垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)发展十年磨一剑，终于在资料中心（Data center）与3D感测（3D Sensing）应用需求带动下，成为群雄竞逐焦点，其发展开始逆风翻扬，跃居成为带动相关供应链营收成长的隐形推手。

　　上集内容从VCSEL的产业应用趋势破题，点出VSCEL在产业的重要性，而后深入探讨其元件的基础设计原理、技术发展与系统架构，分析如何提升VCSEL的输出功率来增加光发射的距离；同时，也详细说明如何透过覆晶(Flip Chip)技术强化VSCEL散热及光电转换效率，为相关应用领域提升产品效能。本文将延续前述内容，将重心聚焦于资料中心与3D感测两项关键技术，分享其设计瓶颈与开发实务所将面临的问题与挑战。

　　光通讯发展刻不容缓?100G应用成主流

　　高雄科技大学电子工程系特聘教授施天从(图1)表示，2017年开始，资料中心数据传输已开始朝25G/100G方向前进，至于更长距离的资料中心传输，主流需求则往400G移动。目前在400G领域，已可看到有许多公司开始进入样品阶段，其产品设计最高每通道可达100Gbps。

　　图1 高雄科技大学电子工程系特聘教授施天从表示，2017年

　　100G将成为资料中心发展的起始点，持续渗透至各地区。

　　事实上，目前已有大型资料中心业者，如Facebook，预计采用以外调雷射(EML)技术为基础的400G方案，但该方案单价相当昂贵，故要如何架构这个网络目前尚未落实，可预见的是，100G的市场从2017年开始崭露头角，预计将会维持一段为时不短的采用时间。随着业界的连接埠速度从10G进化到25G和从40G进化到100G，资料中心也需要模块化的基础组件，以支援目前以及新一代的不同连接埠速度。

　　施天从谈到，资料中心内所需的光收发模块，可以分成四类，依照可传输距离长短依序分为In Rack、Across Row、Across DC(Data Center)、Between DC。英特尔(Intel)统计市场对于100G收发器的需求，预估在2020年，In Rack方案市场比重约10%+；Across Row市场比重约20%+；Across DC则接近约40%，最后，Between DC则约占10%+。整体而言，100G以上的资料中心市场，对于收发器的需求量约5.1亿美元。

　　产业应用主要采取多模设计为主，而多模在光纤中传输，会使其速度、距离受到限制，故VCSEL比较适合短距离传输，而资料中心所需的传输距离，正好为VCSEL施展拳脚的空间。

　　呼应上文描述的四大种类光收发模块，In Rack与Across Row这种传输距离在几百公尺以内的模块，非常适合采用多模的VCSEL设计。而Across DC、Between DC这类型的长距离传输的模块设计，则大多采用DFB和EML这种边射型雷射技术，搭配单模光纤进行传输。

　　VCSEL联手AOC助攻?资料中心市场如日中天除了光收发器之外，VCSEL在资料中心应用，亦可采用主动光纤电缆(Active Optical Cable, AOC)做为新世代数据传输的替代方案。施天从表示，透过光收发器进行传输，有时候可能会因为不良的插放，导致讯号接收干扰，故透过AOC方案可直接串连光纤与收发器，对于短距离传输应用的场域，AOC不失为一个良好的替代方案。

　　VCSEL利用雷射阵列将外层电子引入一个很薄的区域来模拟量子隧道响应，耦合光缆来传输讯号，所产生的电流将被引入到高反射率的反射镜及分布式布拉格反射镜；布拉格反射镜能将讯号固定在介质中垂直振荡在一个垂直于表面的方向，使光只经由包裹的圆形光束输出开口逸出至表面，形成在光纤壁较低的频率反射(图2)。

　　图2 AOC设计架构图 资料来源：高雄科技大学

　　VCSEL技术由于具备较高性能、较低成本及功耗，加上低位准电流特性有利实现高密度的雷射列阵，再者光是以垂直方向射出的，较小的发散角和圆形对称的远近场分布使其与光纤的耦合很容易，而无需复杂昂贵的光束整形系统。

　　施天从分析，在设计基于VCSEL技术的光收发模块与AOC时，须计算其光学结构，确认VCSEL的发光角度。相反于3D感测在设计时致力于扩大VCSEL发光角度，针对光通讯产业，则是要求VCSEL发光角度越小越好，普遍来说目前光通讯产业所设计的VCSEL发光角度约10~15度。

　　除了发光角度的要求外，讯号在光纤里的衰减状况与劣化状况，是采用VCSEL技术作为光通讯技术不容忽视的要点。色散(Dispersion)是导致光纤讯号衰减的一大挑战，由于VCSEL是多模的元件，因此每道发射出的光都会产生不同的等效折射率，在传输一段距离后，造成传输讯号失真(Distortion)，影响传输质量。换言之，发光角度与色散的挑战，考验着厂商的技术。

　　整体而言，VCSEL应用于资料中心与3D感测设计原理大同小异，但3D感测技术应用的功率是依照发射面积来调整，若功率已经调整到最大，还无法解决损耗问题，可再透过阵列的方式，多几颗VCSEL来调整，针对单一颗可以依照发射面积调整大小。

　　三大技术加持? 3D感测应用快速达阵

　　事实上，3D感测市场可透过立体影像(Stereo Vision)、结构光(Structure Light)、时差测距(ToF)来实现。苹果(Apple)iPhone X采用的是结构光技术，最大的原因在于其深度感测良好，无论是日间或夜间都能精准感知物体，适合短距离感测应用。基本上结构光就是透过线条或点打出一个图案，藉由这些线条与点的强度分布、形状变化，进行三角法计算，从而算出物体距离深度讯息(表1)。

　　表1 三种类型技术打造3D感测应用 资料来源：晶晟精密科技

　　相较之下，ToF的技术原理与结构光相近，藉由对目标连续发送光脉冲，进而透过传感器接收物体反射光回来的时间，计算目标物的距离，其感测元件CMOS芯片Pixel像素越高，分辨率就越高，较适用中长距离感测。不过相关供应链厂商也正积极开发能满足短距离的ToF应用，目标距离设定在约为50公分内的设计。

　　无论采用何种技术，皆有其优劣之处，目前采用结构光技术成本较高且设计复杂，短期市场可能会聚焦在立体影像设计，但该技术在夜间感测的精准度与深度判断与结构光相比，可能会略显不足。

　　晶晟精密科技博士张诒安(图3)谈到，VCSEL是结构光与ToF必要的光源。目前可提供VCSEL接收端的厂商，包含德州仪器(TI)、PMD、Panasonic、Sony与微软(Microsoft)等厂商。由于各家厂商的技术不同，其分辨率(Resolution)与CMOS阵列设计也都不尽相同，例如德州仪器(TI)的OPT8320，分辨率设计为80×60，适合在1公尺以内的工作距离进行ToF应用；若是应用需要高达15公尺以上的传输距离，则建议采用640×480分辨率设计，象是Panasonic生产的MN34906/2。

　　图3 晶晟精密科技博士张诒安认为，应用于智能型手机的

　　光学式指纹辨识技术，将是引爆VCSEL商机的新蓝海。

　　iPhone X导入结构光技术即是为了满足Face ID应用。张诒安分析，当未来云端支付使用量变大时，难以保证目前既有的二维条形码、密码锁、Touch ID的安全防护足够因应资料安全防护问题，故研发Face ID辨识技术，藉此提升Apple在云端支付应用的安全层级。

　　人脸辨识与触控辨识最大的不同在于「鉴别率」差异。一般指纹辨识约生成10~20个点，以鉴别率来看，约五万个人之中就可能出现与使用者指纹雷同的用户，进而启动手机的隐忧；而人脸辨识技术，基本上是百万个人次中，才会找到一位与自己长相雷同的人，因此这也意味着，人脸辨识的安全防护相较于指纹辨识来得严谨许多。

　　聚焦光学式指纹辨识?VCSEL下一步行动

　　事实上，VCSEL不仅可以用在人脸辨识技术，就连光学式指纹辨识也有望成为VCSEL下一个关注的应用焦点。虽然iPhone X在荧幕上端还有保有一个「浏海」设计，但不可否认，未来手机必将朝向全荧幕发展，届时光学式指纹辨识技术就成了全荧幕手机的关键技术，目前也有些方案商或手机大厂正长期关注这个市场。

　　张诒安认为，未来手机最有发展潜力的部分，大概就是导入光学式的指纹辨识技术。该技术就是在OLED或LCD显示器下面，加装一个TX、RX模块，以除去显示器上面的黑框图案，增加手机的美感。而光学式指纹辨识内的光源，则非VCSEL莫属。

　　由于智能型手机的用户会穿梭在室内、室外空间，在室外环境中，需要具备对抗环境红外线光的干扰问题，而此透过VCSEL的雷射频谱具备的先天优势加上设计改良，就能让智能型手机即便在阳光底下，也能轻松执行相关应用。

　　谈完了手机前方的应用，事实上，早已有一些手机将ToF技术导入到手机后方的相机模块，进行一些游戏、教学用途；举例来说，联想Phab 2 Pro将Google Tango技术导入手机之中，实现AR应用。此举证明，以目前ToF在手机这方面，其硬件与软件技术已准备就绪，若未来在APP软件开发能更加精进，将进一步加速AR/VR在手机应用，可想而知其市场发展潜力无穷。

　　整体而言，上述相关应用基本上皆是基础于雷射二极管的延伸设计，而关于雷射技术的安规与使用注意事项，也成了设计过程中，不容忽视的重要一环。

　　确保装置安全性? 雷射功率量测不可少

　　迪伸电子(LECC)总经理董欣志(图4)表示，雷射技术有各种不同的安全规范，目前所有IT产业大多数以Class 1的安规标准为主，测试距离为2,000mm，功率需小于0.39mW，也就是所谓的Eye Safety基本门槛。

　　图4 迪伸电子(LECC)总经理董欣志表示，电压电流功

　　率的控制是雷射量测过程中，极须注意的一大要点。

　　LD功率是经由Power Meter量测而来，并非传统的电流×电压的计算方式，一般规格书上都有详细说明Absolute Maximum Rating为5mW，意指若超过5mW时，LD(半模块)可能受损或导致不可恢复的损伤。

　　董欣志谈到，量测功率时必须要有角度，避免LD的光反射回来，影响PD(Im)值，因此光线一定要全部打进去Power Meter，才能得到正确的数据。此外，电压或电流过高会导致LD输出功率过高，造成LD不可恢复的损伤，因此重点在于电压电流功率的控制，而其中最重要的参数为功率输出。当测试LD时，不能以定电流测试，其因在于LD材质为三五族半导体，一致性不高，必须以定功率测试，才不会对LD产生损伤。

　　显而易见，VCSEL技术已成为消费性应用发展重要的关键元件，虽然现阶段看到明显成长的应用领域以智能型手机为主，不过该元件的应用潜力不仅止于此，未来预计将朝资料中心、工业自动化与自驾车等垂直应用领域继续前进，为业界创造更多设计商机。