纵慧芯光：AR-VCSEL正在成为主流激光雷达光源

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（来源：电子发烧友网Elecfans）

电子发烧友网综合报道，随着自动驾驶技术向高阶演进，车载LiDAR对感知性能的需求日益严苛，探测距离、分辨率、可靠性及成本控制等指标不断升级，而光源技术作为LiDAR系统的“眼睛”，已成为决定系统性能上限的核心变量。传统激光光源在功率密度、光束发散角与亮度的平衡上存在难以突破的瓶颈，无法满足长距离、高分辨率LiDAR的应用需求。

为破解这一行业痛点，纵慧芯光创新推出了AR-VCSEL技术。与传统VCSEL相比，AR-VCSEL通过在有源区与扩展区之间加入增透层，成功打破了氧化层对发散角的物理限制，实现了8°~26°（D86）范围内的精准调控，同时大幅提升了器件的亮度与功率密度。从实验室研发走向大规模量产，AR-VCSEL已通过海量生产数据验证了其可靠性与一致性，一款6结AR-VCSEL产品在超过500片6寸晶圆的量产过程中，保持平均16.7度小发散角，标准偏差仅0.254°，为车载LiDAR的规模化应用奠定了坚实基础。

在最近的Photonics West展会上，纵慧芯光联合创始人Leon受邀作特邀报告，系统展示了纵慧AR-VCSEL的近期研发成果。

多结VCSEL的大规模应用始于LiDAR领域，相较于消费电子领域的3D传感应用，LiDAR对功率、探测距离和亮度的需求更为苛刻，而AR-VCSEL的核心创新的就是通过优化结构设计，实现了这些性能指标的协同提升，在所有已发表的多结VCSEL中，创下了8°（D86）的全发散角新低，以及约140 kW mm⁻² sr⁻¹的亮度新高。

AR-VCSEL实现氧化层限制型VCSEL所需发散角的关键，在于对纵向氧化层限制因子（Γox）的精准控制。其架构设计简洁高效，通过在有源区与扩展区之间集成一层专用增透层，使扩展区内的驻波电场（E2场）强度得到显著增强，进而大幅降低Γox值。在这个“增透型光子存储区”内部，电场强度可达到有源区（量子阱、隧道结和限流氧化孔径所在区域）强度的数倍之高，从根本上削弱了横向光学限制，实现了发散角的灵活调控。

纵慧芯光的研究表明，发散角与Γox之间存在显著的正相关关系，这一规律适用于5至14个结层、统一250 μm阵列结构的各类器件，且在3 ns脉冲、20 kHz频率、室温的标准测试条件下，可实现8°至25°（D86全角）的精确调控。此外，单个发射单元的孔径尺寸（OA）和电流密度对发散角影响显著：随着孔径尺寸每增加5 μm，发散角便会相应增大约1°，这为不同场景的LiDAR应用提供了定制化设计的可能。

量产落地：6结器件奠定基础，多结升级持续突破

目前，纵慧芯光已实现6结（6J）、8结（8J）和9结（9J）AR-VCSEL的量产，其中6结AR-VCSEL技术已日臻成熟，成为混合扫描LiDAR的核心光源。对500片6英寸晶圆的性能数据分析显示，该器件展现出卓越的晶圆一致性：晶圆发散角中位数为16.66°，标准差仅为0.254°，在发散角规格方面的良率接近100%，充分验证了AR-VCSEL规模化生产的可行性与可靠性。

针对下一代LiDAR的高性能需求，纵慧芯光推出的8结与9结AR-VCSEL阵列实现了性能的跨越式提升。实测数据显示，9J架构下30 μm氧化孔径的AR-VCSEL阵列，功率密度可高达5450 W/mm²（非极限值），而在实际应用中，为保障器件寿命，工作电流密度通常控制在1000 A/mm²以下。值得注意的是，增加结数不仅能提升输出功率、功率密度和功率转换效率（PCE），还能改善温度稳定性——9结30 μm OA规格的AR-VCSEL阵列，在105°C的高温环境下仍能保持80%的输出功率，完全满足车载环境的严苛要求。

亮度作为衡量功率密度与发散角平衡关系的核心指标，在9结20 μm OA阵列器件上达到了67.6 kW·mm⁻²·sr⁻¹，而通过进一步优化增透层以调整Γox参数，8结AR-VCSEL已实现14.7°、11.8°、10.1°和8.1°的D86全发散角，其中8.1°设计相较于14.7°设计，亮度提升两倍，光谱亮度提升三倍。未来，将这一小角度优化技术应用于9结外延平台，有望实现更高的亮度水平。

偏振突破：630W功率刷新行业纪录

除了功率密度和亮度的提升，偏振控制也是LiDAR光源优化的关键方向，能够显著改善系统信噪比（SNR）——通过在接收端配置线性偏振片，可将环境非偏振噪声抑制约3dB，同时偏振特征还能为材料识别提供独特的数据维度，推动LiDAR系统向小型化、高精度方向发展。

纵慧芯光已成功开发出偏振AR-VCSEL，通过优化设计和高精度制造工艺，将偏振光输出带来的功率损耗控制在10%至20%以内。其推出的8结偏振可控AR-VCSEL阵列，在各种工作条件和温度环境下，同时实现了630 W的输出功率、2 kW/mm²的功率密度、大于12 dB的偏振消光比（PER），以及小于20°的光束发散角，其中630 W的偏振光输出功率（PER > 12 dB）刷新了目前所有已发表VCSEL技术成果的最高纪录，为高性能LiDAR提供了更优的光源解决方案。

向全固态演进：适配LiDAR终极形态

全固态LiDAR凭借紧凑的体积、更低的系统成本，以及无机械运动部件带来的更高可靠性，已成为商用汽车领域LiDAR技术的终极形态。而AR-VCSEL技术的融入，进一步推动了全固态LiDAR的小型化——结合AR-VCSEL远距离探测技术，主LiDAR模块的体积可缩小至信用卡大小，完美适配车载场景的安装需求。

目前，具备一维（1D）和二维（2D）寻址功能的AR-VCSEL阵列正处于研发与量产并行阶段。其中，一维可寻址阵列（2×32个单元，尺寸5.0 mm × 3.7 mm）采用8结设计，实现21°中等远场发散角，适配盲点监测、行人检测等辅助型LiDAR应用；二维可寻址阵列（16×32个单元，尺寸5.0 mm × 3.9 mm）同样采用8结设计，目标远场发散角24°。未来，针对远距离、高分辨率的全固态主LiDAR系统，AR-VCSEL将通过优化设计实现低于18°的发散角，成为不可或缺的核心技术。