五大應用一步到位　VCSEL成通訊/測距幕後推手

事實上，VCSEL這項技術已發展多年。台大光電所所長林恭如表示，VCSEL先前最早應用於資料中心領域，而後一些3D感測、無人載具等應用對空間三維建構的需求起飛，使得VCSEL這項技術逐漸受到關注。甚至還有人將VCSEL用到遙測應用，透過偵測散色光的方式，分析空氣中的粒子濃度，以監控空氣品質狀況。 

林恭如談到，VCSEL用於測距應用牽涉到兩個層面，首先為雷射功率；其次是感測器雪崩光電二極體(Avalance Photodiode, APD)的靈敏度。通常光源反射回來的功率與光源很低，因此偵測器要更加靈敏才足以接收到反射光源的微弱訊號。與此同時，不同的光源，產生光的指向性與反射效果也會有所不同(圖1)。 

圖1 比較不同類型雷射光源的發光形式。

測距應用關鍵元件VCSEL/偵測器不可少 

整體而言，VCSEL、偵測器兩種元件整合而成的時差測距(ToF)模組，為實現測距應用必備素材。經由VCSEL將雷射光發射出去，再由偵測器(如APD或SPD(Single-photon Detector)類型的數位IC)接收散射光，合成一個收發模組。 

林恭如指出，VCSEL發射與反射回來的散射光訊號都是方波，受物體表面反射程度的不同，導致訊號來回之間產生出時間差的問題，需要透過數位IC負責偵測與區隔訊號源(圖2)。 

圖2 ToF模組3D感測工作原理示意圖

換言之，若要感測的物體為一個人臉，因為不同器官(如眼睛與鼻子形狀差異導致反射距離不同)的距離與反射程度的差異，會產生延遲性的問題，此時須由收發模組將此延遲紀錄下來，並建立一個基準點，以計算出人臉的高低起伏，掃描出一個3D的訊號。基於此，3D感測器需要有一個參考訊號做比較，計算反射回來的訊號和相對訊號延遲的時間，透過前後不斷掃描作為3D感測之間的連繫，故ToF模組就是在控制這些訊號的電路。 

林恭如表示，3D感測與光達的技術原理相近，差別在功率的大小與精準度。對於電路而言，無論是飛行時間或距離遠近，最終都須轉換成電壓訊號，故整體電路設計的優劣，將會影響轉換出來的電壓訊號變化。若電路無法測量電壓微小差距，時間微小差距也會難以偵測，導致整套系統無法感測出距離的微小變化。 

目前市面上已出現商用ToF模組，可偵測的距離高達兩公尺，測距時間不到30毫秒，且於正常工作模式下功耗僅為20毫瓦。可提供ToF模組的供應商包含意法半導體(ST)、英飛凌(Infineon)與德州儀器(TI)等廠商。 

另一方面，於光達應用中，由於發射距離需要比3D感測更遠，故需要更高的功率予以支援特定的掃描角度範圍。然而，雷射光功率若過高，將會對人體健康產生影響，故在一定的功率範圍內，還須要加上陣列(Array)的方式，提升感測距離。換言之，功率大小是依照發射面積與距離的不同而調整，若功率已經調整到最大，還無法解決損耗問題，可再透過陣列的方式，增加更多顆VCSEL元件調整。 

至於一個光達中，需要多少顆VCSEL才足以應付陣列所需的距離感測，林恭如認為，這部分需要考量製造商本身的成本與產品定位而評估，但可以預期無人車與無人機的市場將快速成長，實現防撞系統的建置。 

看好光達應用市場的發展潛力，VCSEL雷射陣列模組廠商TriLumina推出940nm VCSEL照明模組，用來驅動新型固態3D Lidar系統，加速先進駕駛輔助系統(ADAS)和自駕車應用的大規模市場部署。 

大啖資料中心商機　VCSEL再下一城 

除了距離感測的應用之外，VCSEL更於光通訊業界大放異彩。在最新技術發展藍圖中，VCSEL已被納入乙太網路的正式規範(IEEE 802.3bs)，是未來短距傳輸(資料中心、超級電腦)的主要光源。具有低功耗、高效率及高速等特性，市場需求量急速上升中，且能顯著帶動網路事業的效率及功能。 

林恭如透露，目前已有不少台廠可開發出資料中心低功率850nm VCSEL的原型設計，並且有意投入開發的廠商數量不斷增加。值得一提的是，雖然距離感測與資料中心都是採用VCSEL元件，但這兩項應用訴求天差地遠，使得設計方向產生極大差異。以資料中心來說，須要傳輸的距離較短，且於光纖內傳輸，工作環境相對較不嚴苛，主要強調高傳輸效能；相反的，距離感測應用運作於自由空間內，容易受到外在環境影響，面臨到降低損耗(抗損耗)的課題，例如打到牆壁散射回來的光很微弱，要求準確接收到光源，並計算感測距離。 

隨著愈來愈多半導體業者和科技大廠投入VCSEL的生產與製造，預計VCSEL相關應用將在邁入2018年後出現大幅度的進展。現階段，資料中心、3D感測與無人載具已成為VCSEL熱門發展重點，預計在智慧工廠、智慧家庭和醫療等應用市場也將快速成形，創造另一波成長高峰。