办公室用的灯具？VCSEL为何突然火了

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VCSEL为何突然火了

2022-02-25    

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　　麦姆斯咨询：垂直腔面发射激光器(VCSEL)是一项久履历证但直到最近才被挖掘的利基手艺，由于智能手机及其它移动装备中引入的3D人脸识别应用，而突然变得异常热门。

　　VCSEL之前主要作为一种低成本运动跟踪和数据传输的光源手艺用于盘算机鼠标、激光打印机和光纤通讯。然则，随着苹果公司(Apple)决议在其旗舰手机iPhone X中使用VCSEL举行3D人脸识别，使VCSEL手艺有了新的生长偏向。苹果的这一手艺决议，以及紧随厥后的智能手机和消费电子产物制造商的大量涌入，使整个VCSEL市场新的制造、测试和验证规模不停扩大。

　　“对于VCSEL市场，许多年来一直不温不火，”Veeco首席手艺官Ajit Paranjpe说，“然则随着新应用的兴起，VCSEL手艺获得了显著重视和改善。我们终于战胜了学习曲线，实现大规模生产制造，当我们进入第二个大规模应用——接纳VCSEL阵列的激光雷达(LiDAR)时，这将是自动驾驶所必须的要害手艺。此外，VCSEL已经在服务器集群中用于机架到机架的通讯。在板对板通讯(例如光学背板)应用之后，理想的是芯片到芯片的通讯，最终将接纳全光互连。真正的问题是我们什么时刻需要它。”

　　VCSEL只是少数几种硅光子方案中的一类，最先吸引了市场的极大关注。整个半导体行业都在起劲将这些手艺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难题的情形下。

　　“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举行光学丈量，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只是可以用于这些装备的基于芯片的众多光源之一。VCSEL云云吸引人的缘故原由是其激光垂直于器件发射，这有许多利益，包罗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)，必须对晶圆举行切割，然后构建器件的其余部门并对其举行测试，这会使测试变得加倍难题。”

　　不外，这并未减缓对VCSEL其它方面的研究，其中大部门研究集中于差异质料的堆叠，以及将部门或所有质料整合到一个封装中。什么被放入封装，或留在封装外，仍在不停研究中。

　　“现在大型代工厂正在开展一些有趣的事情，以打造毗邻差异芯片的光子元件，”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，约莫几个微米，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，现实上到现在为止，65 nm是最先进的工艺节点。”

　　VCSEL的下一轮时机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产物营销总监Mark McKee说，“现在的问题是若何实现最高的性能和最高的产率以知足市场需求。这需要基于业界领先的MOCVD手艺。要害要求是晶圆外面金属-有机物和氢化物的平均性和层流，平均、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。”

典型VCSEL剖面图

VCSEL接纳频率为几十个千兆赫兹的激光脉冲举行测距和航行时间盘算，通过每帧图像之间的转变来识别运动。美国国家仪器公司(National Instruments)首席营销司理David Hall指出，现在还不清晰这种方案是否可以用于改善LiDAR使用更长波长激光和延续扫描的趋势。

　　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能够到达的更远距离的延续扫描。这两种系统是否可以从相互的方案中受益，另有待考察。”

　　LiDAR是有远景的潜力市场，但汽车内部的3D运动检测和3D人脸识别等短期时机更具吸引力。苹果公司VCSEL芯片供应商菲尼萨(Finisar)新市场副总裁Craig Thompson示意，“行使该手艺可以识别驾驶员是否在打瞌睡，或使搭客可以用手势控制信息娱乐系统或其它系统。”

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　　2004年，Finisar收购了“霍尼韦尔(Honeywell)首次将VCSEL商业化的营业部”，并将市场从盘算机鼠标和PC外围装备扩展到数据网络领域，往后一直致力于开发用于运营商级数据网络装备的光纤-铜缆接口的VCSEL。

　　但并非所有人都赞许在LiDAR中接纳当前形式的VCSEL。

　　“VCSEL激光往往靠近可见光波段，因此，可能会在提高功率时具有一定的危险性，”Cadence卓越工程师Gilles Lamant说，“LiDAR需要异常高的功率，来获得所需要的种种探测局限，这可能会对人眼造成风险。只管靠近可见光波段，但它们的低功率应用是平安的，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。”

基于结构光原理的3D摄像头

　　Lamant示意，VCSEL的真正优势在于其便利性、天真性和功率，以及与其它激光源相比的热效率。

　　“VCSEL垂直发光，这使得构建垂直于芯片的VCSEL阵列变得很容易，而且它们在相当宽的温度局限内都异常稳固，”Lamant说，“VCSEL还被证实可以在一个系统内编码数据信号和发送数据。这将遇到频率的限制问题，只管云云，我们仍在寻找一种集成光学与硅基解决方案的方式。”

　　Thompson说：“VCSEL每瓦输出的光也远超其它激光光源。此外，VCSEL芯片引线也更容易，由于激光从顶部发出，可以在芯片下方举行电气和热治理。”

　　VCSEL的输出功率也可以通过尺寸线性扩展。VCSEL每个激光出光孔是自力且基真相同的。芯片上的孔径越多，输出的能量就越大，将它们所有毗邻到单个电源就可以使它们一起发射。将芯片布线差其余区域，可以使它们在差其余时间以差其余图案发射，其功率输出由出光孔的数目确定。

接纳氮化铝(AIN)腔体封装的Finisar大功率VCSEL

　　“数据网络装备应用的VCSEL在几百微米见方的一颗芯片上有一个出光孔和一个发射点，”Thompson说，“而在高功率3D传感VCSEL中，将有数百个出光孔，芯片将到达毫米见方。它是一种异常怪异、容易扩展的激光结构，就像是一种乐高(LEGO)积木手艺。”

　　Ferguson说：“热滋扰或其它类型的噪声可能会影响数据中央的VCSEL使用，但能够识别这种滋扰的测试并不常见。”

　　“这不像测试台上用探针测试的IC，”Ferguson说，“你需要在这些器件的外部举行光信号处置，这并非易事。一些大型系统公司正在起劲推动代工厂这样做，以领会他们还可以行使这项手艺做些什么，由于除了数据网络以外，我们正看到越来越多的应用。汽车领域的光子学应用包罗LiDAR和自动驾驶汽车，看起来VCSEL手艺正获得越来越多的关注。许多公司正在探索这项手艺，现在已经有几家公司我们预计会在明年推出相关的产物。”

　　Thompson说：“明年应该会推出许多应用VCSEL的产物。已经在生产、测试和验证的VCSEL的数目将远超以往。”

　　1996年霍尼韦尔商业化VCSEL之后，该手艺在盘算机鼠标及其它外围装备领域乐成了十年，自2004年以来，VCSEL一直作为运营商级数据网络装备的光纤-铜缆接口光源而广受迎接。所有这些都是坚实的利基营业，然则一直异常“低调”，以至于芯片产业大多数人都没有关注到VCSEL手艺。但在iPhone X宣布后，一切都改变了。

　　Thompson示意：“那时，设计一款能够在用户脸上投射30000个红外光点，然后快速、准确地构建面部3D形貌，以为iPhone X实现Face ID身份验证功效的大尺寸、高功率VCSEL，仍然存在一些挑战。但最大的挑战是若何知足iPhone X的批量生产需求。苹果公司那时宣布，它必须在2022年第四序度采购相比2022年全球同期制造量10倍的VCSEL晶圆。”

　　这就是为什么苹果公司在2022年向Finisar提前支付了3.9亿美元。其目的是将位于德州谢尔曼的闲置700000平方英尺的工厂酿成“美国VCSEL之都”。Thompson说：“当它在今年晚些时刻满产能运营时，这座原本属于MEMC和SunEdison的700000平方英尺制造工厂自身的VCSEL晶圆产能，将比已往整个VCSEL产业的产能高几个数目级。”

　　VCSEL远景乐观，众厂商纷纷扩大产能

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