垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)發(fā)展十年磨一劍，終于在資料中心（Data center）與3D感測（3D Sensing）應用需求帶動下，成為群雄競逐焦點，其發(fā)展開始逆風翻揚，躍居成為帶動相關供應鏈營收成長的隱形推手。
上集內(nèi)容從VCSEL的產(chǎn)業(yè)應用趨勢破題，點出VSCEL在產(chǎn)業(yè)的重要性，而后深入探討其元件的基礎設計原理、技術發(fā)展與系統(tǒng)架構，分析如何提升VCSEL的輸出功率來增加光發(fā)射的距離；同時，也詳細說明如何透過覆晶(Flip Chip)技術強化VSCEL散熱及光電轉換效率，為相關應用領域提升產(chǎn)品效能。本文將延續(xù)前述內(nèi)容，將重心聚焦于資料中心與3D感測兩項關鍵技術，分享其設計瓶頸與開發(fā)實務所將面臨的問題與挑戰(zhàn)。
光通訊發(fā)展刻不容緩?100G應用成主流
高雄科技大學電子工程系特聘教授施天從(圖1)表示，2017年開始，資料中心數(shù)據(jù)傳輸已開始朝25G/100G方向前進，至于更長距離的資料中心傳輸，主流需求則往400G移動。目前在400G領域，已可看到有許多公司開始進入樣品階段，其產(chǎn)品設計最高每通道可達100Gbps。
圖1 高雄科技大學電子工程系特聘教授施天從表示，2017年
100G將成為資料中心發(fā)展的起始點，持續(xù)滲透至各地區(qū)。
事實上，目前已有大型資料中心業(yè)者，如Facebook，預計采用以外調(diào)雷射(EML)技術為基礎的400G方案，但該方案單價相當昂貴，故要如何架構這個網(wǎng)絡目前尚未落實，可預見的是，100G的市場從2017年開始嶄露頭角，預計將會維持一段為時不短的采用時間。隨著業(yè)界的連接埠速度從10G進化到25G和從40G進化到100G，資料中心也需要模塊化的基礎組件，以支援目前以及新一代的不同連接埠速度。
施天從談到，資料中心內(nèi)所需的光收發(fā)模塊，可以分成四類，依照可傳輸距離長短依序分為In Rack、Across Row、Across DC(Data Center)、Between DC。英特爾(Intel)統(tǒng)計市場對于100G收發(fā)器的需求，預估在2020年，In Rack方案市場比重約10%+；Across Row市場比重約20%+；Across DC則接近約40%，最后，Between DC則約占10%+。整體而言，100G以上的資料中心市場，對于收發(fā)器的需求量約5.1億美元。
產(chǎn)業(yè)應用主要采取多模設計為主，而多模在光纖中傳輸，會使其速度、距離受到限制，故VCSEL比較適合短距離傳輸，而資料中心所需的傳輸距離，正好為VCSEL施展拳腳的空間。
呼應上文描述的四大種類光收發(fā)模塊，In Rack與Across Row這種傳輸距離在幾百公尺以內(nèi)的模塊，非常適合采用多模的VCSEL設計。而Across DC、Between DC這類型的長距離傳輸?shù)哪K設計，則大多采用DFB和EML這種邊射型雷射技術，搭配單模光纖進行傳輸。
VCSEL聯(lián)手AOC助攻?資料中心市場如日中天除了光收發(fā)器之外，VCSEL在資料中心應用，亦可采用主動光纖電纜(Active Optical Cable, AOC)做為新世代數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶娲桨浮Ｊ┨鞆谋硎荆高^光收發(fā)器進行傳輸，有時候可能會因為不良的插放，導致訊號接收干擾，故透過AOC方案可直接串連光纖與收發(fā)器，對于短距離傳輸應用的場域，AOC不失為一個良好的替代方案。
VCSEL利用雷射陣列將外層電子引入一個很薄的區(qū)域來模擬量子隧道響應，耦合光纜來傳輸訊號，所產(chǎn)生的電流將被引入到高反射率的反射鏡及分布式布拉格反射鏡；布拉格反射鏡能將訊號固定在介質(zhì)中垂直振蕩在一個垂直于表面的方向，使光只經(jīng)由包裹的圓形光束輸出開口逸出至表面，形成在光纖壁較低的頻率反射(圖2)。
圖2 AOC設計架構圖 資料來源：高雄科技大學
VCSEL技術由于具備較高性能、較低成本及功耗，加上低位準電流特性有利實現(xiàn)高密度的雷射列陣，再者光是以垂直方向射出的，較小的發(fā)散角和圓形對稱的遠近場分布使其與光纖的耦合很容易，而無需復雜昂貴的光束整形系統(tǒng)。
施天從分析，在設計基于VCSEL技術的光收發(fā)模塊與AOC時，須計算其光學結構，確認VCSEL的發(fā)光角度。相反于3D感測在設計時致力于擴大VCSEL發(fā)光角度，針對光通訊產(chǎn)業(yè)，則是要求VCSEL發(fā)光角度越小越好，普遍來說目前光通訊產(chǎn)業(yè)所設計的VCSEL發(fā)光角度約10~15度。
除了發(fā)光角度的要求外，訊號在光纖里的衰減狀況與劣化狀況，是采用VCSEL技術作為光通訊技術不容忽視的要點。色散(Dispersion)是導致光纖訊號衰減的一大挑戰(zhàn)，由于VCSEL是多模的元件，因此每道發(fā)射出的光都會產(chǎn)生不同的等效折射率，在傳輸一段距離后，造成傳輸訊號失真(Distortion)，影響傳輸質(zhì)量。換言之，發(fā)光角度與色散的挑戰(zhàn)，考驗著廠商的技術。
整體而言，VCSEL應用于資料中心與3D感測設計原理大同小異，但3D感測技術應用的功率是依照發(fā)射面積來調(diào)整，若功率已經(jīng)調(diào)整到最大，還無法解決損耗問題，可再透過陣列的方式，多幾顆VCSEL來調(diào)整，針對單一顆可以依照發(fā)射面積調(diào)整大小。
三大技術加持? 3D感測應用快速達陣
事實上，3D感測市場可透過立體影像(Stereo Vision)、結構光(Structure Light)、時差測距(ToF)來實現(xiàn)。蘋果(Apple)iPhone X采用的是結構光技術，最大的原因在于其深度感測良好，無論是日間或夜間都能精準感知物體，適合短距離感測應用。基本上結構光就是透過線條或點打出一個圖案，藉由這些線條與點的強度分布、形狀變化，進行三角法計算，從而算出物體距離深度訊息(表1)。
表1 三種類型技術打造3D感測應用 資料來源：晶晟精密科技
相較之下，ToF的技術原理與結構光相近，藉由對目標連續(xù)發(fā)送光脈沖，進而透過傳感器接收物體反射光回來的時間，計算目標物的距離，其感測元件CMOS芯片Pixel像素越高，分辨率就越高，較適用中長距離感測。不過相關供應鏈廠商也正積極開發(fā)能滿足短距離的ToF應用，目標距離設定在約為50公分內(nèi)的設計。
無論采用何種技術，皆有其優(yōu)劣之處，目前采用結構光技術成本較高且設計復雜，短期市場可能會聚焦在立體影像設計，但該技術在夜間感測的精準度與深度判斷與結構光相比，可能會略顯不足。
晶晟精密科技博士張詒安(圖3)談到，VCSEL是結構光與ToF必要的光源。目前可提供VCSEL接收端的廠商，包含德州儀器(TI)、PMD、Panasonic、Sony與微軟(Microsoft)等廠商。由于各家廠商的技術不同，其分辨率(Resolution)與CMOS陣列設計也都不盡相同，例如德州儀器(TI)的OPT8320，分辨率設計為80×60，適合在1公尺以內(nèi)的工作距離進行ToF應用；若是應用需要高達15公尺以上的傳輸距離，則建議采用640×480分辨率設計，象是Panasonic生產(chǎn)的MN34906/2。
圖3 晶晟精密科技博士張詒安認為，應用于智能型手機的
光學式指紋辨識技術，將是引爆VCSEL商機的新藍海。
iPhone X導入結構光技術即是為了滿足Face ID應用。張詒安分析，當未來云端支付使用量變大時，難以保證目前既有的二維條形碼、密碼鎖、Touch ID的安全防護足夠因應資料安全防護問題，故研發(fā)Face ID辨識技術，藉此提升Apple在云端支付應用的安全層級。
人臉辨識與觸控辨識最大的不同在于「鑒別率」差異。一般指紋辨識約生成10~20個點，以鑒別率來看，約五萬個人之中就可能出現(xiàn)與使用者指紋雷同的用戶，進而啟動手機的隱憂；而人臉辨識技術，基本上是百萬個人次中，才會找到一位與自己長相雷同的人，因此這也意味著，人臉辨識的安全防護相較于指紋辨識來得嚴謹許多。
聚焦光學式指紋辨識?VCSEL下一步行動
事實上，VCSEL不僅可以用在人臉辨識技術，就連光學式指紋辨識也有望成為VCSEL下一個關注的應用焦點。雖然iPhone X在熒幕上端還有保有一個「瀏海」設計，但不可否認，未來手機必將朝向全熒幕發(fā)展，屆時光學式指紋辨識技術就成了全熒幕手機的關鍵技術，目前也有些方案商或手機大廠正長期關注這個市場。
張詒安認為，未來手機最有發(fā)展?jié)摿Φ牟糠郑蟾啪褪菍牍鈱W式的指紋辨識技術。該技術就是在OLED或LCD顯示器下面，加裝一個TX、RX模塊，以除去顯示器上面的黑框圖案，增加手機的美感。而光學式指紋辨識內(nèi)的光源，則非VCSEL莫屬。
由于智能型手機的用戶會穿梭在室內(nèi)、室外空間，在室外環(huán)境中，需要具備對抗環(huán)境紅外線光的干擾問題，而此透過VCSEL的雷射頻譜具備的先天優(yōu)勢加上設計改良，就能讓智能型手機即便在陽光底下，也能輕松執(zhí)行相關應用。
談完了手機前方的應用，事實上，早已有一些手機將ToF技術導入到手機后方的相機模塊，進行一些游戲、教學用途；舉例來說，聯(lián)想Phab 2 Pro將Google Tango技術導入手機之中，實現(xiàn)AR應用。此舉證明，以目前ToF在手機這方面，其硬件與軟件技術已準備就緒，若未來在APP軟件開發(fā)能更加精進，將進一步加速AR/VR在手機應用，可想而知其市場發(fā)展?jié)摿o窮。
整體而言，上述相關應用基本上皆是基礎于雷射二極管的延伸設計，而關于雷射技術的安規(guī)與使用注意事項，也成了設計過程中，不容忽視的重要一環(huán)。
確保裝置安全性? 雷射功率量測不可少
迪伸電子(LECC)總經(jīng)理董欣志(圖4)表示，雷射技術有各種不同的安全規(guī)范，目前所有IT產(chǎn)業(yè)大多數(shù)以Class 1的安規(guī)標準為主，測試距離為2,000mm，功率需小于0.39mW，也就是所謂的Eye Safety基本門檻。
圖4 迪伸電子(LECC)總經(jīng)理董欣志表示，電壓電流功
率的控制是雷射量測過程中，極須注意的一大要點。
LD功率是經(jīng)由Power Meter量測而來，并非傳統(tǒng)的電流×電壓的計算方式，一般規(guī)格書上都有詳細說明Absolute Maximum Rating為5mW，意指若超過5mW時，LD(半模塊)可能受損或導致不可恢復的損傷。
董欣志談到，量測功率時必須要有角度，避免LD的光反射回來，影響PD(Im)值，因此光線一定要全部打進去Power Meter，才能得到正確的數(shù)據(jù)。此外，電壓或電流過高會導致LD輸出功率過高，造成LD不可恢復的損傷，因此重點在于電壓電流功率的控制，而其中最重要的參數(shù)為功率輸出。當測試LD時，不能以定電流測試，其因在于LD材質(zhì)為三五族半導體，一致性不高，必須以定功率測試，才不會對LD產(chǎn)生損傷。
顯而易見，VCSEL技術已成為消費性應用發(fā)展重要的關鍵元件，雖然現(xiàn)階段看到明顯成長的應用領域以智能型手機為主，不過該元件的應用潛力不僅止于此，未來預計將朝資料中心、工業(yè)自動化與自駕車等垂直應用領域繼續(xù)前進，為業(yè)界創(chuàng)造更多設計商機。