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垂直腔面发射半导体激光器关键技术及产业化

2021-09-15

 

垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)是激光发射方向与芯片表面垂直的新型半导体激光器。VCSEL的垂直短腔结构使其阈值电流可低至毫安量级,适合配置到各种供电资源有限的便携式设备或子系统中;VCSEL可通过二维面阵结构提高输出功率,而整个阵列使用单个透镜整形即可发出平行光,满足远距离探测或照明的应用要求。
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所(简称“长光所”)王立军、宁永强团队于2001年开始开展VCSEL芯片研制,多年来始终是国内该领域的主要技术牵引力量。在高功率VCSEL研究方面,于2004年成功研制连续输出功率1.95W的VCSEL芯片,于2011年成功研制脉冲峰值功率92W的VCSEL芯片;在低功耗VCSEL芯片研究方面,于2015年成功研制用于量子精密测量的VCSEL芯片,并于2017年完成其在量子时间频标系统中的应用验证,经严格测试确认,芯片的实际使用效果与国外同类产品无差异。2018年,由长光所、王立军团队与战略投资人共同出资设立长春中科长光时空光电技术有限公司,主要从事高性能VCSEL芯片的研发和生产。
在中国科学院科技服务网络计划(STS计划)的支持下,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所承担完成“垂直腔面发射半导体激光器关键技术及产业化”项目,重点突破VCSEL芯片量产关键工艺及检测技术,成功开发两类产品,并通过长春中科长光时空光电技术有限公司对下游客户实现批量供货。
 
1 研发成果
项目团队突破低功耗VCSEL芯片技术,针对芯片级量子频标应用要求,提高激光器的工作温度、降低阈值电流、降低功耗,包括可靠性在内的性能参数完全对标了国外同类产品水平,获得了头部客户的认可并开始批量供货。图1为批量化的低功耗VCSEL芯片产品。
成功研发高功率VCSEL芯片和模组。针对激光雷达和成像等应用要求,提高激光器的输出功率、转换效率和工作温度范围,分别开发905 nm、850 nm以及1550nm三款产品。图2为多种形式的高功率VCSEL模组产品。
 
 2 产业化应用
低功耗VCSEL在量子精密测量领域有广泛的应用需求。作为量子科技的三大领域之一,量子精密测量技术基于激光与原子蒸汽的相互作用,实现对时间、磁场、速度等物理量的精密测量,主要用于导航、通信、生命科学等领域。量子精密测量主要依赖一系列量子传感器来实现,而VCSEL芯片是量子传感器必备的光源。因此,实现低功耗VCSEL芯片的批量生产对推动我国量子精密测量技术发展有重要意义。
高功率VCSEL以其“小型化+低成本+低功耗+高质量”的特点,已经成为车载固态激光雷达的首选光源。目前,我国汽车年产量稳定在2 000万辆左右,随着智能网联车技术的不断发展,其渗透率将在汽车总产量的1/4以上,按照每辆车配置810个固态激光雷达计算,对高功率VCSEL芯片的需求量将达到每年4 000万个以上。
除车载激光雷达以外,高功率VCSEL也是飞行时间(ToF)成像技术的首选光源,基于该技术已构建多种应用场景,包括3D人脸识别、动作捕捉、眼球追踪、环境传感、自动避障等,应用领域涉及智能手机、智能汽车、虚拟现实/增强现实(VR/AR)、机器人、安防、医疗等。
VCSEL具有低功耗和高功率/高光束质量等优势,已经进入多个行业级应用,并获得用户广泛认可。该项目突破VCSEL芯片量产关键工艺及检测技术,取得的成果具有广阔的应用前景。