VCSEL為何突然火了？什么是VCSEL？

　　垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)是一項(xiàng)久經(jīng)驗(yàn)證但直到最近才被挖掘的利基技術(shù)，由于智能手機(jī)及其它移動(dòng)設(shè)備中引入的3D人臉識(shí)別應(yīng)用，而突然變得非常熱門。

　　VCSEL之前主要作為一種低成本運(yùn)動(dòng)跟蹤和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓庠醇夹g(shù)用于計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)、激光打印機(jī)和光纖通信。但是，隨著蘋果公司(Apple)決定在其旗艦手機(jī)iPhone X中使用VCSEL進(jìn)行3D人臉識(shí)別，使VCSEL技術(shù)有了新的發(fā)展方向。蘋果的這一技術(shù)抉擇，以及緊隨其后的智能手機(jī)和消費(fèi)電子產(chǎn)品制造商的大量涌入，使整個(gè)VCSEL市場(chǎng)新的制造、測(cè)試和驗(yàn)證規(guī)模不斷擴(kuò)大。

　　“對(duì)于VCSEL市場(chǎng)，很多年來(lái)一直不溫不火，”Veeco首席技術(shù)官Ajit Paranjpe說(shuō)，“但是隨著新應(yīng)用的興起，VCSEL技術(shù)得到了顯著重視和改善。我們終于克服了學(xué)習(xí)曲線，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)制造，當(dāng)我們進(jìn)入第二個(gè)大規(guī)模應(yīng)用——采用VCSEL陣列的激光雷達(dá)(LiDAR)時(shí)，這將是自動(dòng)駕駛所必需的關(guān)鍵技術(shù)。此外，VCSEL已經(jīng)在服務(wù)器集群中用于機(jī)架到機(jī)架的通信。在板對(duì)板通信(例如光學(xué)背板)應(yīng)用之后，理想的是芯片到芯片的通信，最終將采用全光互連。真正的問(wèn)題是我們什么時(shí)候需要它。”

　　VCSEL只是少數(shù)幾種硅光子方案中的一類，開始吸引了市場(chǎng)的極大關(guān)注。整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)都在努力將這些技術(shù)中的一種或多種引入主流，尤其是在通過(guò)引線傳輸電子的先進(jìn)節(jié)點(diǎn)變得愈發(fā)困難的情況下。

　　“在智能手機(jī)中有多個(gè)隱藏和非隱藏的攝像頭，”Synopsys光子解決方案研發(fā)總監(jiān)Twan Korthorst說(shuō)，“這些攝像頭可以識(shí)別用戶是否正在看手機(jī)并進(jìn)行光學(xué)測(cè)量，這正是VCSEL的用武之地。這些模塊中有探測(cè)器、光源和圖像傳感器，VCSEL是其中的一個(gè)小型分立元件?！?/p>

　　什么是VCSEL?

　　客觀來(lái)說(shuō)，VCSEL只是可以用于這些設(shè)備的基于芯片的眾多光源之一。VCSEL如此吸引人的原因是其激光垂直于器件發(fā)射，這有很多好處，包括從大規(guī)模生產(chǎn)制造到測(cè)試等方面。

　　“VCSEL可以使用晶圓探針和晶圓級(jí)測(cè)試，”Paranjpe說(shuō)，“而對(duì)于邊發(fā)射激光器(EEL)，必須對(duì)晶圓進(jìn)行切割，然后構(gòu)建器件的其余部分并對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，這會(huì)使測(cè)試變得更加困難。”

　　不過(guò)，這并未減緩對(duì)VCSEL其它方面的研究，其中大部分研究集中于不同材料的堆疊，以及將部分或全部材料整合到一個(gè)封裝中。什么被放入封裝，或留在封裝外，仍在不斷研究中。

　　“目前大型代工廠正在開展一些有趣的工作，以打造連接不同芯片的光子元件，”西門子(Siemens)旗下子公司Mentor的Calibre DRC應(yīng)用營(yíng)銷總監(jiān)John Ferguson說(shuō)，“主要問(wèn)題是光波導(dǎo)必須有一定的尺寸，大約幾個(gè)微米，必須留有一定的空間，這占用了不少空間。光子學(xué)不會(huì)從更先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)中受益，實(shí)際上到目前為止，65 nm是最先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)?！?/p>

　　VCSEL的下一輪機(jī)遇是具有更高功率要求的LiDAR等汽車應(yīng)用。這類應(yīng)用需要使用更大的VCSEL陣列。

　　“這將需要采購(gòu)更多的金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)系統(tǒng)，以保證制造產(chǎn)能加速跟上LiDAR系統(tǒng)的需求，”Veeco產(chǎn)品營(yíng)銷總監(jiān)Mark McKee說(shuō)，“現(xiàn)在的問(wèn)題是如何實(shí)現(xiàn)最高的性能和最高的產(chǎn)率以滿足市場(chǎng)需求。這需要基于業(yè)界領(lǐng)先的MOCVD技術(shù)。關(guān)鍵要求是晶圓表面金屬-有機(jī)物和氫化物的均勻性和層流，均勻、可控的溫度，以及各層之間清晰的界面。為了實(shí)現(xiàn)最高的產(chǎn)率，制造平臺(tái)需要維護(hù)周期之間更長(zhǎng)的可生產(chǎn)時(shí)間，預(yù)防性維護(hù)后的快速恢復(fù)，以及更快的外延生長(zhǎng)速率?！?/p>

　　典型VCSEL剖面圖

　　VCSEL采用頻率為幾十個(gè)千兆赫茲的激光脈沖進(jìn)行測(cè)距和飛行時(shí)間計(jì)算，通過(guò)每幀圖像之間的變化來(lái)識(shí)別運(yùn)動(dòng)。美國(guó)國(guó)家儀器公司(National Instruments)首席營(yíng)銷經(jīng)理David Hall指出，目前還不清楚這種方案是否可以用于改進(jìn)LiDAR使用更長(zhǎng)波長(zhǎng)激光和連續(xù)掃描的趨勢(shì)。

　　Hall說(shuō)：“3D人臉識(shí)別系統(tǒng)和LiDAR系統(tǒng)之間的要求似乎沒(méi)有太多重疊，3D人臉識(shí)別系統(tǒng)足夠經(jīng)濟(jì)，可以集成到智能手機(jī)中;而LiDAR系統(tǒng)應(yīng)該需要比VCSEL能夠達(dá)到的更遠(yuǎn)距離的連續(xù)掃描。這兩種系統(tǒng)是否可以從彼此的方案中受益，還有待觀察?！?/p>

　　LiDAR是有前景的潛力市場(chǎng)，但汽車內(nèi)部的3D運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和3D人臉識(shí)別等短期機(jī)遇更具吸引力。蘋果公司VCSEL芯片供應(yīng)商菲尼薩(Finisar)新市場(chǎng)副總裁Craig Thompson表示，“利用該技術(shù)可以識(shí)別駕駛員是否在打瞌睡，或使乘客可以用手勢(shì)控制信息娛樂(lè)系統(tǒng)或其它系統(tǒng)。”

　　2004年，F(xiàn)inisar收購(gòu)了“霍尼韋爾(Honeywell)首次將VCSEL商業(yè)化的業(yè)務(wù)部”，并將市場(chǎng)從計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)和PC外圍設(shè)備擴(kuò)展到數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，此后一直致力于開發(fā)用于運(yùn)營(yíng)商級(jí)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的光纖-銅纜接口的VCSEL。

　　但并非所有人都贊同在LiDAR中采用當(dāng)前形式的VCSEL。

　　“VCSEL激光往往接近可見(jiàn)光波段，因此，可能會(huì)在提高功率時(shí)具有一定的危險(xiǎn)性，”Cadence杰出工程師Gilles Lamant說(shuō)，“LiDAR需要非常高的功率，來(lái)獲得所需要的各種探測(cè)范圍，這可能會(huì)對(duì)人眼造成風(fēng)險(xiǎn)。盡管接近可見(jiàn)光波段，但它們的低功率應(yīng)用是安全的，這就是為什么我們可以將它們用于3D人臉識(shí)別，以及相機(jī)測(cè)距等應(yīng)用?！?/p>