電流激活，因此尺寸也可以縮小到1平方毫米以下，而且可使用現(xiàn)有的半導(dǎo)體工藝批量生產(chǎn)。不過(guò)，半導(dǎo)體激光的載流子壽命短，僅為納秒級(jí)，因此難以輸出高功率。

　　圖1：y軸為峰值功率，x軸為激光腔大小，激光模組尺寸越小、輸出功率越小

　　為了解決激光技術(shù)的功率和尺寸限制，在2018年，索尼開(kāi)始嘗試設(shè)計(jì)一種體積像半導(dǎo)體激光器那樣緊湊，且輸出功率足夠高的激光晶體。 突破點(diǎn)：腔體重疊

　　于是，索尼將固態(tài)鐳射與半導(dǎo)體激光方案融合，打造了一種更加緊湊、峰值功率更高的激光技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)的核心是一種由固態(tài)和半導(dǎo)體激光器組成的單片激光器，以及將VCSEL(垂直腔面發(fā)射激光器)作為激活光源，并將VCSEL和固態(tài)鐳射器(被動(dòng)調(diào)Q激光)的空腔重疊。

　　圖2：藍(lán)色箭頭范圍為VCSEL腔(第一個(gè)腔)，紅色箭頭表示被動(dòng)調(diào)Q激光腔(第二個(gè)腔)，兩個(gè)腔為光學(xué)耦合結(jié)構(gòu)

　　這種結(jié)構(gòu)有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，第一，固態(tài)鐳射晶體會(huì)吸收激光熱量，從而改變折射率，使激光束更聚集。這樣一來(lái)，便降低了固態(tài)鐳射對(duì)聚焦透鏡的需求。

　　其二，由于固態(tài)鐳射晶體在VCSEL腔體內(nèi)被激活，即使晶體的單程吸收率低，泵浦激光也能被高效吸收。如此一來(lái)，固態(tài)鐳射晶體的厚度可縮減到現(xiàn)有切割工藝能達(dá)到的水平，并且可以通過(guò)現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造工藝來(lái)生產(chǎn)單個(gè)激光器。

　　左：傳統(tǒng)高功率激光結(jié)構(gòu);右：索尼方案的結(jié)構(gòu)圖

　　換句話說(shuō)，腔體重疊后，VCSEL腔的內(nèi)部電場(chǎng)可激活固態(tài)鐳射介質(zhì)，無(wú)需聚光光學(xué)系統(tǒng)。另外，這種方案更容易批量生產(chǎn)，無(wú)需光學(xué)對(duì)準(zhǔn)，利用現(xiàn)有的晶圓工藝，就能批量生產(chǎn)芯片尺寸的高功率激光器。相比之下，傳統(tǒng)的固體鐳射模組的多組件需要調(diào)節(jié)空間位置，精度要達(dá)到微米級(jí)別，制造難度更高。

　　圖4：固態(tài)鐳射基板粘合在半導(dǎo)體激光基板頂部，接著將晶圓切割成單獨(dú)的晶體，然后進(jìn)行接線、安裝和封裝

　　據(jù)了解，索尼對(duì)半導(dǎo)體器件的研發(fā)、安裝和制造工藝有深入的了解，其團(tuán)隊(duì)擁有固體鐳射和半導(dǎo)體激光領(lǐng)域的專家，他們從2019年4月就開(kāi)始嘗試將VCSEL和固態(tài)鐳射融合的新型激光技術(shù)，從確認(rèn)激光振蕩到研發(fā)單片模型，大約用了一年。在研發(fā)過(guò)程中，科研人員考慮了激光模組受電、光、熱等因素的影響，以確保最終的量產(chǎn)。

　　圖5：索尼的激光方案比傳統(tǒng)固態(tài)鐳射和VCSEL方案更好

　　參考：索尼