VCSEL在智能手機(jī)等領(lǐng)域的應(yīng)用

VCSEL在智能手機(jī)等領(lǐng)域的應(yīng)用陳磊王鳳玲張秋波一.以VCSEL為核心的3DSensing攝像頭近年來(lái)，智能手機(jī)領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)更新迭代十分迅速，由于人們的日常需求逐漸提高，手機(jī)的拍照，感應(yīng)，識(shí)別等功能尤其受到關(guān)注，故手機(jī)攝像頭用量提升的趨勢(shì)仍處于加速態(tài)勢(shì)，特別是3D攝像頭等新創(chuàng)新的使用也將為手機(jī)攝像頭領(lǐng)域提供增益，尤其以VCSEL激光器為核心關(guān)鍵元器件的3DSensing攝像頭在iPhoneX機(jī)型上的應(yīng)用，將帶動(dòng)相關(guān)市場(chǎng)迎來(lái)一輪爆發(fā)。而隨著蘋(píng)果新機(jī)型的創(chuàng)新應(yīng)用量產(chǎn)之后，將帶動(dòng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的全面啟動(dòng)，以華為，OPPO,VIVO等國(guó)產(chǎn)品牌為首的高端機(jī)型將快速響應(yīng)與普及，從而進(jìn)一步擴(kuò)大VCSEL的需求量。1.3DSensing攝像頭3DSensing攝像頭相比于傳統(tǒng)攝像頭除了能夠獲取平面圖像以外，還可以獲得拍攝對(duì)象的深度信息，即三維的位置及尺寸信息，其通常由多個(gè)攝像頭+深度傳感器組成。3D攝像頭實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)三維信息采集，為消費(fèi)電子終端加上了物體感知功能，從而引入多個(gè)“痛點(diǎn)型應(yīng)用場(chǎng)景”，包括人機(jī)交互、人臉識(shí)別、三維建模、安防和輔助駕駛等多個(gè)領(lǐng)域，3DSensing攝像頭讓交互方式從平面變成了立體。而3DSensing攝像頭產(chǎn)業(yè)鏈與傳統(tǒng)攝像頭產(chǎn)業(yè)鏈相比主要新增加紅外光源+光學(xué)組件+紅外傳感器等部分，其中最關(guān)鍵的部分就是紅外光源。圖一：因特爾公司研發(fā)的RealSense3D攝像頭架構(gòu)2.VCSEL作為紅外光源的優(yōu)勢(shì)目前，可以提供800-1000nm波段的近紅外光源主要有三種：紅外LED、紅外LD-EEL（邊發(fā)射激光二極管）和VCSEL（垂直腔面發(fā)射激光器）。早期3D傳感系統(tǒng)一般都使用LED作為紅外光源，但是隨著VCSEL技術(shù)的成熟，性?xún)r(jià)比已經(jīng)接近紅外LED，除此之外，在技術(shù)方面，由于LED不具有諧振腔，導(dǎo)致光束更加發(fā)散，在耦合性方面很差，而VCSEL在精確度、小型化、低功耗、可靠性全方面占優(yōu)的情況下，現(xiàn)在常見(jiàn)的3D攝像頭系統(tǒng)一般都采用VCSEL作為紅外光源。而與傳統(tǒng)邊發(fā)射激光器相比，VCSEL在光束質(zhì)量、與光纖耦合效率、腔面反射率上都具有較大優(yōu)勢(shì)，且因?yàn)閂CSEL發(fā)射光線垂直于襯底而邊發(fā)射激光器發(fā)射光線平行于襯底，因此VCSEL能夠?qū)崿F(xiàn)二維陣列而邊發(fā)射激光器不行。下圖為三種光源的比較圖：圖二：VCSEL與LED光源性能對(duì)比圖圖三：VCSEL與邊發(fā)射激光器對(duì)比圖從近兩年上市的具有3D攝像頭的產(chǎn)品也能看到，紅外光源由LED向VCSEL轉(zhuǎn)變是必定趨勢(shì)。從2016年意法半導(dǎo)體及AMS旗下Heptagon發(fā)布的光學(xué)模塊新產(chǎn)品來(lái)看，均采用VCSEL作為紅外線光源，且消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品聯(lián)想Phab2ProAR手機(jī)與IntelRealSenseSR300包括iPhoneX均采用了VCSEL作為紅外光源。3.VCSEL產(chǎn)品目前VCSEL領(lǐng)域主要廠商共有5家，分別是Lumentum、Finisar、II-VI、PhilipsPhotonics和HLJ華立捷。下圖為各個(gè)公司的代表產(chǎn)品：綜上，微投成像和3D攝像將是未來(lái)AR產(chǎn)業(yè)兩大核心技術(shù)，以VCSEL為代表的半導(dǎo)體激光器件將成為AR光學(xué)技術(shù)的最基礎(chǔ)部件，引領(lǐng)消費(fèi)電子光學(xué)時(shí)代。而隨著投影顯示技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)投影系統(tǒng)的亮度、解析度、色彩豐富性的要求將會(huì)越來(lái)越高，光源作為投影系統(tǒng)的重要部件，其發(fā)光特性將直接決定投影系統(tǒng)質(zhì)量。激光光束色度、照度高度均勻，具有亮度高、單色性好、波長(zhǎng)固定等傳統(tǒng)光源無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，未來(lái)取代LED成為微型投影模塊、投影儀、投影電視等設(shè)備光源將是大概率事件。目前，激光顯示技術(shù)主要有三基色純激光、熒光粉+藍(lán)光、LED+激光混合光源三種技術(shù)，對(duì)比來(lái)看，三基色純激光優(yōu)勢(shì)較為明顯。三基色激光被業(yè)界視為最正統(tǒng)的激光光源，其具有色域廣、光效高、壽命長(zhǎng)、功耗低、一致性好、色溫亮度可調(diào)、穩(wěn)定、安全可靠免維護(hù)、應(yīng)用靈活等優(yōu)點(diǎn)。圖八：三基色純激光顯示原理示意圖技術(shù)進(jìn)展來(lái)看，紅光激光二極管技術(shù)（包括VCSEL紅光陣列）發(fā)展已經(jīng)十分成熟，藍(lán)光激光二極管價(jià)格尚高，綠光激光二極管則還有待發(fā)展。從已披露專(zhuān)利來(lái)看，目前已有“紅光VCSEL陣列+藍(lán)光VCSEL陣列+綠色全固體激光器”的解決方案，VCSEL單元用于發(fā)出圓化激光光束，經(jīng)過(guò)微透鏡陣列準(zhǔn)直化后作為R、B光輸出。此外，采用VCSEL面陣可以減少VCSEL激光器之間的干涉性，弱化激光散斑，從而提高投影顯示質(zhì)量。圖九：采用VCSEL作為藍(lán)光/紅光陣列，單元光束經(jīng)微透鏡準(zhǔn)直化后輸出三.VCSEL在激光雷達(dá)領(lǐng)域的應(yīng)用日本汽車(chē)電子廠家日本電裝近期公布了對(duì)Trilumina公司的戰(zhàn)略投資，該公司主要進(jìn)行針對(duì)雷達(dá)設(shè)備的高功率VCSEL陣列開(kāi)發(fā)，而這些雷達(dá)設(shè)備主要面向輔助駕駛和無(wú)人駕駛應(yīng)用。在CES2017上，Trilumina公司展示了自己基于VCSEL陣列的256像素3D激光雷達(dá)解決方案，如若進(jìn)展順利，公司開(kāi)發(fā)的光源模塊將高清和遠(yuǎn)距離傳感器功能整合進(jìn)小尺寸、穩(wěn)定且具成本效益的包裝中，可取代目前應(yīng)用于自動(dòng)駕駛汽車(chē)示范項(xiàng)目的大尺寸、高成本掃描激光雷達(dá)。圖十：Trilumina公司基于VCSEL陣列的激光雷達(dá)圖十二：激光雷達(dá)感應(yīng)周?chē)?chē)距、三維重建四.總結(jié)+思考消費(fèi)級(jí)、工業(yè)級(jí)應(yīng)用市場(chǎng)拓展將帶來(lái)VCSEL市場(chǎng)跨越式增長(zhǎng)。根據(jù)研究機(jī)構(gòu)MarketsandMarkets的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，VCSEL的市場(chǎng)空間預(yù)計(jì)在2020年將達(dá)到約21億美元。隨著蘋(píng)果等大客戶(hù)導(dǎo)入基于VCSEL光源的3D攝像頭方案，其他廠商高端智能機(jī)以及AR產(chǎn)品將迅速跟進(jìn)，加上VCSEL陣列技術(shù)在激光雷達(dá)領(lǐng)域逐漸滲透，未來(lái)市場(chǎng)空間將遠(yuǎn)不止于此。故必須不斷研究并改進(jìn)VCSEL的結(jié)構(gòu)與工藝，使其達(dá)到更適宜的輸出功率與輸出波長(zhǎng)，更低的功耗等，從而擴(kuò)大應(yīng)用范圍與應(yīng)用深度。1.結(jié)構(gòu)方面普通VCSEL具有多橫模激射以及偏振方向不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，因此要想使VCSEL能夠在傳感器領(lǐng)域使用，就需要改善VCSEL的橫向模式、實(shí)現(xiàn)激光器基橫模工作。一種方案是采用光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器。在光子晶體VCSEL中，光子晶體空氣孔結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)器件的橫模引入模式損耗，由于不同階橫模分布位置不同，進(jìn)而引入的損耗也不相同，高階橫模由于引入模式損耗較大而被抑制，基橫模由于引入損耗較小而易于激射。因此，將光子晶體空氣孔結(jié)構(gòu)可以有效的控制VCSEL的模式，使器件工作在基橫模狀態(tài)，從而獲得更小的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角、更均勻的光強(qiáng)分布、更窄的光譜線寬。圖十三：光子晶體VCSEL（a）（b）（c）圖十四：光子晶體VCSEL(a)850nm波長(zhǎng)PC-VCSEL示意圖(b)PhC-VCSEL俯視圖(c)刻蝕孔的SEM圖2.安全方面目前應(yīng)用VCSEL的領(lǐng)域，無(wú)論是智能手機(jī)的3D攝像頭、AR眼鏡與微型投影儀還是激光雷達(dá)等，都與人眼關(guān)系密切，因此用眼安全也存在問(wèn)題。當(dāng)前常用的850nmVCSEL并不處于絕對(duì)安全的波段，且人眼結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致此種影響指數(shù)級(jí)擴(kuò)大。激光對(duì)于人眼的傷害一般來(lái)說(shuō)對(duì)比皮膚表面的傷害要更加顯著。輻射波長(zhǎng)在400nm以上到700nm的可見(jiàn)光波，會(huì)穿透眼睛的視網(wǎng)膜、水晶體和玻璃體，主要對(duì)眼睛的視網(wǎng)膜造成傷害。近紅外波段（780~1400nm）也會(huì)造成白內(nèi)障、視網(wǎng)膜損傷。但輻射波長(zhǎng)在400nm以下以及1400nm以上的激光，幾乎都被晶體吸收了，所以不會(huì)造成眼球內(nèi)部的傷害。圖十五：安全的波長(zhǎng)在小于400nm，大于1400nm處圖十六：不同輻射波長(zhǎng)聚焦在眼睛的位置如上圖所示，940nm左右波長(zhǎng)的VCSEL在相鄰波段吸收最少，相對(duì)安全，但仍有損傷。因此，如何調(diào)整VCSEL結(jié)構(gòu)與整個(gè)激光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使之對(duì)人眼傷害降到最低，又能保持良好的性能，仍然值得研究。3.其他方面觀察發(fā)現(xiàn),目前許多VCSEL器件都需要要與微型準(zhǔn)直透鏡和衍射光學(xué)元件（DOE）組合使用，以