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3D Sensing核心元件—VCSEL

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相比于 LED 和 EEL，VCSEL 作为 3D 摄像头红外光源，在精确度、小型化、低功耗、可靠性等角度全方面占优。

随着 VCSEL 芯片技术的成熟，以其作为核心元件的 3D Sensing 走入应用，在活体检测，虹膜识别，AR/VR 技术以及机器人识别和机器人避险、自动驾驶辅助等领域得到发展。

近期，3D Sensing的主要应用以手机为主，iPhone X 首次搭载 3D 结构光模组，引领 3D Sensing消费市场。

苹果 3D Sensing 供应链较为完善，Lumentum、II-VI 、Finisar、IQE 等均已加入其中。

未来几年 3D Sensing 市场规模将快速增长，到 2023 年 3D Sensing 的市场空间可达 180 亿美元，2018 年-2023 年复合增速达到 44%。

其中，3D Sensing 在智能手机市场上的渗透率不断提高， 3D Sensing 渗透率有望从 2017 年的 2.1%提高至 2020 年的 28.6%。

3、3D Sensing核心元件—VCSELVCSEL 集高输出功率和高转换效率和高质量光束等优点于一身，相比于 LED 和边发射激光器 EEL，在精确度、小型化、低功耗、可靠性等角度全方面占优。

随着 VCSEL 芯片技术的成熟，以其作为核心元件的 3D Sensing 走入应用，在活体检测，虹膜识别， AR/VR 技术以及机器人识别和机器人避险、自动驾驶辅助等领域得到发展。

近期，3DSensing 的主要应用以手机为主，iPhone X 首次搭载 3D 结构光模组，引领 3D Sensing 消费市场。

目前，全球 3D Sensing供应链趋于完善，VCSEL 设计厂商 Lumentum、II-VI 、Finisar、AMS，VCSEL 外延片供应商 IQE、全新光电以及台湾晶圆代工厂稳懋、晶电等均纷纷布局 3D Sensing 领域。

据预测，未来几年 3D Sensing 市场规模将呈几何式增长，到 2020 年 3D Sensing 市场规模可达到 108.49 亿美元 2023年 3D 传感的市场空间达到180 亿美元，2018 年-2023 年复合增速达到 44%。

其中，3D Sensing 在智能手机市场上的渗透率不断提高， 3D Sensing 渗透率有望从 2017 年的 2.1%提高至 2020 年的 28.6%。

3.1、新型半导体激光器—VCSELVCSEL(Vertical-cavity surface-emitting laser)，即垂直腔面发射激光器，与传统的边发射激光器不同，其激光出射方向垂直于衬底表面。

VCSEL 基本结构与工作原理VCSEL 器件有两种基本结构，一种是顶发射结构：采用 MOCVD 技术在 n 型GaAs 衬底上生长而成，以 DBR 作为激光腔镜，量子阱有源区夹在 n-DBR 和p-DBR 之间。

由于量子阱厚度小，单程增益小，因此反射镜的反射率较高，一般全返腔镜反射率>99.9%，输出腔镜反射率通过理论计算设定最佳的耦合输出率（一般也大于 99%），然后在衬底和 p-DBR 外表面制作金属接触层。

并在 p-DBR 或 n-DBR 上制作一个圆形出光窗口，获得圆形光束，窗口直径从几微米可到百微米量级，最后在和导热性好的热沉键合，提高芯片的散热性能。

另一种是底发射结构，一般用于产生976-1064nm 波段，通常将衬底减薄到 150μm 以下以减少衬底吸收损耗，再生长一层增透膜以提高激光光束质量，最后将增益芯片安装在热沉上。

图表 1：VCSEL结构简图资料来源：中国知网VCSEL 作为一种半导体激光器，形成激光发光需要完成能量激发和共振放大两个步骤。

首先要实现能量激发，通过外加能量（光能或电能）激发半导体的电子由价带跳到导带，当电子由导带跳回价带时，将能量以光能的形式释放出来。

然后在发光区外加一对激光腔镜，使光束在左右两片镜片之间反复来回反射，不停地通过发光区吸收光能，最后产生谐振效应，使光的能量放大最终形成激光。

图表 2：VCSEL发光原理资料来源：OFweek 半导体激光器主要分为边发射半导体激光器 EEL（edge-emitting laser）和垂直腔面发射半导体激光器 VCSEL 两种类型。

边发射半导体激光器具有高的光电转换效率和高的输出功率。

但是边发射半导体激光器发散角较大，并且平行和垂直于 pn 结的两个方向发射角相差较大，这一缺陷极大的限制了边发射半导体激光器的应用范围。

垂直腔面发射半导体激光器具有较好的光束质量和圆对称的光斑分布，发散角较小。

KUZNETSOV 等研究人员制备得到的光泵浦垂直腔面发射半导体激光器，其集高输出功率和高转换效率和高质量光束等优点于一身。

EEL 和和 VCSEL 参数对比VCSEL 具有完美的光束质量、小的发散角和圆对称光场分布使其与光纤的耦合效率较高，其与多模光纤的耦合效率可大于 90%。

其较小的有源层体积，使其产生激光的阈值电流较低。

极短的谐振腔长度，使得纵模间距变大，易于实现单纵模激光运转。

具有垂直于衬底表面光出射方向，易于通过高密度集成实现高功率激光输出。

高的传输速率和调制频率，也有利于高速光纤网路传输通信。

VCSEL 在传感器应用方面也展现出优异的性能，相比于早期 3D 摄像头系统使用的 LED 红外光源，结构更加简单、体积更小、功耗更低、距离检测更加精确。

图表 3：850nm LED VS 850nm VCSEL资料来源：OFweek图表 4：三种不同的光源效果3.2、VCSEL广泛的应用范围，3D Sensing市场可期随着 VCSEL 研究的不断发展，以其作为核心元件的 3D 摄像头可以更快、更好的走入应用，产品进入市场。

3D 成像对比传统的 2D 成像技术有着更好的技术特性，全面的三维信息可以更好的应用在智能化设备中，如活体检测，虹膜识别， AR/VR 技术以及机器人识别和机器人避险、自动驾驶辅助等领域，随着时间演进，到 2023 年 3D 传感的市场空间达到 180 亿美金，2018 年-2023 年复合增速达到 44%。

图表 5：2018-2023年3D Sensing 市场规模快速增长（$ M ）资料来源：Yole 据 Trend Force 统计，到 2017 年年底，全球 3D Sensing 市场规模仅为8.19 亿美元。

但受益于消费电子市场可预见的爆发式增长，全球 3D Sensing 市场规模将不断扩大。

Trend Force 预测，未来几年 3D Sensing 市场规模将呈几何式增长，到 2020 年，3D Sensing 市场规模可达到 108.49 亿美元。

其中，3D Sensing 在智能手机市场上的渗透率不断提高，3D Sensing 渗透率有望从2017 年的 2.1%提高至 2020 年的 28.6%。

据 Deutsche Bank 统计，2017 年搭载 3D Sensing 模组的智能手机（仅有iPhone）数量为 3800 万台，在智能手机上搭载率仅为 3%。

2018 年随着 3D Sensing 模组在 Android 手机上进行使用，智能手机市场 3D Sensing 模组需求扩大。

据预测，2020 年搭载 3D Sensing 模组的 iPhone 手机数量将达 4.4 亿台，搭载 3D Sensing 的 Android 手机数量将达 4.65亿台，3D Sensing 在智能手机上搭载率将达到 38%。

图表 6：2017-2020年全球 3D sensing市场规模预测及智能手机市场占比资料来源：Trend Forc 图表 7：智能手机市场 3D Sensing 模组搭载情况预测资料来源：Deutsche Bank3.3、3D Sensing 技术成熟，苹果iPhone X 搭载3D 结构光模组，推动消费升级3D 成像，3D 成像就是在二维图像，包括颜色，亮度，细节的基础上增加了景深的信息，在拍照的同时，获取对象的景深数据，应用于人脸识别，虹膜识别，手势控制，机器视觉，计算摄影。

3D 摄像头模组：RGB 摄像头+深度摄像头，并搭载核心 3D Sensing 算法一起来提供 3D 成像。

其中深度摄像头在整个 3D 摄像头模组中起了非常关键的作用，可提供场景的深度图像，是图像由二维转换为三维的关键技术点。

为了实现 3D 成像，目前需要解决的是深度摄像头的方案，目前已有的 3D 成像方案有：结构光法，飞行时间法（TOF）和双目测距法。

3.3.1、苹果积极布局3D Sensing 领域，iPhone X 搭载3D Sensing 人脸识别在光学领域，苹果始终保持行业领先地位。

当下热门的 3D 摄像头技术，苹果早在 2010 年便展开布局。

如今，苹果已收购多家相关技术领域的公司。

图表 8：苹果近几年收购的 3D 成像技术公司2017 年苹果推出十周年纪念版机型 iPhone X，其搭载的 3D Sensing 人脸识别成为业界热捧的智能手机新功能。

该产品再次引领手机产业开启新一轮 10 年周期的升级风潮。

iPhone X 采用的 3D Sensing 核心元件包括点阵投影器（Dot projector）、接近传感器（TOF）和泛光照明（Floodilluminator）等。

iPhone X 红外点阵投影器通过采用 VCSEL 二极管配合主动式衍射光学元件和折叠光学元件得以实现。

其中，VCSEL 芯片安装在氮化铝的 DPC 陶瓷基板上，氮化铝基板贴装于 HTCC 陶瓷基座底部。

主动式光学元件的电极和陶瓷基板中的 IC 通过组件侧方的金属连接器相连。

系统工作时，由 VCSEL 芯片发出红外光束，经过折叠光学元件引导至主动式衍射光学元件，再由主动式衍射光学元件将光束分成 30000 个点光束发射而出。

这种非常独特的装配方案获得了最优化的热管理性能，并能为所有的光学元件提供更高的对准精度。

图表 9：苹果True Depth设计图表 10：iPhone X红外点阵投影器封装结构图iPhone X 泛光照明器采用近红外 VCSEL，通过发射辅助红外光确保系统在较暗环境下正常运行。

TOF 接近传感器可测得用户和手机距离，当用户在接听电话时，会自动关闭屏幕。

苹果作为手机行业龙头，率先在智能手机上大规模采用3D Sensing 技术，引领 3D Sensing 消费市场。

最近，最新发布的安卓手机小米8探索版中也搭载了Mantis Vision编码结构光方案。

OPPO的FIND X手机也采用3D结构光模组，通过向人脸投射 15000 个光点，建立毫米级精度的 3D 深度图，并快速与用户信息进行比对。

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3DSensing核心元件—VCSEL

3DSensing核心元件—VCSEL

3DSensing核心元件—VCSEL相比于 LED 和 EEL，VCSEL 作为 3D 摄像头红外光源，在精确度、小型化、低功耗、可靠性等角度全方面占优。

随着 VCSEL 芯片技术的成熟，以其作为核心元件的3D Sensing 走入应用，在活体检测，虹膜识别，AR/VR 技术以及机器人识别和机器人避险、自动驾驶辅助等领域得到发展。

近期，3D Sensing的主要应用以手机为主，iPhone X 首次搭载3D 结构光模组，引领3D Sensing消费市场。

苹果3D Sensing 供应链较为完善，Lumentum、II-VI 、Finisar、IQE 等均已加入其中。

未来几年3D Sensing 市场规模将快速增长，到2023 年3D Sensing 的市场空间可达 180 亿美元，2018 年-2023 年复合增速达到44%。

其中，3D Sensing 在智能手机市场上的渗透率不断提高，3D Sensing 渗透率有望从 2017 年的 2.1%提高至 2020 年的 28.6%。

3、3D Sensing核心元件—VCSELVCSEL 集高输出功率和高转换效率和高质量光束等优点于一身，相比于LED 和边发射激光器EEL，在精确度、小型化、低功耗、可靠性等角度全方面占优。

随着 VCSEL 芯片技术的成熟，以其作为核心元件的 3D Sensing 走入应用，在活体检测，虹膜识别， AR/VR 技术以及机器人识别和机器人避险、自动驾驶辅助等领域得到发展。

近期，3DSensing 的主要应用以手机为主，iPhone X 首次搭载3D 结构光模组，引领3D Sensing 消费市场。

目前，全球3D Sensing供应链趋于完善，VCSEL 设计厂商Lumentum、II-VI 、Finisar、AMS，VCSEL 外延片供应商 IQE、全新光电以及台湾晶圆代工厂稳懋、晶电等均纷纷布局 3D Sensing 领域。

激光 vcsel 参数

激光 vcsel 参数

激光 vcsel 参数激光垂直腔面发射激光二极管（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，简称VCSEL）是一种广泛应用于光通信、光传感和激光雷达等领域的光电子器件。

本文将从VCSEL的基本原理、参数以及其在光通信领域的应用等方面进行详细介绍。

一、VCSEL的基本原理VCSEL是一种半导体激光二极管，与传统的激光二极管（LD）不同，VCSEL的光输出是通过芯片的表面而非侧面发射的。

VCSEL的基本结构由多个半导体材料层叠而成，其中包括n型和p型材料层，通过电流注入和正向偏压，激发电子与空穴复合产生光子，并通过DBR（Distributed Bragg Reflector）反射镜层产生光放大效应，最终实现高效的光输出。

二、VCSEL的参数1. 波长：VCSEL的波长通常在800nm到1.6μm之间，不同波长的VCSEL适用于不同的应用场景。

例如，850nm波长的VCSEL广泛应用于短距离光通信和数据中心连接，而1310nm和1550nm波长的VCSEL则适用于长距离通信和光纤传感等领域。

2. 输出功率：VCSEL的输出功率通常在几mW到几十mW之间，不同的应用场景对输出功率有不同的需求。

在光通信领域，高功率的VCSEL可以实现远距离传输和高速通信。

3. 调制带宽：VCSEL的调制带宽决定了其在高速通信中的传输性能。

通常，VCSEL的调制带宽可以达到几十GHz，可以满足高速数据传输的需求。

4. 效率：VCSEL的效率是指其输出光功率与输入电功率之比，通常在20%到50%之间。

高效率的VCSEL可以减少能源消耗，提高光通信系统的整体性能。

三、VCSEL在光通信领域的应用1. 数据中心互连：由于其低成本、高速率和低功耗的优势，VCSEL 被广泛应用于数据中心的光互连领域。

通过多通道VCSEL阵列，可以实现高密度的光通信连接，满足数据中心对大带宽、低延迟的需求。

2. 光纤通信：VCSEL在光纤通信领域的应用也逐渐增多。

VCSEL激光器温度控制电路设计及氧气浓度测量实验研究的开题报告

VCSEL激光器温度控制电路设计及氧气浓度测量实验研究的开题报告

VCSEL激光器温度控制电路设计及氧气浓度测量实验研究的开题报告一、选题背景及意义：VCSEL激光器是一种新型半导体激光器，具有功率密度高、体积小、发光波长可调等优点。

在通信、计算机、医疗与检测等领域具有广泛应用。

在VCSEL激光器的使用中，温度对其发射特性有很大影响。

因此，需要对VCSEL激光器进行温度控制，以稳定它的工作状态。

同时，VCSEL激光器在气体检测领域也有很大的应用，如氧气浓度检测。

通过对VCSEL激光器的射出光谱进行分析，可以得出氧气浓度的相关信息，从而实现氧气浓度的测量。

本文旨在研究VCSEL激光器的温度控制电路设计及氧气浓度测量实验研究。

二、研究内容：本文将研究VCSEL激光器在不同温度下的发光特性转换，通过调整温度来控制VCSEL激光器的工作状态，设计出一种可靠的温度控制电路。

另外，本文还将探究VCSEL激光器在气体检测领域的应用，针对氧气浓度测量这一应用场景，通过对VCSEL激光器的射出光谱进行分析，得出氧气浓度的相关信息。

三、研究方法和步骤：1. 文献调研：通过查阅相关文献，了解VCSEL激光器的基本原理和工作特性，以及温度控制电路和氧气浓度测量方法等相关内容。

2. 设计温度控制电路：通过实验研究VCSEL激光器在不同温度下的工作状态，设计出可靠的温度控制电路，以维持VCSEL激光器的稳定工作状态。

3. 实验测量氧气浓度：通过对VCSEL激光器的射出光谱进行分析，测量出氧气浓度的相关信息，并验证其准确性和可靠性。

四、预期结果：本研究将设计出一种可靠的VCSEL激光器温度控制电路，以及在气体检测领域具有应用前景的氧气浓度测量方法。

通过实验证明，所设计的温度控制电路和氧气浓度测量方法具有较高的准确性和可靠性，并为VCSEL激光器在实际应用中提供重要参考。

vcsel芯片原理

vcsel芯片原理

vcsel芯片原理
VCSEL（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser）是一种垂直面辐射激光器。

其原理是利用半导体材料的PN结，通过注入电流激发其中的电子和空穴，产生光子的辐射。

VCSEL芯片的工作原理如下：
1. VCSEL芯片是由两个高反射率反射镜夹持的活性层组成，其中一面被设计成半透明的输出窗口。

2. 在芯片的活性层中，通过电流注入，从杂质掺杂的区域注入电子和空穴。

3. 随着电子和空穴的再结合，产生的能量以激光光子的形式被释放出来，光子在半导体材料中被放大。

4. 反射镜的设计使光子在垂直于芯片表面的方向上被反射，其中一部分光子经由半透明窗口逃逸出来，形成输出的光束。

VCSEL芯片的特点包括：
1. 发射方向垂直，易于进行光电耦合和设备集成。

2. 工作电流较低，能耗低。

3. 光束质量好，光斑较小，光束发散度低。

4. 可以进行大规模集成制造。

VCSEL芯片广泛应用于数据通信、光学传感、生物医学和工业领域等。