近幾年,，隨著物聯(lián)網(wǎng),、AI、5G技術的發(fā)展,，3D成像和傳感技術迎來了高速成長,，撬動智能手機、AR/VR,、智能汽車等多個領域發(fā)展,，加速萬物互聯(lián)時代的到來。VCSEL作為3D成像和傳感系統(tǒng)的核心器件,，正處于智能互聯(lián)產(chǎn)業(yè)的金字塔尖,。
VCSEL（Vertical-cavity Surface-emitting Laser），垂直腔面發(fā)射激光器,，是以半導體材料為工作物質(zhì)發(fā)射激光的器件,，最初用于光通信領域。
VCSEL結構圖
2016年,，VCSEL借助測距傳感器進入蘋果iPhone 7系列手機,，實現(xiàn)人臉接近感測、自動對焦等功能,。同年,，VCSEL也開始應用于蘋果AirPods耳機，實現(xiàn)佩戴監(jiān)測功能,。2017年,，蘋果陸續(xù)將其用在iPhone人臉識別模組，直到在iPhone X上的驚艷亮相,，讓VCSEL從原本的工業(yè)應用市場轉向商業(yè)與消費類市場,，成為3D人臉識別的核心器件。
蘋果多款產(chǎn)品的應用推動了VCSEL產(chǎn)業(yè)在消費電子市場的發(fā)展,，隨后安卓陣營也相繼推出多款集成ToF傳感技術的手機,，推動VCSEL市場規(guī)模邁上新臺階。據(jù)麥姆斯咨詢公司的測算,，2023年VCSEL全球出貨量將達到30億顆,。
興于蘋果，終于安卓
VCSEL如今在手機上的應用,，一個是單點的ToF,，做后攝的搭配,，比如測距對焦等功能；另一個是人臉識別,，不管是結構光,、ToF還是紅外攝像頭，都需要VCSEL做補光,、發(fā)射等,，蘋果手機后置的LiDar就是用的VCSEL做發(fā)射。
單點對焦比較好理解,，在暗光條件下,，增加一個比較精準的測距功能，能夠讓攝像頭快速對焦成功,，避免成像失焦,。目前的趨勢是從單點推廣到多點,、多區(qū)域對焦,，以進一步提升手機攝像頭的對焦能力，進一步向單反的“多區(qū)域對焦”靠攏,。
后置LiDar在蘋果上的主要應用是SLAM建模,，通過對空間的建模達到為AR、VR等應用服務的目的,，依賴蘋果強大的生態(tài)能力,，可以將虛擬與現(xiàn)實進行更好的融合。
安卓陣營也想跟隨這樣的趨勢,，但難度較大,。蘋果的產(chǎn)品設計有幾個相當高難度的門檻：（1）ToF接收芯片，采用索尼的SPAD陣列,，目前能實現(xiàn)這樣的立體成像的企業(yè)僅此一家,，包括激光雷達在內(nèi)的諸多廠商采用SPAD陣列還沒有達到量產(chǎn)狀態(tài)；（2）極高的收發(fā)和掃描速度需要強大的驅動芯片及圖像處理芯片,，這一技術在安卓陣營也是空白的,，目前還沒有成熟的方案出現(xiàn)；（3）數(shù)據(jù)融合及應用開發(fā)能力是iOS開發(fā)陣營的強項,，安卓陣營在此基礎較弱,，無法提供真實逼真的體驗。
因此,，目前安卓廠商也主要是在單點,、多點ToF上面做文章，以提高拍照的能力為主,。同時,，限于技術,、應用等多種原因，ToF也并沒有常駐安卓陣營,，如今安卓高端機型前置3D方案越來越少,，反而被屏下指紋技術擠占了大量市場份額。VCSEL在傳感模塊/手機市場中的應用正在被取代,。
VCSEL在智能手機中的應用趨勢（圖源：YOLE）
Yole分析師表示,，對于智能手機，OLED 顯示器在 13xx 到 15xx nm范圍內(nèi)的波長范圍內(nèi)是透明的,。有興趣去除手機屏幕上的攝像頭凹槽并在 OLED 顯示器下集成 3D 傳感模塊的 OEM 正在考慮轉向 InP EEL（邊發(fā)射激光器）,，以取代當前的 GaAs VCSEL。
盡管這一趨勢目前處于早期研發(fā)階段,，但Yole看到了多家廠商對此有濃厚興趣,，例如ams、英飛凌,、意法半導體以及多家激光器制造商和傳感器廠商,。預計到2026年，消費者3D傳感行業(yè)將以467%的復合年增長率增長至2200萬美元,。
圖源：YOLE
對此,，有業(yè)內(nèi)專家向半導體行業(yè)觀察指出，VCSEL有一些優(yōu)點,，比如體積小,，光特性好，比較容易與芯片集成等,，但同樣存在一些缺點,，比如在大功率、長波長方面不占優(yōu)勢,。很多OEM也是因此才轉用EEL,，因為只有手機才主要考慮體積，其他應用領域對此并不敏感,。波長相對短的時候,，激光的能量有可能對人帶來傷害 ，波長長的時候就沒有這方面顧忌了,。
Cadence工程師Gilles Lamant也曾表示：“VCSEL激光往往接近可見光波段,，因此可能會在提高功率時具有一定的人眼危險性，因為激光雷達需要非常高的功率來獲得所需的各種探測范圍,?！?/p>
因此VCSEL本身并不是不可取代的，EEL正在成為潛在的替代者,。
EEL 再被提起
根據(jù)激光芯片的結構,，半導體激光器可垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）和分為邊發(fā)射激光器（EEL）,。
顧名思義，VCSEL的激光垂直于頂面射出,，而EEL的光則從芯片邊緣射出,。邊發(fā)射EEL是比較成熟的激光器，生產(chǎn)沒有什么瓶頸,，功率和光電效率也比較高,，性能可靠穩(wěn)定，InP工藝能夠帶來更長的波段,，可以采用高功率,、實現(xiàn)長距離，同時保證人的安全,。
有業(yè)內(nèi)人士表示,，幾乎所有主流的激光器廠商都有涉及EEL產(chǎn)品，可靠性還是其主要的挑戰(zhàn),，因為激光器的應用場景需要保持時刻工作,，比如汽車、醫(yī)療,、工業(yè),、通訊等等,，大電流,、高熱量的激光器首先要保證穩(wěn)定可靠。當前,，國內(nèi)玩家在此領域起步比較晚,，還需要加速追趕。
Yole 技術與市場分析師 Martin Vallo曾表示：“VCSEL 的一項重大優(yōu)勢是其外形尺寸,，以及該技術易于用于移動應用中的人臉識別,，但是 EEL 在后向 3D 傳感方面更加具備潛力?！?/p>
據(jù)報道,，下一代高端智能手機很可能將內(nèi)置感測距離長達 5米的后向式 3D 傳感器，可穿過房間檢測和測量物體,，而這也將有利于較高功率的 EEL,。在此類應用中，行業(yè)廠商將采用 EEL 取代VCSEL正在成為趨勢,。
VCSEL的下一站在哪,？
近兩年，VCSEL雖然沒有在手機市場取得絕對的份額,，并不妨礙其在其他領域落地,，比如TWS耳機,、掃地機器人、數(shù)據(jù)中心等,，這也成為機構對其看好的重要基礎,。
TWS耳機是近年來消費電子少有的爆款產(chǎn)品，VCSEL幸運地搭上了這趟車,。在TWS耳機中,，VCSEL用在入耳檢測的光學檢測模組中，用來判斷耳機是否入耳,。與基于LED的等效感測器系統(tǒng)相比,，基于VCSEL的光學模組系統(tǒng)的總功耗明顯更低，且串音干擾減少,，信噪比更高,。
據(jù)Counterpoint數(shù)據(jù)，2020年全球TWS耳機市場的銷量達到2.33億套,，預測今年全球TWS耳機市場銷量將達到3.1億套,，同比增長33%。而據(jù)業(yè)內(nèi)人士估計,，加上白牌產(chǎn)品后的TWS市場總量將達到6億套左右,，使用VCSEL的產(chǎn)品將達到20%，也就是1億套的水平,，市場增長空間巨大,。另外，隨著市場的擴大,，基于VCSEL的ToF感測方案將越來越多地出現(xiàn)在高端機器人產(chǎn)品中,。
不過，最令人激動的當屬汽車市場,。近年來,，隨著國內(nèi)汽車行業(yè)“電動化、智能化”的發(fā)展,，車載激光雷達已成為自動駕駛的必備傳感器,。據(jù)了解，全球范圍內(nèi)自動駕駛量產(chǎn)車項目當前處于快速開發(fā)之中,，隨著激光雷達成本下探至數(shù)百美元區(qū)間且達到車規(guī)級要求,，未來在汽車應用市場將呈爆發(fā)式增長。
在此趨勢和應用要求下,，VCSEL的應用領域開始由消費電子延伸至汽車場景,，市場規(guī)模不斷增長，助推VCSEL技術迭代,。VCSEL的主要應用是汽車的激光雷達,，還有座艙內(nèi)的駕駛員狀態(tài)監(jiān)控（DMS）等,。Veeco首席技術官Ajit Paranjpe表示：“隨著新應用的興起，VCSEL技術得到了顯著重視和改善,。采用VCSEL陣列的激光雷達推進自動駕駛時,，VCSEL也將迎來更高功率要求的汽車應用機遇，這類應用需要使用更大的VCSEL陣列,?！?/p>
另一方面，VCSEL 和 EEL 均可用于中短程激光雷達,，以提供盲點檢測,、車道偏離和追尾警告。EEL 的亮度是 VCSEL 的 100 倍,，這使EEL激光器更適合于遠程傳感應用,。但VCSEL 是低功耗器件，可在未來的電動汽車上起到節(jié)省電池電能的作用,。Yole分析師觀點表示：“對于每項技術,，每種市場的應用，最終的集成商將始終考慮對他們來說最適合的選擇方案,?！?/p>
其中，多結技術被業(yè)內(nèi)人士認為是VCSEL行業(yè)的下一個飛躍,，憑借其高功率,、高效率、高斜率,、集成難度低,、可靠性高,、低功耗等方面的優(yōu)點,，簡化了光學設計和系統(tǒng)架構，功率轉換效率遠高于同類單結,，在高性能全固態(tài)中,、遠程汽車激光雷達的應用中具有重要意義。除了可以測距之外,，VCSEL激光雷達還有“識物”的功能,。在近距離的低速強制避障部分，合理布局的dToF VCSEL激光雷達傳感器能夠快速無盲區(qū)地連續(xù)生成3D環(huán)境地圖,，是目前理想的避障措施,。
有專家表示，在2020-2021年期間,，多結VCSEL陣列已成為全球各大廠商陸續(xù)重點布局的產(chǎn)品,，未來5-10年VCSEL有望逐漸取代EEL成為主流的激光元器件,。
業(yè)內(nèi)專家們還認為，在自動駕駛技術中采用dToF VCSEL激光雷達,，完全可以通過不同的陣列模式制作出多種類型的傳感器出來,，在很多領域完全能替代掉現(xiàn)在功能單一的紅外傳感器、超聲波傳感器,，以及隱私性與安全性不足的攝像頭傳感器,。
值得注意的是，激光雷達中有一種閃光（FLASH）式雷達,，用激光照射一個區(qū)域,，相比光學相控陣在制造方面的挑戰(zhàn)更小，VCSEL在這種FLASH激光雷達中可用作多光束掃描光源,。相較于傳統(tǒng)的FLASH方案,，VCSEL的發(fā)射光峰值功率密度和信號信噪比均顯著提高。如與SPAD（單光子雪崩二極管）陣列傳感器相配合,，探測靈敏度會大幅提升,。此前，蘋果公司新款iPad Pro和iPhone 12配備的激光雷達就是采用VCSEL+SPAD方案,。
縱慧芯光聯(lián)合創(chuàng)始人陳曉遲曾表示,，F(xiàn)LASH激光雷達多用在中近距離中作補盲雷達，現(xiàn)在的趨勢是基本都會用VCSEL,。因為VCSEL在主要性能指標全部占優(yōu),，逐漸有越來越多的激光雷達廠商計劃用VCSEL替代傳統(tǒng)光源。
消費電子領域外,，VCSEL在汽車中的應用將開始起量,。蘋果激光雷達VCSEL組件的主要供應商之一Lumentum公司表示，“預計2022年基于VCSEL方案的汽車級激光雷達將進入量產(chǎn)窗口期”,。
VCSEL進入汽車,、工業(yè)、醫(yī)療等領域（圖源：YOLE）
此外,，對于車艙內(nèi)傳感,，VCSEL 正在競相取代 LED，以檢測和警告注意力不集中的駕駛者,。除了汽車場景,，大功率、高性能VCSEL的研發(fā),，讓工業(yè)應用成為VCSEL另一個主要發(fā)力的方向,，例如工業(yè)加熱、環(huán)境監(jiān)測、智能物流等基礎設施,?？梢姡瑢τ赩CSEL行業(yè)來說,，雖然在手機領域未能達到預期效果,，但在汽車以及工業(yè)、掃地機器人等領域的引導下,，未來幾年將步入一個黃金發(fā)展期,。
寫在最后
2021年7月底，根據(jù)全球權威機構Yole發(fā)表的《VCSEL-2021年技術和市場趨勢》報告顯示,，在手機消費,、通信設備、汽車工業(yè)等多產(chǎn)業(yè)的推動下,，全球VCSEL市場預計將從2021年的12億美元增長到2026年的24億美元,，期間復合年增長率為13.6%。
對于VCSEL的未來,，有專家向筆者表示,，短距離、低功耗,、高集成度場景下,，VCSEL還是業(yè)內(nèi)首先會考慮的激光器，但VCSEL只是一個光電系統(tǒng)的配角,，單獨談論意義不大,。在更多實際的應用中，客戶需要的是簡單易用,、光電熱整體優(yōu)化好的光源方案（封裝好的光芯片,，并裝配好光學透鏡），而不是單獨的VCSEL光芯片,。
從市場格局來看,，國內(nèi)能量產(chǎn)VCSEL的公司較少。該技術瓶頸較高,，對芯片設計能力需求很高,，同時受限于高昂成本、專利壁壘等因素,，導致國內(nèi)VCSEL發(fā)展速度遠不及預期。部分國內(nèi)芯片設計廠家雖有涉足,，但良品率和可靠性存在不足,，難以擺脫對國外成熟供應商的依賴。
隨著ToF,、3D傳感,、激光雷達等應用的普及,，VCSEL的市場規(guī)模還是會上量，但考慮到成本和可靠性,，國外大廠如lumentum/ams/通快等應該會進一步增強其市場領導地位,。中國廠商想要突圍，需要開發(fā)多款激光產(chǎn)品,，齊頭并進,，才有機會一邊提高性能，一邊降成本,，否則產(chǎn)品太單一,，難以成為主流。
綜合來看,，VCSEL始于工業(yè)應用,，興于蘋果引領的消費市場，雖然在安卓陣營未能達到市場預期,，但隨著智能汽車市場的發(fā)展和其他新興行業(yè)的帶動,，正在迎來新的增長空間，VCSEL未來的路依舊寬廣,。
而國內(nèi)廠商需要做的是,，在VCSEL產(chǎn)業(yè)不斷壯大的浪潮中，盡快找到屬于自己的發(fā)展路徑和行業(yè)位置,。