3D感測和測距的VCSEL已成為激光產(chǎn)值成長的重要因素

***光電協(xié)進會（PIDA）日前發(fā)布最新的報告指出，201 7年全球激光產(chǎn)值主要來自于如光纖激光、光達激光測距及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，2017年整并情況明顯放緩。

2017年激光應(yīng)用產(chǎn)業(yè)可說是豐收的一年，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超過26％，其中用于材料加工的光纖激光營收達34％。

然而2017年呈現(xiàn)的異?，F(xiàn)象，可預(yù)期2018年材料加工營收將恢復(fù)到較溫和的成長，因某些材料加工激光系統(tǒng)的資本設(shè)備支出會降溫，預(yù)估2018年全球激光產(chǎn)值達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說而已，已逐漸具體化的落實，如美國集成光子制造創(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，物聯(lián)網(wǎng)將對該市場產(chǎn)生很大的影響。此外工業(yè)4.0不斷發(fā)酵2017 年德國Trumpf在美國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)，德國機床制造商協(xié)會（VDW）也推出針對網(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可歸功于消費設(shè)備和制造設(shè)備的需求，如制造iPhone手機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)的許多智慧手機皆具備3D感測和測距的VCSEL，這已經(jīng)成為激光產(chǎn)值成長的重要因素，將是蘋果、三星等智慧型手機制造商建構(gòu)3D成像系統(tǒng)的重要元件，而VCSEL同時應(yīng)用在數(shù)據(jù)通信、電腦滑鼠和汽車光達上，因此2017年被譽為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越普遍，從日常生活的通訊、代步的汽車、居家生活、醫(yī)療保健、停車場等無處不在。隨著物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0、人工智慧、自動汽車駕駛、虛擬實境/擴增實境等議題興起，激光技術(shù)更是不可或缺的一環(huán)，不論是產(chǎn)品制造過程中或是終端產(chǎn)品的使用上，激光技術(shù)已無所不在，營收獲利可望再創(chuàng)新高。

快速理解3D傳感的關(guān)鍵技術(shù)：VCSEL

因為蘋果（Apple），許多的老技術(shù)開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，由于蘋果iPhone X的臉部辨識應(yīng)用，讓這項過去多使用在通訊領(lǐng)域的高階技術(shù)有了新的市場，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，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)站說明，對此技術(shù)做一次重點的回顧，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，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)光器由多個主動層組成，厚度為奈米等級。

在這些層中，電子載體被轉(zhuǎn)換成光，在主動層之上和之下，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)體鏡額外為主動層提供電觸點（2）和（3）；主動區(qū)的尺寸由靠近主動層的氧化層（6）的寬度來定義。

此半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)和垂直光束允許在一個生成步驟中產(chǎn)生功能完整的激光光，在這個外延生成過程之后，標準的半導(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可以單獨通電連接（靠著個別接觸，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，透過厚導(dǎo)體層（5）將電流提供給各個激光器，以向陣列提供低電阻電端子。

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

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)提供可擴展（scalable）的系統(tǒng)功率，因此高功率VCSEL系統(tǒng)對許多應(yīng)用來說就是一個極有吸引力的解決方案。