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資料中心/3D感測需求加溫 VCSEL商機水漲船高

2018-05-28
垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)發展十年磨一劍,終於在資料中心與3D感測應用需求帶動下,成為群雄競逐焦點,其發展開始逆風翻揚,躍居成為帶動相關供應鏈營收成長的隱形推手。
上集內容從VCSEL的產業應用趨勢破題,點出VSCEL在產業的重要性,而後深入探討其元件的基礎設計原理、技術發展與系統架構,分析如何提升VCSEL的輸出功率來增加光發射的距離;同時,也詳細說明如何透過覆晶(Flip Chip)技術強化VSCEL散熱及光電轉換效率,為相關應用領域提升產品效能。本文將延續前述內容,將重心聚焦於資料中心與3D感測兩項關鍵技術,分享其設計瓶頸與開發實務所將面臨的問題與挑戰。 

光通訊發展刻不容緩 100G應用成主流 

高雄科技大學電子工程系特聘教授施天從(圖1)表示,2017年開始,資料中心數據傳輸已開始朝25G/100G方向前進,至於更長距離的資料中心傳輸,主流需求則往400G移動。目前在400G領域,已可看到有許多公司開始進入樣品階段,其產品設計最高每通道可達100Gbps。 

圖1 高雄科技大學電子工程系特聘教授施天從表示,2017年100G將成為資料中心發展的起始點,持續滲透至各地區。
事實上,目前已有大型資料中心業者,如Facebook,預計採用以外調雷射(EML)技術為基礎的400G方案,但該方案單價相當昂貴,故要如何架構這個網路目前尚未落實,可預見的是,100G的市場從2017年開始嶄露頭角,預計將會維持一段為時不短的採用時間。隨著業界的連接埠速度從10G進化到25G和從40G進化到100G,資料中心也需要模組化的基礎組件,以支援目前以及新一代的不同連接埠速度。 

施天從談到,資料中心內所需的光收發模組,可以分成四類,依照可傳輸距離長短依序分為In Rack、Across Row、Across DC(Data Center)、Between DC。英特爾(Intel)統計市場對於100G收發器的需求,預估在2020年,In Rack方案市場比重約10%+;Across Row市場比重約20%+;Across DC則接近約40%,最後,Between DC則約占10%+。整體而言,100G以上的資料中心市場,對於收發器的需求量約5.1億美元。 

面對光通訊產業的發展趨勢,VCSEL在光通訊上扮演甚麼角色呢?其實VCSEL在光通訊產業應用主要採取多模設計為主,而多模在光纖中傳輸,會使其速度、距離受到限制,故VCSEL比較適合短距離傳輸,而資料中心所需的傳輸距離,正好為VCSEL施展拳腳的空間。 

呼應上文描述的四大種類光收發模組,In Rack與Across Row這種傳輸距離在幾百公尺以內的模組,非常適合採用多模的VCSEL設計。而Across DC、Between DC這類型的長距離傳輸的模組設計,則大多採用DFB和EML這種邊射型雷射技術,搭配單模光纖進行傳輸。 

VCSEL聯手AOC助攻 資料中心市場如日中天 

除了光收發器之外,VCSEL在資料中心應用,亦可採用主動光纖電纜(Active Optical Cable, AOC)做為新世代數據傳輸的替代方案。施天從表示,透過光收發器進行傳輸,有時候可能會因為不良的插放,導致訊號接收干擾,故透過AOC方案可直接串連光纖與收發器,對於短距離傳輸應用的場域,AOC不失為一個良好的替代方案。 

VCSEL利用雷射陣列將外層電子引入一個很薄的區域來模擬量子隧道響應,耦合光纜來傳輸訊號,所產生的電流將被引入到高反射率的反射鏡及分布式布拉格反射鏡;布拉格反射鏡能將訊號固定在介質中垂直振盪在一個垂直於表面的方向,使光只經由包裹的圓形光束輸出開口逸出至表面,形成在光纖壁較低的頻率反射(圖2)。 

圖2 AOC設計架構圖
資料來源:高雄科技大學

VCSEL技術由於具備較高性能、較低成本及功耗,加上低位準電流特性有利實現高密度的雷射列陣,再者光是以垂直方向射出的,較小的發散角和圓形對稱的遠近場分布使其與光纖的耦合很容易,而無需複雜昂貴的光束整形系統。 

施天從分析,在設計基於VCSEL技術的光收發模組與AOC時,須計算其光學結構,確認VCSEL的發光角度。相反於3D感測在設計時致力於擴大VCSEL發光角度,針對光通訊產業,則是要求VCSEL發光角度越小越好,普遍來說目前光通訊產業所設計的VCSEL發光角度約10~15度。 

除了發光角度的要求外,訊號在光纖裡的衰減狀況與劣化狀況,是採用VCSEL技術作為光通訊技術不容忽視的要點。色散(Dispersion)是導致光纖訊號衰減的一大挑戰,由於VCSEL是多模的元件,因此每道發射出的光都會產生不同的等效折射率,在傳輸一段距離後,造成傳輸訊號失真(Distortion),影響傳輸品質。換言之,發光角度與色散的挑戰,考驗著廠商的技術。 

整體而言,VCSEL應用於資料中心與3D感測設計原理大同小異,但3D感測技術應用的功率是依照發射面積來調整,若功率已經調整到最大,還無法解決損耗問題,可再透過陣列的方式,多幾顆VCSEL來調整,針對單一顆可以依照發射面積調整大小。 

三大技術加持  3D感測應用快速達陣  

事實上,3D感測市場可透過立體影像(Stereo Vision)、結構光(Structure Light)、時差測距(ToF)來實現。蘋果(Apple)iPhone X採用的是結構光技術,最大的原因在於其深度感測良好,無論是日間或夜間都能精準感知物體,適合短距離感測應用。基本上結構光就是透過線條或點打出一個圖案,藉由這些線條與點的強度分布、形狀變化,進行三角法計算,從而算出物體距離深度訊息(表1)。 

表1 三種類型技術打造3D感測應用
資料來源:晶晟精密科技

相較之下,ToF的技術原理與結構光相近,藉由對目標連續發送光脈衝,進而透過感測器接收物體反射光回來的時間,計算目標物的距離,其感測元件CMOS晶片Pixel像素越高,解析度就越高,較適用中長距離感測。不過相關供應鏈廠商也正積極開發能滿足短距離的ToF應用,目標距離設定在約為50公分內的設計。 

無論採用何種技術,皆有其優劣之處,目前採用結構光技術成本較高且設計複雜,短期市場可能會聚焦在立體影像設計,但該技術在夜間感測的精準度與深度判斷與結構光相比,可能會略顯不足。 

晶晟精密科技博士張詒安(圖3)談到,VCSEL是結構光與ToF必要的光源。目前可提供VCSEL接收端的廠商,包含德州儀器(TI)、PMD、Panasonic、Sony與微軟(Microsoft)等廠商。由於各家廠商的技術不同,其解析度(Resolution)與CMOS陣列設計也都不盡相同,例如德州儀器(TI)的OPT8320,解析度設計為80×60,適合在1公尺以內的工作距離進行ToF應用;若是應用需要高達15公尺以上的傳輸距離,則建議採用640×480解析度設計,像是Panasonic生產的MN34906/2。 

圖3 晶晟精密科技博士張詒安認為,應用於智慧型手機的光學式指紋辨識技術,將是引爆VCSEL商機的新藍海。
iPhone X導入結構光技術即是為了滿足Face ID應用。張詒安分析,當未來雲端支付使用量變大時,難以保證目前既有的二維條碼、密碼鎖、Touch ID的安全防護足夠因應資料安全防護問題,故研發Face ID辨識技術,藉此提升Apple在雲端支付應用的安全層級。 

人臉辨識與觸控辨識最大的不同在於「鑑別率」差異。一般指紋辨識約生成10~20個點,以鑑別率來看,約五萬個人之中就可能出現與使用者指紋雷同的用戶,進而啟動手機的隱憂;而人臉辨識技術,基本上是百萬個人次中,才會找到一位與自己長相雷同的人,因此這也意味著,人臉辨識的安全防護相較於指紋辨識來得嚴謹許多。 

聚焦光學式指紋辨識 VCSEL下一步行動 

事實上,VCSEL不僅可以用在人臉辨識技術,就連光學式指紋辨識也有望成為VCSEL下一個關注的應用焦點。雖然iPhone X在螢幕上端還有保有一個「瀏海」設計,但不可否認,未來手機必將朝向全螢幕發展,屆時光學式指紋辨識技術就成了全螢幕手機的關鍵技術,目前也有些方案商或手機大廠正長期關注這個市場。 

張詒安認為,未來手機最有發展潛力的部分,大概就是導入光學式的指紋辨識技術。該技術就是在OLED或LCD顯示器下面,加裝一個TX、RX模組,以除去顯示器上面的黑框圖案,增加手機的美感。而光學式指紋辨識內的光源,則非VCSEL莫屬。 

由於智慧型手機的用戶會穿梭在室內、室外空間,在室外環境中,需要具備對抗環境紅外線光的干擾問題,而此透過VCSEL的雷射頻譜具備的先天優勢加上設計改良,就能讓智慧型手機即便在陽光底下,也能輕鬆執行相關應用。 

談完了手機前方的應用,事實上,早已有一些手機將ToF技術導入到手機後方的相機模組,進行一些遊戲、教學用途;舉例來說,聯想Phab 2 Pro將Google Tango技術導入手機之中,實現AR應用。此舉證明,以目前ToF在手機這方面,其硬體與軟體技術已準備就緒,若未來在APP軟體開發能更加精進,將進一步加速AR/VR在手機應用,可想而知其市場發展潛力無窮。 

整體而言,上述相關應用基本上皆是基礎於雷射二極體的延伸設計,而關於雷射技術的安規與使用注意事項,也成了設計過程中,不容忽視的重要一環。 

確保裝置安全性  雷射功率量測不可少  

迪伸電子(LECC)總經理董欣志(圖4)表示,雷射技術有各種不同的安全規範,目前所有IT產業大多數以Class 1的安規標準為主,測試距離為2,000mm,功率需小於0.39mW,也就是所謂的Eye Safety基本門檻。 

圖4 迪伸電子(LECC)總經理董欣志表示,電壓電流功率的控制是雷射量測過程中,極須注意的一大要點。
LD功率是經由Power Meter量測而來,並非傳統的電流×電壓的計算方式,一般規格書上都有詳細說明Absolute Maximum Rating為5mW,意指若超過5mW時,LD(半模組)可能受損或導致不可恢復的損傷。 

董欣志談到,量測功率時必須要有角度,避免LD的光反射回來,影響PD(Im)值,因此光線一定要全部打進去Power Meter,才能得到正確的數據。此外,電壓或電流過高會導致LD輸出功率過高,造成LD不可恢復的損傷,因此重點在於電壓電流功率的控制,而其中最重要的參數為功率輸出。當測試LD時,不能以定電流測試,其因在於LD材質為三五族半導體,一致性不高,必須以定功率測試,才不會對LD產生損傷。 

顯而易見,VCSEL技術已成為消費性應用發展重要的關鍵元件,雖然現階段看到明顯成長的應用領域以智慧型手機為主,不過該元件的應用潛力不僅止於此,未來預計將朝資料中心、工業自動化與自駕車等垂直應用領域繼續前進,為業界創造更多設計商機。

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