近幾年,，隨著物聯(lián)網(wǎng),、AI,、5G技術(shù)的發(fā)展，3D成像和傳感技術(shù)迎來了高速成長,，撬動智能手機(jī),、AR/VR、智能汽車等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)展,，加速萬物互聯(lián)時(shí)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(dǎo)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(lǐng)域,。
VCSEL結(jié)構(gòu)圖
2016年,，VCSEL借助測距傳感器進(jìn)入蘋果iPhone 7系列手機(jī)，實(shí)現(xiàn)人臉接近感測,、自動對焦等功能,。同年，VCSEL也開始應(yīng)用于蘋果AirPods耳機(jī),，實(shí)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(yīng)用市場轉(zhuǎn)向商業(yè)與消費(fèi)類市場，成為3D人臉識別的核心器件,。
蘋果多款產(chǎn)品的應(yīng)用推動了VCSEL產(chǎn)業(yè)在消費(fèi)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(shù)的手機(jī)，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(dá)到30億顆,。
興于蘋果,，終于安卓
VCSEL如今在手機(jī)上的應(yīng)用，一個(gè)是單點(diǎn)的ToF,，做后攝的搭配,，比如測距對焦等功能；另一個(gè)是人臉識別,，不管是結(jié)構(gòu)光,、ToF還是紅外攝像頭，都需要VCSEL做補(bǔ)光,、發(fā)射等,，蘋果手機(jī)后置的LiDar就是用的VCSEL做發(fā)射。
單點(diǎn)對焦比較好理解,，在暗光條件下,，增加一個(gè)比較精準(zhǔn)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(diǎn)推廣到多點(diǎn)、多區(qū)域?qū)?，以進(jìn)一步提升手機(jī)攝像頭的對焦能力,，進(jìn)一步向單反的“多區(qū)域?qū)埂笨繑n。
后置LiDar在蘋果上的主要應(yīng)用是SLAM建模,，通過對空間的建模達(dá)到為AR,、VR等應(yīng)用服務(wù)的目的,，依賴蘋果強(qiáng)大的生態(tài)能力，可以將虛擬與現(xiàn)實(shí)進(jìn)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(shè)計(jì)有幾個(gè)相當(dāng)高難度的門檻：（1）ToF接收芯片,，采用索尼的SPAD陣列,，目前能實(shí)現(xiàn)這樣的立體成像的企業(yè)僅此一家，包括激光雷達(dá)在內(nèi)的諸多廠商采用SPAD陣列還沒有達(dá)到量產(chǎn)狀態(tài),；（2）極高的收發(fā)和掃描速度需要強(qiáng)大的驅(qū)動芯片及圖像處理芯片,，這一技術(shù)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(yīng)用開發(fā)能力是iOS開發(fā)陣營的強(qiáng)項(xiàng),，安卓陣營在此基礎(chǔ)較弱，無法提供真實(shí)逼真的體驗(yàn),。
因此,，目前安卓廠商也主要是在單點(diǎn)、多點(diǎn)ToF上面做文章,，以提高拍照的能力為主,。同時(shí)，限于技術(shù),、應(yīng)用等多種原因,，ToF也并沒有常駐安卓陣營，如今安卓高端機(jī)型前置3D方案越來越少,，反而被屏下指紋技術(shù)擠占了大量市場份額,。VCSEL在傳感模塊/手機(jī)市場中的應(yīng)用正在被取代。
VCSEL在智能手機(jī)中的應(yīng)用趨勢（圖源：YOLE）
Yole分析師表示,，對于智能手機(jī),，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(jī)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(zhuǎn)向 InP EEL（邊發(fā)射激光器）,，以取代當(dāng)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(dǎo)體以及多家激光器制造商和傳感器廠商,。預(yù)計(jì)到2026年,，消費(fèi)者3D傳感行業(yè)將以467%的復(fù)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(dǎo)體行業(yè)觀察指出,，VCSEL有一些優(yōu)點(diǎn),，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(diǎn)，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(zhuǎn)用EEL，因?yàn)橹挥惺謾C(jī)才主要考慮體積,，其他應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Υ瞬⒉幻舾?。波長相對短的時(shí)候，激光的能量有可能對人帶來傷害 ,，波長長的時(shí)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(shí)具有一定的人眼危險(xiǎn)性,，因?yàn)榧す饫走_(dá)需要非常高的功率來獲得所需的各種探測范圍,。”
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(jié)構(gòu)，半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)長距離，同時(shí)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?yàn)榧す馄鞯膽?yīng)用場景需要保持時(shí)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(dāng)前,，國內(nèi)玩家在此領(lǐng)域起步比較晚，還需要加速追趕,。
Yole 技術(shù)與市場分析師 Martin Vallo曾表示：“VCSEL 的一項(xiàng)重大優(yōu)勢是其外形尺寸,，以及該技術(shù)易于用于移動應(yīng)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(bào)道，下一代高端智能手機(jī)很可能將內(nèi)置感測距離長達(dá) 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(yīng)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(jī)市場取得絕對的份額,，并不妨礙其在其他領(lǐng)域落地，比如TWS耳機(jī),、掃地機(jī)器人,、數(shù)據(jù)中心等，這也成為機(jī)構(gòu)對其看好的重要基礎(chǔ),。
TWS耳機(jī)是近年來消費(fèi)電子少有的爆款產(chǎn)品,，VCSEL幸運(yùn)地搭上了這趟車。在TWS耳機(jī)中,，VCSEL用在入耳檢測的光學(xué)檢測模組中,，用來判斷耳機(jī)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(xué)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(jī)市場的銷量達(dá)到2.33億套，預(yù)測今年全球TWS耳機(jī)市場銷量將達(dá)到3.1億套,，同比增長33%,。而據(jù)業(yè)內(nèi)人士估計(jì)，加上白牌產(chǎn)品后的TWS市場總量將達(dá)到6億套左右，使用VCSEL的產(chǎn)品將達(dá)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(kuò)大,，基于VCSEL的ToF感測方案將越來越多地出現(xiàn)在高端機(jī)器人產(chǎn)品中。
不過,，最令人激動的當(dāng)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(dá)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(xiàng)目當(dāng)前處于快速開發(fā)之中,，隨著激光雷達(dá)成本下探至數(shù)百美元區(qū)間且達(dá)到車規(guī)級要求，未來在汽車應(yīng)用市場將呈爆發(fā)式增長,。
在此趨勢和應(yīng)用要求下,，VCSEL的應(yīng)用領(lǐng)域開始由消費(fèi)電子延伸至汽車場景，市場規(guī)模不斷增長,，助推VCSEL技術(shù)迭代,。VCSEL的主要應(yīng)用是汽車的激光雷達(dá)，還有座艙內(nèi)的駕駛員狀態(tài)監(jiān)控（DMS）等,。Veeco首席技術(shù)官Ajit Paranjpe表示：“隨著新應(yīng)用的興起,，VCSEL技術(shù)得到了顯著重視和改善。采用VCSEL陣列的激光雷達(dá)推進(jìn)自動駕駛時(shí),，VCSEL也將迎來更高功率要求的汽車應(yīng)用機(jī)遇,，這類應(yīng)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(dá),，以提供盲點(diǎn)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(yuǎn)程傳感應(yīng)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(diǎn)表示：“對于每項(xiàng)技術(shù),，每種市場的應(yīng)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(jié)技術(shù)被業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為是VCSEL行業(yè)的下一個(gè)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(diǎn)，簡化了光學(xué)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)架構(gòu),，功率轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)高于同類單結(jié),，在高性能全固態(tài)中、遠(yuǎn)程汽車激光雷達(dá)的應(yīng)用中具有重要意義,。除了可以測距之外,，VCSEL激光雷達(dá)還有“識物”的功能。在近距離的低速強(qiáng)制避障部分,，合理布局的dToF VCSEL激光雷達(dá)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(jié)VCSEL陣列已成為全球各大廠商陸續(xù)重點(diǎn)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(rèn)為,，在自動駕駛技術(shù)中采用dToF VCSEL激光雷達(dá)，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(lǐng)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(dá)中有一種閃光（FLASH）式雷達(dá)，用激光照射一個(gè)區(qū)域,，相比光學(xué)相控陣在制造方面的挑戰(zhàn)更小,，VCSEL在這種FLASH激光雷達(dá)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(dá)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(dá)多用在中近距離中作補(bǔ)盲雷達(dá),，現(xiàn)在的趨勢是基本都會用VCSEL,。因?yàn)閂CSEL在主要性能指標(biāo)全部占優(yōu)，逐漸有越來越多的激光雷達(dá)廠商計(jì)劃用VCSEL替代傳統(tǒng)光源,。
消費(fèi)電子領(lǐng)域外,，VCSEL在汽車中的應(yīng)用將開始起量。蘋果激光雷達(dá)VCSEL組件的主要供應(yīng)商之一Lumentum公司表示,，“預(yù)計(jì)2022年基于VCSEL方案的汽車級激光雷達(dá)將進(jìn)入量產(chǎn)窗口期”,。
VCSEL進(jìn)入汽車、工業(yè),、醫(yī)療等領(lǐng)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(yīng)用成為VCSEL另一個(gè)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(chǔ)設(shè)施?？梢?，對于VCSEL行業(yè)來說，雖然在手機(jī)領(lǐng)域未能達(dá)到預(yù)期效果,，但在汽車以及工業(yè),、掃地機(jī)器人等領(lǐng)域的引導(dǎo)下，未來幾年將步入一個(gè)黃金發(fā)展期,。
寫在最后
2021年7月底,，根據(jù)全球權(quán)威機(jī)構(gòu)Yole發(fā)表的《VCSEL-2021年技術(shù)和市場趨勢》報(bào)告顯示，在手機(jī)消費(fèi),、通信設(shè)備,、汽車工業(yè)等多產(chǎn)業(yè)的推動下，全球VCSEL市場預(yù)計(jì)將從2021年的12億美元增長到2026年的24億美元,，期間復(fù)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(gè)光電系統(tǒng)的配角，單獨(dú)談?wù)撘饬x不大,。在更多實(shí)際的應(yīng)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(xué)透鏡）,，而不是單獨(dú)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(shù)瓶頸較高，對芯片設(shè)計(jì)能力需求很高,，同時(shí)受限于高昂成本,、專利壁壘等因素，導(dǎo)致國內(nèi)VCSEL發(fā)展速度遠(yuǎn)不及預(yù)期,。部分國內(nèi)芯片設(shè)計(jì)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(yīng)商的依賴,。
隨著ToF,、3D傳感、激光雷達(dá)等應(yīng)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(yīng)該會進(jìn)一步增強(qiáng)其市場領(lǐng)導(dǎo)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(jìn),，才有機(jī)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(yīng)用,，興于蘋果引領(lǐng)的消費(fèi)市場,，雖然在安卓陣營未能達(dá)到市場預(yù)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,。