3DSensing核心元件—VCSEL

3DSensing核心元件—VCSEL
相比于 LED 和 EEL，VCSEL 作为 3D 摄像头红外光源，在精确度、小型化、低功耗、可靠性等角度全方面占优。

随着 VCSEL 芯片技术的成熟，以其作为核心元件的3D Sensing 走入应用，在活体检测，虹膜识别，AR/VR 技术以及机器人识别和机器人避险、自动驾驶辅助等领域得到发展。

近期，3D Sensing的主要应用以手机为主，iPhone X 首次搭载3D 结构光模组，引领3D Sensing消费市场。

苹果3D Sensing 供应链较为完善，Lumentum、II-VI 、Finisar、IQE 等均已加入其中。

未来几年3D Sensing 市场规模将快速增长，到2023 年3D Sensing 的市场空间可达 180 亿美元，2018 年-2023 年复合增速达到44%。

其中，3D Sensing 在智能手机市场上的渗透率不断提高，3D Sensing 渗透率有望从 2017 年的 2.1%提高至 2020 年的 28.6%。

3、3D Sensing核心元件—VCSEL
VCSEL 集高输出功率和高转换效率和高质量光束等优点于一身，相比于LED 和边发射激光器EEL，在精确度、小型化、低功耗、可靠性等角度全方面占优。

随着 VCSEL 芯片技术的成熟，以其作为核心元件的 3D Sensing 走入应用，在活体检测，虹膜识别， AR/VR 技术以及机器人识别和机器人避险、自动驾驶辅助等领域得到发展。

近期，3DSensing 的主要应用以手机为主，iPhone X 首次搭载3D 结构光模组，引领3D Sensing 消费市场。

目前，全球3D Sensing供应链趋于完善，VCSEL 设计厂商Lumentum、II-VI 、Finisar、AMS，VCSEL 外延片供应商 IQE、全新光电以及台湾晶圆代工厂稳懋、晶电等均纷纷布局 3D Sensing 领域。

据预测，未来几年3D Sensing 市场规模将呈几何式增长，到2020 年 3D Sensing 市场规模可达到 108.49 亿美元 2023年 3D 传感的市场空间达到180 亿美元，2018 年-2023 年复合增速达到 44%。

其中，3D Sensing 在智能手机市场上的渗透率不断提高，3D Sensing 渗透率有望从 2017 年的 2.1%提高至 2020 年的 28.6%。

3.1、新型半导体激光器—VCSEL
VCSEL(Vertical-cavity surface-emitting laser)，即垂直腔面发射激光
器，与传统的边发射激光器不同，其激光出射方向垂直于衬底表面。

VCSEL 基本结构与工作原理
VCSEL 器件有两种基本结构，一种是顶发射结构：采用MOCVD 技术在 n 型GaAs 衬底上生长而成，以 DBR 作为激光腔镜，量子阱有源区夹在n-DBR 和p-DBR 之间。

由于量子阱厚度小，单程增益小，因此反射镜的反射率较高，一般全返腔镜反射率>99.9%，输出腔镜反射率通过理论计算设定最佳的耦合输出率（一般也大于99%），然后在衬底和 p-DBR 外表面制作金属接触层。

并在 p-DBR 或 n-DBR 上制作一个圆形出光窗口，获得圆形光束，窗口直径从几微米可到百微米量级，最后在和导热性好的热沉键合，提高芯片的散热性能。

另一种是底发射结构，一般用于产生976-1064nm 波段，通常将衬底减薄到150μm 以下以减少衬底吸收损耗，再生长一层增透膜以提高激光光束质量，最后将增益芯片安装在热沉上。

图表 1：VCSEL结构简图
资料来源：中国知网VCSEL 作为一种半导体激光器，形成激光发光需要完成能量激发和共振放大两个步骤。

首先要实现能量激发，通过外加能量（光能或电能）激发半导体的电子由价带跳到导带，当电子由导带跳回价带时，将能量以光能的形式释放出来。

然后在发光区外加一对激光腔镜，使光束在左右两片镜片之间反复来回反射，不停地通过发光区吸收光能，最后产生谐振效应，使光的能量放大最终形成激光。

图表 2：VCSEL发光原理
资料来源：OFweek 半导体激光器主要分为边发射半导体激光器EEL（edge-emitting laser）和垂直腔面发射半导体激光器 VCSEL 两种类型。

边发射半导体激光器具有高的光电转换效率和高的输出功率。

但是边发射半导体激光器发散角较大，并且平行和垂直于 pn 结的两个方向发射角相差较大，这一缺陷极大的限制了边发射半导体激光器的应用范围。

垂直腔面发射半导体激光器具有较好的光束质量和圆对称的光斑分布，发散角较小。

KUZNETSOV 等研究人员制备得到的光泵浦垂直腔面发射半导体激光器，其集高输出功率和高转换效率和高质量光束等优点于一身。

EEL 和和 VCSEL 参数对比
VCSEL 具有完美的光束质量、小的发散角和圆对称光场分布使其与光纤的耦合效率较高，其与多模光纤的耦合效率可大于90%。

其较小的有源层体积，使其产生激光的阈值电流较低。

极短的谐振腔长度，使得纵模间距变大，易于实现单纵模激光运转。

具有垂直于衬底表面光出射方向，易于通过高密度集成实现高功
率激光输出。

高的传输速率和调制频率，也有利于高速光纤网路传输通信。

VCSEL 在传感器应用方面也展现出优异的性能，相比于早期3D 摄像头系统使用的LED 红外光源，结构更加简单、体积更小、功耗更低、距离检测更加精确。

图表 3：850nm LED VS 850nm VCSEL
资料来源：OFweek
图表 4：三种不同的光源效果
3.2、VCSEL广泛的应用范围，3D Sensing市场可期
随着 VCSEL 研究的不断发展，以其作为核心元件的 3D 摄像头可以更快、更好的走入应用，产品进入市场。

3D 成像对比传统的 2D 成像技术有着更好的。