蘋果將3D人臉感測(cè)帶進(jìn)手機(jī)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(shí)后，突然獲得各界矚目，但這種化合物半導(dǎo)體雷射其實(shí)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(jī)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(hào)傳輸距離、頻寬都在不斷提升，未來勢(shì)必會(huì)對(duì)傳統(tǒng)邊射型雷射二極體帶來一定的競(jìng)爭(zhēng)壓力。

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

在感測(cè)應(yīng)用出現(xiàn)之前，VCSEL最重要的應(yīng)用在光通訊市場(chǎng)，特別是資料中心內(nèi)部，機(jī)架對(duì)機(jī)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(jìn)軍FTTx市場(chǎng)，目前看來只是時(shí)間問題。

臺(tái)大光電研究所所長(zhǎng)林恭如(圖1)表示，對(duì)光通訊應(yīng)用而言，光源元件最重要的性能指標(biāo)有二，一是頻寬，二則是傳輸距離。傳輸距離與光的波長(zhǎng)有關(guān)，波長(zhǎng)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(jī)架對(duì)機(jī)架的互聯(lián)應(yīng)用。如果把波長(zhǎng)拉高到1,310納米，則傳輸距離便可提升為1~10公里；若能進(jìn)一步把波長(zhǎng)拉高到1,550納米，則有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)20~25公里等級(jí)的傳輸。

目前已經(jīng)商品化的VCSEL，光波長(zhǎng)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(zhǎng)拉長(zhǎng)，以便實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的傳輸距離。目前在VCSEL領(lǐng)域，最新的研究成果已經(jīng)可實(shí)現(xiàn)10公里訊號(hào)傳輸，這對(duì)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(zhǎng)，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(zhǎng)波VCSEL的研發(fā)已經(jīng)有很長(zhǎng)的一段時(shí)間，但從實(shí)驗(yàn)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(tái)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(tái)大光電所研究出的VCSEL已經(jīng)可以滿足市場(chǎng)的主流需求，但研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，還有很多細(xì)節(jié)可以進(jìn)一步改善，例如制程技術(shù)上的精進(jìn)、氧化層厚度的控制。這些細(xì)節(jié)上的改善，都可以進(jìn)一步提升VCSEL的訊號(hào)/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(jìn)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?yàn)閰墙淌诟w同仁在相關(guān)領(lǐng)域的投入，使得臺(tái)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(cè)應(yīng)用，基本上是利用VCSEL陣列來實(shí)現(xiàn)。不管是使用飛行時(shí)間測(cè)距(ToF)原理或是結(jié)構(gòu)光(SL)感測(cè)原理，可以進(jìn)行3D辨識(shí)的感測(cè)器都是由光源、光學(xué)組件跟光感測(cè)器三個(gè)部分所組成，其中最重要的就是光源。早期的3D感測(cè)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(zhǔn)的感測(cè)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(shí)現(xiàn)陣列設(shè)計(jì)、低功耗、可靠度高等優(yōu)勢(shì)，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(cè)因?yàn)樯婕暗降难?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/2562/" target="_blank">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(duì)簡(jiǎn)單，要實(shí)作ToF 3D感測(cè)，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(diǎn)，則感測(cè)的精準(zhǔn)度會(huì)受到不良影響。此外，如果感測(cè)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(huì)影響精準(zhǔn)度。目前市場(chǎng)對(duì)VCSEL陣列的上升跟下降時(shí)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(diǎn)，技術(shù)上還是相當(dāng)有挑戰(zhàn)性。

不過，林恭如認(rèn)為，***廠商在VCSEL感測(cè)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(cuò)。臺(tái)大光電所雖然是以光通訊作為主要研究方向，但VCSEL實(shí)驗(yàn)室仍具備完善的VCSEL感測(cè)器量測(cè)、分析能量，***大多數(shù)投入VCSEL 3D感測(cè)器研發(fā)的廠商，都跟該所的實(shí)驗(yàn)室有合作關(guān)系，只是因?yàn)榕_(tái)大跟廠商簽有保密協(xié)定，因此不方便透露個(gè)別廠商的狀況。

***投入化合物半導(dǎo)體的時(shí)間比較早，磊晶技術(shù)的掌握度高，是臺(tái)廠能夠快速切入VCSEL感測(cè)器市場(chǎng)的重要原因。其實(shí)，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(dāng)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(duì)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(huì)比較有挑戰(zhàn)，至于磊晶跟摻雜，對(duì)***的LED乃至化合物半導(dǎo)體廠來說，問題應(yīng)該不大。

也因?yàn)?**廠商已經(jīng)掌握大多數(shù)關(guān)鍵技術(shù)，因此在VCSEL感測(cè)應(yīng)用竄起的同時(shí)，***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(jìn)VCSEL的動(dòng)作也十分迅速而積極。另一方面，跟臺(tái)系化合物半導(dǎo)體代工廠有長(zhǎng)期配合的封裝廠，也跟著在第一時(shí)間拿到不少訂單。

在智能手機(jī)之后，VCSEL感測(cè)器產(chǎn)業(yè)的下一個(gè)兵家必爭(zhēng)之地，將是光達(dá)由機(jī)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(jī)。為了取得完整的周遭環(huán)境資訊，讓自動(dòng)駕駛系統(tǒng)得以判斷其所處的狀況，光達(dá)將是自駕車必備的感測(cè)系統(tǒng)，但過去的車載光達(dá)采用機(jī)械式設(shè)計(jì)，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(dá)。

據(jù)了解，一臺(tái)機(jī)械式光達(dá)的報(bào)價(jià)，最少也在新臺(tái)幣40萬~50萬元之間，占了一輛入門款新車售價(jià)的7~8成。直到2018年開始，陸續(xù)有光達(dá)廠商推出基于半導(dǎo)體技術(shù)的新一代固態(tài)光達(dá)，才開始有報(bào)價(jià)在數(shù)千美元的光達(dá)設(shè)備在市場(chǎng)上出現(xiàn)。但這個(gè)價(jià)格還是偏高，業(yè)界認(rèn)為，光達(dá)的價(jià)格必須要壓低到數(shù)百美元，才有可能在汽車市場(chǎng)上大量普及，而促使價(jià)格下降的關(guān)鍵，就在VCSEL。也因?yàn)槿绱?，部?**化合物半導(dǎo)體廠為了搶食車載光達(dá)的市場(chǎng)大餅，已經(jīng)展開布局動(dòng)作。除了推出車規(guī)等級(jí)的制程服務(wù)外，部分生產(chǎn)線也已經(jīng)通過車規(guī)驗(yàn)證，準(zhǔn)備迎接即將到來的訂單。