被蘋果iPhone X“帶火”之后，VCSEL（垂直腔面發射激光器）在消費市場熱度不減。
近日，華為投資VCSEL供應商縱慧芯光，再度引發市場對VCSEL的關注。同時，有報道稱，在蘋果iPhone產品系列的帶動下，中國臺灣VCSEL供應鏈自今年6月起擴充產量，預計VCSEL的需求增長將持續到第三季度。VCSEL為何被蘋果、華為等手機廠商看好？我國企業該如何布局，推動VCSEL的普及和量產？
蘋果帶火 安卓跟進
2017年，蘋果推出十周年力作iPhone X。除了十周年獻禮的情懷，iPhone X的最大賣點是取消了蘋果標志性的Touch ID，轉而采用了人臉解鎖技術Face ID。
與當時主流的平面影像識別技術不同，Face ID實現了3D感測。當用戶看向iPhone X屏幕，會觸發ToF接近傳感器，感測到用戶面部靠近手機。泛光照明器接收到信息后，利用紅外光照亮用戶面部，確定用戶面部的位置。繼而由點陣投影器在用戶面部投射3萬個紅外光點，再由紅外攝像頭捕捉這些光點并計算立體結構，生成用戶的面部3D立體圖像，與過往圖像匹配后實現解鎖。
值得注意的是，iPhone X的ToF接近傳感器、泛光照明器、點陣投射器，都用到了同一個核心器件——VCSEL。早在20世紀80年代，VCSEL就被相關廠商提出，并在20世紀末就應用于光通信領域。蘋果的Face ID，開啟了3D感測時代，也推動VCSEL快速向消費市場滲透。
“蘋果選擇VCSEL的原因有多種。VCSEL垂直腔面發光，使得構建垂直于芯片的VCSEL陣列變得容易，而且在相當寬的溫度范圍內都非常穩定。VCSEL芯片引線鍵合也更容易，因為激光從頂部發出，可以在芯片下方進行電氣和熱管理。此外，VCSEL體積可做得非常小，獲得高封裝密度和低閾值電流。”麥姆斯咨詢創始人兼CEO王懿向《中國電子報》記者指出。
具體來說，VCSEL相對于EEL（邊發射器）和LED光源，有著獨特的優勢。
賽迪智庫集成電路研究所高級分析師馬曉凱向《中國電子報》指出，有別于EEL，VCSEL光源的發射方向和芯片是垂直的。VCSEL的光斑測試比邊發射器更加簡單易行，可以在晶圓上進行測試，測試成本比較低。在調制方面，大多采用直接調制。VCSEL在光纖通信上有比較廣泛的應用，最常見的是數據中心里的短距光模塊，以及有源光纜。它的光斑是圓形的，腔長短，易于實現單縱模，易于集成，在傳感領域有較大的優勢，目前已經應用到消費電子領域。
集邦咨詢分析師吳盈潔向《中國電子報》記者表示，相比LED，VCSEL功率更強、指向性更好，擁有最佳的溫度穩定性，可應用于精準、高速距離運算。此外，它的操作電流低，散熱裝置簡單，也較為省電。
在Face ID點燃了消費市場對于VCSEL的熱情之后，安卓陣營也開始進行相關布局。華為在2018年推出的Mate 20 Pro和華為Mate 20 RS保時捷均支持3D人臉解鎖。據麥姆斯咨詢介紹，Mate 20 Pro的3D深度傳感系統采用了兩顆VCSEL，用于點陣投影器和泛光照明器。小米、OPPO、三星也陸續在旗艦機型引入VCSEL。集邦科技LED研究所指出，2020年預計將有近10款高端機型將采用3D感測方案，部分機型更將擴大至前后鏡頭同步采用，進一步推升VCSEL產值。
“在光通信領域有很多黑科技，但大部分用于通信、工業領域，不為消費者熟知。蘋果作為消費電子的引領者，有這個能力和眼光，把其他領域的成熟產品引入消費電子，提升了產品性能和質量。目前國內已經涌現出一批有能力且在消費市場具有影響力的企業，也可以借鑒蘋果的模式，將光通信等高科技領域的技術與消費電子相結合，提高產品性能。”馬曉凱表示。
3D感測領銜 汽車電子可期
中長期來看，VCSEL在消費電子、汽車、通信基礎設施、醫療、工業等領域都存在應用空間。調研機構Yole指出，2018年VCSEL市場規模為7.38億美元，預計2024年將達到37.75億美元（約合67億元），年復合增長率達到31%。
消費電子是VCSEL占比最大且增長最快的應用市場，預計2024年市場規模將達到33.82億美元。今年以來，后置ToF成為VCSEL用量增長的新動力。蘋果的iPad Pro搭載了基于ToF模組的激光雷達，將iPad變成“體驗AR的強大設備”。華為也在P40 Pro及P40 Pro+搭載后置ToF，并推出了每平方公里包含40億三維信息點的AR地圖。5G時代，基于VCSEL的3D感測方案有望為更多終端設備賦予AR能力。
“3D感測應用領域相當廣泛，包含生物識別、工業自動化、汽車、游戲和便攜式消費型電子產品。消費型產品里面，最先受到影響與改變的是智能手機，若將3D 感測應用于后鏡頭，其功能包含測距、圖片虛化效果、3D物體識別、空間建模與增強現實，未來有可能導入AR產品。對于品牌廠商來說，3D感測結合5G傳輸，以AR的功能搭配手勢控制達到交互式AI，將具備一定的商機。”吳盈潔說。
車用市場是激光雷達的另一個熱門市場。寧波睿熙科技有限公司產品總監汪辰杲表示，VCSEL在自動駕駛領域，主要作為激光雷達的發射端光源，用于替代目前的EEL。由于在性能、價格以及量產性上的顯著優勢，已經得到越來越多的關注。而應用到車載激光雷達，期望工作距離在幾百米，需要更大功率的VCSEL，也將對其芯片和封裝的散熱設計提出新的要求。
目前來看，VCSEL廠商推出的車用VCSEL主要面向車內監控和車用激光雷達光源。Lumentum、II-VI旗下的Finistar都推出了用于車內監控和感知的VCSEL。在汽車雷達系統方面，Lumentum推出了用于閃光式激光雷達的VCSEL，艾邁斯利用VCSEL陣列和VCSEL驅動技術為雷達系統提供高功率光源。王懿表示，汽車激光雷達將成為VCSEL的重要市場，有望引領下一輪增長。
頭部IDM主導 我國與之存在差距
經過一系列的整合并購，VCSEL已經形成由頭部IDM主導的局面。拓墣產業研究院報告顯示，艾邁斯、Lumentum、II-VI等VCSEL元器件IDM大廠，通過對相關代工廠和IDM的并購，進一步完善了VCSEL的制備過程。同時，原先專注于生產LED元件的Osram、晶元光電等IDM廠商也投身于VCSEL元器件的開發。
近年來，我國VCSEL技術和供應能力有所提升。華為投資的縱慧芯光從事VCSEL芯片、模組的研發設計、生產和銷售，并于2019年5月投產VCSEL用6英寸砷化鎵外延片。華芯半導體、睿熙科技、博升光電等企業也在設計、外延、芯片制造等領域開展布局。但是在供應能力和產業鏈完善程度方面，我國VCSEL企業仍與頭部廠商存在差距。
王懿表示，VCSEL產業鏈環節較為復雜。設計公司提供VCSEL結構設計給外延代工廠，外延代工廠根據需求進行外延片生長，然后將外延片寄送至FAB代工廠，經FAB生產完畢后寄送給封測廠，最終出貨給客戶。區別于數據通信行業用VCSEL常采用3英寸或4英寸晶圓制造工藝，消費電子行業需要6英寸晶圓制造工藝，才能降低成本并實現更大的VCSEL陣列，而晶圓尺寸的增加會對良率的提升帶來更大挑戰。
吳盈潔表示，要推動VCSEL的量產和普及，要兼顧好輸出功率、光電轉換效率、發光角度、溫度穩定性等產品要求，并保障產品壽命與品質，以提升產品良率。
王懿表示，鑒于VCSEL復雜的代工產業鏈，各環節的產能準備，原材料的準備，客戶需求的及時響應，都考驗著一家公司的品質管理水平。
“VCSEL的技術挑戰主要在制造方面，根據不同應用，設計方面也需要配合。只有制造和設計兩方面同時迭代發展，企業才能取得最終的競爭優勢。”王懿向記者表示，“我國相關企業應該積極布局VCSEL產業鏈，包括設計、制造、封裝、測試，并加強對關鍵材料和設備的攻關，推動產業整體水平的提升。”
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