被蘋果iPhone X“帶火”之后，VCSEL（垂直腔面發(fā)射激光器）在消費(fèi)市場(chǎng)熱度不減。
近日，華為投資VCSEL供應(yīng)商縱慧芯光，再度引發(fā)市場(chǎng)對(duì)VCSEL的關(guān)注。同時(shí)，有報(bào)道稱，在蘋果iPhone產(chǎn)品系列的帶動(dòng)下，中國(guó)臺(tái)灣VCSEL供應(yīng)鏈自今年6月起擴(kuò)充產(chǎn)量，預(yù)計(jì)VCSEL的需求增長(zhǎng)將持續(xù)到第三季度。VCSEL為何被蘋果、華為等手機(jī)廠商看好？我國(guó)企業(yè)該如何布局，推動(dòng)VCSEL的普及和量產(chǎn)？
蘋果帶火 安卓跟進(jìn)
2017年，蘋果推出十周年力作iPhone X。除了十周年獻(xiàn)禮的情懷，iPhone X的最大賣點(diǎn)是取消了蘋果標(biāo)志性的Touch ID，轉(zhuǎn)而采用了人臉解鎖技術(shù)Face ID。
與當(dāng)時(shí)主流的平面影像識(shí)別技術(shù)不同，F(xiàn)ace ID實(shí)現(xiàn)了3D感測(cè)。當(dāng)用戶看向iPhone X屏幕，會(huì)觸發(fā)ToF接近傳感器，感測(cè)到用戶面部靠近手機(jī)。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(diǎn)陣投影器在用戶面部投射3萬(wàn)個(gè)紅外光點(diǎn)，再由紅外攝像頭捕捉這些光點(diǎn)并計(jì)算立體結(jié)構(gòu)，生成用戶的面部3D立體圖像，與過(guò)往圖像匹配后實(shí)現(xiàn)解鎖。
值得注意的是，iPhone X的ToF接近傳感器、泛光照明器、點(diǎn)陣投射器，都用到了同一個(gè)核心器件——VCSEL。早在20世紀(jì)80年代，VCSEL就被相關(guān)廠商提出，并在20世紀(jì)末就應(yīng)用于光通信領(lǐng)域。蘋果的Face ID，開啟了3D感測(cè)時(shí)代，也推動(dòng)VCSEL快速向消費(fèi)市場(chǎng)滲透。
“蘋果選擇VCSEL的原因有多種。VCSEL垂直腔面發(fā)光，使得構(gòu)建垂直于芯片的VCSEL陣列變得容易，而且在相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)都非常穩(wěn)定。VCSEL芯片引線鍵合也更容易，因?yàn)榧す鈴捻敳堪l(fā)出，可以在芯片下方進(jìn)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(chuàng)始人兼CEO王懿向《中國(guó)電子報(bào)》記者指出。
具體來(lái)說(shuō)，VCSEL相對(duì)于EEL（邊發(fā)射器）和LED光源，有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
賽迪智庫(kù)集成電路研究所高級(jí)分析師馬曉凱向《中國(guó)電子報(bào)》指出，有別于EEL，VCSEL光源的發(fā)射方向和芯片是垂直的。VCSEL的光斑測(cè)試比邊發(fā)射器更加簡(jiǎn)單易行，可以在晶圓上進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試成本比較低。在調(diào)制方面，大多采用直接調(diào)制。VCSEL在光纖通信上有比較廣泛的應(yīng)用，最常見的是數(shù)據(jù)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(zhǎng)短，易于實(shí)現(xiàn)單縱模，易于集成，在傳感領(lǐng)域有較大的優(yōu)勢(shì)，目前已經(jīng)應(yīng)用到消費(fèi)電子領(lǐng)域。
集邦咨詢分析師吳盈潔向《中國(guó)電子報(bào)》記者表示，相比LED，VCSEL功率更強(qiáng)、指向性更好，擁有最佳的溫度穩(wěn)定性，可應(yīng)用于精準(zhǔn)、高速距離運(yùn)算。此外，它的操作電流低，散熱裝置簡(jiǎn)單，也較為省電。
在Face ID點(diǎn)燃了消費(fèi)市場(chǎng)對(duì)于VCSEL的熱情之后，安卓陣營(yíng)也開始進(jìn)行相關(guān)布局。華為在2018年推出的Mate 20 Pro和華為Mate 20 RS保時(shí)捷均支持3D人臉解鎖。據(jù)麥姆斯咨詢介紹，Mate 20 Pro的3D深度傳感系統(tǒng)采用了兩顆VCSEL，用于點(diǎn)陣投影器和泛光照明器。小米、OPPO、三星也陸續(xù)在旗艦機(jī)型引入VCSEL。集邦科技LED研究所指出，2020年預(yù)計(jì)將有近10款高端機(jī)型將采用3D感測(cè)方案，部分機(jī)型更將擴(kuò)大至前后鏡頭同步采用，進(jìn)一步推升VCSEL產(chǎn)值。
“在光通信領(lǐng)域有很多黑科技，但大部分用于通信、工業(yè)領(lǐng)域，不為消費(fèi)者熟知。蘋果作為消費(fèi)電子的引領(lǐng)者，有這個(gè)能力和眼光，把其他領(lǐng)域的成熟產(chǎn)品引入消費(fèi)電子，提升了產(chǎn)品性能和質(zhì)量。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)涌現(xiàn)出一批有能力且在消費(fèi)市場(chǎng)具有影響力的企業(yè)，也可以借鑒蘋果的模式，將光通信等高科技領(lǐng)域的技術(shù)與消費(fèi)電子相結(jié)合，提高產(chǎn)品性能。”馬曉凱表示。
3D感測(cè)領(lǐng)銜 汽車電子可期
中長(zhǎng)期來(lái)看，VCSEL在消費(fèi)電子、汽車、通信基礎(chǔ)設(shè)施、醫(yī)療、工業(yè)等領(lǐng)域都存在應(yīng)用空間。調(diào)研機(jī)構(gòu)Yole指出，2018年VCSEL市場(chǎng)規(guī)模為7.38億美元，預(yù)計(jì)2024年將達(dá)到37.75億美元（約合67億元），年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到31%。
消費(fèi)電子是VCSEL占比最大且增長(zhǎng)最快的應(yīng)用市場(chǎng)，預(yù)計(jì)2024年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到33.82億美元。今年以來(lái)，后置ToF成為VCSEL用量增長(zhǎng)的新動(dòng)力。蘋果的iPad Pro搭載了基于ToF模組的激光雷達(dá)，將iPad變成“體驗(yàn)AR的強(qiáng)大設(shè)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(diǎn)的AR地圖。5G時(shí)代，基于VCSEL的3D感測(cè)方案有望為更多終端設(shè)備賦予AR能力。
“3D感測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，包含生物識(shí)別、工業(yè)自動(dòng)化、汽車、游戲和便攜式消費(fèi)型電子產(chǎn)品。消費(fèi)型產(chǎn)品里面，最先受到影響與改變的是智能手機(jī)，若將3D 感測(cè)應(yīng)用于后鏡頭，其功能包含測(cè)距、圖片虛化效果、3D物體識(shí)別、空間建模與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，未來(lái)有可能導(dǎo)入AR產(chǎn)品。對(duì)于品牌廠商來(lái)說(shuō)，3D感測(cè)結(jié)合5G傳輸，以AR的功能搭配手勢(shì)控制達(dá)到交互式AI，將具備一定的商機(jī)。”吳盈潔說(shuō)。
車用市場(chǎng)是激光雷達(dá)的另一個(gè)熱門市場(chǎng)。寧波睿熙科技有限公司產(chǎn)品總監(jiān)汪辰杲表示，VCSEL在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，主要作為激光雷達(dá)的發(fā)射端光源，用于替代目前的EEL。由于在性能、價(jià)格以及量產(chǎn)性上的顯著優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)得到越來(lái)越多的關(guān)注。而應(yīng)用到車載激光雷達(dá)，期望工作距離在幾百米，需要更大功率的VCSEL，也將對(duì)其芯片和封裝的散熱設(shè)計(jì)提出新的要求。
目前來(lái)看，VCSEL廠商推出的車用VCSEL主要面向車內(nèi)監(jiān)控和車用激光雷達(dá)光源。Lumentum、II-VI旗下的Finistar都推出了用于車內(nèi)監(jiān)控和感知的VCSEL。在汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)方面，Lumentum推出了用于閃光式激光雷達(dá)的VCSEL，艾邁斯利用VCSEL陣列和VCSEL驅(qū)動(dòng)技術(shù)為雷達(dá)系統(tǒng)提供高功率光源。王懿表示，汽車激光雷達(dá)將成為VCSEL的重要市場(chǎng)，有望引領(lǐng)下一輪增長(zhǎng)。
頭部IDM主導(dǎo) 我國(guó)與之存在差距
經(jīng)過(guò)一系列的整合并購(gòu)，VCSEL已經(jīng)形成由頭部IDM主導(dǎo)的局面。拓墣產(chǎn)業(yè)研究院報(bào)告顯示，艾邁斯、Lumentum、II-VI等VCSEL元器件IDM大廠，通過(guò)對(duì)相關(guān)代工廠和IDM的并購(gòu)，進(jìn)一步完善了VCSEL的制備過(guò)程。同時(shí)，原先專注于生產(chǎn)LED元件的Osram、晶元光電等IDM廠商也投身于VCSEL元器件的開發(fā)。
近年來(lái)，我國(guó)VCSEL技術(shù)和供應(yīng)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(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和銷售，并于2019年5月投產(chǎn)VCSEL用6英寸砷化鎵外延片。華芯半導(dǎo)體、睿熙科技、博升光電等企業(yè)也在設(shè)計(jì)、外延、芯片制造等領(lǐng)域開展布局。但是在供應(yīng)能力和產(chǎn)業(yè)鏈完善程度方面，我國(guó)VCSEL企業(yè)仍與頭部廠商存在差距。
王懿表示，VCSEL產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)較為復(fù)雜。設(shè)計(jì)公司提供VCSEL結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)給外延代工廠，外延代工廠根據(jù)需求進(jìn)行外延片生長(zhǎng)，然后將外延片寄送至FAB代工廠，經(jīng)FAB生產(chǎn)完畢后寄送給封測(cè)廠，最終出貨給客戶。區(qū)別于數(shù)據(jù)通信行業(yè)用VCSEL常采用3英寸或4英寸晶圓制造工藝，消費(fèi)電子行業(yè)需要6英寸晶圓制造工藝，才能降低成本并實(shí)現(xiàn)更大的VCSEL陣列，而晶圓尺寸的增加會(huì)對(duì)良率的提升帶來(lái)更大挑戰(zhàn)。
吳盈潔表示，要推動(dòng)VCSEL的量產(chǎn)和普及，要兼顧好輸出功率、光電轉(zhuǎn)換效率、發(fā)光角度、溫度穩(wěn)定性等產(chǎn)品要求，并保障產(chǎn)品壽命與品質(zhì)，以提升產(chǎn)品良率。
王懿表示，鑒于VCSEL復(fù)雜的代工產(chǎn)業(yè)鏈，各環(huán)節(jié)的產(chǎn)能準(zhǔn)備，原材料的準(zhǔn)備，客戶需求的及時(shí)響應(yīng)，都考驗(yàn)著一家公司的品質(zhì)管理水平。
“VCSEL的技術(shù)挑戰(zhàn)主要在制造方面，根據(jù)不同應(yīng)用，設(shè)計(jì)方面也需要配合。只有制造和設(shè)計(jì)兩方面同時(shí)迭代發(fā)展，企業(yè)才能取得最終的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。”王懿向記者表示，“我國(guó)相關(guān)企業(yè)應(yīng)該積極布局VCSEL產(chǎn)業(yè)鏈，包括設(shè)計(jì)、制造、封裝、測(cè)試，并加強(qiáng)對(duì)關(guān)鍵材料和設(shè)備的攻關(guān)，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)整體水平的提升。”
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