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3D传感的关键技术:VCSEL

类别:行业知识  

因为苹果(Apple),许多的老技术开始找到自己的第二春,垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)是最新的一个,由于苹果iPhone X的脸部辨识应用,让这项过去多使用在通讯领域的高阶技术有了新的市场, 而且火红的程度几乎与当初的电容式触控相当。
由于VCSEL制造属于半导体层级,且涉及光学与电子,因此台湾切入的业者多以光电业者居多,例如LED制造商,或者光导体的封装业者。 本文则是取自飞利浦(PHILIPS)的网站说明,对此技术做一次重点的回顾,当然飞利浦就是一家典型具备半导体与光学技术的业者。

VCSEL就是「垂直共振腔面射型雷射(VerTIcal Cavity Surface EmitTIng Laser)」的缩写,其结构和功能如图(a)所示。 VCSEL是一种半导体雷射二极管,其发射垂直于表面的光(1)。 发光器由多个主动层组成,厚度为奈米等级。

在这些层中,电子载体被转换成光,在主动层之上和之下,多层交替折射率形成共振镜(4);短的雷射腔需要反射镜的高反射率才能获得足够的增益,掺杂的半导体镜额外为主动层提供电触点(2)和(3) ;主动区的尺寸由靠近主动层的氧化层(6)的宽度来定义。

此半导体层的结构和垂直光束允许在一个生成步骤中产生功能完整的雷射光,在这个外延生成过程之后,标准的半导体晶圆处理步骤则定义了光发射区域,并为各个雷射二极管提供电端子。

VCSEL的垂直结构能建立大量的雷射彼此相邻并形成二维数组。 依据应用的不同,这些数组中的VCSEL可以单独通电连接(靠着个别接触,例如用在:多信道的数据通信应用),或者并联通电。 在大量雷射并联的设置中,透过厚导体层(5)将电流提供给各个激光器,以向数组提供低电阻电端子。

VCSEL数组是由数千个微型激光器在GaAs晶圆上以半导体流程制造所组成,单个雷射光器之间的典型间距在40微米的范围内,其波长在800nm和1100nm之间,最常用的是808nm,850nm和980nm,每个线宽为几纳米。

相较于红外线LED,VCSEL具有非常窄的线宽和非常正向发射的特性。 其芯片从晶圆中切割并安装到载体上,而其使用的组装程序则是LED产业众所周知的步骤。

此外,VCSEL的亮度范围在传统雷射和灯或LED之间,且该技术提供可扩展(scalable)的系统功率,因此高功率VCSEL系统对许多应用来说就是一个极有吸引力的解决方案。