VCSEL為何突然火了？什么是VCSEL？

　　垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)是一項久經驗證但直到最近才被挖掘的利基技術，由于智能手機及其它移動設備中引入的3D人臉識別應用，而突然變得非常熱門。

　　VCSEL之前主要作為一種低成本運動跟蹤和數(shù)據傳輸?shù)墓庠醇夹g用于計算機鼠標、激光打印機和光纖通信。但是，隨著蘋果公司(Apple)決定在其旗艦手機iPhone X中使用VCSEL進行3D人臉識別，使VCSEL技術有了新的發(fā)展方向。蘋果的這一技術抉擇，以及緊隨其后的智能手機和消費電子產品制造商的大量涌入，使整個VCSEL市場新的制造、測試和驗證規(guī)模不斷擴大。

　　“對于VCSEL市場，很多年來一直不溫不火，”Veeco首席技術官Ajit Paranjpe說，“但是隨著新應用的興起，VCSEL技術得到了顯著重視和改善。我們終于克服了學習曲線，實現(xiàn)大規(guī)模生產制造，當我們進入第二個大規(guī)模應用——采用VCSEL陣列的激光雷達(LiDAR)時，這將是自動駕駛所必需的關鍵技術。此外，VCSEL已經在服務器集群中用于機架到機架的通信。在板對板通信(例如光學背板)應用之后，理想的是芯片到芯片的通信，最終將采用全光互連。真正的問題是我們什么時候需要它。”

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

　　“在智能手機中有多個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，“這些攝像頭可以識別用戶是否正在看手機并進行光學測量，這正是VCSEL的用武之地。這些模塊中有探測器、光源和圖像傳感器，VCSEL是其中的一個小型分立元件。”

　　什么是VCSEL?

　　客觀來說，VCSEL只是可以用于這些設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)模生產制造到測試等方面。

　　“VCSEL可以使用晶圓探針和晶圓級測試，”Paranjpe說，“而對于邊發(fā)射激光器(EEL)，必須對晶圓進行切割，然后構建器件的其余部分并對其進行測試，這會使測試變得更加困難。”

　　不過，這并未減緩對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應用營銷總監(jiān)John Ferguson說，“主要問題是光波導必須有一定的尺寸，大約幾個微米，必須留有一定的空間，這占用了不少空間。光子學不會從更先進的節(jié)點中受益，實際上到目前為止，65 nm是最先進的工藝節(jié)點?！?/p>

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

　　“這將需要采購更多的金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)系統(tǒng)，以保證制造產能加速跟上LiDAR系統(tǒng)的需求，”Veeco產品營銷總監(jiān)Mark McKee說，“現(xiàn)在的問題是如何實現(xiàn)最高的性能和最高的產率以滿足市場需求。這需要基于業(yè)界領先的MOCVD技術。關鍵要求是晶圓表面金屬-有機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。為了實現(xiàn)最高的產率，制造平臺需要維護周期之間更長的可生產時間，預防性維護后的快速恢復，以及更快的外延生長速率。”

　　典型VCSEL剖面圖

　　VCSEL采用頻率為幾十個千兆赫茲的激光脈沖進行測距和飛行時間計算，通過每幀圖像之間的變化來識別運動。美國國家儀器公司(National Instruments)首席營銷經理David Hall指出，目前還不清楚這種方案是否可以用于改進LiDAR使用更長波長激光和連續(xù)掃描的趨勢。

　　Hall說：“3D人臉識別系統(tǒng)和LiDAR系統(tǒng)之間的要求似乎沒有太多重疊，3D人臉識別系統(tǒng)足夠經濟，可以集成到智能手機中;而LiDAR系統(tǒng)應該需要比VCSEL能夠達到的更遠距離的連續(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。”

　　LiDAR是有前景的潛力市場，但汽車內部的3D運動檢測和3D人臉識別等短期機遇更具吸引力。蘋果公司VCSEL芯片供應商菲尼薩(Finisar)新市場副總裁Craig Thompson表示，“利用該技術可以識別駕駛員是否在打瞌睡，或使乘客可以用手勢控制信息娛樂系統(tǒng)或其它系統(tǒng)?！?/p>

　　2004年，F(xiàn)inisar收購了“霍尼韋爾(Honeywell)首次將VCSEL商業(yè)化的業(yè)務部”，并將市場從計算機鼠標和PC外圍設備擴展到數(shù)據網絡領域，此后一直致力于開發(fā)用于運營商級數(shù)據網絡設備的光纖-銅纜接口的VCSEL。

　　但并非所有人都贊同在LiDAR中采用當前形式的VCSEL。

　　“VCSEL激光往往接近可見光波段，因此，可能會在提高功率時具有一定的危險性，”Cadence杰出工程師Gilles Lamant說，“LiDAR需要非常高的功率，來獲得所需要的各種探測范圍，這可能會對人眼造成風險。盡管接近可見光波段，但它們的低功率應用是安全的，這就是為什么我們可以將它們用于3D人臉識別，以及相機測距等應用?！?/p>