苹果将3D人脸感测带进手机应用,促使VCSEL技术获得各方瞩目

垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)技术在苹果iPhone开始采用3D人脸辨识后，突然获得各界瞩目，但这种化合物半导体雷射其实由来已久，在iPhone导入引发产业关注之前，主要是应用在短距离光通讯领域，例如资料中心机架间的高速互联。而随着相关技术不断发展，目前VCSEL的讯号传输距离、频宽都在不断提升，未来势必会对传统边射型雷射二极体带来一定的竞争压力。

而在感测应用方面，VCSEL最大的优势在于能实现小巧、低成本的感测阵列，可取得物件的3D轮廓，这项特性能和现有以边射型雷射为主的测距技术产生明显的市场区隔，并打开更广泛的应用市场。除了从人脸辨识衍生出的各种安防应用外，VCSEL也是车用光达从机械式走向全固态，进而让自驾车更进一步普及所不可或缺的关键技术。

在感测应用出现之前，VCSEL最重要的应用在光通讯市场，特别是资料中心内部，机架对机架(Rack to Rack)之间的高速互联。但随着相关技术不断突破，加上光纤业者努力投资相关配套，VCSEL进军FTTx市场，目前看来只是时间问题。

台大光电研究所所长林恭如(图1)表示，对光通讯应用而言，光源元件最重要的性能指标有二，一是频宽，二则是传输距离。传输距离与光的波长有关，波长850纳米的光源，传输距离通常低于500公尺，因此只适用于资料中心内部机架对机架的互联应用。如果把波长拉高到1,310纳米，则传输距离便可提升为1~10公里；若能进一步把波长拉高到1,550纳米，则有机会实现20~25公里等级的传输。

目前已经商品化的VCSEL，光波长大多是850纳米，主攻的是资料中心内的互联需求，但学术界一直在研究，如何将VCSEL的波长拉长，以便实现更远的传输距离。目前在VCSEL领域，最新的研究成果已经可实现10公里讯号传输，这对于VCSEL走出资料中心应用，是很重要的发展里程碑。

要改变光波的波长，必须仰赖材料上的突破，如新的掺杂比率、使用新的掺杂材料等。因此，虽然学术界跟业界投入长波VCSEL的研发已经有很长的一段时间，但从实验室到生产线，还是有不低的门槛需要跨越。

而在频宽方面，目前台大光电所开发出来的850纳米VCSEL，已经可以满足25G Baud传输速率，并可支援PAM4调变。就规格来看，目前台大光电所研究出的VCSEL已经可以满足市场的主流需求，但研究团队认为，还有很多细节可以进一步改善，例如制程技术上的精进、氧化层厚度的控制。这些细节上的改善，都可以进一步提升VCSEL的讯号/杂讯比(SNR)跟输出功率。

该所的吴兆欣教授，目前就致力于VCSEL在高温环境下进行高速操作的研究，希望让VCSEL光源有更稳定的表现。相关研究课题涉及反射层的掺杂、氧化层的薄化，都有一定的挑战性跟困难度，但也因为吴教授跟全体同仁在相关领域的投入，使得台大光电所得以名列全球前四大VCSEL研究基地之一。

至于目前最火红的感测应用，基本上是利用VCSEL阵列来实现。不管是使用飞行时间测距(ToF)原理或是结构光(SL)感测原理，可以进行3D辨识的感测器都是由光源、光学组件跟光感测器三个部分所组成，其中最重要的就是光源。早期的3D感测是以红外线LED作为光源，但LED不具备谐振腔结构，因此打出来的光束太过发散，耦合性不佳，难以取得精准的感测结果。

VCSEL则解决了这光束过于发散的问题，加上VCSEL技术具有小型化，容易实现阵列设计、低功耗、可靠度高等优势，因而能全面取代红外线LED。不过，有业界人士指出，结构光感测因为涉及到的演算法比较复杂，只有苹果这种具备软硬体同步开发能力的业者能驾驭，因此现阶段大多数元件供应商，只提供支援ToF的解决方案。

但即便ToF搭配使用的演算法相对简单，要实作ToF 3D感测，还是有许多挑战存在，例如光源的不相干性要高，空间功率的分布要均匀。若无法做到这两点，则感测的精准度会受到不良影响。此外，如果感测的速度要快，则VCSEL阵列的颗数要少，但减少阵列颗数也会影响精准度。目前市场对VCSEL阵列的上升跟下降时间要求，已经低于1奈秒，500皮秒以下是比较理想的规格。要做到这点，技术上还是相当有挑战性。

不过，林恭如认为，***厂商在VCSEL感测方面的技术，都已经有一定程度的累积，解决方案的成熟度也不错。台大光电所虽然是以光通讯作为主要研究方向，但VCSEL实验室仍具备完善的VCSEL感测器量测、分析能量，***大多数投入VCSEL 3D感测器研发的厂商，都跟该所的实验室有合作关系，只是因为台大跟厂商签有保密协定，因此不方便透露个别厂商的状况。

***投入化合物半导体的时间比较早，磊晶技术的掌握度高，是台厂能够快速切入VCSEL感测器市场的重要原因。其实，LED也分成边射型跟面射型两种，面射型LED的结构已经相当接近VCSEL，差别在于面射型LED没有反射层构成的谐振腔，也没有用氧化层制程来缩小谐振腔体积跟发光面积。

所以，对于熟悉面射型LED的业者来说，要克服的关卡主要在反射层的磊晶、掺杂以及氧化层的控制。其中，氧化层是LED完全没有的制程步骤，在这方面会比较有挑战，至于磊晶跟掺杂，对***的LED乃至化合物半导体厂来说，问题应该不大。

也因为***厂商已经掌握大多数关键技术，因此在VCSEL感测应用窜起的同时，***许多专业化合物半导体代工厂就已经拿到订单，LED厂商转进VCSEL的动作也十分迅速而积极。另一方面，跟台系化合物半导体代工厂有长期配合的封装厂，也跟着在第一时间拿到不少订单。

在智能手机之后，VCSEL感测器产业的下一个兵家必争之地，将是光达由机械式结构转为全固态结构所带来的庞大商机。为了取得完整的周遭环境资讯，让自动驾驶系统得以判断其所处的状况，光达将是自驾车必备的感测系统，但过去的车载光达采用机械式设计，导致其成本偏高，使汽车制造商根本无法在量产车款上搭载光达。

据了解，一台机械式光达的报价，最少也在新台币40万~50万元之间，占了一辆入门款新车售价的7~8成。直到2018年开始，陆续有光达厂商推出基于半导体技术的新一代固态光达，才开始有报价在数千美元的光达设备在市场上出现。但这个价格还是偏高，业界认为，光达的价格必须要压低到数百美元，才有可能在汽车市场上大量普及，而促使价格下降的关键，就在VCSEL。也因为如此，部分***化合物半导体厂为了抢食车载光达的市场大饼，已经展开布局动作。除了推出车规等级的制程服务外，部分生产线也已经通过车规验证，准备迎接即将到来的订单。