iPhone X为什么要用VCSEL激光？

本文作者：叶国光

感谢新竹交通大学郭浩中教授的指导

感谢Picosun公司与AET公司提供的精美工艺图片

光博会的观察与最近的光电热点2017年第十九届光电博览会在深圳很热闹，可惜LED已经不是主角了，关于光通信、红外传感与激光相关技术比较火，LED有点被冷遇，几乎很少人谈LED，几家LED封装设备商的积极参与也掩盖不了冷冷清清的LED相关产业的二号馆，由各种论坛聚集的听众多寡也可以看见产业冷热的程度，LED相关论坛有点冷清，蓝宝石论坛在河北工业大学陈洪建教授号召下还算有一点热度，光通信，激光与红外传感相关论坛简直是一票难求，很多听众都站在走道上听着讲台上的专家眉飞色舞的讲述未来的新科技与新应用。而就在光博会结束后的几天，2017年9月13日凌晨，苹果最新手机iPhone 8与iPhone X同步推出，之前大家预测的新科技毫无意外地出现在苹果新手机上面：它们就是OLED屏、无线充电与3D传感技术，OLED已经酝酿了几年，但是成本还是高得让市场有点难以接受，所以只有iPhone X使用，也许是苹果不想让三星掐住脖子任三星予取予求，也许是苹果在试探市场反应，看看市场对OLED到底买不买帐，可以这样想象，如果iPhone X卖得很差，估计OLED压力会很大，因为它的价格不值得消费者去多花这么多钱，它只能再提高性价比来符合市场的需求。苹果的精明之处就在这里，iPhone 8不用OLED而iPhone X使用，这样会让三星很难受，苹果也可以立于不败之地！但是3D传感技术就火了，如图1所示，几乎相关概念的股票因为苹果都一飞冲天，尤其是面射型激光VCSEL技术的相关产业，VCSEL真的这么神奇吗？它与LED产业是否有相通之处？今天我就试着向大家介绍这个大家可能比较陌生的产业。

图1 3D传感产业链的苹果概念股，其中框上红色外框的是VCSEL相关产业iPhone X让什么火了？为什么是VCSEL？首先帮大家介绍这次讨论异常火爆的3D传感技术：3D传感技术是面部识别的核心，3D激光扫描（3D传感）背后的想法就是创建一种非接触、非破坏性技术来数字化捕捉物理对象的形状。在面部识别中，它将创建一个定义人脸外观的数字矩阵。举个例子，它可以使你的手机更精确地记录你的下巴，这要比从照片上识别精确得多。而且皮肤的纹理与胡子的长短也可以被捕获到。当然也包括那些组成额头、脸颊以及其它脸部部分的独特形状。至于为什么要用VCSEL激光器？3D摄像头在传统摄像头基础上引入基于飞行时间测距ToF（Time of Flight）或SL（Structural Light）结构光的3D传感技术，目前这两种主流3D传感技术均为主动感知，因此3D摄像头产业链与传统摄像头产业链相比主要新增加"红外光源+光学组件+红外传感器"等部分，其中最关键的部分就是红外光源，主动感知的3D摄像头技术通常使用红外光来检测目标，早期3D传感系统一般都使用LED作为红外光源，但是随着VCSEL技术的成熟，性价比已经接近红外LED，除此之外，在技术方面，由于LED不具有谐振腔，导致光束更加发散，在耦合性方面很差，而VCSEL在精确度、小型化、低功耗、可靠性全方面占优的情况下，现在常见的3D摄像头系统一般都采用VCSEL作为红外光源，因此最近被谈论的最新技术就是VCSEL（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）。你不可不知关于VCSEL的几个基本原理在介绍VCSEL技术之前，这几个基本原理与名词你不可不知，知道了这些基本知识，关于VCSEL的技术原理就非常简单了。光的反射折射与折射率：我们小时候都有做过光的反射与折射实验，尤其是筷子在水里面感觉好像被折了一段一样原因就是光的折射，折射率越大，偏折越厉害，原因是光在介质的速度变慢了，介质的折射率大小，与光在介质中的速度成反比，光在介质中的速度(v)愈大，则介质的折射率(n)愈小；光在介质中的速度(v)愈小，则介质的折射率(n)愈大。实验证实光在介质中的速度(v)依次为：v(气体)＞v(液体)＞v(单晶固体)＞v(非晶固体)。所以光在介质的折射率(n)依次为：n(气体)＜n(液体)＜n(单晶固体)＜n(非晶固体)。DBR（Distributed Bragg Reflector）分布布拉格反光镜：沿着光前进的方向上设计出特别的不同折射率材料交替的膜层，膜层厚度是该材料四分之一发光波长厚度（λ/4n, λ是纯光波长，n是该材料的折射率），形成折射率大(n大)、折射率小(n小)、折射率大(n大)、折射率小(n小)…的周期性结构，如图2(a)所示，称为「DBR光栅(Grating)」。光波在光栅中前进的时候，遇到折射率大的介质时，光的速度变慢；遇到折射率小的介质时，光的速度变快，光波在不同折射率之