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據傳輸的光源技術用于計算機鼠標、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?！?/p>

　　VCSEL只是少數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?！?/p>

　　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?！?/p>

　　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，“現在的問題是如何實現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?！?/p>

　　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?！?/p>

　　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，Finisar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外圍設備擴展到數據網絡領域，此后一直致力于開發(fā)用于運營商級數據網絡設備的光纖-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>