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索尼|索尼：基于氮化鎵的藍綠光VCSEL，有望加速AR眼鏡普及( 二 )

索尼VRar眼鏡光纖





除此之外 ， VCSEL也可以提升AR/VR視網膜顯示的安全性 。 當VCSEL在大功率情況下運行時 ， 它可以限制光線的輸出功率 ， 因此在視網膜投影等光學方案中 ， VCSEL可以限制顯示屏的亮度 ， 避免光線傷害視網膜 。
特殊的“曲面鏡”結構
那么從原理和結構來看 ， 索尼研發的VCSEL方案到底有哪些獨特之處？
據青亭網了解 ， 通常近紅外（波長區域在800到1000納米之間）VCSEL模組采用砷化鎵（GaAs）基底 ， 而索尼的VCSEL基于氮化鎵（GaN）材質 ， 結構則采用“曲面鏡”設計 ， 不僅可以將光線集中在中心 ， 還可以通過離子注入技術來集中電流 。
【索尼|索尼：基于氮化鎵的藍綠光VCSEL，有望加速AR眼鏡普及】


索尼指出 ， 提升VCSEL方案的性能 ， 需要滿足三個條件：1）反射鏡需要具備高反射率、高散熱效率、高導電性；2）有源層可輸出大量光線；3）高效的光學結構 ， 可將光線和電集中到設備的中心部位 。



實際上 ， 紅外VCSEL的砷化鎵基底具有晶體外延生長特性 ， 可滿足上述三個條件 ， 其結構可以將光和電有效集中到設備中心（光學元件中心未氧化 ， 具有透鏡效果 ， 用于集中光線 ， 而氧化部分絕緣 ， 因此電流也可以集中在中心部分） 。
盡管如此 ， 基于砷化鎵的VCSEL難以顯示完整的RGB可見光 ， 因此索尼在VCSEL結構中采用了氮化鎵基底（通常用于藍、綠色光源） 。 索尼表示：我們已經具備制造高性能氮化鎵發光層的工藝 ， 這是此前研發藍光半導體激光技術時獲得的經驗 。



在2015年時 ， 索尼就首次展示基于氮化鎵的VCSEL方案 ， 當時其VCSEL結構中采用了平面鏡 。 索尼發現 ， 平面鏡很難通過限制光束來提升效率 ， 于是在2016年時 ， 決定采用透鏡外觀的曲面鏡 ， 取代原來的平面反光鏡 ， 曲面鏡的特性可以更好的將光線集中在設備中心 ， 這與此前的VCSEL結構有很大不同 。



索尼表示：采用曲面鏡的靈感來自于實驗室中常用的工具——光纖 。 我們知道 ， 光纖是一種由玻璃或塑料制成的纖維 ， 光在纖維中以全反射的形式進行傳播 。 當具有漸變折射率（GI）的光纖 ， 其折射率以拋物線分布時 ， 它不僅可以傳導光線 ， 還可以將光反射回光纖的核心 ， 也就是說光纖彎曲時也可以防止漏光 。
于是 ， 為了模擬漸變折射率光纖的光學特點 ， 索尼在VCSEL結構中也采用拋物透鏡作為反光鏡 。 據悉 ， 利用多年來積累的技術經驗 ， 索尼的成像傳感團隊幫助研發團隊一起 ， 在硅基晶圓上制造VCSEL半導體的透鏡 。



圖中的近紅外VCSEL結構：有源層（active layer）位于兩個反射鏡之間 ， 這兩個反射鏡的反射率可達99%或以上 ， 通常又稱為分布式布拉格反射鏡 ， 它們由各種不同折射率的材料交疊而成 。 當有源層發射的光線在兩個反射鏡之間來回反射時 ， 會產生激光共振 。
用于可穿戴設備和定位系統
索尼預計 ， 未來如果藍光、綠光VCSEL技術投入使用 ， 其應用場景將包括高亮度投影儀、AR/VR眼鏡等設備的顯示系統 ， 或是應用于照明、機械加工、醫療保健等更多樣化領域 。 隨著可見光VCSEL的應用 ， 也極有可能促進智能眼鏡的普及 。



此外 ， 優化的VCSEL技術也有望進一步提升GPS等定位系統的準確性 ， 比如紫外光VCSEL可用于高精度地面時鐘 ， 將GPS定位（因時間差減少）的精度可從幾米提升至至幾毫米 。 參考：索尼

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