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VCSEL为何突然火了?什么是VCSEL?

导读: 垂直腔面发射激光器(VCSEL)是一项久经验证但直到最近才被挖掘的利基技术,由于智能手机及其它移动设备中引入的3D人脸识别应用,而突然变得非常热门。

垂直腔面发射激光器(VCSEL)是一项久经验证但直到最近才被挖掘的利基技术,由于智能手机及其它移动设备中引入的3D人脸识别应用,而突然变得非常热门。

VCSEL之前主要作为一种低成本运动跟踪和数据传输的光源技术用于计算机鼠标、激光打印机和光纤通信。但是,随着苹果公司(Apple)决定在其旗舰手机iPhone X中使用VCSEL进行3D人脸识别,使VCSEL技术有了新的发展方向。苹果的这一技术抉择,以及紧随其后的智能手机和消费电子产品制造商的大量涌入,使整个VCSEL市场新的制造、测试和验证规模不断扩大。

“对于VCSEL市场,很多年来一直不温不火,”Veeco首席技术官Ajit Paranjpe说,“但是随着新应用的兴起,VCSEL技术得到了显著重视和改善。我们终于克服了学习曲线,实现大规模生产制造,当我们进入第二个大规模应用——采用VCSEL阵列的激光雷达(LiDAR)时,这将是自动驾驶所必需的关键技术。此外,VCSEL已经在服务器集群中用于机架到机架的通信。在板对板通信(例如光学背板)应用之后,理想的是芯片到芯片的通信,最终将采用全光互连。真正的问题是我们什么时候需要它。”

VCSEL只是少数几种硅光子方案中的一类,开始吸引了市场的极大关注。整个半导体行业都在努力将这些技术中的一种或多种引入主流,尤其是在通过引线传输电子的先进节点变得愈发困难的情况下。

“在智能手机中有多个隐藏和非隐藏的摄像头,”Synopsys光子解决方案研发总监Twan Korthorst说,“这些摄像头可以识别用户是否正在看手机并进行光学测量,这正是VCSEL的用武之地。这些模块中有探测器、光源和图像传感器,VCSEL是其中的一个小型分立元件。”

什么是VCSEL?

客观来说,VCSEL只是可以用于这些设备的基于芯片的众多光源之一。VCSEL如此吸引人的原因是其激光垂直于器件发射,这有很多好处,包括从大规模生产制造到测试等方面。

“VCSEL可以使用晶圆探针和晶圆级测试,”Paranjpe说,“而对于边发射激光器(EEL),必须对晶圆进行切割,然后构建器件的其余部分并对其进行测试,这会使测试变得更加困难。”

不过,这并未减缓对VCSEL其它方面的研究,其中大部分研究集中于不同材料的堆叠,以及将部分或全部材料整合到一个封装中。什么被放入封装,或留在封装外,仍在不断研究中。

“目前大型代工厂正在开展一些有趣的工作,以打造连接不同芯片的光子元件,”西门子(Siemens)旗下子公司Mentor的Calibre DRC应用营销总监John Ferguson说,“主要问题是光波导必须有一定的尺寸,大约几个微米,必须留有一定的空间,这占用了不少空间。光子学不会从更先进的节点中受益,实际上到目前为止,65 nm是最先进的工艺节点。”

VCSEL的下一轮机遇是具有更高功率要求的LiDAR等汽车应用。这类应用需要使用更大的VCSEL阵列。

“这将需要采购更多的金属有机化学气相沉积(MOCVD)系统,以保证制造产能加速跟上LiDAR系统的需求,”Veeco产品营销总监Mark McKee说,“现在的问题是如何实现最高的性能和最高的产率以满足市场需求。这需要基于业界领先的MOCVD技术。关键要求是晶圆表面金属-有机物和氢化物的均匀性和层流,均匀、可控的温度,以及各层之间清晰的界面。为了实现最高的产率,制造平台需要维护周期之间更长的可生产时间,预防性维护后的快速恢复,以及更快的外延生长速率。”

VCSEL为何突然火了?

典型VCSEL剖面图

VCSEL采用频率为几十个千兆赫兹的激光脉冲进行测距和飞行时间计算,通过每帧图像之间的变化来识别运动。美国国家仪器公司(National Instruments)首席营销经理David Hall指出,目前还不清楚这种方案是否可以用于改进LiDAR使用更长波长激光和连续扫描的趋势。

Hall说:“3D人脸识别系统和LiDAR系统之间的要求似乎没有太多重叠,3D人脸识别系统足够经济,可以集成到智能手机中;而LiDAR系统应该需要比VCSEL能够达到的更远距离的连续扫描。这两种系统是否可以从彼此的方案中受益,还有待观察。”

LiDAR是有前景的潜力市场,但汽车内部的3D运动检测和3D人脸识别等短期机遇更具吸引力。苹果公司VCSEL芯片供应商菲尼萨(Finisar)新市场副总裁Craig Thompson表示,“利用该技术可以识别驾驶员是否在打瞌睡,或使乘客可以用手势控制信息娱乐系统或其它系统。”

2004年,Finisar收购了“霍尼韦尔(Honeywell)首次将VCSEL商业化的业务部”,并将市场从计算机鼠标和PC外围设备扩展到数据网络领域,此后一直致力于开发用于运营商级数据网络设备的光纤-铜缆接口的VCSEL。

但并非所有人都赞同在LiDAR中采用当前形式的VCSEL。

“VCSEL激光往往接近可见光波段,因此,可能会在提高功率时具有一定的危险性,”Cadence杰出工程师Gilles Lamant说,“LiDAR需要非常高的功率,来获得所需要的各种探测范围,这可能会对人眼造成风险。尽管接近可见光波段,但它们的低功率应用是安全的,这就是为什么我们可以将它们用于3D人脸识别,以及相机测距等应用。”

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