iPhone X 臉部解鎖的關鍵元件：垂直共振腔面射型雷射（VCSEL）

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）

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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。

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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。

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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。

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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