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(lái)了高速成長(zhǎng)，撬動(dòng)智能手機(jī)、AR/VR、智能汽車等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)展，加速萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代的到來(lái)。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(cè)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(cè)、自動(dòng)對(duì)焦等功能。同年，VCSEL也開(kāi)始應(yīng)用于蘋果AirPods耳機(jī)，實(shí)現(xiàn)佩戴監(jiān)測(cè)功能。2017年，蘋果陸續(xù)將其用在iPhone人臉識(shí)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(chǎng)轉(zhuǎn)向商業(yè)與消費(fèi)類市場(chǎng)，成為3D人臉識(shí)別的核心器件。
蘋果多款產(chǎn)品的應(yīng)用推動(dòng)了VCSEL產(chǎn)業(yè)在消費(fèi)電子市場(chǎng)的發(fā)展，隨后安卓陣營(yíng)也相繼推出多款集成ToF傳感技術(shù)的手機(jī)，推動(dòng)VCSEL市場(chǎng)規(guī)模邁上新臺(tái)階。據(jù)麥姆斯咨詢公司的測(cè)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(cè)距對(duì)焦等功能；另一個(gè)是人臉識(shí)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(duì)焦比較好理解，在暗光條件下，增加一個(gè)比較精準(zhǔn)的測(cè)距功能，能夠讓攝像頭快速對(duì)焦成功，避免成像失焦。目前的趨勢(shì)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(duì)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(guò)對(duì)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(yíng)也想跟隨這樣的趨勢(shì)，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(méi)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(dòng)芯片及圖像處理芯片，這一技術(shù)在安卓陣營(yíng)也是空白的，目前還沒(méi)有成熟的方案出現(xiàn)；（3）數(shù)據(jù)融合及應(yīng)用開(kāi)發(fā)能力是iOS開(kāi)發(fā)陣營(yíng)的強(qiáng)項(xiàng)，安卓陣營(yíng)在此基礎(chǔ)較弱，無(wú)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(méi)有常駐安卓陣營(yíng)，如今安卓高端機(jī)型前置3D方案越來(lái)越少，反而被屏下指紋技術(shù)擠占了大量市場(chǎng)份額。VCSEL在傳感模塊/手機(jī)市場(chǎng)中的應(yīng)用正在被取代。
VCSEL在智能手機(jī)中的應(yīng)用趨勢(shì)（圖源：YOLE）
Yole分析師表示，對(duì)于智能手機(jī)，OLED 顯示器在 13xx 到 15xx nm范圍內(nèi)的波長(zhǎng)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(shì)目前處于早期研發(fā)階段，但Yole看到了多家廠商對(duì)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(zhǎng)率增長(zhǎng)至2200萬(wàn)美元。
圖源：YOLE
對(duì)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(zhǎng)波長(zhǎng)方面不占優(yōu)勢(shì)。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(zhǎng)相對(duì)短的時(shí)候，激光的能量有可能對(duì)人帶來(lái)傷害 ，波長(zhǎng)長(zhǎng)的時(shí)候就沒(méi)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(jiàn)光波段，因此可能會(huì)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(lái)獲得所需的各種探測(cè)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(méi)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(lái)更長(zhǎng)的波段，可以采用高功率、實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)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(chǎng)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(guó)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(chǎng)分析師 Martin Vallo曾表示：“VCSEL 的一項(xiàng)重大優(yōu)勢(shì)是其外形尺寸，以及該技術(shù)易于用于移動(dòng)應(yīng)用中的人臉識(shí)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(cè)距離長(zhǎng)達(dá) 5米的后向式 3D 傳感器，可穿過(guò)房間檢測(cè)和測(cè)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(shì)。
VCSEL的下一站在哪？
近兩年，VCSEL雖然沒(méi)有在手機(jī)市場(chǎng)取得絕對(duì)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(duì)其看好的重要基礎(chǔ)。
TWS耳機(jī)是近年來(lái)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(cè)的光學(xué)檢測(cè)模組中，用來(lái)判斷耳機(jī)是否入耳。與基于LED的等效感測(cè)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(chǎng)的銷量達(dá)到2.33億套，預(yù)測(cè)今年全球TWS耳機(jī)市場(chǎng)銷量將達(dá)到3.1億套，同比增長(zhǎng)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(chǎng)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(chǎng)增長(zhǎng)空間巨大。另外，隨著市場(chǎng)的擴(kuò)大，基于VCSEL的ToF感測(cè)方案將越來(lái)越多地出現(xiàn)在高端機(jī)器人產(chǎn)品中。
不過(guò)，最令人激動(dòng)的當(dāng)屬汽車市場(chǎng)。近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)“電動(dòng)化、智能化”的發(fā)展，車載激光雷達(dá)已成為自動(dòng)駕駛的必備傳感器。據(jù)了解，全球范圍內(nèi)自動(dòng)駕駛量產(chǎn)車項(xiàng)目當(dāng)前處于快速開(kāi)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(jí)要求，未來(lái)在汽車應(yīng)用市場(chǎng)將呈爆發(fā)式增長(zhǎng)。
在此趨勢(shì)和應(yīng)用要求下，VCSEL的應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)始由消費(fèi)電子延伸至汽車場(chǎng)景，市場(chǎng)規(guī)模不斷增長(zhǎng)，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(dòng)駕駛時(shí)，VCSEL也將迎來(lái)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(cè)、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(lái)的電動(dòng)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(duì)于每項(xiàng)技術(shù)，每種市場(chǎng)的應(yīng)用，最終的集成商將始終考慮對(duì)他們來(lái)說(shuō)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(jiǎn)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(cè)距之外，VCSEL激光雷達(dá)還有“識(shí)物”的功能。在近距離的低速?gòu)?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(wú)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(lái)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(dòng)駕駛技術(shù)中采用dToF VCSEL激光雷達(dá)，完全可以通過(guò)不同的陣列模式制作出多種類型的傳感器出來(lái)，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(hào)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(cè)靈敏度會(huì)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(shì)是基本都會(huì)用VCSEL。因?yàn)閂CSEL在主要性能指標(biāo)全部占優(yōu)，逐漸有越來(lái)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(kāi)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(jí)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(duì)于車艙內(nèi)傳感，VCSEL 正在競(jìng)相取代 LED，以檢測(cè)和警告注意力不集中的駕駛者。除了汽車場(chǎng)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(cè)、智能物流等基礎(chǔ)設(shè)施。可見(jiàn)，對(duì)于VCSEL行業(yè)來(lái)說(shuō)，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(lái)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(chǎng)趨勢(shì)》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(dòng)下，全球VCSEL市場(chǎng)預(yù)計(jì)將從2021年的12億美元增長(zhǎng)到2026年的24億美元，期間復(fù)合年增長(zhǎng)率為13.6%。
對(duì)于VCSEL的未來(lái)，有專家向筆者表示，短距離、低功耗、高集成度場(chǎng)景下，VCSEL還是業(yè)內(nèi)首先會(huì)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(jiǎn)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(chǎng)格局來(lái)看，國(guó)內(nèi)能量產(chǎn)VCSEL的公司較少。該技術(shù)瓶頸較高，對(duì)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(guó)內(nèi)VCSEL發(fā)展速度遠(yuǎn)不及預(yù)期。部分國(guó)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(duì)國(guó)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(chǎng)規(guī)模還是會(huì)上量，但考慮到成本和可靠性，國(guó)外大廠如lumentum/ams/通快等應(yīng)該會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)其市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)地位。中國(guó)廠商想要突圍，需要開(kāi)發(fā)多款激光產(chǎn)品，齊頭并進(jìn)，才有機(jī)會(huì)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(lái)看，VCSEL始于工業(yè)應(yīng)用，興于蘋果引領(lǐng)的消費(fèi)市場(chǎng)，雖然在安卓陣營(yíng)未能達(dá)到市場(chǎng)預(yù)期，但隨著智能汽車市場(chǎng)的發(fā)展和其他新興行業(yè)的帶動(dòng)，正在迎來(lái)新的增長(zhǎng)空間，VCSEL未來(lái)的路依舊寬廣。
而國(guó)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。