VCSEL 助力 3D 感測技術與自駕車光達革新，提升機器視覺與環境互動能力

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垂直共振腔面射型雷射（vertical cavity surface emitting laser, VCSEL）是一種半導體雷射元件，顧名思義，就是雷射光束垂直於頂面射出，與由邊緣射出的邊射型雷射（edge emitting laser, EEL）有所不同。

這種先進的雷射技術正為機器視覺與環境互動能力的提升帶來一場革命，為3D感測技術和自駕車技術的發展開啟嶄新的篇章。

高速成長的 VCSEL 市場

根據知名調研機構 Yole Développement （Yole）發佈的《VCSEL–2022市場和技術趨勢》報告，由於智慧型手機、資訊通訊，以及車用等需求增加帶動成長，預估全球 VCSEL 市場將從 2022 年的 16 億美元，以 19.2% 複合年均成長率（compound annual growth rate, CAGR）成長，至 2027 年，將達到 39 億美元的市場規模。

圖一、Yole預估2022年至2027年的VCSEL市場成長預測。(Source: Yole Intelligence)

VCSEL 是由兩面分散式布拉格反射鏡（modified distributed Bragg reflectors, DBR），夾著一個主動層所組成的一種半導體雷射，該主動層通常具有一到數個量子井（quantum well, QW）。VCSEL的雷射光束垂直於頂面射出，因其結構允許雷射光束垂直向上或向下發射，這種垂直發射的結構不僅更容易進行製造和集成，且能更有效地與其他元件進行耦合。

圖二、傳統邊射型雷射EEL與垂直共振腔面射型雷射VCSEL之元件結構與雷射出光特性比較。（圖片來源：鴻海研究院）

相較於傳統邊射型雷射（EEL），VCSEL 產生的雷射光束通常具有較窄的光譜，在光通訊應用上也十分有利。此外，由於 VCSEL 相容於半導體製程，且不需如 EEL 的劈裂製程，VCSEL 的製造過程可以輕易大批量生產，有助於降低生產成本，這也是為什麼 VCSEL 在大規模消費產品，如智慧型手機中得到廣泛應用的原因之一。

更高的性能與高度可擴展性，VCSEL 將帶來新變革

此外，國立陽明交通大學（NYCU）講座教授郭浩中、國家實驗研究院科技政策研究與資訊中心與鴻海研究院（HHRI）洪瑜亨博士團隊攜手合作，從相關的論文與專利發表，研析各式雷射元件的發展情形，找出關鍵角色與技術進展趨勢，並為應用於光達場景的下一世代雷射提出看法，其研究成果《Progress of photonic-crystal surface-emitting lasers: a paradigm shift in LiDAR application》已發表在國際知名光電期刊 Crystals。全文詳見：https://doi.org/10.3390/cryst12060800。

圖三、垂直（V）與覆晶式（F）設計之VCSEL於室溫操作之溫度特性比較。（圖片來源：鴻海研究院）

針對不同功率所需，VCSEL 具有高度可擴展性，當多個 VCSEL 在平面上形成陣列結構，我們稱之為 VCSEL 陣列。這種設計加倍增加了 VCSEL 的功率和多功能性，更適合高功率的應用場景。此外，針對於這種應用場景，郭浩中也與鴻海研究院(HHRI)研究團隊攜手合作，利用覆晶式設計(flip-chip design)，可有效提高散熱效率，相關研究《High-Speed and High-Power 940 nm Flip-Chip VCSEL Array for LiDAR Application》已發表於國際知名光電期刊Crystals。全文詳見 https://doi.org/10.3390/cryst11101237。

圖四、所開發的高品質的單模態VCSEL側視圖（圖片未按比例繪製）。（圖片來源：鴻海研究院）

為了能更進一步提升 VCSEL 的雷射出光品質，並且能用於大規模製造高品質的單模態 VCSEL （single-mode VCSEL, SM-VCSEL），郭浩中與國立台灣大學、美國伊利諾大學厄巴納-香檳分校（與鴻海研究院研究團隊進行跨國合作，攜手探討以原子層沉積法（atomic layer deposition, ALD），沉積 Al2O3 通道封閉膜。該技術可以有效地減少 VCSEL 側壁的缺陷，從而顯著提高元件性能，實現高達 29.1 GHz 的調制頻寬，其研究成果《29GHzsingle-modevertical-cavity surface-emittinglaserspassivatedbyatomic layerdeposition》已發表在國際頂尖光電期刊Optics Express。全文詳見 https://doi.org/10.1364/OE.474930。

傳統的機器視覺能針對所擷取畫面的每一個像素進行編碼，但往往僅能得到二維的平面影像資訊，在深度資訊的獲取上具有一定難度。為了使機器能獲取立體視覺，像是在模仿人類雙眼，利用兩個投影點成像間的距離差便能計算出立體的資訊，也就是所謂的利用雙鏡頭（duo camera）景深相機來獲取立體視覺（stereo vision）。但這種深度的計算方式，主要仰賴於所拍攝的兩張影像，並不會主動投出光源做感測，這將導致較低的精確度且系統延遲較高；更致命的是，這種獲取立體資訊的方式並無法在昏暗環境中使用，也較難滿足如智慧型手機及自駕車等要求低系統延遲與全場景的使用情境。

因此，需要能夠主動獲取立體資訊的3D感測技術，因而開發出結構光（structured light）及飛時測距（time of flight, ToF）等技術。

3D 感測技術實為提升機器視覺能力，甚至進一步賦予機器與環境互動及行動化能力的關鍵。

圖五、VCSEL 於消費者領域的3D感測技術發展趨勢（Source: Yole Intelligence）。

結構光與飛時測距都是主動式的感測技術，結構光主要是將特定圖案的光打到目標物體上，每個圖案的光都具備有特定的編碼（light coding），而不同深度（或表面起伏）的物體將導致原圖案扭曲變形，也就是說，我們可藉由比較圖案差異，來獲取深度資訊。目前，蘋果公司主要採用結構光獲取深度資訊，隨著 2017 年蘋果公司的 iPhone X 推出，蘋果公司以 VCSEL 作為雷射光源，為消費領域的 3D 感測技術和使用案例設定了標準，而消費者領域對於 VCSEL 的需求也就逐年俱增。

圖六、用於自駕車LiDAR領域的VCSEL陣列，能獲取充足的車輛與環境資訊。(Source: Lumentum)

而針對探測距離較遠的狀況，飛時測距技術則提供了較為可靠且簡單的解決方案。系統將計算所打出的光與反射光之間的時間差，由於光速與所測得的時間差都是已知的，因此可以分容易的獲取對應的距離，相比於結構光的運算簡單不少；在技術面，飛時測距能感測的距離較遠，且系統複雜度與成本也相對低，系統對於抵抗環境光干擾也較佳。

近年來，VCSEL 主要供應商 Lumentum 發布了多節 VCSEL 陣列（multi-junction VCSEL arrays），能夠產生足夠的雷射能量，有望提供比消費電子產品更長距離傳感所需的功率等級，提供自駕車 LiDAR 的探測距離所需。當 VCSEL 通過短脈衝（奈秒級）驅動時，可以達到高達數百瓦的極高峰值功率，使它們成為短、中、長程 LiDAR 系統的理想選擇。

由於 VCSEL 陣列帶來更高的性能與高度可擴展性，為現代 3D 感測技術和自駕車 LiDAR 探測提供所需的重要解決方案，無疑已成為許多變革性技術的前沿。