iPhone X 臉部解鎖的關鍵元件:垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)

作者 | 發布日期 2018 年 01 月 17 日 17:02 | 分類 手機 , 科技教育 , 零組件 follow us in feedly

蘋果公司推出有史以來功能最強大的旗艦機 iPhone X,其中最大的特色是取消了 Home 鍵改用 Face ID 臉部辨識解鎖技術,而 3D 臉部解鎖的關鍵元件稱為「垂直共振腔面射型雷射」(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL)。到底什麼是 VCSEL?能夠讓穩懋、全新股價創下歷史新高,甚至讓蘋果砸下 3.9 億美元投資 Finisar 在德州量產 VCSEL 呢?



TrueDepth 相機

蘋果將 iPhone X 所使用的 3D 立體影像感測技術稱為「TrueDepth 相機」,結合了前面介紹的兩種技術,如圖一所示,TrueDepth 相機為 700 萬畫素的 CMOS 影像感測器,配合紅外光相機(Infrared camera)、泛光照明器(Flood illuminator)、接近感測器(Proximity sensor)、環境光感測器(Ambient light sensor)、點陣投射器(Dot projector)等元件,其中泛光照明器、 接近感測器使用低功率的紅外光 VCSEL,點陣投射器使用高功率的紅外光 VCSEL,接下來我們介紹這種特別的元件。

▲ 圖一:iPhone X 所使用的 3D 立體影像感測技術。(Source:蘋果

【延伸閱讀】對 iPhone X 所使用的 3D 立體影像感測技術有興趣的人可以參考《知識力專家社群:3D立體影像感測器》。

雷射的定義

「雷射」(Laser)是「Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation」的縮寫,意思是「利用激勵放射來增加光的強度」,所謂的「激勵放射」(Stimulated emission)其實就是完成兩個重要的步驟,第一個是「能量激發」(Pumping),第二個是「共振放大」(Resonance),最後使光產生「同調性」(Coherence)與「建設性干涉」(Constructive interference),一下子看到許多專有名詞常常讓人頭昏眼花,其實這些東西沒有這麼難,讓我們來打個比方吧!

能量激發(Pumping):對一個發光半導體(例如:砷化鎵)晶粒外加電壓,會激發電子從低能量(1 樓)跳躍到高能量(10 樓),當電子由高能量落回低能量就會以光的形式把能量釋放出來,如圖二(a)所示,就好像我們的水塔幫浦(Pump)把水加壓從 1 樓打到 10 樓一樣,因此這個動作稱為「激發」(Pumping),這個基本上就是「發光二極體」(Light Emitting Diode,LED)的發光原理了。

共振放大(Resonance):要產生雷射光束,必須讓光不停在晶粒內來回反射,一邊吸收能量,一邊產生同調性(Coherence),我們把晶粒內一顆顆光子想像成操場上一位位軍人,要展現出雄壯的氣勢,一定要排列得很整齊,同調性就是指光子一顆顆排列得很整齊,工程上就是在晶粒兩端蒸鍍金屬薄膜為反射鏡,稱為「共振腔」(Cavity),使光束在左右兩片鏡子之間來回反射,不停通過發光區吸收能量,最後產生共振,使光的能量放大。

【延伸閱讀】對能量激發的原理有興趣的人可以參考《知識力專家社群:半導體發光的原理》。

我們以「砷化鎵雷射二極體」(GaAs laser diode)為例,先在砷化鎵雷射二極體晶粒(大約只有一粒砂子的大小)上下各蒸鍍一層金屬電極,對著晶粒施加電壓,當晶粒吸收電能產生「能量激發」,則會發出某一種波長(顏色)的光。發射出來的光經由左右兩個反射鏡來回反射產生「共振放大」,由於右方的反射鏡設計可以穿透 1% 的光,所以高能量的雷射光就會由右方穿透射出,如圖二(b)所示。

▲ 圖二:半導體雷射的能量激發與共振放大原理示意圖。

【延伸閱讀】對雷射更詳細的原理有興趣的人可以參考《知識力專家社群:雷射的原理》。

雷射二極體(Laser Diode,LD)

雷射二極體(LD)的構造如圖三所示,外觀呈圓柱形,通常會依照封裝不同而有不同的形狀,但是真正發光的部分只有「晶粒」(Die)而已。晶粒的尺寸與海邊的一粒砂子差不多,這麼小的一顆晶粒就可以發出很強的光,由於雷射二極體的晶粒很小,所以一片 3 吋的砷化鎵晶圓就可以製作數百個晶粒,切割以後再封裝,目前主要分為下面兩大類:

邊射型雷射(Edge Emitting Laser,EEL):雷射光束沿晶粒的側邊射出,所以稱為「邊射型」,如圖三(a)所示,這種雷射功率高,但是投射出來的光場呈橢圓形,由於光纖的纖核是正圓形,因此連接到光纖時能量損失較大。

面射型雷射(Surface Emitting Laser,SEL):雷射光束沿晶粒的表面射出,所以稱為「面射型」,如圖三(b)所示,這種雷射功率低,但是投射出來的光場呈正圓形,由於光纖的纖核是正圓形,因此連接到光纖時能量損失較小。

▲ 圖三:雷射二極體封裝後的外觀。

垂直共振腔面射型雷射

垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)的構造如圖四(a)所示,直接使用「分子束磊晶」(Molecular Beam Epitaxy,MBE)或「有機金屬化學氣相沉積」(Metal Organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)在砷化鎵晶圓上成長數十層 N 型砷化鋁鎵磊晶,而且每層之間折射率不同,再成長一層砷化鎵磊晶為發光區,再成長數十層 P 型砷化鋁鎵磊晶,而且每層之間折射率不同,最後在晶圓的上下兩面各成長一層金屬電極,並且使用化學蝕刻將上方的金屬電極打開一個圓形孔洞,讓雷射光可由上方發射出來。由於雷射光是從晶粒表面射出,因此屬於「面射型雷射」(SEL)。

▲ 圖四:垂直共振腔面射型雷射的晶粒構造與原理示意圖。

由圖四(a)可看出,這種雷射的每層磊晶都很薄,所以雷射光是沿垂直方向上下前進,在上下兩個金屬電極之間產生共振,並且由上金屬電極的圓形孔洞射出,所以光場形狀可以保持正圓形。由於光纖的纖核是正圓形,因此連接到光纖時能量損失較小,一片 3 呎的砷化鎵晶圓可以製作出數百顆晶粒,如圖四(b)所示。

【延伸閱讀】對雷射二極體的構造與原理有興趣的人可以參考《知識力專家社群:雷射二極體》。

由工業用途轉為消費性電子產品而大放異彩

垂直共振腔面射型雷射原本是應用在光通訊產業當作光源的元件,屬於工業產品因此用量不大,且與邊射型雷射相比功率低得多,很難應用在長程光纖網路,一直沒有被一般使用者注意,由於 iPhone X 的人臉解鎖技術應用,讓它一躍成為大家詢問的焦點。在可預見的未來,會有愈來愈多手機採用這種技術,而 VCSEL 元件也將從少量工業應用,轉而大量應用到消費性電子產品。

 


▲科技新報直播講解 VCSEL

(首圖來源:蘋果

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