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2020年04月09日 | 瑞识科技发布行业领先3D dToF VCSEL，光功率提高3倍
2020-04-09 来源：爱集微
3月18日晚，苹果官网iPad Pro悄然上新。和前代相比，本次发布的iPad Pro的最大亮点是这代产品的摄像头模块配置的dToF模组，即苹果所称的激光雷达扫描仪（LiDAR）。通过dToF传感器实现的激光雷达应用，不仅意味着苹果“All in AR”战略的加速落地，未来还势必带动AR、游戏、智能感知等众多相关行业快速跟进，促使3D传感迎来新的爆发期。
实际上，其它手机厂商如华为、三星等，在今年刚发布的几款产品里，也都在摄像头上搭载了 iToF 技术，而苹果本次新品则是对前者的升级和颠覆，采用的“直接飞行时间（dToF）”测量方法，通过VCSEL激光光源发射高能量激光脉冲，利用单光子雪崩二极管（SPAD）传感器对光子飞行时间进行直接测量，进而转换成光子飞行距离。相比于iToF, dToF主要通过像素的脉冲输出直接进行简单的模数转换就可以得到反射回传感器的光子时间和数量，减少了功耗和运算量；并且通过调整脉冲频率和能量，可以达到比iToF更远的测量范围。
dToF的工作距离与VCSEL光源的功率直接相关。要想实现远距离工作，就需要提高发射端VCSEL光源的功率，或者将脉冲周期缩短到纳秒级别，以提升脉冲瞬时功率。苹果dToF所采用的新一代VCSEL，正是在极短的时间内产生了数倍于普通VCSEL的高强度的红外脉冲激光，从而实现了5m工作范围内的高精度3D深度感知，同时由于其兼具较高PCE和小尺寸设计，更利于消费级产品的嵌入集成。
据了解，dToF用VCSEL芯片光功率的提高，并非简单的增大电流电压，或者采用单纯的多颗芯片级联累加的方法,而是需要集成半导体材料学、热学、光学等诸多技术要素，对芯片半导体外延结构进行颠覆性设计，技术门槛极高。目前国际和国内VCSEL企业对新一代VCSEL技术尚属空白，多处于初期研究阶段。
几乎与苹果发布iPad Pro新品时期同步，瑞识科技的新一代dToF VCSEL光源产品日前也已重磅亮相。瑞识通过对半导体芯片结构进行颠覆性的创新设计，在不增加芯片面积的情况下，将VCSEL光功率相比iToF VCSEL芯片提高了3倍 (图2)，PCE（光电转换效率）达到了58%，提升了近10%。可以说，瑞识科技本次的产品，专为dToF应用所需的中远程的高分辨率3D传感而开发，从景深到AR，实现了最前端ToF的应用集成。
▶图2：瑞识单孔dToF和iToF VCSEL在相同测试条件下（室温CW驱动）的光功率（左）和光电转换效率PCE（右）对比。
瑞识此次发布的新一代VCSEL光源产品，除了图2中对比的dToF单孔VCSEL芯片产品，还包括了高功率阵列式VCSEL芯片产品，在微小芯片面积上（1mm2左右）即可实现高功率。在占空比为1%、周期350us的脉冲驱动条件下，其光功率比相同驱动条件下的iToF阵列VCSEL芯片功率提升了近3倍，只需要4A的电流即可达到瞬时10W的光功率(图3)。同时，光电转换效率达到54%，领先于目前最顶级iToF VCSEL光电转换效率不到50%的行业现状。
▶图3：瑞识dToF阵列VCSEL芯片产品SEM实拍（左）；dToF与iToF阵列VCSEL光功率比较（右）。
在量产方面，瑞识科技透露，得益于团队以往的技术及产业化经验，新一代dToFVCSEL产品的良率和可靠性管控均已达到量产水平，目前已实现在6寸GaAs晶圆上规模化量产。
▶图4：瑞识dToF阵列VCSEL芯片产品6寸晶圆光电转换效率分布（左）与波长分布（右）。
由于具有不易受干扰、体积小、响应快、精度高以及在中远距离识别等多个性能优势，ToF技术正成为了消费、车载等应用领域3D传感的方案首选，其应用必定不止于景深。正如苹果在新品发布中提到的：更精准的dToF测距应用和更高分辨率的成像，让 iPad 上的 AR 体验有一个全新的等级。
除了苹果之外，很多行业巨头也都在布局ToF技术在AR生态中的应用。根据中国信息通信院的最新数据显示，全球虚拟现实产业规模接近千亿元人民币，2017-2022年均复合增长率有望超过70%。
在AR产业即将爆发的趋势下，瑞识科技透露，下一步将重点关注支持3D dToF VCSEL芯片产品，积极与行业头部客户开展广泛合作，以客户3D视觉应用需求为出发点，从底层帮助客户实现硬件性能提升和成本控制，支撑实现更多轻量级的3D传感消费产品应用创新，助力3D传感产业生态完善发展。
史海拾趣
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