苹果、华为“带火”了这个激光器

被苹果iPhone X“带火”之后，VCSEL(垂直腔面发射激光器)在消费市场热度不减。
近日，华为投资VCSEL供应商纵慧芯光，再度引发市场对VCSEL的关注。同时，有报道称，在苹果iPhone产品系列的带动下，中国台湾VCSEL供应链自今年6月起扩充产量，预计VCSEL的需求增长将持续到第三季度。
VCSEL为何被苹果、华为等手机厂商看好?我国企业该如何布局，推动VCSEL的普及和量产?

苹果带火 安卓跟进

2017年，苹果推出十周年力作iPhone X。除了十周年献礼的情怀，iPhone X的最大卖点是取消了苹果标志性的Touch ID，转而采用了人脸解锁技术Face ID。
与当时主流的平面影像识别技术不同，Face ID实现了3D感测。当用户看向iPhone X屏幕，会触发ToF接近传感器，感测到用户面部靠近手机。泛光照明器接收到信息后，利用红外光照亮用户面部，确定用户面部的位置。继而由点阵投影器在用户面部投射3万个红外光点，再由红外摄像头捕捉这些光点并计算立体结构，生成用户的面部3D立体图像，与过往图像匹配后实现解锁。

值得注意的是，iPhone X的ToF接近传感器、泛光照明器、点阵投射器，都用到了同一个核心器件——VCSEL。早在20世纪80年代，VCSEL就被相关厂商提出，并在20世纪末就应用于光通信领域。苹果的Face ID，开启了3D感测时代，也推动VCSEL快速向消费市场渗透。
“苹果选择VCSEL的原因有多种。VCSEL垂直腔面发光，使得构建垂直于芯片的VCSEL阵列变得容易，而且在相当宽的温度范围内都非常稳定。VCSEL芯片引线键合也更容易，因为激光从顶部发出，可以在芯片下方进行电气和热管理。此外，VCSEL体积可做得非常小，获得高封装密度和低阈值电流。”相关产业研究人员向《中国电子报》记者指出。
具体来说，VCSEL相对于EEL(边发射器)和LED光源，有着独特的优势。
赛迪智库集成电路研究所高级分析师马晓凯向《中国电子报》指出，有别于EEL，VCSEL光源的发射方向和芯片是垂直的。VCSEL的光斑测试比边发射器更加简单易行，可以在晶圆上进行测试，测试成本比较低。在调制方面，大多采用直接调制。VCSEL在光纤通信上有比较广泛的应用，最常见的是数据中心里的短距光模块，以及有源光缆。它的光斑是圆形的，腔长短，易于实现单纵模，易于集成，在传感领域有较大的优势，目前已经应用到消费电子领域。
集邦咨询分析师吴盈洁向《中国电子报》记者表示，相比LED，VCSEL功率更强、指向性更好，拥有最佳的温度稳定性，可应用于精准、高速距离运算。此外，它的操作电流低，散热装置简单，也较为省电。
在Face ID点燃了消费市场对于VCSEL的热情之后，安卓阵营也开始进行相关布局。华为在2018年推出的Mate 20 Pro和华为Mate 20 RS保时捷均支持3D人脸解锁。据麦姆斯咨询介绍，Mate 20 Pro的3D深度传感系统采用了两颗VCSEL，用于点阵投影器和泛光照明器。小米、OPPO、三星也陆续在旗舰机型引入VCSEL。集邦科技LED研究所指出，2020年预计将有近10款高端机型将采用3D感测方案，部分机型更将扩大至前后镜头同步采用，进一步推升VCSEL产值。
“在光通信领域有很多黑科技，但大部分用于通信、工业领域，不为消费者熟知。苹果作为消费电子的引领者，有这个能力和眼光，把其他领域的成熟产品引入消费电子，提升了产品性能和质量。目前国内已经涌现出一批有能力且在消费市场具有影响力的企业，也可以借鉴苹果的模式，将光通信等高科技领域的技术与消费电子相结合，提高产品性能。”马晓凯表示。

3D感测领衔，汽车电子可期

中长期来看，VCSEL在消费电子、汽车、通信基础设施、医疗、工业等领域都存在应用空间。调研机构Yole指出，2018年VCSEL市场规模为7.38亿美元，预计2024年将达到37.75亿美元(约合67亿元)，年复合增长率达到31%。
消费电子是VCSEL占比最大且增长最快的应用市场，预计2024年市场规模将达到33.82亿美元。今年以来，后置ToF成为VCSEL用量增长的新动力。苹果的iPad Pro搭载了基于ToF模组的激光雷达，将iPad变成“体验AR的强大设备”。华为也在P40 Pro及P40 Pro+搭载后置ToF，并推出了每平方公里包含40亿三维信息点的AR地图。5G时代，基于VCSEL的3D感测方案有望为更多终端设备赋予AR能力。
“3D感测应用领域相当广泛，包含生物识别、工业自动化、汽车、游戏和便携式消费型电子产品。消费型产品里面，最先受到影响与改变的是智能手机，若将3D 感测应用于后镜头，其功能包含测距、图片虚化效果、3D物体识别、空间建模与增强现实，未来有可能导入AR产品。对于品牌厂商来说，3D感测结合5G传输，以AR的功能搭配手势控制达到交互式AI，将具备一定的商机。”吴盈洁说。
车用市场是激光雷达的另一个热门市场。宁波睿熙科技有限公司产品总监汪辰杲表示，VCSEL在自动驾驶领域，主要作为激光雷达的发射端光源，用于替代目前的EEL。由于在性能、价格以及量产性上的显著优势，已经得到越来越多的关注。而应用到车载激光雷达，期望工作距离在几百米，需要更大功率的VCSEL，也将对其芯片和封装的散热设计提出新的要求。
目前来看，VCSEL厂商推出的车用VCSEL主要面向车内监控和车用激光雷达光源。Lumentum、II-VI旗下的Finistar都推出了用于车内监控和感知的VCSEL。在汽车雷达系统方面，Lumentum推出了用于闪光式激光雷达的VCSEL，艾迈斯利用VCSEL阵列和VCSEL驱动技术为雷达系统提供高功率光源。王懿表示，汽车激光雷达将成为VCSEL的重要市场，有望引领下一轮增长。

头部IDM主导，我国与之存在差距

经过一系列的整合并购，VCSEL已经形成由头部IDM主导的局面。拓墣产业研究院报告显示，艾迈斯、Lumentum、II-VI等VCSEL元器件IDM大厂，通过对相关代工厂和IDM的并购，进一步完善了VCSEL的制备过程。同时，原先专注于生产LED元件的Osram、晶元光电等IDM厂商也投身于VCSEL元器件的开发。
近年来，我国VCSEL技术和供应能力有所提升。华为投资的纵慧芯光从事VCSEL芯片、模组的研发设计、生产和销售，并于2019年5月投产VCSEL用6英寸砷化镓外延片。华芯半导体、睿熙科技、博升光电等企业也在设计、外延、芯片制造等领域开展布局。但是在供应能力和产业链完善程度方面，我国VCSEL企业仍与头部厂商存在差距。
王懿表示，VCSEL产业链环节较为复杂。设计公司提供VCSEL结构设计给外延代工厂，外延代工厂根据需求进行外延片生长，然后将外延片寄送至FAB代工厂，经FAB生产完毕后寄送给封测厂，最终出货给客户。区别于数据通信行业用VCSEL常采用3英寸或4英寸晶圆制造工艺，消费电子行业需要6英寸晶圆制造工艺，才能降低成本并实现更大的VCSEL阵列，而晶圆尺寸的增加会对良率的提升带来更大挑战。
吴盈洁表示，要推动VCSEL的量产和普及，要兼顾好输出功率、光电转换效率、发光角度、温度稳定性等产品要求，并保障产品寿命与品质，以提升产品良率。
王懿表示，鉴于VCSEL复杂的代工产业链，各环节的产能准备，原材料的准备，客户需求的及时响应，都考验着一家公司的品质管理水平。
“VCSEL的技术挑战主要在制造方面，根据不同应用，设计方面也需要配合。
只有制造和设计两方面同时迭代发展，企业才能取得最终的竞争优势。”王懿向记者表示，“我国相关企业应该积极布局VCSEL产业链，包括设计、制造、封装、测试，并加强对关键材料和设备的攻关，推动产业整体水平的提升。”
文稿来源：中国电子报图片来源：拍信网