垂直腔面发射激光器（VCSEL）具有无腔面损伤、可快速调制、面阵式出光、圆形对称光斑和光纤耦合效率高、光束质量高、可靠性高等独特优点，近年来在各个领域都有极高的应用价值，如光通信、3D成像、VR/AR，特别是激光雷达测距（LiDAR）。

激光雷达所需的VCSEL激光功率需达到数十瓦乃至百瓦功率水平，以保证足够远的探测距离；为了保证系统的测距精度足够高，LiDAR 输出的激光脉宽范围是1~ 25 ns，峰值电流最好能达到百安培量级，这样才能保证激光脉冲上升沿足够快，此时回路中的电感L0对脉冲电路的性能影响显著。

在电路中杂散电感得到最大程度优化的条件下，由于激光器不同封装类型引入的电感大小不同，而对激光器性能的影响也有所不同。那么，封装对大功率VCSEL激光器的特性和功率转换效率有何影响？

下面以TO（transistoroutline）封装VCSEL和裸芯片VCSEL为例，通过直流功率转换效率公式，得到脉冲条件下VCSEL功率转换效率公式，对比两种封装对VCSEL脉冲功率转换效率的影响。

TO封装VCSEL激光器工艺

TO封装VCSEL如图1、2所示。基板被分为两部分，其中一部分通过焊料与VCSEL底部电极直接贴合，另一部分通过金线与VCSEL顶部电极建立电气连接，基板的两部分再通过金线键合分别与两个引脚建立电气连接。

图1 TO封装VCSEL实物图. (a) 侧面图；(b)俯视图

图2 TO封装VCSEL . (a)结构示意图；(b)等效电路图

对比二者，TO封装VCSEL中的金线、基板及引脚会引入一定杂散参数。驱动电路的简化图，如图3所示。为了使输出激光在脉宽为25 ns时有较高的功率，放电电容 C 取10 nF。M1为开关，R1为1 kΩ的限流电阻，Lx为回路杂散电感，Rx为回路杂散电阻。VCSEL等效电路模型中，R0代表芯片电阻，C′代表结电容，RS代表封装引入电阻，LS代表封装引入电感。由于结电容为pF量级，主要影响VCSEL的反向特性，而本文主要关注 VCSEL 正向发光特性，因此在仿真和理论分析部分将结电容忽略。

图3 驱动电路简化示意图

印制电路板(PCB)简化图，如图4所示，主要通过三种方法来减小回路电感；M1使用的是GaN System公司的GaN开关 GS61008P，GaN开关速度快，采用芯片级封装；放电回路通过孔垂直于电路板平面，顶层和底层的电流流向相反，磁通量相互抵消；PCB厚度为0.8 mm，减小了放电回路长度。通过测量负载短路时回路电流的振荡周期，计算到Lx数值约为1.7 nH，Rx数值约为0.08 Ω。

图4 PCB 简化示意图. (a)俯视图；(b)仰视图；(c)侧视图

电路工作时，首先将开关断开，电源通过限流电阻对电容进行充电，接着开关在较长一段时间内保持闭合，电容在此期间完全放电，可以近似为电阻电感电容（RLC）串联二阶电路。

该电路的特点是：回路中的杂散电感是电路组成不可或缺的一部分；光脉冲脉宽取决于电容值，因此脉冲驱动宽度可以大于光脉宽；可以通过提高电容初始充电电压来减小电容值，得到高功率窄脉宽的光脉冲。

电路仿真及结果

这里我们仅讨论通过Pspice仿真验证杂散电感Ls 和杂散电阻Rs 对放电回路的影响。对于公式演算过程本文不作讨论。

根据公式推导，我们得出在不考虑探测器的精度下，LiDAR 系统理论的测距精度为

式中：t rise 是激光脉冲的上升时间；

是反射信号的信噪比，与激光功率成正比。为了提高LiDAR的测距精度，应使Ls 、Rs 尽量小。

01

封装引入的杂散电感对放电回路的影响

图5为保持其余参数不变，Ls取0.5、5、10 nH，VCSEL两端电压与电流仿真波形图。随着Ls取值增大，脉冲电流幅值减小，脉宽增大，反向电流值增大，VCSEL两端电压与电流相位差增大。

图5 Ls不同取值下VCSEL两端电压与电流仿真波形图

02

封装引入的杂散电阻对放电回路的影响

图6为保持其余参数不变，Rs 取0.3、0.5、0.8 Ω时，VCSEL两端电压与电流仿真波形图。随着Rs 取值的增大，脉冲电流幅值减小，脉宽增大，反向电流值减小，Rs 对VCSEL两端电压与电流相位差影响较小。

图6 Rs 不同取值下VCSEL两端电压和电流仿真波形图

仿真结果验证了回路中的杂散电感和杂散电阻的增大会减小脉冲电流幅值，增大脉宽。进一步推测，这些杂散参数将使发射的激光脉冲上升沿减缓，激光峰值功率减小。同时根据以上公式，这两项参数的变化会使LiDAR系统的测距精度减小。

不同封装的VCSEL阵列脉冲

通过实际电路实验对比TO封装和裸芯片VCSEL的电光转换效果，比较两种封装引入回路的杂散参数大小，从而来验证杂散参数对激光器发光特性的影响。

图7 VCSEL两端电压与电流脉冲波形图 (C=10 nF，V=90 V. (a) TO封装VCSEL；(b) 裸芯片

图7分别为在电压为90 V时TO封装和裸芯片VCSEL的两端电压和电流波形图。TO封装VCSEL引入的寄生电感及电阻值较大，使得VCSEL两端电压和流过的电流有明显的相位差。同时在相同电路参数情况下，TO封装的VCSEL相对裸芯片VCSEL回路中的电流幅值小、脉宽长。电感对电流的影响直接导致前者发出的光脉冲相对后者峰值功率小、脉宽长，如图8所示。

图8 TO封装VCSEL与裸芯片VCSEL的光脉冲波形图(C=10 nF，V=90 V)

图9 TO封装VCSEL和裸芯片VCSEL的峰值电流与峰值电压关系图

根据图9曲线拟合得到裸芯片VCSEL的电压-电流曲线斜率为0.33 Ω，TO封装 VCSEL的电压-电流曲线斜率为1 Ω。

φ=arctan(ωLs/(Rs+R0)) （2）

将参数代入(1)、(2)式进行初步估算，结合实际电路波形进行参数微调后，得到当电路LX＝1.775 nH，RX ＝0.15 Ω，RS1 ＋R0 = 0.33 Ω，Ls1=0.4 nH，RS2＋R0=0.88 Ω，Ls2＝11.36 nH时，仿真与实验波形的对比，如图10所示

图10 仿真与实验波形对比. (a) TO封装VCSE；(b)裸芯片 VCSEL

基于以上分析TO 封装 VCSEL 相对裸芯片VCSEL，杂散参数中杂散电感占主要部分，约为11 nH，杂散电阻次之，约为0.55 Ω。

杂散参数除了影响回路脉冲电流幅值脉宽，还会影响 VCSEL 的功率转换效率。

如图11 所示，在相同峰值电流情况下，TO封装VCSEL的峰值功率相比裸芯片 VCSEL平均低5 W 左右，原因是TO封装的VCSEL引入的寄生电阻消耗了部分能量。电流电压存在相位差，二者相乘所得的瞬时功率中有无功分量，使得在相同电流情况下，TO封装VCSEL的功率转换效率比裸芯片VCSEL低，如图12所示。

图11 TO封装VCSEL 与裸芯片VCSEL的光脉冲峰值功率与峰值电流关系(C=10 nF，V=30~90 V)

图12 TO封装VCSEL与裸芯片VCSEL的功率转换效率与峰值电流的关系(C=10 nF，V=30~90 V)

如何减小杂散参数？

TO封装是常用的封装方式，在直流及准直流等电流变化较慢的工作条件下使用较为广泛。普通TO封装器件在电流变化迅速的电路中的性能受限，因此在窄脉冲大电流的工作系统中，应注意减小封装引入的杂散参数。

1）对 TO 封装的改进。在不影响封装效果的前提下，保证电流回路尽量短，如用于键合的金线和器件的引脚尽量短；其次，尽可能使用多条金线进行键合，通过并联减小杂散参数。

2）将放电回路部分集成一体，封装于一个管座中。由于在窄脉宽条件下工作，电容取值小，小型陶瓷电容即可满足器件选型。同时，新型GaN开关材料耐压高，其封装体积远小于传统硅基 MOSFET，因此可以将激光芯片裸片、开关器件(或不带封装的开关芯片)、电容集成一体并封装于一个管座中。此时，整个管座大小接近原TO封装VCSEL管座大小，放电回路中各器件间距更小，减少了不必要的杂散参数。

3）采用倒装结构的VCSEL进行密封封装，并将其倒装焊接在PCB电路板上。改变VCSEL 结构，使出光面电极与底部电极连接到同一个底座，在底座制作凸焊点代替金线键合提供电气连接，使VCSEL可以直接焊在PCB 焊盘上。这种改进方式无需金线和引脚，很大程度上减小了器件的杂散参数。

小 结

通过对比TO封装VCSEL和裸芯片VCSEL在窄脉冲大电流条件下的发光特性，研究封装引入的杂散参数对VCSEL脉冲发光特性的影响。结合仿真及实验结果得出：

• TO封装VCSEL相比裸芯片VCSEL会引入更大的杂散参数，包括杂散电感、杂散电阻等，其中杂散电感占主要部分。

• 杂散参数会使放电脉冲电流幅值更低，脉宽更长，导致输出光脉冲的峰值功率较低，脉宽较长，同时由于杂散电感的存在，电流与电压之间存在相位差，降低了VCSEL光源的功率转换效率。

• 在一些需要快上升沿、窄脉宽、大功率激光的应用场景中，比如LiDAR，需要注意回路中杂散参数的控制，通过改进激光光源的封装，减少杂散参数的引入，可提高系统的功率转换效率。

作者

颜颖颖1,2 陈志文1,2 邱剑1,2 刘克富1,2 张建伟3

1复旦大学先进照明技术教育部工程研究中心

2复旦大学信息科学与工程学院光源与照明工程系

3中国科学院长春光学精密机械与物理研究所发光学及应用国家重点实验室

本文摘编自：颜颖颖,陈志文,邱剑等.封装对大功率 VCSEL 窄脉冲发光特性的影响[J].光学学报,2020, 40(08):0814001

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