3D傳感技術(shù)已經(jīng)在智能手機(jī)的人臉識(shí)別等應(yīng)用中得到了普及，但自主駕駛等新興應(yīng)用中對(duì)其他3D傳感的技術(shù)需求，則是基于飛行時(shí)間（TOF）和近紅外VCSEL技術(shù)的不同3D傳感技術(shù)解決方案。同時(shí)，其他類型的VCSEL如短波VCSEL和藍(lán)光VCSEL也因其在數(shù)據(jù)通信、3D打印、芯片大小的原子鐘、HB光源等應(yīng)用的巨大市場(chǎng)潛力而備受關(guān)注。

　　選擇正確的3D技術(shù)

　　這一切都是為了實(shí)現(xiàn)精確的光學(xué)距離測(cè)量。目前可用的典型光學(xué)距離測(cè)量技術(shù)，干涉測(cè)量、三角測(cè)量和TOF的相對(duì)優(yōu)點(diǎn)如表1所示。使用幾何方法的三角測(cè)量（結(jié)構(gòu)光或立體）對(duì)于當(dāng)今許多移動(dòng)電話中的相機(jī)是理想解決方案，因?yàn)闇y(cè)量范圍在米范圍內(nèi)就可實(shí)現(xiàn)。

　　但對(duì)于新興的應(yīng)用包括攝影和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，測(cè)量的范圍更大，照明條件更惡劣。Yole等行業(yè)分析機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)，飛行時(shí)間技術(shù)將在未來占據(jù)主導(dǎo)地位。激光雷達(dá)（光探測(cè)和測(cè)距），實(shí)現(xiàn)自主駕駛這也將要求像TOF這樣的傳感技術(shù)，在更長的距離和一系列具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境光條件下有效。

　　TOF技術(shù)依賴極其快速、準(zhǔn)確和精確地測(cè)量光源發(fā)出的光到達(dá)物體，然后物體反射光返回探測(cè)器所需的時(shí)間。探測(cè)器處返回信號(hào)的有效濾波、讀取和分析是實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)性能的關(guān)鍵步驟，光源（通常是LED或VCSEL）的選擇起著關(guān)鍵作用。通過定義光源的多個(gè)理想特性，可以優(yōu)化整體檢測(cè)效率和準(zhǔn)確性。

　　具有高峰值功率和窄脈沖寬度的光源，對(duì)于實(shí)現(xiàn)像激光雷達(dá)這樣的室外長距離測(cè)量的高信噪比至關(guān)重要，因?yàn)閬碜阅繕?biāo)的光源反射信號(hào)非常微弱，而陽光產(chǎn)生的背景噪聲又非常強(qiáng)。太陽是TOF技術(shù)的最大敵人，因?yàn)樗o探測(cè)器帶來了如此多的背景噪聲。因此，需要一個(gè)帶通濾波器來濾除環(huán)境中的光子。然而，如果光源因溫度而產(chǎn)生較大的光譜偏移（例如在季節(jié)變化期間），則需要實(shí)現(xiàn)相對(duì)較寬的濾波器光譜寬度以補(bǔ)償光譜偏移，從而導(dǎo)致更多的背景噪聲進(jìn)入，即濾波效果較差。

　　具有快速調(diào)制和短上升/下降時(shí)間的光源，對(duì)于人臉識(shí)別等短距離測(cè)量應(yīng)用非常重要。例如，人臉識(shí)別通常在距離低于兩米的情況下應(yīng)用，這通常要求調(diào)制頻率高于75MHz，上升/下降時(shí)間小于3ns。距離對(duì)物體反射光的強(qiáng)度有二次冪的影響。因此，具有大輸出強(qiáng)度的光源對(duì)于遠(yuǎn)距離距離測(cè)量至關(guān)重要。例如，激光雷達(dá)（200米之內(nèi)）需要比人臉識(shí)別（2米之內(nèi)）強(qiáng)10萬倍的照明能力。

　　表2顯示了近紅外范圍內(nèi)LED與VCSEL的典型性能?？梢郧宄乜吹?，VCSEL技術(shù)具有更高的工作頻率、更快的上升/下降時(shí)間、更窄的光譜寬度和更高的溫度穩(wěn)定性等顯著優(yōu)勢(shì)，這對(duì)于激光雷達(dá)等未來應(yīng)用至關(guān)重要。幸運(yùn)的是，VCSEL技術(shù)需要解決的“眼睛安全”等關(guān)鍵問題可以通過在源封裝中集成的“擴(kuò)散層”相對(duì)容易地解決。

　　Yole的分析報(bào)告稱，隨著激光雷達(dá)的出現(xiàn)，目前主導(dǎo)市場(chǎng)的3D傳感等近紅外應(yīng)用將繼續(xù)快速增長。然而他們還預(yù)計(jì)，未來幾年包括醫(yī)療、數(shù)據(jù)通信和打印在內(nèi)的其他應(yīng)用，將為其他波長范圍（如可見光、短波紅外或藍(lán)光）的其他VCSEL技術(shù)帶來增長機(jī)會(huì)，只要制造挑戰(zhàn)能夠得到解決。

　　提高性能的工藝訣竅

　　與LED不同，LED中的光子可能在有源區(qū)內(nèi)僅經(jīng)歷一次反射，光子可能在VCSEL腔內(nèi)多次反射，因此正面和背面具有極高反射率的分布式布拉格反射鏡（DBR）性能對(duì)于避免光輸出中不可接受的損失至關(guān)重要。濺射DBR層（圖1）可以通過以下方式提供優(yōu)于傳統(tǒng)外延層的顯著器件性能優(yōu)勢(shì)，尤其是在藍(lán)色區(qū)域。

　　更高的峰值反射率可提高光輸出；更寬的阻帶，適用于更大的波長范圍；較低的光譜偏移可提高產(chǎn)量；更薄的堆疊結(jié)構(gòu)，減少表面應(yīng)力；降低總阻力，提高效率。同樣重要的是，高通量盒式到盒式濺射系統(tǒng)上優(yōu)越的厚度均勻性、重復(fù)性和粒子性，能為實(shí)現(xiàn)連續(xù)高產(chǎn)量的批量生產(chǎn)提供了關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。

　　表3顯示了單層典型介電材料在優(yōu)化濺射平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的出色晶片對(duì)晶片、晶圓對(duì)晶片和運(yùn)行對(duì)運(yùn)行的均勻性。通過傳統(tǒng)MOCVD工藝生長的外延DBR堆疊的性能，將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于濺射堆疊的性能。

　　成熟的生產(chǎn)平臺(tái)

　　對(duì)于高達(dá)8英寸的基板批量處理，典型的盒式到盒式布局針對(duì)GaAs或GaN基產(chǎn)品的高通量處理進(jìn)行了優(yōu)化。現(xiàn)場(chǎng)等離子體發(fā)射監(jiān)測(cè)（PEM）與光學(xué)監(jiān)測(cè)（GSM）相結(jié)合的關(guān)鍵工藝控制技術(shù)，確保以最高吞吐量和優(yōu)化光譜性能的堆疊沉積完全化學(xué)計(jì)量的薄膜。

　　用于當(dāng)前近紅外VCSEL技術(shù)的成熟外延DBR工藝將繼續(xù)存在，但對(duì)于其他波長，如基于GaN的藍(lán)光VCSEL，由于可用外延材料的低折射率對(duì)比度，外延技術(shù)的器件性能和可制造性都受到限制。替代濺射解決方案的出現(xiàn)使VCSEL制造適用于其他波長范圍，并幫助新興應(yīng)用充分發(fā)揮其市場(chǎng)潛力。

　　Yole的分析視角

　　在全球范圍內(nèi)，預(yù)計(jì)到2025年全球VCSEL市場(chǎng)將達(dá)到26.515億美元，復(fù)合年增長率為18.3%。在細(xì)分應(yīng)用市場(chǎng)，VCSEL在電信和基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用（主要是數(shù)據(jù)通信）市場(chǎng)預(yù)計(jì)將在2025年達(dá)到5.16億美元，復(fù)合年增長率為13.2%；移動(dòng)和消費(fèi)應(yīng)用市場(chǎng)預(yù)計(jì)將達(dá)到8.436億美元的收入，2025年將達(dá)到21.05億美元，復(fù)合年增長率為20.1%；其他應(yīng)用則可能在中長期出現(xiàn)，如激光雷達(dá)或駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)等汽車應(yīng)用。

　　2020年，蘋果公司實(shí)現(xiàn)了一個(gè)激光雷達(dá)模塊。在該模塊中，使用的VCSEL與間接ToF模塊中的VCSELs非常不同。該模塊帶有VCSEL和SPAD陣列，使用直接飛行時(shí)間原理。VCSEL略有不同，具有更多的引線鍵合和金屬配置。與智能手機(jī)中使用的其他VCSEL陣列不同，在智能手機(jī)中，所有腔體都是同時(shí)驅(qū)動(dòng)的，該VCSEL數(shù)組具有多個(gè)連接，因此每條線都可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。

　　上述情況適用于兩個(gè)主要市場(chǎng)中使用的近紅外VCSEL。但是其他的利基應(yīng)用可以使用其他波長。另一方面，包括大學(xué)在內(nèi)的幾家公司正在開發(fā)基于GaN的VCSEL。他們中的大多數(shù)人關(guān)注藍(lán)光VCSEL，但也有一些人關(guān)注綠光VCSEL。這種VCSEL的目標(biāo)應(yīng)用將是AR和VR顯示器，因?yàn)榕cLED相比，功耗更低，顏色純度和亮度更好。

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