短波長VCSEL

短波長波段VCSEL主要指工作在400~700nm范圍內的激光器，該波長范圍也稱為可見光VCSEL。包括紅、藍、綠三種類型。

紅色VCSEL使用的是鋁鎵銦磷（AlGaInP）材料，已經廣泛應用于各種場景，這類VCSEL以其體積小、功耗低、光束質量高的特點，成為新一代顯示和傳感設備中的理想光源。其獨特的設計允許在高電流驅動下有效限制光輸出，確保安全性，尤其適用于智能眼鏡等需要直接投射到視網膜的顯示設備。

而藍色、綠色VCSEL普遍使用氮化鎵（GaN）材料。GaNVCSEL在顯示、可見光通信和生物醫(yī)療等方面有極大的潛在應用，這種VCSEL由兩層半導體鏡-分布式布拉格反射器(DBR)構成，中間隔著有源GaN半導體層，形成了一個光學諧振腔。這個諧振腔的長度，對于激光波長的精確控制至關重要。諧振腔LED(RCLED)、micro-LED、以及VCSEL，目前已成功實現(xiàn)藍紫光、藍光、綠光器件的電注入激射，并且實現(xiàn)了深紫外波段UVCVCSEL的光泵浦激射。

迄今為止，已經探索出了兩種GaN基VCSEL結構，一種是底部電介質DBR，另一種是底部AIInN/GaNDBR。這兩種結構都展現(xiàn)了出色的性能，VSCEL的光輸出功率超過20mW，壁塞效率(WPE)更是高達10%以上。然而，AllnN/GaNDBR的截止波長帶寬相對較窄，這在一定程度上限制了VCSEL發(fā)出光的波長范圍。致力于將壁插效率提升至40%左右的更高水平，以推動氮化鎵基VCSELS在更多領域實現(xiàn)廣泛應用。

在移動顯示設備領域，短波長VCSEL成為智能眼鏡和可穿戴設備的理想光源，特別是在需要緊湊設計和長電池壽命的虛擬現(xiàn)實（VR）、增強現(xiàn)實（AR）和混合現(xiàn)實（MR）應用中。VCSEL的高集成能力允許在有限的空間內實現(xiàn)復雜的光學系統(tǒng)，同時，其高效率有助于減少熱量產生，延長設備的使用時間。

在汽車照明領域，短波長VCSEL技術的應用提供了高亮度、高效率和緊湊尺寸的光源，這些光源能夠實現(xiàn)快速響應和智能控制，如自適應前照燈系統(tǒng)，以適應不同的駕駛條件。VCSEL的精確光束控制能力允許定制光束模式，增強夜間駕駛的安全性，同時，其耐用性和可靠性減少了維護需求。

未來，短波長VCSEL技術的進步有望提高全球定位系統(tǒng)（GPS）等定位系統(tǒng)的精度。這是因為基于GaN的VCSEL能夠在紫外線區(qū)域發(fā)光，并且可以使用它來創(chuàng)建高精度時鐘。

在GPS和其他定位系統(tǒng)中，地面站從衛(wèi)星上的原子鐘接收時間信息，并根據(jù)時間差計算與每顆衛(wèi)星的距離以獲取位置信息。如果基于GaN的VCSEL提高了地面站時鐘的精度，未來就有可能將GPS定位精度從幾米提高到幾毫米。獲得更精確的位置信息將為開發(fā)全新應用提供機會。

中波長VCSEL

中波長波段VCSEL通常指發(fā)射波長在850nm至1550nm之間的半導體激光器。自1988年首次研制成功以來，850nm、980nm和780nm波長的VCSEL逐步實現(xiàn)商業(yè)化，并廣泛應用于光通信、光學傳感、3D傳感等領域。

基于砷化鎵（GaAs）材料的中波長VCSEL技術相對成熟，尤其是在950nm和980nm波段上，由于成本低且產業(yè)鏈完善，成為主流選擇。隨著波長增加到1550nm，材料體系會轉向銻化銦鎵（InGaAs），這類材料雖然成本較高，但能夠提供更長的波長和更好的視網膜安全性。

盡管基于GaAs的VCSEL技術已相當成熟，目前能實現(xiàn)的最長波長約為1100nm，但業(yè)界正在努力擴展至1380nm或更長波長，以應用于面部識別、底部發(fā)光（BOLED）和LiDAR技術等領域。

2021年，公司開發(fā)了一種基于稀散氮化物（InGaAsN）的技術，該技術每個發(fā)射器提供約1mW功率，仍采用GaAs材料，具備與短波長VCSEL相同的設備和工藝兼容性。

此外，短波長紅外（SWIR）技術在智能手機和AR/VR設備中顯示出潛力，能夠增強3D傳感、深度感應和眼動追蹤功能。

長波長VCSEL

長波長VCSEL通常指工作波長在1300nm至1550nm范圍內的激光器。1300nm和1550nm的長波長VCSEL由于處于光纖的低色散和低衰減窗口，還具有在中長距離高速傳輸方面的優(yōu)越性，1300nm波長VCSEL是光并行處理、光識別系統(tǒng)及光互連系統(tǒng)中的關鍵器件。特別是在光信息處理、光互連、光交換、光計算和神經網絡等應用領域，VCSEL能夠充分發(fā)揮光子的并行操作能力和大規(guī)模集成面陣的優(yōu)勢，展現(xiàn)出巨大的應用潛力和發(fā)展前景。

最初，使用GaInAsP/InP材料作為有源區(qū)的紅外VCSEL實現(xiàn)了1300nm的發(fā)射波長。波長為1300nm的VCSEL的有源區(qū)現(xiàn)在主要采用GaInAs/GaAs材料，這種材料的VCSEL具有低色散和高速率的特性，使其成為長距離光通信和并行光互連系統(tǒng)中的關鍵器件。

當波長達到1550nm時，VCSEL的有源區(qū)材料則主要使用AlGaInAs/GaAs和GaInAsP/InP等，這些材料的VCSEL在1550nm波段損耗低，常與單模光纖配合使用，非常適合應用于高速長距離的光通信系統(tǒng)。

從2018年開始，智能手機中的3D傳感、汽車應用的激光雷達開始大規(guī)模使用長波長VCSEL陣列，為了在顯示屏下實現(xiàn)集成傳感，使用的VCSEL波段從940nm逐步過渡到1380nm。

為了實現(xiàn)這個目標，企業(yè)研發(fā)使用多種手段，包括使用稀氮化物材料，從GaAs轉向InP，以及采用基于GaAs材料和InP材料融合的混合方法。蘋果公司曾嘗試在iPhone14Pro版本中使用基于InP-EEL的接近傳感器，但其成本是使用GaAs-VCSEL接近傳感器的十倍以上，且模塊的制造和封裝難度更大。

因此，在iPhone15中，蘋果公司回歸到了基于GaAsVCSEL的接近傳感器。

另一方面，隨著對長波長VCSEL需求的增加，相關晶圓的需求量也隨之增長，這推動了從4英寸晶圓向6英寸晶圓的轉變。

4英寸晶圓每片可提供約4000個VCSEL，而6英寸晶圓的產量約為10,000個VCSEL陣列，足以滿足每年數(shù)百萬部智能手機的生產需求。然而，這一轉變需要新的設備和可能的新襯底技術，期待未來的表現(xiàn)。

來源李尚雯

審核編輯 黃宇