深入了解3D感測關鍵技術元件!交大團隊介紹VCSEL原理及特性(一)

3D感測幾乎已經是當前高階手機的標準配備,蘋果最新推出的iPad也納入相關技術跟功能,為未來將延伸的AR擴增實境應用鋪路。LEDinside預估2020年將有超過10款已上的高階機種採用3D感測方案,而其中關鍵零組件VCSEL的需求跟產值也將水漲船高。


(圖片來源:ams)

交通大學光電系的郭浩中教授、盧廷昌教授、王星宗教授以及台大電機系的吳肇欣教授率領旗下研究生,針對VCSEL元件進行解析,探討砷化鎵GaAs與氮化鎵GaN兩種VCSEL元件的特性以及應用展望。VCSEL包含共振腔以及垂直的兩個高反射性布拉格反射鏡DBR,透過異質接面結構設計以及不同折射率的兩種材料,讓VCSEL不需要很高的電流就能達成高發光效率。

交大的研究指出,在VCSEL的反射鏡設計中,接收光的深度要盡量縮小,以減少散射,並避免光學損耗還有熱效應。同時,VCSEL的電極也有許多不同的構造設計,其中高速VCSEL多以氧化型製造而成。藉由砷化鎵鋁層高溫濕氧化而形成的氧化層,厚度通常介於20至30nm,可有效降低VCSEL的光損耗並提高轉換效率,有利於光通訊傳輸應用。

相較於透過傳統高頻電纜進行的傳輸,光通訊具備質量輕、體積小、低延遲與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。從磊晶與製程技術來看,850 nm VCSEL元件是目前最成熟的產品,主要應用於資料中心內部傳輸系統。

交大的學者們則進一步探究要如何透過製程改良,提高光通訊的傳輸效率。VCSEL的共振腔結構通常需要搭配更多反射鏡來強化能量,但內部的反射鏡材料間的差異,則會阻礙電流內部傳輸。解決的方法包括在強化介面處材料處理,或是改變共振腔間的電極。目前交大光電已經成功作出40Gbps的高速VCSEL,在室溫下效率最高在5.3mA下可達到21.2Ghz。

為了因應無線行動通訊邁入5G時代,必須進一步提升傳輸效率,因此採用四階脈衝振幅調變模式( four-level pulse amplitude modulation. PAM-4)編碼技術進一步優化傳輸位元率,同時大幅降低成本。PAM-4具有四個不同的級別,可以對每個符號的兩位數據進行編碼,使連接的數據速率加倍。於2015年有相關報導指出利用PAM-4直接調變VCSEL晶片,使得在2公尺以及50公尺傳輸距離下其傳輸位元率分別可達至60Gbps以及50Gbps。若採用4種不同波長元件搭配四通道接口(quad small form-factor pluggable, QSFP)的收發模組,則可望進一步提升傳輸速度至400 Gbps。

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