瑞識(shí)科技發(fā)布行業(yè)領(lǐng)先3D dToF VCSEL，光功率提升3倍

3月18日晚，蘋(píng)果官網(wǎng)iPad Pro悄然上新。和前代相比，本次發(fā)布的iPad Pro的最大亮點(diǎn)是這代產(chǎn)品的攝像頭模塊配置了直接飛行時(shí)間(dToF)模組，即蘋(píng)果所稱(chēng)的激光雷達(dá)掃描儀(LiDAR)。通過(guò)dToF傳感器實(shí)現(xiàn)的激光雷達(dá)應(yīng)用，不僅意味著蘋(píng)果“All in AR”戰(zhàn)略的加速落地，未來(lái)還勢(shì)必帶動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)、游戲、智能感知等眾多相關(guān)行業(yè)快速跟進(jìn)，促使3D傳感迎來(lái)新的爆發(fā)期。

圖1：蘋(píng)果官網(wǎng)iPad Pro的dToF激光雷達(dá)介紹

實(shí)際上，其它手機(jī)廠商如華為、三星等，在今年剛發(fā)布的幾款產(chǎn)品里，也都在攝像頭上搭載了間接飛行時(shí)間(iToF)技術(shù)，而蘋(píng)果本次新品則是對(duì)前者的升級(jí)和顛覆，采用了dToF測(cè)量方法，通過(guò)垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)光源發(fā)射高能量激光脈沖，利用單光子雪崩二極管(SPAD)傳感器對(duì)光子飛行時(shí)間進(jìn)行直接測(cè)量，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成光子飛行距離。相比于iToF，dToF主要通過(guò)像素的脈沖輸出直接進(jìn)行簡(jiǎn)單的模數(shù)轉(zhuǎn)換就可以得到反射回傳感器的光子時(shí)間和數(shù)量，減少了功耗和運(yùn)算量;并且通過(guò)調(diào)整脈沖頻率和能量，可以達(dá)到比iToF更遠(yuǎn)的測(cè)量范圍。

dToF的工作距離與VCSEL光源的功率直接相關(guān)。要想實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離工作，就需要提高發(fā)射端VCSEL光源的功率，或者將脈沖周期縮短到納秒級(jí)別，以提升脈沖瞬時(shí)功率。蘋(píng)果dToF所采用的新一代VCSEL，正是在極短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生了數(shù)倍于普通VCSEL的高強(qiáng)度的紅外脈沖激光，從而實(shí)現(xiàn)了5m工作范圍內(nèi)的高精度3D深度感知，同時(shí)由于其兼具較高的光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)和小尺寸設(shè)計(jì)，更利于消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品的嵌入集成。

據(jù)了解，dToF用VCSEL芯片光功率的提高，并非簡(jiǎn)單的增大電流電壓，或者采用單純的多顆芯片級(jí)聯(lián)累加的方法，而是需要集成半導(dǎo)體材料學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)等諸多技術(shù)要素，對(duì)芯片半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)進(jìn)行顛覆性設(shè)計(jì)，技術(shù)門(mén)檻極高。目前國(guó)際和國(guó)內(nèi)VCSEL企業(yè)對(duì)新一代VCSEL技術(shù)尚屬空白，多處于初期研究階段。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，幾乎與蘋(píng)果發(fā)布iPad Pro新品時(shí)期同步，瑞識(shí)科技的新一代dToF VCSEL光源產(chǎn)品日前也已重磅亮相。瑞識(shí)科技通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體芯片結(jié)構(gòu)進(jìn)行顛覆性的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，在不增加芯片面積的情況下，將VCSEL光功率相比iToF VCSEL芯片提高了3倍 (圖2)，PCE達(dá)到了58%，提升了近10%。可以說(shuō)，瑞識(shí)科技本次的產(chǎn)品，專(zhuān)為dToF應(yīng)用所需的中遠(yuǎn)程高分辨率3D傳感而開(kāi)發(fā)，從景深到AR，實(shí)現(xiàn)了最前端ToF的應(yīng)用集成。

圖2：瑞識(shí)科技單孔dToF和iToF VCSEL在相同測(cè)試條件下(室溫CW驅(qū)動(dòng))的光功率(左)和光電轉(zhuǎn)換效率PCE(右)對(duì)比。

瑞識(shí)科技此次發(fā)布的新一代VCSEL光源產(chǎn)品，除了圖2中對(duì)比的dToF單孔VCSEL芯片產(chǎn)品，還包括了高功率陣列式VCSEL芯片產(chǎn)品，在微小芯片面積上(1平方毫米左右)即可實(shí)現(xiàn)高功率。在占空比為1%、周期350us的脈沖驅(qū)動(dòng)條件下，其光功率比相同驅(qū)動(dòng)條件下的iToF陣列VCSEL芯片功率提升了近3倍，只需要4A的電流即可達(dá)到瞬時(shí)10W的光功率(圖3)。同時(shí)，PCE達(dá)到54%，領(lǐng)先于目前最頂級(jí)iToF VCSEL光電轉(zhuǎn)換效率不到50%的行業(yè)現(xiàn)狀。另外，瑞識(shí)科技透露，在更短(1ns)的脈沖驅(qū)動(dòng)下，新的dToF VCSEL可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)100W的峰值功率。

圖3：瑞識(shí)科技dToF陣列VCSEL芯片產(chǎn)品SEM實(shí)拍(左);dToF與iToF陣列VCSEL光功率比較(右)。

在量產(chǎn)方面，瑞識(shí)科技透露，得益于團(tuán)隊(duì)以往的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗(yàn)，新一代dToF VCSEL產(chǎn)品的良率和可靠性管控均已達(dá)到量產(chǎn)水平，目前已實(shí)現(xiàn)在6寸GaAs晶圓上規(guī)?；慨a(chǎn)。

圖4：瑞識(shí)科技dToF陣列VCSEL芯片產(chǎn)品6寸晶圓光電轉(zhuǎn)換效率分布(左)與波長(zhǎng)分布(右)。

由于具有不易受干擾、體積小、響應(yīng)快、精度高以及在中遠(yuǎn)距離識(shí)別等多個(gè)性能優(yōu)勢(shì)，ToF技術(shù)正成為了消費(fèi)、車(chē)載等應(yīng)用領(lǐng)域3D傳感的方案首選，其應(yīng)用必定不止于景深。正如蘋(píng)果在新品發(fā)布中提到的：更精準(zhǔn)的dToF測(cè)距應(yīng)用和更高分辨率的成像，讓iPad上的 AR 體驗(yàn)邁向全新的等級(jí)。

除了蘋(píng)果之外，很多行業(yè)巨頭也都在布局ToF技術(shù)在AR生態(tài)中的應(yīng)用。根據(jù)Digi-Capital報(bào)告顯示，預(yù)計(jì)到2023年，AR安裝基數(shù)將達(dá)到25億，AR行業(yè)營(yíng)收將達(dá)到700億至750億美元。

在AR產(chǎn)業(yè)即將爆發(fā)的趨勢(shì)下，瑞識(shí)科技透露，下一步將重點(diǎn)關(guān)注支持3D dToF VCSEL芯片產(chǎn)品，積極與行業(yè)頭部客戶開(kāi)展廣泛合作，以客戶3D視覺(jué)應(yīng)用需求為出發(fā)點(diǎn)，從底層幫助客戶實(shí)現(xiàn)硬件性能提升和成本控制，支撐實(shí)現(xiàn)更多輕量級(jí)的3D傳感消費(fèi)產(chǎn)品應(yīng)用創(chuàng)新，助力3D傳感產(chǎn)業(yè)生態(tài)完善發(fā)展。