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我国固态激光雷达用百瓦级VCSEL光源芯片技术取得突破

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激光雷达(LiDAR)技术是业界公认的智能驾驶核心技术。国内近年来在多线激光雷达产业化领域获得了长足的进步,而固态激光雷达方面和国外差距却还不小,关键在于底层研发技术受限,尤其是光源芯片技术。垂直腔面发射激光器(VCSEL)二维面阵在封装方式和光束整形等方面独具优势,十分适合作为全固态激光雷达光源。随着智能驾驶时代的到来,面向未来激光雷达固态化发展趋势,国际知名VCSEL厂商如Trilumina、Princeton Optronics(已被ams收购)、Philips Photonics等公司早已对高功率VCSEL芯片开展产业布局。


近年来,随着基于VCSEL的3D感测技术在iPhone X手机中获得成功应用,VCSEL受到了国内投资人和各大厂商的广泛青睐。然而这类3D感测VCSEL芯片激光功率仅有瓦级水平,探测距离非常近,无法满足智能驾驶用固态激光雷达的应用需求。百瓦级VCSEL芯片及其驱动电路技术门槛非常高,国际上也只有美国、日本等少数高水平研发团队拥有相关核心技术。


近日,长春光机所高功率半导体激光团队在910nm高功率VCSEL领域取得突破,成功实现面向全固态激光雷达应用的百瓦级VCSEL列阵。该团队张建伟、张星等人采用多列阵平面封装的方式,开发出激光功率高达120W的910nm VCSEL激光列阵模块,该模块输出功率达到100W时所需的工作电流仅为55A,激光列阵重复频率10kHz,脉宽30ns。经过简单的透镜光束整形,在100W输出功率时获得了近高斯形貌的光场分布,相关成果已经发表在光电子领域专业杂志JJAPJapanese Journal of Applied Physics 57, 100302 (2018))。

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左图:百瓦级VCSEL列阵模块功率曲线及实物图,右图:整形后的远场光斑形貌


本次长春光机所在百瓦级VCSEL芯片技术上的突破将推动我国固态激光雷达技术快速发展。面对智能驾驶行业带来的固态激光雷达发展机遇,长光所与复旦大学依托各自优势,联手成立复旦—长光合作基金(项目号:FC2017-002),资助长光所高功率半导体激光团队与复旦大学高功率电子学团队开展深度合作,开发驱动一体化固态激光雷达光源模块,以期早日掌握产业化技术。目前该模块正被小批量用于面阵型固态激光雷达系统探测效果验证。除此之外,长春光机所在2016~2017年间陆续开发出用于测距与成像的808nm/850nm波段VCSEL驱动集成模块系统,脉冲激光功率均可以达到30W以上。

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由长春光机所与复旦大学高功率电子学团队合作开发,用于远距离探测(左图)及辅助照明(右图)的百瓦级VC


长春光机所高功率半导体激光研发团队创始人为我国著名半导体激光专家王立军院士,目前王院士担任团队学术带头人,现任团队负责人宁永强研究员为中央组织部“万人计划”领军人才、国务院特殊津贴获得者。团队自2002年至今坚持深耕高功率VCSEL领域,在高功率VCSEL领域创造了多个“中国第一”,曾于2004年在国际上首次研制出连续输出功率为1.95W的980nm VCSEL单管芯片,2011年实现国际最高脉冲功率的980nm VCSEL单管(92W)及列阵芯片(210W)。目前已掌握百瓦级高功率VCSEL芯片结构设计、外延制备、工艺流片、封装测试全链条核心技术。



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