數(shù)據(jù)中心/3D感測(cè)需求加溫 VCSEL商機(jī)水漲船高

ICCSZ訊 垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)發(fā)展十年磨一劍，終于在資料中心（Data center）與3D感測(cè)（3D Sensing）應(yīng)用需求帶動(dòng)下，成為群雄競(jìng)逐焦點(diǎn)，其發(fā)展開(kāi)始逆風(fēng)翻揚(yáng)，躍居成為帶動(dòng)相關(guān)供應(yīng)鏈營(yíng)收成長(zhǎng)的隱形推手。

上集內(nèi)容從VCSEL的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用趨勢(shì)破題，點(diǎn)出VSCEL在產(chǎn)業(yè)的重要性，而后深入探討其元件的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)原理、技術(shù)發(fā)展與系統(tǒng)架構(gòu)，分析如何提升VCSEL的輸出功率來(lái)增加光發(fā)射的距離；同時(shí)，也詳細(xì)說(shuō)明如何透過(guò)覆晶(Flip Chip)技術(shù)強(qiáng)化VSCEL散熱及光電轉(zhuǎn)換效率，為相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域提升產(chǎn)品效能。本文將延續(xù)前述內(nèi)容，將重心聚焦于資料中心與3D感測(cè)兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，分享其設(shè)計(jì)瓶頸與開(kāi)發(fā)實(shí)務(wù)所將面臨的問(wèn)題與挑戰(zhàn)。

光通訊發(fā)展刻不容緩 100G應(yīng)用成主流

高雄科技大學(xué)電子工程系特聘教授施天從(圖1)表示，2017年開(kāi)始，資料中心數(shù)據(jù)傳輸已開(kāi)始朝25G/100G方向前進(jìn)，至于更長(zhǎng)距離的資料中心傳輸，主流需求則往400G移動(dòng)。目前在400G領(lǐng)域，已可看到有許多公司開(kāi)始進(jìn)入樣品階段，其產(chǎn)品設(shè)計(jì)最高每通道可達(dá)100Gbps。

圖1 高雄科技大學(xué)電子工程系特聘教授施天從表示，2017年

100G將成為資料中心發(fā)展的起始點(diǎn)，持續(xù)滲透至各地區(qū)。

事實(shí)上，目前已有大型資料中心業(yè)者，如Facebook，預(yù)計(jì)采用以外調(diào)雷射(EML)技術(shù)為基礎(chǔ)的400G方案，但該方案單價(jià)相當(dāng)昂貴，故要如何架構(gòu)這個(gè)網(wǎng)絡(luò)目前尚未落實(shí)，可預(yù)見(jiàn)的是，100G的市場(chǎng)從2017年開(kāi)始嶄露頭角，預(yù)計(jì)將會(huì)維持一段為時(shí)不短的采用時(shí)間。隨著業(yè)界的連接埠速度從10G進(jìn)化到25G和從40G進(jìn)化到100G，資料中心也需要模塊化的基礎(chǔ)組件，以支援目前以及新一代的不同連接埠速度。

施天從談到，資料中心內(nèi)所需的光收發(fā)模塊，可以分成四類(lèi)，依照可傳輸距離長(zhǎng)短依序分為In Rack、Across Row、Across DC(Data Center)、Between DC。英特爾(Intel)統(tǒng)計(jì)市場(chǎng)對(duì)于100G收發(fā)器的需求，預(yù)估在2020年，In Rack方案市場(chǎng)比重約10%+；Across Row市場(chǎng)比重約20%+；Across DC則接近約40%，最后，Between DC則約占10%+。整體而言，100G以上的資料中心市場(chǎng)，對(duì)于收發(fā)器的需求量約5.1億美元。

產(chǎn)業(yè)應(yīng)用主要采取多模設(shè)計(jì)為主，而多模在光纖中傳輸，會(huì)使其速度、距離受到限制，故VCSEL比較適合短距離傳輸，而資料中心所需的傳輸距離，正好為VCSEL施展拳腳的空間。

呼應(yīng)上文描述的四大種類(lèi)光收發(fā)模塊，In Rack與Across Row這種傳輸距離在幾百公尺以內(nèi)的模塊，非常適合采用多模的VCSEL設(shè)計(jì)。而Across DC、Between DC這類(lèi)型的長(zhǎng)距離傳輸?shù)哪K設(shè)計(jì)，則大多采用DFB和EML這種邊射型雷射技術(shù)，搭配單模光纖進(jìn)行傳輸。

VCSEL聯(lián)手AOC助攻 資料中心市場(chǎng)如日中天除了光收發(fā)器之外，VCSEL在資料中心應(yīng)用，亦可采用主動(dòng)光纖電纜(Active Optical Cable, AOC)做為新世代數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶娲桨?。施天從表示，透過(guò)光收發(fā)器進(jìn)行傳輸，有時(shí)候可能會(huì)因?yàn)椴涣嫉牟宸?，?dǎo)致訊號(hào)接收干擾，故透過(guò)AOC方案可直接串連光纖與收發(fā)器，對(duì)于短距離傳輸應(yīng)用的場(chǎng)域，AOC不失為一個(gè)良好的替代方案。

VCSEL利用雷射陣列將外層電子引入一個(gè)很薄的區(qū)域來(lái)模擬量子隧道響應(yīng)，耦合光纜來(lái)傳輸訊號(hào)，所產(chǎn)生的電流將被引入到高反射率的反射鏡及分布式布拉格反射鏡；布拉格反射鏡能將訊號(hào)固定在介質(zhì)中垂直振蕩在一個(gè)垂直于表面的方向，使光只經(jīng)由包裹的圓形光束輸出開(kāi)口逸出至表面，形成在光纖壁較低的頻率反射(圖2)。

圖2 AOC設(shè)計(jì)架構(gòu)圖 資料來(lái)源：高雄科技大學(xué)

VCSEL技術(shù)由于具備較高性能、較低成本及功耗，加上低位準(zhǔn)電流特性有利實(shí)現(xiàn)高密度的雷射列陣，再者光是以垂直方向射出的，較小的發(fā)散角和圓形對(duì)稱的遠(yuǎn)近場(chǎng)分布使其與光纖的耦合很容易，而無(wú)需復(fù)雜昂貴的光束整形系統(tǒng)。

施天從分析，在設(shè)計(jì)基于VCSEL技術(shù)的光收發(fā)模塊與AOC時(shí)，須計(jì)算其光學(xué)結(jié)構(gòu)，確認(rèn)VCSEL的發(fā)光角度。相反于3D感測(cè)在設(shè)計(jì)時(shí)致力于擴(kuò)大VCSEL發(fā)光角度，針對(duì)光通訊產(chǎn)業(yè)，則是要求VCSEL發(fā)光角度越小越好，普遍來(lái)說(shuō)目前光通訊產(chǎn)業(yè)所設(shè)計(jì)的VCSEL發(fā)光角度約10~15度。

除了發(fā)光角度的要求外，訊號(hào)在光纖里的衰減狀況與劣化狀況，是采用VCSEL技術(shù)作為光通訊技術(shù)不容忽視的要點(diǎn)。色散(Dispersion)是導(dǎo)致光纖訊號(hào)衰減的一大挑戰(zhàn)，由于VCSEL是多模的元件，因此每道發(fā)射出的光都會(huì)產(chǎn)生不同的等效折射率，在傳輸一段距離后，造成傳輸訊號(hào)失真(Distortion)，影響傳輸質(zhì)量。換言之，發(fā)光角度與色散的挑戰(zhàn)，考驗(yàn)著廠商的技術(shù)。

整體而言，VCSEL應(yīng)用于資料中心與3D感測(cè)設(shè)計(jì)原理大同小異，但3D感測(cè)技術(shù)應(yīng)用的功率是依照發(fā)射面積來(lái)調(diào)整，若功率已經(jīng)調(diào)整到最大，還無(wú)法解決損耗問(wèn)題，可再透過(guò)陣列的方式，多幾顆VCSEL來(lái)調(diào)整，針對(duì)單一顆可以依照發(fā)射面積調(diào)整大小。

三大技術(shù)加持  3D感測(cè)應(yīng)用快速達(dá)陣

事實(shí)上，3D感測(cè)市場(chǎng)可透過(guò)立體影像(Stereo Vision)、結(jié)構(gòu)光(Structure Light)、時(shí)差測(cè)距(ToF)來(lái)實(shí)現(xiàn)。蘋(píng)果(Apple)iPhone X采用的是結(jié)構(gòu)光技術(shù)，最大的原因在于其深度感測(cè)良好，無(wú)論是日間或夜間都能精準(zhǔn)感知物體，適合短距離感測(cè)應(yīng)用。基本上結(jié)構(gòu)光就是透過(guò)線條或點(diǎn)打出一個(gè)圖案，藉由這些線條與點(diǎn)的強(qiáng)度分布、形狀變化，進(jìn)行三角法計(jì)算，從而算出物體距離深度訊息(表1)。

表1 三種類(lèi)型技術(shù)打造3D感測(cè)應(yīng)用 資料來(lái)源：晶晟精密科技

相較之下，ToF的技術(shù)原理與結(jié)構(gòu)光相近，藉由對(duì)目標(biāo)連續(xù)發(fā)送光脈沖，進(jìn)而透過(guò)傳感器接收物體反射光回來(lái)的時(shí)間，計(jì)算目標(biāo)物的距離，其感測(cè)元件CMOS芯片Pixel像素越高，分辨率就越高，較適用中長(zhǎng)距離感測(cè)。不過(guò)相關(guān)供應(yīng)鏈廠商也正積極開(kāi)發(fā)能滿足短距離的ToF應(yīng)用，目標(biāo)距離設(shè)定在約為50公分內(nèi)的設(shè)計(jì)。

無(wú)論采用何種技術(shù)，皆有其優(yōu)劣之處，目前采用結(jié)構(gòu)光技術(shù)成本較高且設(shè)計(jì)復(fù)雜，短期市場(chǎng)可能會(huì)聚焦在立體影像設(shè)計(jì)，但該技術(shù)在夜間感測(cè)的精準(zhǔn)度與深度判斷與結(jié)構(gòu)光相比，可能會(huì)略顯不足。

晶晟精密科技博士張?jiān)r安(圖3)談到，VCSEL是結(jié)構(gòu)光與ToF必要的光源。目前可提供VCSEL接收端的廠商，包含德州儀器(TI)、PMD、Panasonic、Sony與微軟(Microsoft)等廠商。由于各家廠商的技術(shù)不同，其分辨率(Resolution)與CMOS陣列設(shè)計(jì)也都不盡相同，例如德州儀器(TI)的OPT8320，分辨率設(shè)計(jì)為80×60，適合在1公尺以內(nèi)的工作距離進(jìn)行ToF應(yīng)用；若是應(yīng)用需要高達(dá)15公尺以上的傳輸距離，則建議采用640×480分辨率設(shè)計(jì)，象是Panasonic生產(chǎn)的MN34906/2。

圖3 晶晟精密科技博士張?jiān)r安認(rèn)為，應(yīng)用于智能型手機(jī)的

光學(xué)式指紋辨識(shí)技術(shù)，將是引爆VCSEL商機(jī)的新藍(lán)海。

iPhone X導(dǎo)入結(jié)構(gòu)光技術(shù)即是為了滿足Face ID應(yīng)用。張?jiān)r安分析，當(dāng)未來(lái)云端支付使用量變大時(shí)，難以保證目前既有的二維條形碼、密碼鎖、Touch ID的安全防護(hù)足夠因應(yīng)資料安全防護(hù)問(wèn)題，故研發(fā)Face ID辨識(shí)技術(shù)，藉此提升Apple在云端支付應(yīng)用的安全層級(jí)。

人臉辨識(shí)與觸控辨識(shí)最大的不同在于「鑒別率」差異。一般指紋辨識(shí)約生成10~20個(gè)點(diǎn)，以鑒別率來(lái)看，約五萬(wàn)個(gè)人之中就可能出現(xiàn)與使用者指紋雷同的用戶，進(jìn)而啟動(dòng)手機(jī)的隱憂；而人臉辨識(shí)技術(shù)，基本上是百萬(wàn)個(gè)人次中，才會(huì)找到一位與自己長(zhǎng)相雷同的人，因此這也意味著，人臉辨識(shí)的安全防護(hù)相較于指紋辨識(shí)來(lái)得嚴(yán)謹(jǐn)許多。

聚焦光學(xué)式指紋辨識(shí) VCSEL下一步行動(dòng)

事實(shí)上，VCSEL不僅可以用在人臉辨識(shí)技術(shù)，就連光學(xué)式指紋辨識(shí)也有望成為VCSEL下一個(gè)關(guān)注的應(yīng)用焦點(diǎn)。雖然iPhone X在熒幕上端還有保有一個(gè)「瀏?！乖O(shè)計(jì)，但不可否認(rèn)，未來(lái)手機(jī)必將朝向全熒幕發(fā)展，屆時(shí)光學(xué)式指紋辨識(shí)技術(shù)就成了全熒幕手機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，目前也有些方案商或手機(jī)大廠正長(zhǎng)期關(guān)注這個(gè)市場(chǎng)。

張?jiān)r安認(rèn)為，未來(lái)手機(jī)最有發(fā)展?jié)摿Φ牟糠?，大概就是?dǎo)入光學(xué)式的指紋辨識(shí)技術(shù)。該技術(shù)就是在OLED或LCD顯示器下面，加裝一個(gè)TX、RX模塊，以除去顯示器上面的黑框圖案，增加手機(jī)的美感。而光學(xué)式指紋辨識(shí)內(nèi)的光源，則非VCSEL莫屬。

由于智能型手機(jī)的用戶會(huì)穿梭在室內(nèi)、室外空間，在室外環(huán)境中，需要具備對(duì)抗環(huán)境紅外線光的干擾問(wèn)題，而此透過(guò)VCSEL的雷射頻譜具備的先天優(yōu)勢(shì)加上設(shè)計(jì)改良，就能讓智能型手機(jī)即便在陽(yáng)光底下，也能輕松執(zhí)行相關(guān)應(yīng)用。

談完了手機(jī)前方的應(yīng)用，事實(shí)上，早已有一些手機(jī)將ToF技術(shù)導(dǎo)入到手機(jī)后方的相機(jī)模塊，進(jìn)行一些游戲、教學(xué)用途；舉例來(lái)說(shuō)，聯(lián)想Phab 2 Pro將Google Tango技術(shù)導(dǎo)入手機(jī)之中，實(shí)現(xiàn)AR應(yīng)用。此舉證明，以目前ToF在手機(jī)這方面，其硬件與軟件技術(shù)已準(zhǔn)備就緒，若未來(lái)在APP軟件開(kāi)發(fā)能更加精進(jìn)，將進(jìn)一步加速AR/VR在手機(jī)應(yīng)用，可想而知其市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿o(wú)窮。

整體而言，上述相關(guān)應(yīng)用基本上皆是基礎(chǔ)于雷射二極管的延伸設(shè)計(jì)，而關(guān)于雷射技術(shù)的安規(guī)與使用注意事項(xiàng)，也成了設(shè)計(jì)過(guò)程中，不容忽視的重要一環(huán)。

確保裝置安全性  雷射功率量測(cè)不可少

迪伸電子(LECC)總經(jīng)理董欣志(圖4)表示，雷射技術(shù)有各種不同的安全規(guī)范，目前所有IT產(chǎn)業(yè)大多數(shù)以Class 1的安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)為主，測(cè)試距離為2,000mm，功率需小于0.39mW，也就是所謂的Eye Safety基本門(mén)檻。

圖4 迪伸電子(LECC)總經(jīng)理董欣志表示，電壓電流功

率的控制是雷射量測(cè)過(guò)程中，極須注意的一大要點(diǎn)。

LD功率是經(jīng)由Power Meter量測(cè)而來(lái)，并非傳統(tǒng)的電流×電壓的計(jì)算方式，一般規(guī)格書(shū)上都有詳細(xì)說(shuō)明Absolute Maximum Rating為5mW，意指若超過(guò)5mW時(shí)，LD(半模塊)可能受損或?qū)е虏豢苫謴?fù)的損傷。

董欣志談到，量測(cè)功率時(shí)必須要有角度，避免LD的光反射回來(lái)，影響PD(Im)值，因此光線一定要全部打進(jìn)去Power Meter，才能得到正確的數(shù)據(jù)。此外，電壓或電流過(guò)高會(huì)導(dǎo)致LD輸出功率過(guò)高，造成LD不可恢復(fù)的損傷，因此重點(diǎn)在于電壓電流功率的控制，而其中最重要的參數(shù)為功率輸出。當(dāng)測(cè)試LD時(shí)，不能以定電流測(cè)試，其因在于LD材質(zhì)為三五族半導(dǎo)體，一致性不高，必須以定功率測(cè)試，才不會(huì)對(duì)LD產(chǎn)生損傷。

顯而易見(jiàn)，VCSEL技術(shù)已成為消費(fèi)性應(yīng)用發(fā)展重要的關(guān)鍵元件，雖然現(xiàn)階段看到明顯成長(zhǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域以智能型手機(jī)為主，不過(guò)該元件的應(yīng)用潛力不僅止于此，未來(lái)預(yù)計(jì)將朝資料中心、工業(yè)自動(dòng)化與自駕車(chē)等垂直應(yīng)用領(lǐng)域繼續(xù)前進(jìn)，為業(yè)界創(chuàng)造更多設(shè)計(jì)商機(jī)。

作者：盧佳柔