交通大學雷射60週年系列專文—介紹GaAs及GaN VCSEL

今年是雷射誕生60週年,是值得紀念的一年。雷射是20世紀以來,繼原子能、電腦和半導體之後,人類科學史上的又一重大發明,被稱為「最快的刀」、「最準的尺」和「最亮的光」。雷射的誕生使人類掌握了一種無與倫比的強大光源和工具,推進科技進步,並照亮我們的生活。

近20年來,由於光纖通訊的普及到近期的3D感測應用的展開,尤其是在IoT、Automobile、AR/VR/MR以及AI等等的應用上,三五族化合物半導體雷射引起廣泛的討論及研究。垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)不僅廣泛應用於數據通訊,更是3D視覺成像的重要元件,為3D視覺提供成像光源。

隨著行動裝置的普及和線上服務與社群網路的蓬勃,全球網路資訊流量以驚人的速度成長,傳統低頻寬、壽命低與易受電磁波干擾的電纜線漸漸被光纖所取代,而VCSEL應用於光通訊中有耗能低、光纖耦合損耗低、調變效率高與封裝整合容易等特點,所以發展出高速的VCSEL將會提升光通訊系統中的傳輸頻寬,就其發展歷史以及高速VCSEL的工作原理、動態特性、製造方式和在光通訊傳輸的應用等,本文有詳細的描述。

3D攝影鏡頭在傳統攝影鏡頭的基礎上引入基於飛行時間測距TOF(Time of Flight)或結構光(Structured Light)的3D感測技術,目前這兩種主流3D感測技術均為主動感測,因此3D攝影鏡頭與傳統照相鏡頭相比,主要增加紅外光源、光學元件和紅外光感測器等部分,其中最關鍵的部分就是紅外光源,主動感測的3D攝影技術通常使用紅外光來檢測目標,早期3D感測系統一般都使用LED作為紅外光源,但是隨著VCSEL技術的成熟,性價比已經超越紅外線LED。而在技術方面,由於LED不具有共振腔,導致光束更加發散,在耦合性方面很差,而VCSEL有精確度、小型化、低功耗和可靠性方面的優勢,現在常見的3D攝影鏡頭系統一般都採用VCSEL作為紅外光源,多應用於各種消費性電子,諸如滑鼠、手機鏡頭以及車用光達等。

VCSEL如能發射藍光和綠光,就能用於高解析度列印、高密度光學數據存儲以及生化感測等領域。氮化鎵(GaN)是一個很優秀的光電材料,尤其是在紫外光、藍光及綠光等波段。本文回顧了氮化鎵系列VCSEL的設計與製作方式及當中所面臨的一些挑戰,討論電激發的GaN VCSEL的磊晶結構設計及未來的應用前景。

未來,世界將持續邁向智慧化發展,VCSEL將廣泛應用在消費性電子3D感測成像、物聯網IoT、數據中心、雲端計算和自動駕駛等領域。其中,VCSEL在消費電子領域發揮越來越重要的作用,VCSEL可用於進行智慧型手機的人臉識別,無人機避障、VR / AR和掃地機器人等。

現有VCSEL廠商主要包括歐美的Broadcom、Lumentum、Finisar、II-VI、Philips Photonics、ams及Osram等,中國大陸的廠商則為三安光電、乾照光电、華燦光電、睿熙科技、縱慧、聚飛、山西唐晶量子、江蘇長光華芯等。台灣廠商方面,穩懋、華立捷、全新光電、光環科技、聯亞光電和晶成半導體等,也持續耕耘相關領域。

更多內容請參考:雷射六十週年系列-砷化鎵與氮化鎵垂直共振腔面射型雷射介紹

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