3D感測雷射光源及應用

光電工程實驗室 羅元均、李承遠、吳國梅

早期3D感測技術利用紅外線發光二極體(light-emitting diode, LED)為訊號光源，但自從蘋果發表iPhone X之後，垂直共振腔面射型雷射(vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL)就成為技術焦點，因為iPhone X的「臉部辨識功能」便是藉助VCSEL提供訊號光源。隨著相關技術的精進與特性改良，包括5G通訊、雲端數據中心、數位醫療、自駕汽車上的光達傳感器都會應用到相關的雷射光源技術；具有優勢的VCSEL將逐漸取代傳統的光電元件，成為研究與技術發展的主流。

面射型雷射結構大致包含半導體發光活性層、共振腔以及具有高反射率之上、下布拉格反射鏡(distributed Bragg reflector) 。當光子於發光活性層產生後便於共振腔內來回振盪，若達居量反轉(population inversion) ，雷射即於元件上方形成。由於VCSEL為面射型，雷射光呈現圓錐狀，較容易與光纖進行耦合。布拉格反射鏡結構則是利用高、低折射率薄膜材料，以四分之一波長的厚度交互排列形成多層膜結構，以得到最大的反射率。當光在多層膜傳遞時，在高、低折射率薄膜的交界處同時發生反射和折射，可利用菲涅耳方程式進行理論分析。而紅外線雷射波長的大小，取決於化合物半導體活性層的能階，同時也受到雷射元件操作條件的影響。

本校光電工程實驗室參與產學合作案，進行VCSEL雷射元件的設計、製作與驗證，提升製程良率及測試產品在高溫、高頻寬下的效能。