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1mm³大小，世界首个功率破KW的单芯片激光模组诞生
Esther | 编辑
近年来随着技术不断发展，激光雷达的体积、成本也在不断降低，成为了一种受到各行业关注的关键技术。它的用途越发广泛，可用于自动驾驶汽车、大气观测使用的LiDAR传感器，还可以用于医疗保健（治疗和检查分析）、生物光子学等领域。在非热精密切割、微创治疗等激光加工、激光医疗场景的应用潜力也越来越大。与此同时，市场对于千瓦级高功率激光模组的需求也开始增加。
激光雷达有多种方案，比如LiDAR、MEMS（微机电）等等，其中LiDAR采用VCSEL（垂直腔面发射激光器）光源，而MEMS则基于固体镭射技术。然而，固态镭射和VCSEL各有局限，前者功率高但体积大，而后者体积虽小，但功率也小。为了解决现有激光技术的局限，索尼研发了一种单片激光器，并宣称这是世界上首个峰值功率高达千瓦级（57.0千瓦）的激光方案。据悉，其体积不到1立方毫米（相当于固体镭射的1/1000倍），输出脉冲持续时间为450皮秒，强度是半导体激光1000倍。
与传统的固态镭射方案相比，索尼的激光模组的排列更简单，结合了半导体和固态镭射模组的结构，可以很好的满足LiDAR对于尺寸小巧、高功率激光源的需求。另外，小尺寸激光单元可并列排列在一个芯片中，并利用现有的半导体光刻工艺，实现高精度的阵列排列（微米级）。
索尼表示：目前市场上还没有可以满足这一需求的其他激光技术，尽管高功率激光模组的可用性已经在实验室得到验证，但在投入市场时还需要考虑成本、尺寸的限制。而如果这种小尺寸、高功率的超短激光光源能以低成本量产，将为高功率激光行业带来一场革命。
应用场景方面，该技术可用于开发更好的LiDAR传感器，用于自动驾驶汽车、无人机、机器人、3D传感、AR/VR等场景。
缩减激光腔的尺寸
迄今为止，市面上的高功率激光光源方案仅限于固态镭射模组，比如碟片激光、光纤激光器、微晶片镭射等等。固态镭射由于载流子寿命长（微秒到毫秒级），所以可输出高功率脉冲。然而，固态镭射晶体需要用外部激光来激活，因此硬件系统尺寸大，而且需要手动组装。通常，一台固态镭射系统的成本可达数百万日元（约合人民币5万元），高成本限制了这项技术的广泛应用。
另一方面，半导体激光方案的效率更高，由于它可以用电流激活，因此尺寸也可以缩小到1平方毫米以下，而且可使用现有的半导体工艺批量生产。不过，半导体激光的载流子寿命短，仅为纳秒级，因此难以输出高功率。
图1：y轴为峰值功率，x轴为激光腔大小，激光模组尺寸越小、输出功率越小
为了解决激光技术的功率和尺寸限制，在2018年，索尼开始尝试设计一种体积像半导体激光器那样紧凑，且输出功率足够高的激光晶体。
突破点：腔体重叠
于是，索尼将固态镭射与半导体激光方案融合，打造了一种更加紧凑、峰值功率更高的激光技术。这项技术的核心是一种由固态和半导体激光器组成的单片激光器，以及将VCSEL（垂直腔面发射激光器）作为激活光源，并将VCSEL和固态镭射器（被动调Q激光）的空腔重叠。
图2：蓝色箭头范围为VCSEL腔（第一个腔），红色箭头表示被动调Q激光腔（第二个腔），两个腔为光学耦合结构
这种结构有两个优点：第一，固态镭射晶体会吸收激光热量，从而改变折射率，使激光束更聚集。这样一来，便降低了固态镭射对聚焦透镜的需求。
其二，由于固态镭射晶体在VCSEL腔体内被激活，即使晶体的单程吸收率低，泵浦激光也能被高效吸收。如此一来，固态镭射晶体的厚度可缩减到现有切割工艺能达到的水平，并且可以通过现有的半导体制造工艺来生产单个激光器。
左：传统高功率激光结构；右：索尼方案的结构图
换句话说，腔体重叠后，VCSEL腔的内部电场可激活固态镭射介质，无需聚光光学系统。另外，这种方案更容易批量生产，无需光学对准，利用现有的晶圆工艺，就能批量生产芯片尺寸的高功率激光器。相比之下，传统的固体镭射模组的多组件需要调节空间位置，精度要达到微米级别，制造难度更高。
图4：固态镭射基板粘合在半导体激光基板顶部，接着将晶圆切割成单独的晶体，然后进行接线、安装和封装
据了解，索尼对半导体器件的研发、安装和制造工艺有深入的了解，其团队拥有固体镭射和半导体激光领域的专家，他们从2019年4月就开始尝试将VCSEL和固态镭射融合的新型激光技术，从确认激光振荡到研发单片模型，大约用了一年。在研发过程中，科研人员考虑了激光模组受电、光、热等因素的影响，以确保最终的量产。
图5：索尼的激光方案比传统固态镭射和VCSEL方案更好
参考：
https://www.sony.com/en/SonyInfo/research/technologies/high_peak_power_laser/
（ END）
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