微型化垂直共振腔面射型雷射(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL)具備體積輕小、省電、光準直性等優點，可應用在人臉辨識、光纖傳輸、攜帶式投影機、擴增實境AR眼鏡，被稱為下一世代光源；也被認為是實現AR元宇宙應用商業化的關鍵技術。
根據市場研究機構TrendForce指出，VCSEL技術為許多高階手持式裝置與設備的重要元件，2021年相關VCSEL總產值為18.42億美元，在需求大幅提升下，預計2025年總產值將上看23億美元。
其中，擴增實境AR眼鏡將成為智慧手機之後的主流行動裝置。特別是在元宇宙的願景被提出後，預估2020年至2027年間年成長率達5%以上，2027年市場規模高達1,972億美元，促使更多廠商投入相關新創產業，開發如光機引擎或微型顯示器等關鍵技術或產品，期望能滿足AR眼鏡在視覺光源之顯示品質、外觀體積重量與耗能等各方面關鍵需求。
然而，現今AR眼鏡顯示光機的光源技術類型，主要將顯示器以側掛式投影技術為主要發展方向，再搭配光波導技術以減少光機相關體積；然而，此一技術在日光背景或戶外的使用情境下，因光波導效率極差(<1%)，因此整體穿戴裝置亮度仍不足。
為此，VCSEL備受產業期待，因其具備高準直、高耦光效率、純波長等優勢，可運用於現在主流之光波導光學架構，或是未來主流之超穎光學架構上，進而實現更好的亮度、光學效率表現；VCSEL也因而被認為是克服AR裝置亮度不足的關鍵光源技術，以提升AR眼鏡在日光環境的可用性、使用續航力等。
工研院電光系統所所長張世杰指出，VCSEL技術在輸出功率、轉換效率與光束品質等方面均優於既有的LED，且擁有更高的穩定性，已被廣泛應用於3D感測應用及光通訊技術。
不過，要開發出高效率的VCSEL光源也不是件容易的事，因為需要先克服三大技術瓶頸，分別是磊晶、反射鏡製造，以及歐姆金屬厚薄度。為此，工研院與具有VCSEL元件獨家反射鏡技術的美國Ganvix公司合作，共同投入藍綠光VCSEL雷射元件開發(圖1)，並搭配AR眼鏡進行系統驗證。
圖1 工研院攜手Ganvix加速VCSEL藍綠光開發
工研院電光系統所組長方彥翔表示，藍綠光發光層是高In含量的InGaN材料，與GaN薄膜的晶格不匹配會容易形成相當多的缺陷，造成量子井的發光效率下降，以致無法提供足夠的增益來形成雷射放光。因此，雷射放光對薄膜品質的要求遠大於發光二極體；這也意味著要開發高效率的VCSEL光源，需要搭配高品質氮化鎵薄膜磊晶技術。
除此之外，高導電且高反射率之nDBR反射鏡製造技術也是不可或缺。方彥翔進一步說明，以工研院和Ganvix的合作為例，雙方採用創新Ge重摻雜磊晶技術，形成n-type摻雜濃度大於5e19/ cm，並使用電化學選擇性蝕刻在Ge重摻雜層形容nano-porous孔洞結構，造成折射率差距形成高反射率之nDBR。透過重摻雜可同步獲得超低阻值(圖2)，藉此開發出低製造成本、高導電和高反射率的nDBR技術，大幅提升VCSEL效率。
圖2 透過高反射率nDBR技術可提升VCSEL效率
最後則是高導電且高穿透之超薄ITO之p-type歐姆接觸技術。方彥翔解釋，為了形成好的cavity mode，p-type歐姆金屬之ITO層需要控制到相當薄(<30nm)的厚度，且表面必須平整才不至於影響光的穿透率。
總而言之，藍綠光VCSEL愈加成熟，將能開拓更多元的應用。而繼2022年成功開發第一階段藍光VCSEL元件，提供更高的頻寬和更快的傳輸速率後；工研院與Ganvix今年將進一步研發效能更佳、低功耗之綠光VCSEL，未來可望在AR元宇宙、高階感測、雷射探測與測距(Light Detection And Ranging, LiDAR)等領域中，加速無線網路和光學傳輸系統速度，以低功耗提供具高度可靠性和可重複性的技術。
張世杰強調，為了加快藍綠光VCSEL元件上市時間，工研院將繼續運用光電元件製造方面的研發能量，協助Ganvix製造高性能、低成本GaN VCSEL元件，未來可望進入數十億美元的全球市場，攜手台灣產業跨足包括雷射探測與測距、雷射顯示應用等高階感測應用與元宇宙市場應用。
Ganvix首席執行官John Fijol也透露，未來將持續與工研院合作加速新型雷射元件商業化的進程，期待提升VCSEL元件商品化與產業化的速度。