索尼：基于氮化镓的蓝绿光VCSEL，有望加速AR眼镜普及
Esther|编辑
一提起VCSEL光学技术，你可能最先想到iPhone等苹果设备的Face ID人脸解锁技术，这项功能通过VCSEL芯片来实现3D人脸识别。实际上，VCSEL是一种红外线激光技术，它早在上世纪80年代就已经出现，1996年已商业化，而直到苹果将其应用于移动设备中（iPhone的激光雷达模组就包含VCSEL芯片），这项技术才再次在主流市场得到广泛使用。
据了解，VCSEL全称为“vertical-cavity surface-emitting laser”，中文翻译为垂直腔面发射激光器，除了移动设备外，还可以应用于机器人、无人机、AR/VR（3D手势识别）等设备。
目前，市面上商业化的VCSEL产品仅限于红外激光和红光激光方案，如果可以扩大VCSEL的光谱范围，实现蓝光、绿光，将有望带来更多应用场景，比如用于AR/VR、投影系统的RGB显示和照明模组等。因此，索尼近年来持续在探索可见光范围内发射蓝光、绿光的VCSEL技术，并于近期公布了一种采用曲面谐振腔反光镜的方案，具有蓝绿显示、光和电效率高等特点。
将VCSEL技术用于移动显示屏
索尼表示：从40多年前开始，索尼就一直从事半导体激光技术的研究与开发，最初是将激光应用于CD、DVD和蓝光光盘。通常，半导体激光技术分为边射型激光（EEL）和垂直腔面发射激光（VCSEL）两种，其中EEL发射的光线与半导体晶圆表面平行，而VCSEL发射的激光则与晶圆衬底垂直，后者更容易通过平面工艺来设计大规模发光阵列。
从2000年开始，索尼团队开始专注研发VCSEL技术，与EEL技术相比，VCSEL的优势在于尺寸更紧凑，功耗更低，更容易实现二维排列。索尼认为，VCSEL可用于AR眼镜等可穿戴设备的显示系统，有助于缩小设备的体积，降低功耗。
不过，在可见光范围内发射蓝光、绿光的VCSEL技术难以开发，目前市面上还没有商业化的蓝、绿VCSEL芯片。为了改变这一现状，索尼希望通过独特的结构设计来实现蓝光、绿光VCSEL，目的是探索激光的更多应用场景，比如紧凑、轻量化的移动显示系统等等。
此外，利用VCSEL的二维排列优势，可提升光源的输出功率，将VCSEL应用于超大型投影系统，或是汽车前照灯（可像显示器一样可控制照明模式）。索尼认为，优化的VCSEL技术将有望带来进一步的技术创新和应用。
值得注意的是，索尼认为VCSEL将有望成为移动显示屏的关键技术，尤其是在PS VR、Google Glass等AR/VR穿戴式设备的应用，正逐渐受到人们关注。目前，AR/VR头显技术发展受到产品体积、显示技术等方面限制，常见的AR/VR显示系统体积大而且耗电，需要使用大容量电池（进一步增加AR/VR头显体积）。因此为了解决这些问题，我们需要一种适用于紧凑型、低功率移动显示屏的超小型低功率激光模组。
索尼表示：我们正在开发的VCSEL技术可以将设备体积和功耗降低十倍以上，甚至有望将光源和电池集成在眼镜形态的设备中。而且，索尼的VCSEL可发射RGB可见光线，意味着真正轻量化的AR/VR穿戴设备将成为现实，而且这种光学方案还可以应用于多样化的移动显示系统。
除此之外，VCSEL也可以提升AR/VR视网膜显示的安全性。当VCSEL在大功率情况下运行时，它可以限制光线的输出功率，因此在视网膜投影等光学方案中，VCSEL可以限制显示屏的亮度，避免光线伤害视网膜。
特殊的“曲面镜”结构
那么从原理和结构来看，索尼研发的VCSEL方案到底有哪些独特之处？
据青亭网了解，通常近红外（波长区域在800到1000纳米之间）VCSEL模组采用砷化镓（GaAs）基底，而索尼的VCSEL基于氮化镓（GaN）材质，结构则采用“曲面镜”设计，不仅可以将光线集中在中心，还可以通过离子注入技术来集中电流。
索尼指出，提升VCSEL方案的性能，需要满足三个条件：1）反射镜需要具备高反射率、高散热效率、高导电性；2）有源层可输出大量光线；3）高效的光学结构，可将光线和电集中到设备的中心部位。
实际上，红外VCSEL的砷化镓基底具有晶体外延生长特性，可满足上述三个条件，其结构可以将光和电有效集中到设备中心（光学元件中心未氧化，具有透镜效果，用于集中光线，而氧化部分绝缘，因此电流也可以集中在中心部分）。
尽管如此，基于砷化镓的VCSEL难以显示完整的RGB可见光，因此索尼在VCSEL结构中采用了氮化镓基底（通常用于蓝、绿色光源）。索尼表示：我们已经具备制造高性能氮化镓发光层的工艺，这是此前研发蓝光半导体激光技术时获得的经验。
Rintaro Koda-索尼东京实验室
在2015年时，索尼就首次展示基于氮化镓的VCSEL方案，当时其VCSEL结构中采用了平面镜。索尼发现，平面镜很难通过限制光束来提升效率，于是在2016年时，决定采用透镜外观的曲面镜，取代原来的平面反光镜，曲面镜的特性可以更好的将光线集中在设备中心，这与此前的VCSEL结构有很大不同。
Tatsushi Hamaguchi-索尼东京实验室
索尼表示：采用曲面镜的灵感来自于实验室中常用的工具——光纤。我们知道，光纤是一种由玻璃或塑料制成的纤维，光在纤维中以全反射的形式进行传播。当具有渐变折射率（GI）的光纤，其折射率以抛物线分布时，它不仅可以传导光线，还可以将光反射回光纤的核心，也就是说光纤弯曲时也可以防止漏光。
于是，为了模拟渐变折射率光纤的光学特点，索尼在VCSEL结构中也采用抛物透镜作为反光镜。据悉，利用多年来积累的技术经验，索尼的成像传感团队帮助研发团队一起，在硅基晶圆上制造VCSEL半导体的透镜。
图中的近红外VCSEL结构：有源层（active layer）位于两个反射镜之间，这两个反射镜的反射率可达99%或以上，通常又称为分布式布拉格反射镜，它们由各种不同折射率的材料交叠而成。当有源层发射的光线在两个反射镜之间来回反射时，会产生激光共振。
用于可穿戴设备和定位系统
索尼预计，未来如果蓝光、绿光VCSEL技术投入使用，其应用场景将包括高亮度投影仪、AR/VR眼镜等设备的显示系统，或是应用于照明、机械加工、医疗保健等更多样化领域，随着可见光VCSEL的应用，也极有可能促进智能眼镜的普及。
此外，优化的VCSEL技术也有望进一步提升GPS等定位系统的准确性，比如紫外光VCSEL可用于高精度地面时钟，将GPS定位（因时间差减少）的精度可从几米提升至至几毫米。
参考：
https://www.sony.com/en/SonyInfo/research/technologies/VCSEL/#sm_section1
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——青亭网