VCSEL (Vertical-cavity surface-emitting laser) je relativně nový typ polovodičového laseru, který poskytuje mnohem lepší parametry a možnosti použití, než starší EEL (Edge-emitting laser). Největší rozmach začíná zažívat až v poslední době, kdy roste množství elektroniky, která vyžaduje miniaturní čipy, zároveň přitom úsporné a levné. Intel už takové nasazení předvedl na lehkých brýlích pro rozšířenou realitu.
I nejlevnější auta budou řídit sama. Umožní to nový laserový systém Velodyne
První laser byl představen v roce 1960 a potvrdil fyzikální princip, který popsal Albert Einstein už v roce 1917. První VCSEL laser byl ale vyroben až v roce 1979, respektive 1988, kdy pracoval i při pokojové teplotě. V roce 1989 pak inženýři z Bell Labs a Bellcore dokázali vyrobit první miniaturní čip, který obsahoval milion VCSEL. Avšak technologie šly v tomto směru ještě dále a z VCSEL se začíná stávat stejně revoluční věc, jako třeba z tranzistoru.
Jak to funguje a k čemu je to dobré
Hlavní přednosti VCSEL vychází už ze samotné konstrukce a výroby. Jak je možné vidět na obrázcích, světlo se emituje vertikálně k povrchu waferu a navíc má kruhový profil. Díky tomu není potřeba používat dodatečné čočky jako u EEL, kde je emitující světlo ve tvaru obdélníku, což komplikuje použití a paprsek je tak nutné dodatečně usměrnit.
Výroba je rovněž mnohem jednodušší, protože lze relativně snadno vytvářet čipy s velkým množstvím VCSEL blízko sebe a během výrobního procesu navíc vše správně zarovnat, zkontrolovat a dokončit už na úrovni waferu. U EEL je možné kontrolovat vlastnosti materiálu a konstrukce až ve finální fázi výrobního procesu, kdy už může být pozdě. To pochopitelně zároveň zvyšuje počet zmetků a průměrnou výrobní cenu.
VCSEL mají vyšší výkon při nižší spotřebě, při níž umožňují i vyšší přenosové rychlosti (pokud se laser používá pro přenos dat). Oproti EEL je také teplotně stabilnější.
Hodí se do aut i mobilů
Pokud jde o moderní použití, VCSEL začínají být důležité jak u mobilních zařízení, tak třeba i u automobilů. V mobilních telefonech se totiž VCSEL začínají používat nejen pro autofokus, který funguje extrémně rychle a při jakýchkoli světelných podmínkách (laser sám emituje světlo a měří čas jeho návratu od objektů), ale také pro komplexnější měření hloubky obrazu. Pokročilou analýzu toho, co je v popředí a co v pozadí tak zajišťuje právě tento laserový systém a pokud se do toho přidá vyšší rozlišení, lze ho využít na další věci.
Jednou z těch nejnovějších je rozpoznávání tváře, kterou má například iPhone X. Ten ve výkroji displeji obsahuje celou řadu senzorů a jedním z nich je i VCSEL, který v poměrně vysokém rozlišení (asi 30 tisíc bodů) měří strukturu obličeje ve trojrozměrném prostoru. Ze vzdálenosti jednotlivých bodů vytvoří 3D strukturu, které pak v kombinaci s obrazem analyzuje výpočetní čip, aby ověřil, zda to jste skutečně vy nebo jen nějaká maska či dvourozměrná fotografie.
3D snímání okolních objektů se však s VCSEL stává důležitým i v automobilovém průmyslu. S nástupem chytrých technologií a autonomních systémů totiž přichází LIDAR, který rovněž emituje laserové pulzy a měří jejich čas návratu, díky čemuž může nakonec zrekonstruovat trojrozměrný obraz okolí v reálném čase. Tato technologie byla původně velmi drahá a vyžadovala neefektivní rotační systém.
Jak se ale dalo čekat, technologie se stejně jako u tranzistorů i zde vyvíjí exponenciálně rychle a dnes už jsou LIDARy mnohem levnější, menší a hlavně pevné. Do budoucna se budou všechny tyto vlastnosti určitě i nadále zlepšovat a nebude tak problém je dostat i do těch nejlevnějších aut.
To nejzajímavější použití nás ale nejspíše čeká v blízké budoucnosti.
Rozšířená realita
Na začátku minulého měsíce Intel představil prototyp brýlí Vaunt pro rozšířenou realitu, které využívají právě VCSEL pro emitaci světla přímo na sítnici oka – žádné speciální sklíčko před okem nebo odraz přes sklíčko brýlí a podobně. Laser míří přímo do oka.
Právě díky miniaturní velikosti a nízké spotřebě bylo možné takový prototyp pomocí VCSEL vyrobit, i když je zatím vše omezeno pouze na velmi malý obraz prezentovaný pouze červeným monochromatickým světlem. Proč zrovna červeným? Viditelné spektrum 620 až 750 nm totiž tvoří fotony s nejnižší energií (1,85 až 2 eV), přičemž například modré zabarvení (450 až 495 nm) už má energii fotonů 2,5 až 2,75 eV.
Bezpečnost je v oblasti laserů extrémně důležitá, obzvláště pak když míří přímo do oka. Existuje proto i standard MPE (Maximum permissible exposure), který udává, kolik energie na cm2 je ještě bezpečné a hlavně také po jakou dobu. To je rozdílné dle konkrétní vlnové délky světla. Výrobci tak musí pro finální produkt podobného typu řešit hlavně omezení v podobě maximální energie a času, který může takový laserový systém zobrazit obraz v rámci rozšířené reality.
Apple vsadil na VCSEL
Apple v prosinci minulého roku utužil vztah se společností Finisar, která se zabývá právě vývojem a výrobou VCSEL. Apple dal z fondu „Advanced Manufacturing Fund“ Finistaru celkem 390 milionů dolarů. Původně se myslelo, že šlo o investici, za kterou Apple dostal nějaký podíl ve společnosti, nakonec se však ukázalo, že šlo spíše o formu předobjednávky či zajištění exkluzivity pro hromadnější výrobu VCSEL čipů pro iPhony.
A kde všude VCSEL Apple potřebuje? Zatím hlavně pro TrueDepth kameru (Face ID, Animoji, portrét mód) a také do bezdrátových sluchátek AirPods, kde se VCSEL stará o měření vzdálenosti a automatické vypínání, pokud sluchátka vyndáte z ucha.
Apple sám uvedl, že během posledního čtvrtletí roku 2017 nakoupil 10x více waferů s VCSEL, než se za stejnou dobu v minulém období vyrobilo po celém světě a pro všechny ostatní společnosti dohromady.
Jedná se tak o masivní rozšíření výroby, která bude zahrnovat i stavbu nové továrny. Apple oznámil, že pomocí VCSEL je možné vyrábět nejpokročilejší technologie budoucnosti a během následujících let se posunou možnosti, co lze s VCSEL vyvinout.
Vzhledem k tomu, že si Apple podal už několik patentů, lze předpokládat, že na brýlích pro rozšířenou realitu pracuje a s velkou pravděpodobností budou v základu využívat právě VCSEL. Co je ale důležité zmínit, že se Tim Cook v minulosti vyjádřil, že většina lidí nebude chtít nosit klasické brýle, tedy pokud už je nenosí.
S technologií VCSEL lze ale vyrobit „brýle“, které vlastně ani nebudu brýlemi. Stačí si představit určitou formu velmi tenkého proužku, který bude mít na konci umístěn čip s VCSEL zamířená do oka. Tento konec může být v oblasti obočí nebo pod okem, ovšem rozhodně nemusí konstrukce zbytečně tvořit celé brýle.
Zatím nám ale nezbývá než spekulovat, jakého designu pro rozšířenou realitu se od Applu dočkáme. Jen doufejme, že už to bude co nejdříve.
