VCSEL原理及特性介绍,深入了解3D感测关键技术元件

3D感测几乎已经是当前高阶手机的标准配备,苹果最新推出的iPad也纳入相关技术跟功能,为未来将延伸的AR扩增实境应用铺路。LEDinside预估2020年将有超过10款已上的高阶机种采用3D感测方案,而其中关键零组件VCSEL的需求跟产值也将水涨船高。

图片来源:ams

台湾交通大学光电系的郭浩中教授、卢廷昌教授、王星宗教授以及台大电机系的吴肇欣教授率领旗下研究生,针对VCSEL元件进行解析,探讨砷化镓GaAs与氮化镓GaN两种VCSEL元件的特性以及应用展望。VCSEL包含共振腔以及垂直的两个高反射性布拉格反射镜DBR,透过异质接面结构设计以及不同折射率的两种材料,让VCSEL不需要很高的电流就能达成高发光效率。

台交大的研究指出,在VCSEL的反射镜设计中,接收光的深度要尽量缩小,以减少散射,并避免光学损耗还有热效应。同时,VCSEL的电极也有许多不同的构造设计,其中高速VCSEL多以氧化型制造而成。藉由砷化镓铝层高温湿氧化而形成的氧化层,厚度通常介于20至30nm,可有效降低VCSEL的光损耗并提高转换效率,有利于光通讯传输应用。

相较于透过传统高频电缆进行的传输,光通讯具备质量轻、体积小、低延迟与讯号稳定不易受干扰等优势,能满足现今宽带高速网络的迫切需求。从磊晶与制程技术来看,850 nm VCSEL元件是目前最成熟的产品,主要应用于资料中心内部传输系统。

台交大的学者们则进一步探究要如何透过制程改良,提高光通讯的传输效率。VCSEL的共振腔结构通常需要搭配更多反射镜来强化能量,但内部的反射镜材料间的差异,则会阻碍电流内部传输。解决的方法包括在强化界面处材料处理,或是改变共振腔间的电极。目前台交大光电已经成功制造出40Gbps的高速VCSEL,在室温下效率最高在5.3mA下可达到21.2Ghz。

为了因应无线行动通讯迈入5G时代,必须进一步提升传输效率,因此采用四阶脉冲振幅调变模式( four-level pulse amplitude modulation. PAM-4)编码技术进一步优化传输位元率,同时大幅降低成本。PAM-4具有四个不同的级别,可以对每个符号的两位数据进行编码,使连接的数据速率加倍。2015年有相关报导指出利用PAM-4直接调变VCSEL芯片,使得在2公尺以及50公尺传输距离下其传输位元率分别可达至60Gbps以及50Gbps。若采用4种不同波长元件搭配四通道接口(quad small form-factor pluggable, QSFP)的收发模块,则可望进一步提升传输速度至400 Gbps。(文:LEDinside)

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