选型指南

VCSEL 与边发射激光器:3D 传感与激光雷达的光源怎么选

边发射器件赢在峰值功率和量程,VCSEL 赢在光斑形状、占空比和成本。真正该比的不是瓦数,而是脉冲能量——而两者拿到能量的方式完全不同。

更新于 2026-10-07 · 4 分钟阅读


两种造激光的方式

边发射激光器(EEL)的谐振腔做在晶片平面内,光从解理腔面出射,发光区是一条条状区——我们 905 nm 器件是 110 µm × 30 µm——所以光束是椭圆的、有像散的:平行于结面 9°,垂直于结面 25°。

VCSEL(垂直腔面发射激光器)的腔垂直于晶片,光从表面出射。发光区是圆的,所以光束也是圆的:我们 940 nm 款在 1/e² 处为 19°,对称,远场呈环形。

其余一切差异,都是从这个几何差别推出来的。

参数并列对比

905 nm 边发射 (PLD905-180W-M)940 nm VCSEL (PLD940-6W-MV)
峰值功率180 W6 W
额定脉宽1 – 100 ns0.1 ms(QCW 额定条件)
占空比0.1 %3 %
额定脉宽下的脉冲能量18 µJ600 µJ
阈值电流0.75 A1.2 A
工作点25 A @ 22 V7 A @ 2.2 V
发散角25° × 9°,加 FAC 后 6–8° × 9°19°,圆形
远场椭圆光带环形、对称
发光区110 × 30 µm 条状圆形阵列
斜率效率未以单一数值给出1 W/A
电光转换效率–37 %
封装TO56,最高 180 WTO9,可表面贴装
是否需要快轴准直远距离需要不需要

第三行和第一行要一起读:边发射器件的峰值功率是 VCSEL 的三十倍,而 VCSEL 的脉冲能量是它的三十倍。两句话都对,但没有一句是完整答案。

峰值功率不等于能量

这与所有脉冲光源遵循同一个恒等式:

E [µJ] = Ppeak [W] × tp [ns] × 10⁻³

6 W 的 VCSEL 驱动 100 ns,输出 0.6 µJ;同样这颗驱动 1 µs,输出 6 µJ——相当于 60 W 的边发射器件打 100 ns。边发射器件能在 100 ns 内给出 18 µJ;VCSEL 要追平这个能量,需要 3 µs 的脉宽。

所以诚实的总结是:

  • 边发射器件"给得快":高峰值功率、短脉冲、瞬时回波强。
  • VCSEL"给得慢":低峰值功率、长脉冲、瞬时回波弱。

"快"和"慢"哪个更好,完全取决于你的接收机与分辨率要求,而不取决于激光器本身。

长脉冲在哪儿帮忙,在哪儿添乱

帮忙的情形是接收端做积分:光子计数或积分型接收机会把整段回波累加起来,此时决定成败的是总能量,而不是脉冲形状。VCSEL 3% 的占空比还意味着同样平均功率下可以发更多脉冲,这正是基于多脉冲平均的 3D 传感想要的。

添乱的情形是需要区分前后两个目标时。100 ns 的脉冲会把回波抹开约 15 m(光每纳秒走 0.3 m,且要往返);1 µs 则抹开 150 m。在按前沿计时的直接飞行时间系统里,精度可能依然不错——但"墙前站着一个人"这种分辨能力就没有了。

对于 1 m 处的手势传感器和 200 m 处的车辆,这无所谓;对于要在树林前看见一头鹿的测距仪,这是致命的。

量程,实话实说

沿用测距方程一篇中公布的模型,并把 940 nm VCSEL 近似按 905 nm 的硅基 APD 处理:

光源脉宽能量回反射目标漫反射地形
PLD905-180W-M100 ns18 µJ1.6 km535 m
PLD905-90W-M100 ns9 µJ1.1 km380 m
6 W VCSEL100 ns0.6 µJ295 m100 m
6 W VCSEL1 µs6 µJ925 m310 m
70 W VCSEL 阵列100 ns7 µJ1.0 km335 m

最有意思的是最后一行:面发射器件做到 70 W,就已经能与中功率边发射器件竞争,而且光斑是圆的、不需要 FAC。阵列靠在同一片晶片上增加发光单元来扩展功率——这正是 VCSEL 功率这几年爬升很快的原因。

还有哪些差别

波长稳定性。 VCSEL 的波长随温度漂移远小于边发射器件的 0.10 nm/K。当窄带滤光片在替你对抗阳光时,这一点很重要。代价是光谱更宽、相干长度更短——对散斑是好事,对干涉测量是坏事。

散斑。 VCSEL 阵列是许多独立发光单元,波长略有差异,散斑图案会被抹平;单模边发射器件相干性强,目标上会出现明显的散斑。做成像时,这常常是决定因素。同样的机制在可见光与 RGB 激光照明里正是解药——那里散斑需要被消除,而不是被平均掉。

椭圆光斑与圆形光斑。 25° 的快轴不只是"要不要准直"的问题。在 1 km 处,25° 的扇形是一条高 440 m 的光带,其中大部分永远进不了你的接收机——见 FAC 与光纤耦合。VCSEL 天生就是圆的。

失效模式。 边发射器件从腔面失效,通常由过流或污染导致的灾变性光学损伤引起;VCSEL 则是热滚降,阵列中个别单元失效未必整颗报废——退化是渐进的,但也更难被发现。

量产成本。 边发射器件要解理、镀膜、再解理成巴条;VCSEL 可以整片晶圆制作并整片测试。这就是它成为消费类传感默认选择的原因。

一条判断规则

选边发射,当: 需求超过几百米、脉宽必须短于 100 ns、目标不配合、或者要在每元钱上买到最高的峰值功率。典型场景是测距、车载主雷达、远距离工业传感。

选 VCSEL,当: 需求在几米到几百米、接收端做积分、希望光斑是圆的且不用 FAC、希望表面贴装和晶圆级成本,并且能接受长脉冲。典型场景是消费类 3D 传感、手势与接近检测、机器视觉、短距车载补盲。

两者都用,当它们不构成竞争时: 905 nm 边发射负责远距离通道、940 nm VCSEL 阵列负责大视场近距离通道,是车载传感中常见且合理的架构。


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