台湾交通大学激光60周年系列专文:介绍GaAs及GaN VCSEL

日期:2020-05-19     来源:第三代半导体产业网    
核心提示:今年是激光诞生60周年,是值得纪念的一年。激光是20世纪以来,继原子能、电脑和半导体之后,人类科学史上的又一重大发明,被称为「最快的刀」、「最准的尺」和「最亮的光」。雷射的诞生使人类掌握了一种无与伦比的强大光源和工具,推进科技进步,并照亮我们的生活。
  今年是激光诞生60周年,是值得纪念的一年。激光是20世纪以来,继原子能、电脑和半导体之后,人类科学史上的又一重大发明,被称为「最快的刀」、「最准的尺」和「最亮的光」。雷射的诞生使人类掌握了一种无与伦比的强大光源和工具,推进科技进步,并照亮我们的生活。
 
  近20年来,由于光纤通讯的普及到近期的3D感测应用的展开,尤其是在IoT、Automobile、AR/VR/MR以及AI等等的应用上,三五族化合物半导体雷射引起广泛的讨论及研究。垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)不仅广泛应用于数据通讯,更是3D视觉成像的重要组件,为3D视觉提供成像光源。
 
  随着行动装置的普及和线上服务与社群网路的蓬勃,全球网路资讯流量以惊人的速度成长,传统低频宽、寿命低与易受电磁波干扰的电缆线渐渐被光纤所取代,而VCSEL应用于光通讯中有耗能低、光纤耦合损耗低、调变效率高与封装整合容易等特点,所以发展出高速的VCSEL将会提升光通讯系统中的传输频宽,就其发展历史以及高速VCSEL的工作原理、动态特性、制造方式和在光通讯传输的应用等,本文有详细的描述。
 
  3D摄影镜头在传统摄影镜头的基础上引入基于飞行时间测距TOF(Time of Flight)或结构光(Structured Light)的3D感测技术,目前这两种主流3D感测技术均为主动感测,因此3D摄影镜头与传统照相镜头相比,主要增加红外光源、光学组件和红外光感测器等部分,其中最关键的部分就是红外光源,主动感测的3D摄影技术通常使用红外光来检测目标,早期3D感测系统一般都使用LED作为红外光源,但是随着VCSEL技术的成熟,性价比已经超越红外线LED。
 
  而在技术方面,由于LED不具有共振腔,导致光束更加发散,在耦合性方面很差,而VCSEL有精确度、小型化、低功耗和可靠性方面的优势,现在常见的3D摄影镜头系统一般都采用VCSEL作为红外光源,多应用于各种消费性电子,诸如鼠标、手机镜头以及车用光达等。
 
  VCSEL如能发射蓝光和绿光,就能用于高分辨率打印、高密度光学数据存储以及生化感测等领域。氮化镓(GaN)是一个很优秀的光电材料,尤其是在紫外光、蓝光及绿光等波段。本文回顾了氮化镓系列VCSEL的设计与制作方式及当中所面临的一些挑战,讨论电激发的GaN VCSEL的磊晶结构设计及未来的应用前景。
 
  未来,世界将持续迈向智慧化发展,VCSEL将广泛应用在消费性电子3D感测成像、物联网IoT、数据中心、云端计算和自动驾驶等领域。其中,VCSEL在消费电子领域发挥越来越重要的作用,VCSEL可用于进行智能型手机的人脸识别,无人机避障、VR / AR和扫地机器人等。
 
  现有VCSEL厂商主要包括欧美的Broadcom、Lumentum、Finisar、II-VI、Philips Photonics、ams及Osram等,中国大陆的厂商则为三安光电、乾照光电、华灿光电、睿熙科技、纵慧、聚飞、山西唐晶量子、江苏长光华芯等。台湾厂商方面,稳懋、华立捷、全新光电、光环科技、联亚光电和晶成半导体等,也持续耕耘相关领域。
 
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