知名分析機構Yole Developpement前不久的《VCSEL——2021年技術和市場趨勢》報告指出，在數據通信和移動應用推動下，全球VCSEL（垂直腔面發射激光器）市場將在2026年達到24億美元，年復合增長率為13.6%；目前最大市場是手機和消費電子，預計同期將達17億美元，年復合增長率為16.4%。數據通信是VCSEL第二大市場，預計2021年將產生4.3億美元的收入，2026年將達到5.66億美元，年復合增長率為5.6%。
報告指出，多結技術代表VCSEL行業的下一個飛躍，將加速VCSEL在汽車領域的應用，激光雷達（LiDAR）將是典型的應用場景，加上5G網絡增加了對高速光模塊的需求，這些都為VCSEL帶來了更多市場機遇，不過，有一些技術挑戰仍需面對。
VCSEL從哪里來？
從VCSEL結構看，它和普通邊發射激光器（EEL）的最大區別在于，在腔體內其光場振蕩是沿垂直方向，電流注入方向也是垂直的，所以電流注入和光場振蕩方向平行，而邊發射結構的振蕩和電流是垂直的。
VCSEL的基本結構
感謝老鷹半導體首席科學家莫慶偉博士提供了一張老照片，說明VCSEL誕生走到今天真的很不容易。1965年，美國林肯實驗室的Ivars Melngailis最早提出了類似VCSEL的概念，是在普通IGBT激光器上加了一個高反射電極，又做了隔斷，所以強迫電流從右向左注入，同時強迫光場左右之間來回振蕩，這就具有了現代VCSEL的基本形態。
VCSEL的誕生
這樣得到的激光器雖然樣子還是邊發射器，但光發出的方向實際上是從底部發出，本質上已經很接近現代VCSEL激光器的雛形了。當然，當時是基于銻化銦（InSb）材料體系，參數并不好，50ns脈沖，在10K超低溫條件下電流閾值為20A（600A/mm2），但這已經很不容易了。
現代真正的VCSEL公認的發名者是東京技術大學的教授Kenichi lga。1977年，他在實驗室筆記本上畫出了VCSEL圖形。后來他對VCSEL的發展做出了很多非常重要的貢獻。
從發展歷程看，最早的VCSEL始于1962年的紅外波長半導體激光器；1964年出現了第一個接近VCSEL的縱向電流注入面發射激光器；1979年Kenichi lga在實驗室實現了其1977年的概念；1984年實現了室溫脈沖，越來越接近實用，之前是脈沖加低溫。之后，貝爾實驗室的很多人前赴后繼，做DBR（分布布拉格反射）、離子注入等各種各樣的VCSEL研究。1994年，在奧斯汀實現了濕法氧化技術，最后由霍尼韋爾把VCSEL帶到了實用階段，后來霍尼韋爾VCSEL業務被Finisar收購。
VCSEL發展歷程
不同使用場景各取所需
除了數據通信，VCSEL的使用場景絕大多數和3D感測有關。3D感測的重要工作模式包括：被動雙目、主動雙目、結構光和飛行時間，基本上囊括了現在VCSEL的3D感測的應用場景。
被動雙目是用兩個攝像頭模擬人的兩個眼睛，從兩個不同點看同一個物體，然后用大腦進行一些簡單的幾何運算，這是人類多年的進化獲得的一個功能，現在是用VCSEL或計算機實現。
3D感測的基本種類
主動雙目也是兩個攝像頭，以投影儀主動投射光斑或光照，用兩個攝像頭接收這些光斑。
結構光保留了一個攝像頭，另一個是投射光斑的投影儀，以攝像頭接收這些光斑。這也是蘋果Face ID的基本原理。
飛行時間有好幾種，包括直接飛行時間（dToF）和間接飛行時間（iToF）。飛行時間本質上也是汽車激光雷達的基本原理。
iToF與dToF
在不同應用場景中，以上三種結構有不同的優勢，比如結構光的深度信息精度與距離的平方成正比，在短距離時非常精確，超過一定距離（1米左右）精度就會下降，這也是蘋果Face ID選擇結構光的理由。因為結構光在1米以內、半米左右精度很高，距離再大，其精度就變得不如別的方案。
第二個方案是iToF，計算的是不同相位差，而dToF是計算飛出去打回來的時間。iToF主要是通過監測發射光和接收光之間的相位差，其精確度開始時不如結構光，超過1米后就比結構光好了。所以很多智能門禁或手機等距離遠一點的應用經常采用。
dToF幾乎對距離不太敏感，特別是長距離非常有優勢，比如超過10米其精度很好，所以汽車激光雷達用dToF比較多，這也是后來蘋果激光雷達掃描儀選中它構建外界3D VR環境的原因。
以上VCSEL采用的幾個方案并不是相互競爭的，而會在不同場景下有不同的選擇，VCSEL都會扮演很重要角色。
什么是多結結構？
前面提到，多結技術代表VCSEL行業的下一個飛躍，因為多結發射的性能會好很多，目前業界最高能做到五結。多結技術是垂直將幾個PN結疊在一起，和普通多量子阱不一樣，多量子阱是一個PN結，幾個量子基本上平均分布。多結VCSEL的能帶利用隧道結隧穿原理，將上一個PN結價帶中的電子變成下一個PN結中的導帶電子，這樣周而復始，但不會永遠下去，一般多到一定程度就會出現別的問題。
激光雷達用多結VCSEL技術
多結VCSEL的好處是可以得到更高的功率密度，這對激光雷達非常重要；同時也可以得到斜率效率，因為多個VCSEL只分享一個DBR，可以避免多次損耗。另外，對電源或驅動來說，在同樣功率下，永遠是高電壓、低電流要比高電流、低電壓更容易或更便宜。多結VCSEL通過電流不變，電壓升高，對驅動和電源都是友好的變化，它是這兩年VCSEL的重大突破，讓其功率密度從幾十瓦/平方毫米或幾百瓦/平方毫米進入了幾千瓦/平方毫米，從而變成了汽車雷達一個“系列賽選手”。
多結VCSEL的意義在于，假設把邊發射激光器的幾個量子阱疊起來，或把幾個邊發射激光器串聯起來，再把VCSEL做成多結，從光學角度看，是所謂的“沒有變化”，如果把邊發射激光器三個量子阱疊在一起，面積立體角乘積（Area Solid Angle）就變成了三倍；如果把3個器件串聯起來也是三倍；而做成多結，面積立體角乘積沒有變，只是光密度和遠場變成了三倍。這樣，多結在光學上可以獲得很多好處，而且付出的代價相對較低。得到的好處遠遠多過付出的負面代價，這是做多結VCSEL背后非常重要的邏輯。
多結VCSEL與多結EEL、多芯片EEL對比
VCSEL之光已照進現實
蘋果手機和iPad采用VCSEL將VCSEL帶到了一個新的高度，使3D感測應用出現了數量級的增長。iPad Pro基于dToF技術的VCSEL方案可以幫助用戶構建3D虛擬場景，掃描周邊環境，這是未來蘋果虛擬現實生態的出發點。
前面說過，VCSEL是一種半導體器件，其激光垂直于頂面射出，與一般切開式獨立芯片工藝，激光由邊緣射出的邊射型激光不同。它集合了紅外邊發射激光器的很多優點，采用更優質的激光源，既像紅外LED非常適合大規模晶圓級生產，工藝和封裝成本較低，又有邊發射激光器非常好的光譜和較高的光密度特性；它還有溫度漂移非常低的特征，從低溫到高溫每組VCSEL的典型漂移僅為0.07nm/K。這是其他光源很難做到的，這也是被蘋果選中作為Face ID光源的重要原因。這是用于VCSEL的架構決定了它可以在許多光源的選擇中勝出。
VCSEL技術的優勢
總之，VCSEL具有光電轉換效率高、發散角小、光束質量好、波長穩定性好、可靠性高、閾值電流小、功耗低等優點，且易于與光纖耦合，易于單縱模發射和實現高調制頻率，加上易于制備二維發光陣列，大批量生產成本可控，是3D成像、識別感測模組的關鍵器件，廣泛應用于光通信和互連、數據采集和傳輸、消費電子3D成像、數據中心及云計算、物聯網、自動駕駛車輛、生物醫學、工業等領域。
目前，基于VCSEL和SPAD（單光子陣列）的緊湊型全固態激光雷達已經量產。例如Ouster利用這種基于純芯片的架構，不使用移動機械結構，推出了OS0、OS1、OS2三個系列9款激光雷達；最近又將數字激光雷達技術擴展至日韓兩國工業和機器人垂直領域；并牽手英偉達加速部署自動駕駛汽車，基于NVIDIA DRIVE提供專用的NVIDIA DriveWorks插件，幫助客戶將其數字激光雷達集成到自動駕駛車輛上。
另一家公司Ibeo也是采用基于VCSEL加SPAD陣列的方案實現二維掃描，其ibeoNEXT固態激光雷達方案體積非常小，已在長城摩卡SUV上車。
還有Valeo，2021年也推出了第二代SCALA和一款近場激光雷達，后者可以在車輛4個角代替現有毫米波雷達或超聲波雷達，實現防撞避障、倒車等功能。這對VCSEL在汽車上的應用有重要意義，能夠讓使用場景變得更加豐富。這種VCSEL加SPAD的小體積方案可以將其集成在后視鏡中，既美觀又實用。
VCSEL想到哪里去？
VCSEL應用趨勢
從Yole對VCSEL歷史到未來的展望可以看出，最初90年代實現工業化時主要用處是數據通信，如850nm高速激光器，后來在光學鼠標內也有應用；直到蘋果推動第二次浪潮，令3D感測呈數量級增加。人們期待的下一波浪潮是汽車激光雷達，其數量未來也非常可觀。激光雷達過后還有什么？IoT、人工智能或智能互聯應用都會用到VCSEL。LED最早也是從手機背光開始，然后是電視背光，再到照明，汽車照明又是一個浪潮，現在Mini LED和Micro LED光電器件的市場規模和應用在一浪又一浪的批量應用中逐步放大。
Insight的市場分析表明，根據VCSEL技術的發展，功率越來越高，作用距離越來越遠，使用場合也會逐步豐富。比如從最早的數據通信、移動傳感器，到車輛監控或安防，或自動駕駛車輛。所以，其應用場景會隨著VCSEL技術的發展或性能的提高越來越豐富，越來越廣闊。
應用場景：功率與距離
挑戰依然
從邊射型激光器到現在的VCSEL走了很長一段路，蘋果讓VCSEL獲得了行業的關注。不過，它所面對的挑戰也是不一而足。
VIGO亞太區總經理廖明智博士指出，現在激光雷達還有很多技術路線之爭，如905nm、1500nm和MEMS等，使用的半導體材料不同，性能方面各有利弊。
過去幾年，VCSEL市場在進一步延伸和滲透，特別是車載應用也對VCSEL的性能、可靠性和成本提出了更多和更高要求。另外，還有幾個重要參數需要考慮，包括視野、發射角度、探測范圍和對象。相比消費類產品，激光雷達的發射范圍有明顯不同的要求，前者10米范圍、小功率就能夠滿足需求，而VCSEL用于自動駕駛車輛其探測距離和功率都必須大幅提高，性能及可靠性的要求也要顯著提升。
車載應用要求更高
時下，之所以影響應用推廣，還因為VCSEL和激光雷達缺乏相關標準，生產廠商要滿足的條件非常多，只能根據客戶要求進行定制，影響了產量和成本效益。因此，他希望能夠通過與應用廠商和上下游生產廠商的更多合作，盡量形成共識，提升VCSEL的用量，實現應用的市場化和規模化。
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