常瑞华教授:VCSEL激光器的近期突破,让人大为振奋

来源:光电汇OESHOW    关键词:激光器, 激光技术,    发布时间:2018-01-10

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 据麦姆斯咨询报道,2019年应用于智能手机的VCSEL芯片出货量预计将增长至2.4亿颗。随着全球范围内相关VCSEL供应商的产能不断增长,全球VCSEL市场的复合年增长率(CAGR)可达17.3%,市场规模到2022年或将增长至31.2亿美元。
 
在此背景下,国内华芯半导体、中科芯电、纵慧光电等都表示已经或即将实现量产,中国台湾地区的VCSEL器件供应商,包括全新光电(VPEC)、晶元光电(Epistar)、Advanced Wireless Semiconductor以及环宇通讯,都在为2018年VCSEL销售的强劲增长做足准备。
 
此外,Lumentum Holdings 、Finisar、Princeton Optronics和Heptagon等国际VCSEL芯片供应商也正在通过各种努力,增强在该领域的市场表现
 
面对如此大好形势,长期从事VCSEL的科研人员也为之振奋。伯克利加州大学工学院的副院长常瑞华教授在“中国激光(OPTICS1964)“5分钟光学栏目中讲述了她眼中VCSEL的近期进展。
 
我们得到独家授权,以文字版将常教授的讲述内容呈现给大家。
 
 
专家简介:
 
        常瑞华,1992-1996,斯坦福大学电子工程系助理教授、副教授;1996至今,加州大学伯克利分校电子工程与计算机科学系教授。历任电机系主任、光电纳米技术研究中心主任等职位。主要研究领域:纳米结构材料的合成、性质和器件,宽带光通信,VCSEL,光学微机电结构。
 
        常教授因对光电专业的杰出贡献而获得了许多国际奖项,包括2011年IEEE David Sarnoff Award、美国总统教授奖、2009年古根汉研究员奖、德国Alexander von Humboldt研究员奖、及2008年美国国家安全科学与工程研究奖、2007年OSA Holonyak成就奖、2005年国家工程研究院的Gilbreth讲师称号等。
 
以下是常教授的讲述内容。
 
大家好,我叫常瑞华,是伯克利加州大学(UC Berkeley)电子系的讲座教授、伯克利加州大学工学院的副院长。此外,我还有一个职位是清华-伯克利深圳学院(简称TBSI)的共同院长。TBSI由深圳市 人民政府、清华大学 与加州伯克利大学 于2014年联合成立,致力于培养全球科技领袖和未来企业家。
 
今天,我非常高兴能有机会与大家分享一下,我认为在光学、光电领域与我们相关的一些大的突破,主要是侧重在市场应用这个方面。
 
我个人主要从事垂直腔表面发光激光器VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)的研究,至今大概有28年左右的时间了。
 
VCSEL激光器属于一种半导体激光器。相信大家从苹果公司发布的一些消息也了解到,从iPhone8开始,到现在最新上市的iPhone X ,都用到了VCSEL激光器。
 
iPhone X里有一个叫 Dot projector,利用激光器达到人脸识别的技术。而这个激光器,就是VCSEL array。它是一个阵列,VCSEL阵列。
 
消息出来后,我们这些从事VCSEL研究的科研人员都为之振奋,非常地高兴。因为这说明VCSEL激光器更进一步地接近了人们的生活。我认为是到达了通信应用的领域。
 
最近,VCSEL激光器在技术方面也获得了一些重要的突破,在这里也跟大家分享一下我的观点。
 
第一个突破就是, VCSEL半导体激光器本身可调制。利用直接调制技术可以传送很高的信息率,大概有50 gbit/s。而每一个信道又是一个阵列。一片晶圆上可以放置几万颗这种VCSEL激光器。所以,随便你怎么去切,可以切1000颗。iPhone手机的这种大概是几百颗做成一个阵列的。
 
因此,它可以拥有很高的信道带宽,这在我们将来的通信领域,data center会有很大的应用。
 
第二个突破点,就是VCSEL激光器在1550 nm波段可调。
 
1550 nm波段其实就是我们所说的光纤通讯的主干道。但是在此之前,VCSEL激光器只能做到850 nm波段可调。如今,可以做到1550 nm,就说明它可以跟所有的长距离的光纤通信相结合。
 
将来,我们希望可以看到,VCSEL激光器不仅在data center上有很大的应用,而且也可以在无限通信领域有所作为。这就相当于“天线”的概念,实现成本效益,作为一种非常经济的光源。
 
第三点是可以连续调制光波的VCSEL激光器。
 
如果说光波可以连续,而且非常快速,例如在MHz这种情况下调出来的这种激光器,在3D传感领域将大有作为。
 
3D就是三维距离的测相,可以达到更高的精密度。这在我们的医学、生物医学方面的利用是非常大的,例如人类的眼膜、动脉血管的血管表层识别。
 
目前来说,世界上唯一一种可以做到大幅度光波长调制的激光器就只有VCSEL激光器了,因为只有VCSEL这样的激光器才具有连续可调的特性。
 
第四点,也就是刚刚提到的, iPhone X中的人脸识别功能。
 
iPhone X目前是利用几百颗VCSEL做成一个阵列,来完成人脸识别功能。我相信在这个方面,我们还可以做很多的研究,还有很多可以突破的空间,例如增加光功率、大幅度地减少损耗,甚至于它的智能功能,还有3D传感,可以让厚度测试做到更精准,达到微米级别。
 
以上几点,就是我认为VCSEL激光器目前获得的最令人振奋的技术上的突破。
 
谢谢。