蘋果將3D人臉感測帶進手機應(yīng)用,促使VCSEL技術(shù)獲得各方矚目

垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)技術(shù)在蘋果iPhone開始采用3D人臉辨識后，突然獲得各界矚目，但這種化合物半導(dǎo)體雷射其實由來已久，在iPhone導(dǎo)入引發(fā)產(chǎn)業(yè)關(guān)注之前，主要是應(yīng)用在短距離光通訊領(lǐng)域，例如資料中心機架間的高速互聯(lián)。而隨著相關(guān)技術(shù)不斷發(fā)展，目前VCSEL的訊號傳輸距離、頻寬都在不斷提升，未來勢必會對傳統(tǒng)邊射型雷射二極體帶來一定的競爭壓力。

而在感測應(yīng)用方面，VCSEL最大的優(yōu)勢在于能實現(xiàn)小巧、低成本的感測陣列，可取得物件的3D輪廓，這項特性能和現(xiàn)有以邊射型雷射為主的測距技術(shù)產(chǎn)生明顯的市場區(qū)隔，并打開更廣泛的應(yīng)用市場。除了從人臉辨識衍生出的各種安防應(yīng)用外，VCSEL也是車用光達從機械式走向全固態(tài)，進而讓自駕車更進一步普及所不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。

在感測應(yīng)用出現(xiàn)之前，VCSEL最重要的應(yīng)用在光通訊市場，特別是資料中心內(nèi)部，機架對機架(Rack to Rack)之間的高速互聯(lián)。但隨著相關(guān)技術(shù)不斷突破，加上光纖業(yè)者努力投資相關(guān)配套，VCSEL進軍FTTx市場，目前看來只是時間問題。

臺大光電研究所所長林恭如(圖1)表示，對光通訊應(yīng)用而言，光源元件最重要的性能指標有二，一是頻寬，二則是傳輸距離。傳輸距離與光的波長有關(guān)，波長850納米的光源，傳輸距離通常低于500公尺，因此只適用于資料中心內(nèi)部機架對機架的互聯(lián)應(yīng)用。如果把波長拉高到1,310納米，則傳輸距離便可提升為1~10公里；若能進一步把波長拉高到1,550納米，則有機會實現(xiàn)20~25公里等級的傳輸。

目前已經(jīng)商品化的VCSEL，光波長大多是850納米，主攻的是資料中心內(nèi)的互聯(lián)需求，但學(xué)術(shù)界一直在研究，如何將VCSEL的波長拉長，以便實現(xiàn)更遠的傳輸距離。目前在VCSEL領(lǐng)域，最新的研究成果已經(jīng)可實現(xiàn)10公里訊號傳輸，這對于VCSEL走出資料中心應(yīng)用，是很重要的發(fā)展里程碑。

要改變光波的波長，必須仰賴材料上的突破，如新的摻雜比率、使用新的摻雜材料等。因此，雖然學(xué)術(shù)界跟業(yè)界投入長波VCSEL的研發(fā)已經(jīng)有很長的一段時間，但從實驗室到生產(chǎn)線，還是有不低的門檻需要跨越。

而在頻寬方面，目前臺大光電所開發(fā)出來的850納米VCSEL，已經(jīng)可以滿足25G Baud傳輸速率，并可支援PAM4調(diào)變。就規(guī)格來看，目前臺大光電所研究出的VCSEL已經(jīng)可以滿足市場的主流需求，但研究團隊認為，還有很多細節(jié)可以進一步改善，例如制程技術(shù)上的精進、氧化層厚度的控制。這些細節(jié)上的改善，都可以進一步提升VCSEL的訊號/雜訊比(SNR)跟輸出功率。

該所的吳兆欣教授，目前就致力于VCSEL在高溫環(huán)境下進行高速操作的研究，希望讓VCSEL光源有更穩(wěn)定的表現(xiàn)。相關(guān)研究課題涉及反射層的摻雜、氧化層的薄化，都有一定的挑戰(zhàn)性跟困難度，但也因為吳教授跟全體同仁在相關(guān)領(lǐng)域的投入，使得臺大光電所得以名列全球前四大VCSEL研究基地之一。

至于目前最火紅的感測應(yīng)用，基本上是利用VCSEL陣列來實現(xiàn)。不管是使用飛行時間測距(ToF)原理或是結(jié)構(gòu)光(SL)感測原理，可以進行3D辨識的感測器都是由光源、光學(xué)組件跟光感測器三個部分所組成，其中最重要的就是光源。早期的3D感測是以紅外線LED作為光源，但LED不具備諧振腔結(jié)構(gòu)，因此打出來的光束太過發(fā)散，耦合性不佳，難以取得精準的感測結(jié)果。

VCSEL則解決了這光束過于發(fā)散的問題，加上VCSEL技術(shù)具有小型化，容易實現(xiàn)陣列設(shè)計、低功耗、可靠度高等優(yōu)勢，因而能全面取代紅外線LED。不過，有業(yè)界人士指出，結(jié)構(gòu)光感測因為涉及到的演算法比較復(fù)雜，只有蘋果這種具備軟硬體同步開發(fā)能力的業(yè)者能駕馭，因此現(xiàn)階段大多數(shù)元件供應(yīng)商，只提供支援ToF的解決方案。

但即便ToF搭配使用的演算法相對簡單，要實作ToF 3D感測，還是有許多挑戰(zhàn)存在，例如光源的不相干性要高，空間功率的分布要均勻。若無法做到這兩點，則感測的精準度會受到不良影響。此外，如果感測的速度要快，則VCSEL陣列的顆數(shù)要少，但減少陣列顆數(shù)也會影響精準度。目前市場對VCSEL陣列的上升跟下降時間要求，已經(jīng)低于1奈秒，500皮秒以下是比較理想的規(guī)格。要做到這點，技術(shù)上還是相當有挑戰(zhàn)性。

不過，林恭如認為，***廠商在VCSEL感測方面的技術(shù)，都已經(jīng)有一定程度的累積，解決方案的成熟度也不錯。臺大光電所雖然是以光通訊作為主要研究方向，但VCSEL實驗室仍具備完善的VCSEL感測器量測、分析能量，***大多數(shù)投入VCSEL 3D感測器研發(fā)的廠商，都跟該所的實驗室有合作關(guān)系，只是因為臺大跟廠商簽有保密協(xié)定，因此不方便透露個別廠商的狀況。

***投入化合物半導(dǎo)體的時間比較早，磊晶技術(shù)的掌握度高，是臺廠能夠快速切入VCSEL感測器市場的重要原因。其實，LED也分成邊射型跟面射型兩種，面射型LED的結(jié)構(gòu)已經(jīng)相當接近VCSEL，差別在于面射型LED沒有反射層構(gòu)成的諧振腔，也沒有用氧化層制程來縮小諧振腔體積跟發(fā)光面積。

所以，對于熟悉面射型LED的業(yè)者來說，要克服的關(guān)卡主要在反射層的磊晶、摻雜以及氧化層的控制。其中，氧化層是LED完全沒有的制程步驟，在這方面會比較有挑戰(zhàn)，至于磊晶跟摻雜，對***的LED乃至化合物半導(dǎo)體廠來說，問題應(yīng)該不大。

也因為***廠商已經(jīng)掌握大多數(shù)關(guān)鍵技術(shù)，因此在VCSEL感測應(yīng)用竄起的同時，***許多專業(yè)化合物半導(dǎo)體代工廠就已經(jīng)拿到訂單，LED廠商轉(zhuǎn)進VCSEL的動作也十分迅速而積極。另一方面，跟臺系化合物半導(dǎo)體代工廠有長期配合的封裝廠，也跟著在第一時間拿到不少訂單。

在智能手機之后，VCSEL感測器產(chǎn)業(yè)的下一個兵家必爭之地，將是光達由機械式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為全固態(tài)結(jié)構(gòu)所帶來的龐大商機。為了取得完整的周遭環(huán)境資訊，讓自動駕駛系統(tǒng)得以判斷其所處的狀況，光達將是自駕車必備的感測系統(tǒng)，但過去的車載光達采用機械式設(shè)計，導(dǎo)致其成本偏高，使汽車制造商根本無法在量產(chǎn)車款上搭載光達。

據(jù)了解，一臺機械式光達的報價，最少也在新臺幣40萬~50萬元之間，占了一輛入門款新車售價的7~8成。直到2018年開始，陸續(xù)有光達廠商推出基于半導(dǎo)體技術(shù)的新一代固態(tài)光達，才開始有報價在數(shù)千美元的光達設(shè)備在市場上出現(xiàn)。但這個價格還是偏高，業(yè)界認為，光達的價格必須要壓低到數(shù)百美元，才有可能在汽車市場上大量普及，而促使價格下降的關(guān)鍵，就在VCSEL。也因為如此，部分***化合物半導(dǎo)體廠為了搶食車載光達的市場大餅，已經(jīng)展開布局動作。除了推出車規(guī)等級的制程服務(wù)外，部分生產(chǎn)線也已經(jīng)通過車規(guī)驗證，準備迎接即將到來的訂單。