VCSEL-TOF測量解決方案

VCSEL（Vertical Cavity SurfaceEmitting Laser，垂直共振腔表面放射激光）是一種垂直于襯底面射出激光的半導(dǎo)體激光器，有區(qū)別于傳統(tǒng)的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器如F-P激光器(法布里-珀羅激光器)、DFB（分布式反饋激光器）。當(dāng)前以砷化鎵半導(dǎo)體為基礎(chǔ)材料的VCSEL居多，發(fā)射波長主要為近紅外波段，其可以在襯底上多個方向上排列多個激光器，從而形成并行光源或者面陣光源，是光纖通信或者光感測領(lǐng)域的主要光源之一。

VCSEL集高輸出功率、高轉(zhuǎn)換效率和高質(zhì)量光束等優(yōu)點于一身，相比于LED和邊發(fā)射激光器EEL，在精確度、小型化、低功耗、可靠性等角度全方面占優(yōu)勢。

IR LED、EEL、VCSEL出光質(zhì)量比較

一、工作原理

VCSEL結(jié)構(gòu)一般由上、下布拉格反射鏡(DBR)和中間有源區(qū)三部分組成，2.其典型的外延結(jié)構(gòu)如下圖所示從下到上依次是襯底、N型接觸層、N型DBR、量子阱有源區(qū)、P型DBR、P型接觸層。其中有源區(qū)為器件最重要的組成部分，由于VCSEL腔長極短，需要腔內(nèi)有源介質(zhì)對激射模式提供較大的增益補償。

典型VCSEL結(jié)構(gòu)剖面示意圖

VCSEL 器件有兩種基本結(jié)構(gòu)，一種是長一層增透膜以提高激光光束質(zhì)量，最后將增：采用MOCVD 技術(shù)在N型GaAs 襯底上生長而成，以DBR 作為激光腔鏡，量子阱有源區(qū)夾在N-DBR 和P-DBR 之間。另一種是底發(fā)射結(jié)構(gòu)，一般用于產(chǎn)生976-1064nm 波段，通常將襯底減薄到150μm 以下以減少襯底吸收損耗，再生長一層增透膜以提高激光光束質(zhì)量，最后將增益芯片安裝在熱沉上。

激光器就是利用半導(dǎo)體中的電子光躍遷引起光子受激發(fā)射而產(chǎn)生光振蕩器和光放大器的總稱，其產(chǎn)生激光同樣要滿足以下三個基本條件：

1、建立有源區(qū)內(nèi)載流子的反轉(zhuǎn)分布；

2、合適的諧振腔使受激輻射在其中得到多次反饋形成激光振蕩；

3、提供足夠強的電流注入使得光增益大于或者等于各種損耗之和，滿足一定的電流閾值條件。

二、測量方案

n TOF（Time of flight）飛行時間法

TOF飛行時間法是一種深度信息測量方案，主要由紅外光投射器和接收模組構(gòu)成。因為其原理簡單，精度達到厘米級，具有儀器體積小、測程遠、功耗低、測量快速、易于實現(xiàn)、抗力強等優(yōu)點。對于工業(yè)應(yīng)用與技術(shù)研究而言有著重要的意義，得到了廣泛的應(yīng)用。例如，iPhone 12手機的TOF相機，能實現(xiàn)拍攝時的人像3D建模，輔助成像算法、還有測距儀、Face ID人臉識別解鎖的功能；掃地機器人的自動避障、汽車上的激光雷達、無人駕駛功能都應(yīng)用到了TOF技術(shù)。時至今日，連門鎖、筆記本電腦都出現(xiàn)了TOF的身影，未來TOF能夠突破性的將現(xiàn)實世界物體、人像、空間虛擬化，必將是5G移動互聯(lián)網(wǎng)最重要的應(yīng)用場景之一。下面就對TOF的基本原理展開描述。

TOF原理

TOF技術(shù)是將時間維度的信息轉(zhuǎn)換為空間維度信息的方法，基本原理是通過連續(xù)發(fā)射光脈沖到被測物體上，然后接收從物體反射回去的光脈沖，通過探測光脈沖的飛行（往返）時間來計算被測物體離探測器的距離。

其本質(zhì)原理是我們在小學(xué)時就學(xué)過的公式：距離 = 速度 * 時間

所以只要測定出光的運動時間，就能測出其飛行距離。自然界有很多動物天生就具備類似的能力，最典型的就是我們熟知的蝙蝠和海豚。它們都能夠通過發(fā)出特定頻率的聲波并捕捉回聲，進而判斷前方物體的距離。

蝙蝠回聲定位

海豚回聲定位

但聲波的傳播速度為340米/秒，而光在真空中的速度是299792458米/秒，使用激光去測量距離響應(yīng)更快。利用這個信息，以及光飛行的時間，就可以求出光源和目標之間的距離。

搭建實驗光路如下圖所示，控制兩個高速PD到光源的距離相等，這時探測到的響應(yīng)時間是一致的，把測試高速PD后移30cm（光走過路程多 30cm），探測到的響應(yīng)時間就差距1ns。

VCSEL-TOF測試方案（TOF飛行時間法）整體實物圖

? 實驗光路

步驟1：

TOF飛行時間法測量原理圖1

步驟2：

TOF飛行時間法測量原理圖2（測試高速PD后移30cm）

? 實物展示

 TOF飛行時間法測量實物圖1

 TOF飛行時間法測量實物圖1（測試高速PD后移30cm）

? 數(shù)據(jù)說明

飛行時間測試-原始光路測試數(shù)據(jù)

飛行時間測試-測試高速PD后移30cm后測試數(shù)據(jù)

在實際使用中，通常由激光發(fā)射器同時發(fā)射兩束激光驅(qū)動脈沖。其中一束用于產(chǎn)生計時起始信號，時間測量電路接收到起始信號時開始計時；另一束驅(qū)動激光器發(fā)射激光至目標表面，由目標反射后回到回波檢測電路并由回波檢測電路產(chǎn)生計時結(jié)束信號，時間測量電路接收到計時結(jié)束信號時停止計時。最終根據(jù)時間測量電路計時結(jié)果并結(jié)合激光飛行速度計算距離。激光飛行時間測量值是測距誤差的主要來源，所以高精度的探測器尤為重要。

萊森光學(xué)高速PD帶寬范圍≥1.4 GHz，可以檢測從恒定光到高速上升時間低至 280 ps 的光信號，可以精確捕捉到飛行時間。高速激光光譜功率積分球測試儀由萊森光學(xué)專門針對高速激光雷達發(fā)射VCSEL激光測試而設(shè)計，不需要進行復(fù)雜的LIV、PCE功能測試分析和研發(fā)，該系統(tǒng)性價比高，且小型化、輕量化，小體積，方便安裝，特別適合于工業(yè)用戶和自動化集成廠商。

n 高速納秒級激光峰值功率測量

萊森光學(xué)高速PD帶寬范圍從 DC 到 1.4 GHz，可以檢測從恒定光到高速上升時間低至 280 ps 的光信號，測試功率范圍3-1500mW，光譜范圍320-1000nm，可以檢測ns級別的脈沖激光功率。高速激光光譜功率積分球測試儀由萊森光學(xué)專門針對高速激光雷達發(fā)射VCSEL激光測試，不需要進行復(fù)雜的LIV、PCE功能測試分析測試研發(fā)而成，該系統(tǒng)性價比高，特別適合于工業(yè)用戶和自動化集成廠商。小型化、輕量化，小體積，方便安裝。根據(jù)VCESL/LD的發(fā)散角和輸出功率要求，可選擇不同規(guī)格的積分球，積分球內(nèi)徑尺寸分為：1/2吋、1吋、2吋、4吋、3吋、6吋、8吋等。

高速納秒級激光峰值功率測量方案整體實物圖

? 實驗光路

高速納秒級激光峰值功率測量原理圖

? 實物展示

高速納秒級激光峰值功率測量局部圖

高速積分球功率探頭局部圖

高速功率探頭實物圖

? 數(shù)據(jù)說明

峰值功率測試數(shù)據(jù) 

? 方案技術(shù)參數(shù)

n 平均功率測量

脈沖激光的平均功率可由脈寬、峰值功率、周期算出。在實現(xiàn)納秒級激光功率測量的同時，它還可以集成iSpec-VCS-IND光譜功率積分球測試儀監(jiān)測激光平均功率，比較高速PD與光譜功率積分球測試儀兩者測量結(jié)果可以檢驗測量結(jié)果是否準確。

iSpec-VCS-IND光譜功率積分球測試儀支持在線集成測量和機臺集成商二次開發(fā)，可實現(xiàn)連續(xù)和脈沖激光功率（光譜峰值功率、平均功率）、光譜峰值波長、FWHM、占空比等功能的測量?？梢栽O(shè)置采用頻率，PD和光譜儀觸發(fā)同步測量?？蛇x配溫度控制模塊，控溫范圍5℃~95℃。同時配有NIST溯源標定，根據(jù)DUT發(fā)散角和功率大小，可選擇1吋- 8吋不同尺寸激光功率積分球。

? 實驗光路

n平均功率測量實驗光路示意圖1

平均功率測量實驗光路示意圖2

? 實物展示

一體式激光功率光譜測量儀

分體式激光功率光譜測量儀 

? 技術(shù)參數(shù)

三、應(yīng)用領(lǐng)域

隨著VCSEL芯片技術(shù)的成熟，以其作為核心元件的3D Sensing走入應(yīng)用，在活體檢測、VR（虛擬現(xiàn)實）/AR（增強現(xiàn)實）/MR（混合現(xiàn)實）技術(shù)、人臉識別、虹膜識別、汽車自動駕駛、智能設(shè)備的3D感測、3D成像、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心/云計算、手勢偵測以及機器人識別和機器人避險、自動駕駛輔助等應(yīng)用領(lǐng)域得到發(fā)展。

3D成像

汽車自動駕駛

3D檢測行人和車輛規(guī)避風(fēng)險

智能設(shè)備的3D感測-掃地機器人

人臉識別

虹膜識別

手勢偵測

物聯(lián)網(wǎng)-客流統(tǒng)計分析系統(tǒng)

VR（虛擬現(xiàn)實）/AR（增強現(xiàn)實）/MR（混合現(xiàn)實）技術(shù)

蘋果iPad Pro中的VCSEL

數(shù)據(jù)中心/云計算

顆由量子技術(shù)控制的衛(wèi)星計劃于2027年發(fā)射到太空

當(dāng)我們進行VCSEL-TOF測量時，配件的選擇同樣不可小覷。整套解決方案的每個部分都和測量結(jié)果的可靠性和準確性密切相關(guān)。接下來我們就VCSEL-TOF測量解決方案光譜配件進行詳細分析。

? 激光功率積分球：

主要針對激光進行設(shè)計，是測量激光光輻射總功率的理想選擇。得益于激光功率積分球的幾何結(jié)構(gòu)，激光束功率測量不會受到激光束的偏振和校準的影響。激光功率積分球能夠滿足用戶在VCSEL、激光功率測量、激光和激光二極管輸出特性檢測等應(yīng)用方面的需求。

萊森光學(xué)激光功率積分球需要搭配萊森光學(xué)功率主機和LiSpecView-VCS光譜功率測量軟件實現(xiàn)光譜功率測量，用戶也可以靈活搭配自己的電流表進行功率測量。

? 高分辨率光譜儀：

LiSpec-HR系列高分辨率光譜儀采用了2048/4096像元CMOS探測器，其的大焦距光學(xué)平臺設(shè)計，使得信噪比更高，速度更快，可靠性穩(wěn)定性好，更適合于高分辨率光譜波長的檢測，同時結(jié)構(gòu)緊湊、具有雜散光低及良好的熱穩(wěn)定性，最短積分時間可達0.5ms高速測量，抗干擾性能強

光譜儀可根據(jù)不同應(yīng)用需求配置不同的光柵實現(xiàn)不同光譜范圍應(yīng)用，同時可以搭配不同光學(xué)附件以實現(xiàn)吸光度、透反射、熒光、LIBS、輻射測量等應(yīng)用CMOS探測器正在逐步發(fā)展并替代CCD，可以應(yīng)用于激光和LED等光源波長的表征，等離子氣體放電、LIBS激光誘導(dǎo)、原子發(fā)射元素光譜測量等方面，非常適合工業(yè)和科研應(yīng)用領(lǐng)域。

? NF近場/FF遠場測試

NF 近場特性測試可實時監(jiān)測光點數(shù)統(tǒng)計、壞點/異常點標記，各發(fā)光點光功率一致性統(tǒng)計、光束束腰直徑、近場發(fā)散角、光束質(zhì)量因子M2；

FF 遠場特性測試可測量光斑發(fā)散角和能量空間分布，進而計算光斑準直度和對稱度，可測量光斑在不同距離的能量密度，用于激光安全性評價。

                               近場測試模塊原理                                                     遠場測試模塊原理

若您想對萊森光學(xué)關(guān)于NF近場特性測試/FF遠場特性測試的產(chǎn)品應(yīng)用有更深入透徹的了解認識，可跳轉(zhuǎn)以下鏈接進行閱讀。

VCSEL/LD近場測試系統(tǒng)：/vcsel/ldjcclxt/751.html

VCSEL/LD遠場測試系統(tǒng)：/vcsel/ldycclxt/752.html

推薦：

iSpec-VCS-IND光譜功率積分球測試儀

iSpec-VCS-IND光譜功率積分球測試儀由萊森光學(xué)專門針對VCSEL/LD工作頻率要求不高，不需要進行復(fù)雜的LIV、PCE功能測試分析測試研發(fā)而成，該系統(tǒng)性價比高，特別適合于工業(yè)用戶和自動化集成廠商。

LS-VCS-NF近場測試系統(tǒng)

隨著物聯(lián)網(wǎng)、AI、5G技術(shù)的發(fā)展，VCSEL（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，垂直共振腔表面放射激光）技術(shù)作為3D成像和傳感系統(tǒng)的核心技術(shù)，目前在人臉識別、3D感測、汽車自動駕駛、手勢偵測和VR(虛擬現(xiàn)實)/AR(增強現(xiàn)實)/MR(混合現(xiàn)實等應(yīng)用領(lǐng)域越來越受到關(guān)注。LS-VCS-NF近場測試系統(tǒng)是直接耦合成像鏡頭和光路模塊的一體化設(shè)計，可實時監(jiān)測光點數(shù)統(tǒng)計、壞點/異常點標記，各發(fā)光點光功率一致性統(tǒng)計、光束束腰直徑、近場發(fā)散角、光束質(zhì)量因子M2等。

LS-VCS-FF遠場系統(tǒng)

LS-VCS-FF遠場系統(tǒng)由萊森光學(xué)專門針對VCSEL遠場測試研發(fā)，可測量光斑發(fā)散角、DIP（光斑中心凹陷）和能量空間分布，進而計算光斑準直度和對稱度，可測量光斑在不同距離的能量密度，用于EC-60825-2激光人眼安全評測。