据麦姆斯咨询报道,Lumentum是国际知名的专业激光器厂商。近几年,随着3D传感市场的快速成长,3D传感已经成为Lumentum仅次于光通信的第二大业务板块。从2010年微软公司推出的室内游戏机,到2015年的个人电脑,再到2017年之后具有划时代意义的3D传感手机应用中,都有Lumentum公司提供的激光器产品和技术。Lumentum非常重视本地化和客户服务,作为一家芯片供应商,Lumentum为客户提供的服务已经远超芯片本身,通过深厚的技术积累与研发能力,在解决方案和产品生态等方面,Lumentum提供全方位技术支持,保证项目高效顺利推进和按时投放市场。

作为走在3D传感技术前沿的Lumentum,对未来3D传感应用有何理解和预测?对未来激光技术趋势有怎样的判断?Lumentum又做了哪些布局?2020年9月24日,由麦姆斯咨询主办的『第三十届“微言大义”研讨会:3D视觉技术与应用』,Lumentum亚太区资深FAE计超先生做了精彩分享!

Lumentum:站在国际前沿,解读消费和汽车领域激光技术新趋势

Lumentum亚太区资深FAE计超先生分享多结和可寻址VCSEL以及Lumentum在行业的最新进展

2020年AR及车载应用或成为3D传感市场新增长点,Lumentum VCSEL已经全面通过AEC-Q102

计超先生回顾了3D传感应用的发展历程,并对未来的热门应用进行了预测。2017年之前,3D传感主要用于游戏机、笔记本电脑。但在2017年之后,3D传感行业出现了重大变化。智能手机开始采用3D摄像头进行人脸识别后,整个产业生态快速成熟,并将3D传感扩展到了更多应用上。在虚拟现实(VR)、人脸支付、安防监控和机器人等市场领域,3D传感均获得了高速发展。2020年将是另一个重要时间节点,原有3D传感市场会持续增长,但围绕增强现实(AR)的消费电子产品,以及L3/L4/L5级自动驾驶乘用车、共享出租车的激光雷达产品应用,3D传感将迎来新的爆发点。

Lumentum:站在国际前沿,解读消费和汽车领域激光技术新趋势

Lumentum为3D传感和车载应用提供全面的激光解决方案

Lumentum(前JDSU)自2010年开始布局3D传感市场,至今已累计发货超8.5亿颗3D传感激光器,其中边发射激光器(EEL)5千万颗,VCSEL超8亿颗。Lumentum面向iToF(间接飞行时间)、dToF(直接飞行时间)、结构光、汽车In-cabin及汽车激光雷达等多种应用的VCSEL和EEL产品,均处于量产状态,2018年至今在中国市场3D传感VCSEL发货量已经超过6千万颗。

计超先生介绍道:“Lumentum VCSEL(芯片及封装)已经通过了AEC-Q102认证,并批量出货,是目前全球唯一通过AEC-Q102认证的VCSEL封装,可为车内DMS/OMS应用提供货架产品。面向激光雷达,Lumentum VCSEL的光功率密度已大幅提升到1000 W/mm²,用以顺利替换EEL,成为激光雷达系统设计的首选光源。目前Lumentum不仅可以提供车规级可靠性的VCSEL标品,也可以与客户进行汽车VCSEL的深度定制开发,欢迎有需求的客户与我们具体讨论。”

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Lumentum车规级VCSEL产品及性能展示

多结VCSEL设计及应用

Lumentum追求对VCSEL产品性能持续不断的提升,同时努力降低成本,因此要在解决方案的设计层面进行优化——多结VCSEL(也称:多层结VCSEL)因此而诞生。计超先生分析了多结VCSEL的诸多优势:“首先体现在功率和PCE(电光转换效率)。多结VCSEL能提供更高的功率密度,对光学系统设计更加友好;其次,多结VCSEL增加了斜率效率。采用多结之后,驱动电源稍微提高,同时大幅降低芯片驱动电流,高压小电流的激光驱动器更易实现。此外,多结VCSEL其实是一种降低VCSEL成本的优秀方案。获得相同的功率,多结VCSEL只需单结芯片面积的二分之一或者三分之一就可以实现,这对成本节约非常有帮助。”

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iToF模式工作的单结VCSEL和三结VCSEL:芯片面积不变,单位功率密度大幅提升

计超先生向现场观众展示了工作在iToF模式的单结VCSEL和三结VCSEL的性能表现。这两颗芯片均是量产芯片,其中单结VCSEL的电压在2 V左右,三结VCSEL会提高到5 V左右。在相同的3~4 A电流下,同样面积的芯片,三结VCSEL的出光功率可增加近三倍。值得一提的是,换成三结VCSEL之后,系统的装配和部件选择并没有明显差别,可以兼容原有单结成熟封装工艺和光学配件。计超先生也分析到,“多结VCSEL中,各结之间近距离地串联在一起,当控制信号脉冲比较长,或者占空比较大的时候,结与结之间会有较强的热影响,导致芯片电光效率下降。因为这个特点,多结VCSEL更加适合短脉冲工作场景,比如dToF解决方案等应用。”

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多结VCSEL在连续脉冲、低占空比模式下的表现

可寻址VCSEL类型和演进方向

为什么需要可寻址VCSEL(Addressable VCSEL)?可寻址会为3D传感带来什么帮助?计超先生对此进行了详细的分析。“首先,可寻址VCSEL能更有效地操控激光器的发光位置,允许系统仅控制有需要的位置发光;其次,配合合适的系统设计,可寻址芯片能实现系统级抗干扰、抗冲突等独特功能,解决多设备同时共用、相互之间会产生干扰的难题;第三,可寻址芯片有更佳的发光效率,节约系统功耗;第四,相比单一区域芯片,分区工作的热耗散更小,更有利于系统散热。”但是,可寻址VCSEL也会对应用提出一些新的要求:比如需要多通道光源驱动电路,需要有DOE(衍射光学元件)等微光学元件的光路配合,在传感器和算法设计上,更需要整体考虑,设计难度增加等等。接下来,计超先生向在场观众分享了Lumentum的可寻址VCSEL实现方式:

(1)1D可寻址VCSEL(下图左起第一张图),实现从左到右的分区点亮;

(2)交错寻址型(下图左起第二张图),例如进行奇偶数排列交错点亮;

(3)2D可寻址VCSEL(下图左起第三张图),有两种实现方式,分别为共阴极、多阳极形式,和独立阴极阳极形式;

(4)多层分区VCSEL(下图左起第四张图),不同的发光点组合,可以共用相同的发光区域,同时或分步点亮工作。

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Lumentum提供灵活多样的可寻址VCSEL设计

计超先生认为“传统的iToF方案还会长期存在,并且持续提升分辨率,降低成本。与此同时,在硬件支持的情况下,例如点阵方式投射的dToF方案,可寻址VCSEL会更加适用。”

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Lumentum的VCSEL产品旨在提升性能的同时降低成本

最后,计超先生表示,Lumentum提供多样的激光器产品,波长覆盖8XX nm到15XX nm范围,功率小到毫瓦(mW)级别,大到千瓦(kW)级别,都有成熟产品和解决方案。客户既可以在现有产品平台上选择,又可以灵活定制。Lumentum扎根中国20年,一直以积极开放的态度与客户共同成长,期待与客户一起,推动更多新功能、新解决方案,也推出更多新应用!

原文始发于微信公众号(MEMS):Lumentum:站在国际前沿,解读消费和汽车领域激光技术新趋势

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作者 ab