近年來隨著技術不斷發展，雷射雷達的體積、成本也在不斷降低，成為了一種受到各行業關注的關鍵技術。它的用途越發廣泛，可用於自動駕駛汽車、大氣觀測使用的LiDAR傳感器，還可以用於醫療保健（治療和檢查分析）、生物光子學等領域。在非熱精密切割、微創治療等雷射加工、雷射醫療場景的應用潛力也越來越大。與此同時，市場對於千瓦級高功率雷射模組的需求也開始增加。
雷射雷達有多種方案，比如LiDAR、MEMS（微機電）等等，其中LiDAR採用VCSEL（垂直腔面發射雷射器）光源，而MEMS則基於固體鐳射技術。然而，固態鐳射和VCSEL各有局限，前者功率高但體積大，而後者體積雖小，但功率也小。為了解決現有雷射技術的局限，索尼研發了一種單片雷射器，並宣稱這是世界上首個峰值功率高達千瓦級（57.0千瓦）的雷射方案。據悉，其體積不到1立方毫米（相當於固體鐳射的1/1000倍），輸出脈衝持續時間為450皮秒，強度是半導體雷射1000倍。
與傳統的固態鐳射方案相比，索尼的雷射模組的排列更簡單，結合了半導體和固態鐳射模組的結構，可以很好的滿足LiDAR對於尺寸小巧、高功率雷射源的需求。另外，小尺寸雷射單元可並列排列在一個晶片中，並利用現有的半導體光刻工藝，實現高精度的陣列排列（微米級）。
索尼表示：目前市場上還沒有可以滿足這一需求的其他雷射技術，儘管高功率雷射模組的可用性已經在實驗室得到驗證，但在投入市場時還需要考慮成本、尺寸的限制。而如果這種小尺寸、高功率的超短雷射光源能以低成本量產，將為高功率雷射行業帶來一場革命。
應用場景方面，該技術可用於開發更好的LiDAR傳感器，用於自動駕駛汽車、無人機、機器人、3D傳感、AR/VR等場景。
縮減雷射腔的尺寸
迄今為止，市面上的高功率雷射光源方案僅限於固態鐳射模組，比如碟片雷射、光纖雷射器、微晶片鐳射等等。固態鐳射由於載流子壽命長（微秒到毫秒級），所以可輸出高功率脈衝。然而，固態鐳射晶體需要用外部雷射來激活，因此硬體系統尺寸大，而且需要手動組裝。通常，一台固態鐳射系統的成本可達數百萬日元，高成本限制了這項技術的廣泛應用。
另一方面，半導體雷射方案的效率更高，由於它可以用電流激活，因此尺寸也可以縮小到1平方毫米以下，而且可使用現有的半導體工藝批量生產。不過，半導體雷射的載流子壽命短，僅為納秒級，因此難以輸出高功率。
圖1：y軸為峰值功率，x軸為雷射腔大小，雷射模組尺寸越小、輸出功率越小
為了解決雷射技術的功率和尺寸限制，在2018年，索尼開始嘗試設計一種體積像半導體雷射器那樣緊湊，且輸出功率足夠高的雷射晶體。
突破點：腔體重疊
於是，索尼將固態鐳射與半導體雷射方案融合，打造了一種更加緊湊、峰值功率更高的雷射技術。這項技術的核心是一種由固態和半導體雷射器組成的單片雷射器，以及將VCSEL（垂直腔面發射雷射器）作為激活光源，並將VCSEL和固態鐳射器（被動調Q雷射）的空腔重疊。
圖2：藍色箭頭範圍為VCSEL腔（第一個腔），紅色箭頭表示被動調Q雷射腔（第二個腔），兩個腔為光學耦合結構
這種結構有兩個優點，第一，固態鐳射晶體會吸收雷射熱量，從而改變折射率，使雷射束更聚集。這樣一來，便降低了固態鐳射對聚焦透鏡的需求。
其二，由於固態鐳射晶體在VCSEL腔體內被激活，即使晶體的單程吸收率低，泵浦雷射也能被高效吸收。如此一來，固態鐳射晶體的厚度可縮減到現有切割工藝能達到的水平，並且可以通過現有的半導體製造工藝來生產單個雷射器。
左：傳統高功率雷射結構；右：索尼方案的結構圖
換句話說，腔體重疊後，VCSEL腔的內部電場可激活固態鐳射介質，無需聚光光學系統。另外，這種方案更容易批量生產，無需光學對準，利用現有的晶圓工藝，就能批量生產晶片尺寸的高功率雷射器。相比之下，傳統的固體鐳射模組的多組件需要調節空間位置，精度要達到微米級別，製造難度更高。
圖4：固態鐳射基板粘合在半導體雷射基板頂部，接著將晶圓切割成單獨的晶體，然後進行接線、安裝和封裝
據了解，索尼對半導體器件的研發、安裝和製造工藝有深入的了解，其團隊擁有固體鐳射和半導體雷射領域的專家，他們從2019年4月就開始嘗試將VCSEL和固態鐳射融合的新型雷射技術，從確認雷射振盪到研發單片模型，大約用了一年。在研發過程中，科研人員考慮了雷射模組受電、光、熱等因素的影響，以確保最終的量產。
圖5：索尼的雷射方案比傳統固態鐳射和VCSEL方案更好
參考：索尼
