iPhone X 脸部解锁的关键元件:垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)

文章   2020-06-07  阅读 995 次
iPhone X 脸部解锁的关键元件:垂直共振腔面射型雷射(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 脸部解锁的关键元件称为「垂直共振腔面射型雷射」(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL)。到底什幺是 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 影像感测器,配合红外光相机(Infrared camera)、泛光照明器(Flood illuminator)、接近感测器(Proximity sensor)、环境光感测器(Ambient light sensor)、点阵投射器(Dot projector)等元件,其中泛光照明器、 接近感测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元件。

iPhone X 脸部解锁的关键元件:垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)

图一:iPhone X 所使用的 3D 立体影像感测技术。

【延伸阅读】对 iPhone X 所使用的 3D 立体影像感测技术有兴趣的人可以参考《知识力专家社群:3D立体影像感测器》。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幺难,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「发光二极体」(Light Emitting Diode,LED)的发光原理了。

共振放大(Resonance):要产生雷射光束,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像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。

【延伸阅读】对能量激发的原理有兴趣的人可以参考《知识力专家社群:半导体发光的原理》。

我们以「砷化镓雷射二极体」(GaAs laser diode)为例,先在砷化镓雷射二极体晶粒(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,如图二(b)所示。

iPhone X 脸部解锁的关键元件:垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)

 图二:半导体雷射的能量激发与共振放大原理示意图。

【延伸阅读】对雷射更详细的原理有兴趣的人可以参考《知识力专家社群:雷射的原理》。雷射二极体(Laser Diode,LD)

雷射二极体(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,这幺小的一颗晶粒就可以发出很强的光,由于雷射二极体的晶粒很小,所以一片 3 吋的砷化镓晶圆就可以製作数百个晶粒,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):雷射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):雷射光束沿晶粒的表面射出,所以称为「面射型」,如图三(b)所示,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。

iPhone X 脸部解锁的关键元件:垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)

 图三:雷射二极体封装后的外观。

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)。

iPhone X 脸部解锁的关键元件:垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)

 图四:垂直共振腔面射型雷射的晶粒构造与原理示意图。

由图四(a)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製作出数百颗晶粒,如图四(b)所示。

【延伸阅读】对雷射二极体的构造与原理有兴趣的人可以参考《知识力专家社群:雷射二极体》。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元件,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路,一直没有被一般使用者注意,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,会有愈来愈多手机採用这种技术,而 VCSEL 元件也将从少量工业应用,转而大量应用到消费性电子产品。


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