2018年01月18日 | 详解iPhone X 脸部解锁的关键组件VCSEL

苹果公司推出有史以来功能最强大的旗舰机 iPhone X，其中最大的特色是取消了 Home 键改用 Face ID 脸部辨识解锁技术，而 3D 脸部解锁的关键组件称为「垂直共振腔面射型雷射」（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL）。 到底什么是 VCSEL？ 能够让稳懋、全新股价创下历史新高，甚至让苹果砸下 3.9 亿美元投资 Finisar 在德州量产 VCSEL 呢？

TrueDepth 相机

苹果将 iPhone X 所使用的 3D 立体影像感测技术称为「TrueDepth 相机」，结合了前面介绍的两种技术，如图一所示，TrueDepth 相机为 700 万画素的 CMOS 影像传感器，配合红外光相机（Infrared camera）、泛光照明器（Flood illuminator）、接近传感器（Proximity sensor）、环境光传感器（Ambient light sensor）、点阵投射器（Dot projector）等组件， 其中泛光照明器、 接近传感器使用低功率的红外光 VCSEL，点阵投射器使用高功率的红外光 VCSEL，接下来我们介绍这种特别的组件。

雷射的定义

「雷射」（Laser）是「Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation」的缩写，意思是「利用激励放射来增加光的强度」，所谓的「激励放射」（Stimulated emission）其实就是完成两个重要的步骤，第一个是「能量激发」（Pumping），第二个是「共振放大」（Resonance），最后使光产生「同调性」（Coherence）与「建设性干涉」（Constructive interference），一下子看到许多专有名词常常让人头昏眼花，其实这些东西没有这么难，让我们来打个比方吧！

能量激发（Pumping）：对一个发光半导体（例如：砷化镓）晶粒外加电压，会激发电子从低能量（1 楼）跳跃到高能量（10 楼），当电子由高能量落回低能量就会以光的形式把能量释放出来，如图二（a）所示， 就好像我们的水塔帮浦（Pump）把水加压从 1 楼打到 10 楼一样，因此这个动作称为「激发」（Pumping），这个基本上就是「发光二极管」（Light Emitting Diode，LED）的发光原理了。

共振放大（Resonance）：要产生激光束，必须让光不停在晶粒内来回反射，一边吸收能量，一边产生同调性（Coherence），我们把晶粒内一颗颗光子想象成操场上一位位军人，要展现出雄壮的气势， 一定要排列得很整齐，同调性就是指光子一颗颗排列得很整齐，工程上就是在晶粒两端蒸镀金属薄膜为反射镜，称为「共振腔」（Cavity），使光束在左右两片镜子之间来回反射，不停通过发光区吸收能量，最后产生共振，使光的能量放大。

我们以「砷化镓雷射二极管」（GaAs laser diode）为例，先在砷化镓雷射二极管晶粒（大约只有一粒砂子的大小）上下各蒸镀一层金属电极，对着晶粒施加电压，当晶粒吸收电能产生「能量激发」，则会发出某一种波长（颜色）的光。 发射出来的光经由左右两个反射镜来回反射产生「共振放大」，由于右方的反射镜设计可以穿透 1% 的光，所以高能量的雷射光就会由右方穿透射出。

雷射二极管（Laser Diode，LD）

雷射二极管（LD）的构造如图三所示，外观呈圆柱形，通常会依照封装不同而有不同的形状，但是真正发光的部分只有「晶粒」（Die）而已。 晶粒的尺寸与海边的一粒砂子差不多，这么小的一颗晶粒就可以发出很强的光，由于雷射二极管的晶粒很小，所以一片 3 吋的砷化镓晶圆就可以制作数百个晶粒，切割以后再封装，目前主要分为下面两大类：

边射型雷射（Edge Emitting Laser，EEL）：激光束沿晶粒的侧边射出，所以称为「 边射型」，如图三（a）所示，这种雷射功率高，但是投射出来的光场呈椭圆形，由于光纤的纤核是正圆形，因此连接到光纤时能量损失较大。

面射型雷射（Surface Emitting Laser，SEL）：激光束沿晶粒的表面射出，所以称为「 面射型」，这种雷射功率低，但是投射出来的光场呈正圆形，由于光纤的纤核是正圆形，因此连接到光纤时能量损失较小。

垂直共振腔面射型雷射

垂直共振腔面射型雷射（VCSEL）的构造如图四（a）所示，直接使用「分子束磊晶」（Molecular Beam Epitaxy，MBE）或「有机金属化学气相沉积」（Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）在砷化镓晶圆上成长数十层 N 型砷化铝镓磊晶，而且每层之间折射率不同，再成长一层砷化镓磊晶为发光区，再成长数十层 P 型砷化铝镓磊晶，而且每层之间折射率不同， 最后在晶圆的上下两面各成长一层金属电极，并且使用化学蚀刻将上方的金属电极打开一个圆形孔洞，让雷射光可由上方发射出来。 由于雷射光是从晶粒表面射出，因此属于「面射型雷射」（SEL）。

可看出，这种雷射的每层磊晶都很薄，所以雷射光是沿垂直方向上下前进，在上下两个金属电极之间产生共振，并且由上金属电极的圆形孔洞射出，所以光场形状可以保持正圆形。 由于光纤的纤核是正圆形，因此连接到光纤时能量损失较小，一片 3 呎的砷化镓晶圆可以制作出数百颗晶粒。


由工业用途转为消费性电子产品而大放异彩

垂直共振腔面射型雷射原本是应用在光通讯产业当作光源的组件，属于工业产品因此用量不大，且与边射型雷射相比功率低得多，很难应用在长程光纤网络，一直没有被一般用户注意，由于 iPhone X 的人脸解锁技术应用， 让它一跃成为大家询问的焦点。 在可预见的未来，会有愈来愈多手机采用这种技术，而 VCSEL 组件也将从少量工业应用，转而大量应用到消费性电子产品。