回上頁
在光通訊和3D感測左右逢源的微型化雷射VCSEL
專訪交大光電系系主任 盧廷昌教授
在 1977 年由日本伊賀健一教授(いが けんいち)提出概念,並在二年後實作完成的垂直共振腔面射型雷射(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser,VCSEL),經過頗長時間的沈寂,到2017年Apple iPhone X系列智慧型手機上的「Face ID」,運用 VCSEL,首度導入3D 部辨識技術,讓VCSEL再度進入人們的視野,並且因為3D辨識、高速數據傳輸等功能對包括自駕車、智慧製造等重要應用趨勢發展至關重要,更使VCSEL在未來將扮演日益吃重的角色。

攤開VCSEL的發展歷程,可能很多人並不知道:美國第一顆砷化鎵面射型雷射,全球第一顆藍光氮化鎵垂直共振腔面射型雷射都由致力研究雷射技術超過50年的交通大學光電系王興宗教授研製完成。王興宗教授不僅在交通大學建立台灣第一間雷射實驗室,製作出台灣第一套紅光氦氖雷射,甚至連「雷射」一詞的中文名稱是由王興宗教授最早提出的。
伊賀健一教授拜訪交通大學光電系王興宗教授
前排右一為王興宗教授、右二為伊賀健一教授、左三為盧廷昌教授
交通大學光電工程學系盧廷昌系主任回憶,VCSEL概念的提出和首次實作,雖然都在日本,但當年在王興宗教授的帶領下,在交大光電的實驗室中進行藍光氮化鎵垂直共振腔面射型雷射的研製,許多日本公司幾乎每天都會來觀看實驗室網頁所披露的許多資料。只是VCSEL一次產業應用是在數據傳輸上,伴隨後來2000年發生的網際網路泡沫,VCSEL的發展也受到影響。

盧廷昌系主任指出,因為VCSEL光源是正圓形投射,光束角度和形狀相對集中,具備功耗低、發光效率和精確度高、不易受環境光干擾等優勢,讓VCSEL在3D感測應用中,脫穎而出。

VCSEL 不論是使用「分子束磊晶(MBE:Molecular Beam Epitaxy)」或「有機金屬化學氣相沉積(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)」,在砷化鎵晶圓上先後完成N型砷化鋁鎵磊晶、發光區、P型砷化鋁鎵磊晶、金屬電極等,再將上方的金屬電極打開一個圓形孔洞,讓雷射光可以由上方發射出來。相較於雷射光由側邊射出的邊射型雷射(Edge Emitting Laser,EEL),EEL光源是橢圓形,並須將半導體晶圓劈裂後再鍍上薄膜反射鏡面以形成共振腔,且共振腔較長,導致EEL的發光波長分布範圍較大,光的純度不夠。

而VCSEL不需要將晶圓切開,可以直接在晶圓的上下兩面各成長半導體多層結構的高反射率鏡面當成反射鏡面共振腔,因此在一片晶圓上可以同時製作數百個雷射,形成「二維雷射陣列(2D Laser Array)」。也正因為如此,CSEL 在製造時更容易測試,雖然單顆 VCSEL 的雷射功率不如EEL,但可以透過二維雷射陣列讓整體強度增加。
盧廷昌教授實驗室近期研發成功的藍光VCSEL,採用了新穎的高折射率差光柵
作為高反射率的反射鏡
盧廷昌系主任表示,就以目前VCSEL在智慧型手機上的應用來說,不僅僅只是 3D 臉部辨識而已,手機照相的自動對焦(Laser AutoFocus)、接聽電話時的近接感測器(Proximity sensor)等都是VCSEL 應用,未來還包括如低噪音麥克風、手機上的AR/VR等也都是VCSEL可以發揮的舞台。

不論是3D臉部辨識、自動對焦、近接感測器等,都是透過VCSEL投射到物體的紅外光,感測器再依據接收到的反射光點,進行判斷或計算深度、距離,VCSEL雖投射出人類看不到的紅外光,但也讓VCSEL在黑暗中也可以使用。

例如智慧型手機上負責3D臉部辨識的點陣投射器(Dot projector),就是運用VCSEL雷射陣列將超過30,000個光點投射到使用者的臉部,由於每個人的臉部起伏有不同的特徵,感測器接受到了反射光點,就會進一步來計算出人臉深度分布。

通常使用VCSEL測量物體的距離,有「結構光(structured light)」和「Time of Flight,ToF」兩種方式,剛剛提到智慧型手機上的3D臉部辨識屬於「結構光」方式,由於容易受到外在光源的影響,多侷限在小範圍的測量,若像自駕車需要大範圍的進行測量,就必須使用ToF。目前自駕車上最受關注的雷射雷達(Lidar),就是採用ToF方式,將光投射在物體上面,再利用感測器接收回來的光,利用時間差計算出距離,製成3D圖像,可以做到高準確性、高覆蓋度和高速、高效地採集目標資訊。

除了3D辦識和測距外,一如盧廷昌系主任曾提到,VCSEL早期最主要的應用是能高速進行數據資料傳輸,近年來隨著物聯網、大數據、人工智慧等科技的快速發展,不僅讓現今的網際網路每分鐘有60萬GB的資料在進行傳輸,包括Google、Amazon、Facebook、Microsoft等也積極建置大型的資料中心,使得具備高傳輸效率又節能的光連接技術成為光通訊領域的重要發展方向。

雖然從磊晶和製程技術來看,目前最成熟的850 nm VCSEL元件產品,受限於波長,僅能短距離的資料傳輸,通常運用在資料中心內部機架對機架(Rack to Rack)之間的高速互聯,但相較傳統高頻電纜,VCSEL 具備質量輕、體積小、低延遲、訊號穩定不易受干擾等優勢,能滿足現今寬頻高速網路的迫切需求。如果進一步將VCSEL波長拉高到 1310 nm至1550 nm,則傳輸距離可提升為 1至10公里以上,因此如何拉長VCSEL的波長,以便獲得更遠的傳輸距離,讓VCSEL走出數據中心,就成為未來相當重要的發展方向。