3D传感关键技术的VCSEL已成激光产业成长的重要因素

***光电协进会（PIDA）日前发布最新的报告指出，201 7年全球激光产值主要来自于如光纤激光、光达激光测距及VCSEL垂直共振腔面射激光，产业仍不断在整合但相较于2016年疯狂并购，2017年整并情况明显放缓。

2017年激光应用产业可说是丰收的一年，根据Strategies Unlimited数据显示2017年全球激光产值为124亿美元，包含半导体激光的55亿美元及非半导体激光的69亿美元。2017年激光整体产值相较于2016年成长18.1％，主要源自于激光应用在材料加工产业，应用在该领域的激光产值相较于去年同期成长超过26％，其中用于材料加工的光纤激光营收达34％。

然而2017年呈现的异常现象，可预期2018年材料加工营收将恢复到较温和的成长，因某些材料加工激光系统的资本设备支出会降温，预估2018年全球激光产值达131亿美金。

PIDA指出，由激光应用产值可看出物联网、工业4.0已不再是挂在嘴边说说而已，已逐渐具体化的落实，如美国集成光子制造创新中心（ American Institute for Manufacturing Integrated Photonics） 2017年3月发布集成光子系统路线图的预测，物联网将对该市场产生很大的影响。此外工业4.0不断发酵2017 年德国Trumpf在美国芝加哥建立智慧工厂，提供板金加工以数字化方式生产，德国机床制造商协会（VDW）也推出针对网络化生产的相关措施。

另一方面，2017 年激光需求大幅成长可归功于消费设备和制造设备的需求，如制造iPhone手机的制程使用到的激光技术包括玻璃切割、零件雕刻及电路板钻孔等。此外，包括iPhone 8在内的许多智慧手机皆具备3D感测和测距的VCSEL，这已经成为激光产值成长的重要因素，将是苹果、三星等智慧型手机制造商建构3D成像系统的重要元件，而VCSEL同时应用在数据通信、电脑滑鼠和汽车光达上，因此2017年被誉为VCSEL爆发的一年。

PIDA总结，激光技术在日常生活上的使用越来越普遍，从日常生活的通讯、代步的汽车、居家生活、医疗保健、停车场等无处不在。随着物联网、工业4.0、人工智慧、自动汽车驾驶、虚拟实境/扩增实境等议题兴起，激光技术更是不可或缺的一环，不论是产品制造过程中或是终端产品的使用上，激光技术已无所不在，营收获利可望再创新高。

快速理解3D传感的关键技术：VCSEL

因为苹果（Apple），许多的老技术开始找到自己的第二春，垂直共振腔面射型激光（VCSEL）是最新的一个，由于苹果iPhone X的脸部辨识应用，让这项过去多使用在通讯领域的高阶技术有了新的市场，而且火红的程度几乎与当初的电容式触控相当。

由于VCSEL制造属于半导体层级，且涉及光学与电子，因此***切入的业者多以光电业者居多，例如LED制造商，或者光导体的封装业者。本文则是取自飞利浦（Philips）的网站说明，对此技术做一次重点的回顾，当然飞利浦就是一家典型具备半导体与光学技术的业者。

VCSEL就是「垂直共振腔面射型激光（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）」的缩写，其结构和功能如图(a)所示。VCSEL是一种半导体激光二极管，其发射垂直于表面的光（1）。发光器由多个主动层组成，厚度为奈米等级。

在这些层中，电子载体被转换成光，在主动层之上和之下，多层交替折射率形成共振镜（4）；短的激光腔需要反射镜的高反射率才能获得足够的增益，掺杂的半导体镜额外为主动层提供电触点（2）和（3）；主动区的尺寸由靠近主动层的氧化层（6）的宽度来定义。

此半导体层的结构和垂直光束允许在一个生成步骤中产生功能完整的激光光，在这个外延生成过程之后，标准的半导体晶圆处理步骤则定义了光发射区域，并为各个激光二极管提供电端子。

VCSEL的垂直结构能建立大量的激光彼此相邻并形成二维阵列。依据应用的不同，这些阵列中的VCSEL可以单独通电连接（靠着个别接触，例如用在：多通道的数据通信应用），或者并联通电。在大量激光并联的设置中，透过厚导体层（5）将电流提供给各个激光器，以向阵列提供低电阻电端子。

VCSEL阵列是由数千个微型激光器在GaAs晶圆上以半导体流程制造所组成，单个激光光器之间的典型间距在40微米的范围内，其波长在800nm和1100nm之间，最常用的是808nm，850nm和980nm，每个线宽为几纳米。

相较于红外线LED，VCSEL具有非常窄的线宽和非常正向发射的特性。其晶片从晶圆中切割并安装到载体上，而其使用的组装程序则是LED产业众所周知的步骤。

此外，VCSEL的亮度范围在传统激光和灯或LED之间，且该技术提供可扩展（scalable）的系统功率，因此高功率VCSEL系统对许多应用来说就是一个极有吸引力的解决方案。