垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)技術在蘋果iPhone開始采用3D人臉辨識后，突然獲得各界矚目，但這種化合物半導體雷射其實由來已久，在iPhone導入引發產業關注之前，主要是應用在短距離光通訊領域，例如資料中心機架間的高速互聯。而隨著相關技術不斷發展，目前VCSEL的訊號傳輸距離、頻寬都在不斷提升，未來勢必會對傳統邊射型雷射二極體帶來一定的競爭壓力。

而在感測應用方面，VCSEL最大的優勢在于能實現小巧、低成本的感測陣列，可取得物件的3D輪廓，這項特性能和現有以邊射型雷射為主的測距技術產生明顯的市場區隔，并打開更廣泛的應用市場。除了從人臉辨識衍生出的各種安防應用外，VCSEL也是車用光達從機械式走向全固態，進而讓自駕車更進一步普及所不可或缺的關鍵技術。

在感測應用出現之前，VCSEL最重要的應用在光通訊市場，特別是資料中心內部，機架對機架(Rack to Rack)之間的高速互聯。但隨著相關技術不斷突破，加上光纖業者努力投資相關配套，VCSEL進軍FTTx市場，目前看來只是時間問題。

臺大光電研究所所長林恭如(圖1)表示，對光通訊應用而言，光源元件最重要的性能指標有二，一是頻寬，二則是傳輸距離。傳輸距離與光的波長有關，波長850納米的光源，傳輸距離通常低于500公尺，因此只適用于資料中心內部機架對機架的互聯應用。如果把波長拉高到1,310納米，則傳輸距離便可提升為1~10公里；若能進一步把波長拉高到1,550納米，則有機會實現20~25公里等級的傳輸。

目前已經商品化的VCSEL，光波長大多是850納米，主攻的是資料中心內的互聯需求，但學術界一直在研究，如何將VCSEL的波長拉長，以便實現更遠的傳輸距離。目前在VCSEL領域，最新的研究成果已經可實現10公里訊號傳輸，這對于VCSEL走出資料中心應用，是很重要的發展里程碑。

要改變光波的波長，必須仰賴材料上的突破，如新的摻雜比率、使用新的摻雜材料等。因此，雖然學術界跟業界投入長波VCSEL的研發已經有很長的一段時間，但從實驗室到生產線，還是有不低的門檻需要跨越。

而在頻寬方面，目前臺大光電所開發出來的850納米VCSEL，已經可以滿足25G Baud傳輸速率，并可支援PAM4調變。就規格來看，目前臺大光電所研究出的VCSEL已經可以滿足市場的主流需求，但研究團隊認為，還有很多細節可以進一步改善，例如制程技術上的精進、氧化層厚度的控制。這些細節上的改善，都可以進一步提升VCSEL的訊號/雜訊比(SNR)跟輸出功率。

該所的吳兆欣教授，目前就致力于VCSEL在高溫環境下進行高速操作的研究，希望讓VCSEL光源有更穩定的表現。相關研究課題涉及反射層的摻雜、氧化層的薄化，都有一定的挑戰性跟困難度，但也因為吳教授跟全體同仁在相關領域的投入，使得臺大光電所得以名列全球前四大VCSEL研究基地之一。

至于目前最火紅的感測應用，基本上是利用VCSEL陣列來實現。不管是使用飛行時間測距(ToF)原理或是結構光(SL)感測原理，可以進行3D辨識的感測器都是由光源、光學組件跟光感測器三個部分所組成，其中最重要的就是光源。早期的3D感測是以紅外線LED作為光源，但LED不具備諧振腔結構，因此打出來的光束太過發散，耦合性不佳，難以取得精準的感測結果。

VCSEL則解決了這光束過于發散的問題，加上VCSEL技術具有小型化，容易實現陣列設計、低功耗、可靠度高等優勢，因而能全面取代紅外線LED。不過，有業界人士指出，結構光感測因為涉及到的演算法比較復雜，只有蘋果這種具備軟硬體同步開發能力的業者能駕馭，因此現階段大多數元件供應商，只提供支援ToF的解決方案。

但即便ToF搭配使用的演算法相對簡單，要實作ToF 3D感測，還是有許多挑戰存在，例如光源的不相干性要高，空間功率的分布要均勻。若無法做到這兩點，則感測的精準度會受到不良影響。此外，如果感測的速度要快，則VCSEL陣列的顆數要少，但減少陣列顆數也會影響精準度。目前市場對VCSEL陣列的上升跟下降時間要求，已經低于1奈秒，500皮秒以下是比較理想的規格。要做到這點，技術上還是相當有挑戰性。

不過，林恭如認為，***廠商在VCSEL感測方面的技術，都已經有一定程度的累積，解決方案的成熟度也不錯。臺大光電所雖然是以光通訊作為主要研究方向，但VCSEL實驗室仍具備完善的VCSEL感測器量測、分析能量，***大多數投入VCSEL 3D感測器研發的廠商，都跟該所的實驗室有合作關系，只是因為臺大跟廠商簽有保密協定，因此不方便透露個別廠商的狀況。

***投入化合物半導體的時間比較早，磊晶技術的掌握度高，是臺廠能夠快速切入VCSEL感測器市場的重要原因。其實，LED也分成邊射型跟面射型兩種，面射型LED的結構已經相當接近VCSEL，差別在于面射型LED沒有反射層構成的諧振腔，也沒有用氧化層制程來縮小諧振腔體積跟發光面積。

所以，對于熟悉面射型LED的業者來說，要克服的關卡主要在反射層的磊晶、摻雜以及氧化層的控制。其中，氧化層是LED完全沒有的制程步驟，在這方面會比較有挑戰，至于磊晶跟摻雜，對***的LED乃至化合物半導體廠來說，問題應該不大。

也因為***廠商已經掌握大多數關鍵技術，因此在VCSEL感測應用竄起的同時，***許多專業化合物半導體代工廠就已經拿到訂單，LED廠商轉進VCSEL的動作也十分迅速而積極。另一方面，跟臺系化合物半導體代工廠有長期配合的封裝廠，也跟著在第一時間拿到不少訂單。

在智能手機之后，VCSEL感測器產業的下一個兵家必爭之地，將是光達由機械式結構轉為全固態結構所帶來的龐大商機。為了取得完整的周遭環境資訊，讓自動駕駛系統得以判斷其所處的狀況，光達將是自駕車必備的感測系統，但過去的車載光達采用機械式設計，導致其成本偏高，使汽車制造商根本無法在量產車款上搭載光達。

據了解，一臺機械式光達的報價，最少也在新臺幣40萬~50萬元之間，占了一輛入門款新車售價的7~8成。直到2018年開始，陸續有光達廠商推出基于半導體技術的新一代固態光達，才開始有報價在數千美元的光達設備在市場上出現。但這個價格還是偏高，業界認為，光達的價格必須要壓低到數百美元，才有可能在汽車市場上大量普及，而促使價格下降的關鍵，就在VCSEL。也因為如此，部分***化合物半導體廠為了搶食車載光達的市場大餅，已經展開布局動作。除了推出車規等級的制程服務外，部分生產線也已經通過車規驗證，準備迎接即將到來的訂單。