3D感測(cè)和測(cè)距的VCSEL已成為激光產(chǎn)值成長(zhǎng)的重要因素

***光電協(xié)進(jìn)會(huì)（PIDA）日前發(fā)布最新的報(bào)告指出，201 7年全球激光產(chǎn)值主要來(lái)自于如光纖激光、光達(dá)激光測(cè)距及VCSEL垂直共振腔面射激光，產(chǎn)業(yè)仍不斷在整合但相較于2016年瘋狂并購(gòu)，2017年整并情況明顯放緩。

2017年激光應(yīng)用產(chǎn)業(yè)可說(shuō)是豐收的一年，根據(jù)Strategies Unlimited數(shù)據(jù)顯示2017年全球激光產(chǎn)值為124億美元，包含半導(dǎo)體激光的55億美元及非半導(dǎo)體激光的69億美元。2017年激光整體產(chǎn)值相較于2016年成長(zhǎng)18.1％，主要源自于激光應(yīng)用在材料加工產(chǎn)業(yè)，應(yīng)用在該領(lǐng)域的激光產(chǎn)值相較于去年同期成長(zhǎng)超過(guò)26％，其中用于材料加工的光纖激光營(yíng)收達(dá)34％。

然而2017年呈現(xiàn)的異?，F(xiàn)象，可預(yù)期2018年材料加工營(yíng)收將恢復(fù)到較溫和的成長(zhǎng)，因某些材料加工激光系統(tǒng)的資本設(shè)備支出會(huì)降溫，預(yù)估2018年全球激光產(chǎn)值達(dá)131億美金。

PIDA指出，由激光應(yīng)用產(chǎn)值可看出物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0已不再是掛在嘴邊說(shuō)說(shuō)而已，已逐漸具體化的落實(shí)，如美國(guó)集成光子制造創(chuàng)新中心（ American Institute for Manufacturing Integrated Photonics） 2017年3月發(fā)布集成光子系統(tǒng)路線圖的預(yù)測(cè)，物聯(lián)網(wǎng)將對(duì)該市場(chǎng)產(chǎn)生很大的影響。此外工業(yè)4.0不斷發(fā)酵2017 年德國(guó)Trumpf在美國(guó)芝加哥建立智慧工廠，提供板金加工以數(shù)字化方式生產(chǎn)，德國(guó)機(jī)床制造商協(xié)會(huì)（VDW）也推出針對(duì)網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)的相關(guān)措施。

另一方面，2017 年激光需求大幅成長(zhǎng)可歸功于消費(fèi)設(shè)備和制造設(shè)備的需求，如制造iPhone手機(jī)的制程使用到的激光技術(shù)包括玻璃切割、零件雕刻及電路板鉆孔等。此外，包括iPhone 8在內(nèi)的許多智慧手機(jī)皆具備3D感測(cè)和測(cè)距的VCSEL，這已經(jīng)成為激光產(chǎn)值成長(zhǎng)的重要因素，將是蘋(píng)果、三星等智慧型手機(jī)制造商建構(gòu)3D成像系統(tǒng)的重要元件，而VCSEL同時(shí)應(yīng)用在數(shù)據(jù)通信、電腦滑鼠和汽車(chē)光達(dá)上，因此2017年被譽(yù)為VCSEL爆發(fā)的一年。

PIDA總結(jié)，激光技術(shù)在日常生活上的使用越來(lái)越普遍，從日常生活的通訊、代步的汽車(chē)、居家生活、醫(yī)療保健、停車(chē)場(chǎng)等無(wú)處不在。隨著物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0、人工智慧、自動(dòng)汽車(chē)駕駛、虛擬實(shí)境/擴(kuò)增實(shí)境等議題興起，激光技術(shù)更是不可或缺的一環(huán)，不論是產(chǎn)品制造過(guò)程中或是終端產(chǎn)品的使用上，激光技術(shù)已無(wú)所不在，營(yíng)收獲利可望再創(chuàng)新高。

快速理解3D傳感的關(guān)鍵技術(shù)：VCSEL

因?yàn)樘O(píng)果（Apple），許多的老技術(shù)開(kāi)始找到自己的第二春，垂直共振腔面射型激光（VCSEL）是最新的一個(gè)，由于蘋(píng)果iPhone X的臉部辨識(shí)應(yīng)用，讓這項(xiàng)過(guò)去多使用在通訊領(lǐng)域的高階技術(shù)有了新的市場(chǎng)，而且火紅的程度幾乎與當(dāng)初的電容式觸控相當(dāng)。

由于VCSEL制造屬于半導(dǎo)體層級(jí)，且涉及光學(xué)與電子，因此***切入的業(yè)者多以光電業(yè)者居多，例如LED制造商，或者光導(dǎo)體的封裝業(yè)者。本文則是取自飛利浦（Philips）的網(wǎng)站說(shuō)明，對(duì)此技術(shù)做一次重點(diǎn)的回顧，當(dāng)然飛利浦就是一家典型具備半導(dǎo)體與光學(xué)技術(shù)的業(yè)者。

VCSEL就是「垂直共振腔面射型激光（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）」的縮寫(xiě)，其結(jié)構(gòu)和功能如圖(a)所示。VCSEL是一種半導(dǎo)體激光二極管，其發(fā)射垂直于表面的光（1）。發(fā)光器由多個(gè)主動(dòng)層組成，厚度為奈米等級(jí)。

在這些層中，電子載體被轉(zhuǎn)換成光，在主動(dòng)層之上和之下，多層交替折射率形成共振鏡（4）；短的激光腔需要反射鏡的高反射率才能獲得足夠的增益，摻雜的半導(dǎo)體鏡額外為主動(dòng)層提供電觸點(diǎn)（2）和（3）；主動(dòng)區(qū)的尺寸由靠近主動(dòng)層的氧化層（6）的寬度來(lái)定義。

此半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)和垂直光束允許在一個(gè)生成步驟中產(chǎn)生功能完整的激光光，在這個(gè)外延生成過(guò)程之后，標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體晶圓處理步驟則定義了光發(fā)射區(qū)域，并為各個(gè)激光二極管提供電端子。

VCSEL的垂直結(jié)構(gòu)能建立大量的激光彼此相鄰并形成二維陣列。依據(jù)應(yīng)用的不同，這些陣列中的VCSEL可以單獨(dú)通電連接（靠著個(gè)別接觸，例如用在：多通道的數(shù)據(jù)通信應(yīng)用），或者并聯(lián)通電。在大量激光并聯(lián)的設(shè)置中，透過(guò)厚導(dǎo)體層（5）將電流提供給各個(gè)激光器，以向陣列提供低電阻電端子。

VCSEL陣列是由數(shù)千個(gè)微型激光器在GaAs晶圓上以半導(dǎo)體流程制造所組成，單個(gè)激光光器之間的典型間距在40微米的范圍內(nèi)，其波長(zhǎng)在800nm和1100nm之間，最常用的是808nm，850nm和980nm，每個(gè)線寬為幾納米。

相較于紅外線LED，VCSEL具有非常窄的線寬和非常正向發(fā)射的特性。其晶片從晶圓中切割并安裝到載體上，而其使用的組裝程序則是LED產(chǎn)業(yè)眾所周知的步驟。

此外，VCSEL的亮度范圍在傳統(tǒng)激光和燈或LED之間，且該技術(shù)提供可擴(kuò)展（scalable）的系統(tǒng)功率，因此高功率VCSEL系統(tǒng)對(duì)許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)就是一個(gè)極有吸引力的解決方案。