被蘋果iphoness X“帶火”之後，VCSEL（垂直腔麵發射激光器）在消費市場熱度不減。

近日，華為(wei) 投資VCSEL供應商縱慧芯光，再度引發市場對VCSEL的關(guan) 注。同時，有報道稱，在蘋果iphoness產(chan) 品係列的帶動下，中國台灣VCSEL供應鏈自今年6月起擴充產(chan) 量，預計VCSEL的需求增長將持續到第三季度。VCSEL為(wei) 何被蘋果、華為(wei) 等手機廠商看好？我國企業(ye) 該如何布局，推動VCSEL的普及和量產(chan) ？

蘋果帶火 安卓跟進

2017年，蘋果推出十周年力作iphoness X。除了十周年獻禮的情懷，iphoness X的最大賣點是取消了蘋果標誌性的Touch ID，轉而采用了人臉解鎖技術Face ID。

與(yu) 當時主流的平麵影像識別技術不同，Face ID實現了3D感測。當用戶看向iphoness X屏幕，會(hui) 觸發ToF接近傳(chuan) 感器，感測到用戶麵部靠近手機。泛光照明器接收到信息後，利用紅外光照亮用戶麵部，確定用戶麵部的位置。繼而由點陣投影器在用戶麵部投射3萬(wan) 個(ge) 紅外光點，再由紅外攝像頭捕捉這些光點並計算立體(ti) 結構，生成用戶的麵部3D立體(ti) 圖像，與(yu) 過往圖像匹配後實現解鎖。

值得注意的是，iphoness X的ToF接近傳(chuan) 感器、泛光照明器、點陣投射器，都用到了同一個(ge) 核心器件——VCSEL。早在20世紀80年代，VCSEL就被相關(guan) 廠商提出，並在20世紀末就應用於(yu) 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垂直腔麵發光，使得構建垂直於(yu) 芯片的VCSEL陣列變得容易，而且在相當寬的溫度範圍內(nei) 都非常穩定。VCSEL芯片引線鍵合也更容易，因為(wei) 激光從(cong) 頂部發出，可以在芯片下方進行電氣和熱管理。此外，VCSEL體(ti) 積可做得非常小，獲得高封裝密度和低閾值電流。”麥姆斯谘詢創始人兼CEO王懿向《中國電子報》記者指出。

具體(ti) 來說，VCSEL相對於(yu) EEL（邊發射器）和LED光源，有著獨特的優(you) 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，有別於(yu) 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。在調製方麵，大多采用直接調製。VCSEL在光纖通信上有比較廣泛的應用，最常見的是數據中心裏的短距光模塊，以及有源光纜。它的光斑是圓形的，腔長短，易於(yu) 實現單縱模，易於(yu) 集成，在傳(chuan) 感領域有較大的優(you) 勢，目前已經應用到消費電子領域。

集邦谘詢分析師吳盈潔向《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，可應用於(yu) 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(wei) 省電。

在Face ID點燃了消費市場對於(yu) VCSEL的熱情之後，安卓陣營也開始進行相關(guan) 布局。華為(wei) 在2018年推出的Mate 20 Pro和華為(wei) Mate 20 RS保時捷均支持3D人臉解鎖。據麥姆斯谘詢介紹，Mate 20 Pro的3D深度傳(chuan) 感係統采用了兩(liang) 顆VCSEL，用於(yu) 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後鏡頭同步采用，進一步推升VCSEL產(chan) 值。

“在光通信領域有很多黑科技，但大部分用於(yu) 通信、工業(ye) 領域，不為(wei) 消費者熟知。蘋果作為(wei) 消費電子的引領者，有這個(ge) 能力和眼光，把其他領域的成熟產(chan) 品引入消費電子，提升了產(chan) 品性能和質量。目前國內(nei) 已經湧現出一批有能力且在消費市場具有影響力的企業(ye) ，也可以借鑒蘋果的模式，將光通信等高科技領域的技術與(yu) 消費電子相結合，提高產(chan) 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(ye) 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(wei) 7.38億(yi) 美元，預計2024年將達到37.75億(yi) 美元（約合67億(yi) 元），年複合增長率達到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(yi) 美元。今年以來，後置ToF成為(wei) VCSEL用量增長的新動力。蘋果的ipads Pro搭載了基於(yu) ToF模組的激光雷達，將ipads變成“體(ti) 驗AR的強大設備”。華為(wei) 也在P40 Pro及P40 Pro+搭載後置ToF，並推出了每平方公裏包含40億(yi) 三維信息點的AR地圖。5G時代，基於(yu) VCSEL的3D感測方案有望為(wei) 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(ye) 自動化、汽車、遊戲和便攜式消費型電子產(chan) 品。消費型產(chan) 品裏麵，最先受到影響與(yu) 改變的是智能手機，若將3D 感測應用於(yu) 後鏡頭，其功能包含測距、圖片虛化效果、3D物體(ti) 識別、空間建模與(yu) 增強現實，未來有可能導入AR產(chan) 品。對於(yu) 品牌廠商來說，3D感測結合5G傳(chuan) 輸，以AR的功能搭配手勢控製達到交互式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(ge) 熱門市場。寧波睿熙科技有限公司產(chan) 品總監汪辰杲表示，VCSEL在自動駕駛領域，主要作為(wei) 激光雷達的發射端光源，用於(yu) 替代目前的EEL。由於(yu) 在性能、價(jia) 格以及量產(chan) 性上的顯著優(you) 勢，已經得到越來越多的關(guan) 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主要麵向車內(nei) 監控和車用激光雷達光源。Lumentum、II-VI旗下的Finistar都推出了用於(yu) 車內(nei) 監控和感知的VCSEL。在汽車雷達係統方麵，Lumentum推出了用於(yu) 閃光式激光雷達的VCSEL，艾邁斯利用VCSEL陣列和VCSEL驅動技術為(wei) 雷達係統提供高功率光源。王懿表示，汽車激光雷達將成為(wei) VCSEL的重要市場，有望引領下一輪增長。

頭部IDM主導 我國與(yu) 之存在差距

經過一係列的整合並購，VCSEL已經形成由頭部IDM主導的局麵。拓墣產(chan) 業(ye) 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(guan) 代工廠和IDM的並購，進一步完善了VCSEL的製備過程。同時，原先專(zhuan) 注於(yu) 生產(chan) LED元件的Osram、晶元光電等IDM廠商也投身於(yu) 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(wei) 投資的縱慧芯光從(cong) 事VCSEL芯片、模組的研發設計、生產(chan) 和銷售，並於(yu) 2019年5月投產(chan) VCSEL用6英寸砷化镓外延片。華芯半導體(ti) 、睿熙科技、博升光電等企業(ye) 也在設計、外延、芯片製造等領域開展布局。但是在供應能力和產(chan) 業(ye) 鏈完善程度方麵，我國VCSEL企業(ye) 仍與(yu) 頭部廠商存在差距。

王懿表示，VCSEL產(chan) 業(ye) 鏈環節較為(wei) 複雜。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，然後將外延片寄送至FAB代工廠，經FAB生產(chan) 完畢後寄送給封測廠，最終出貨給客戶。區別於(yu) 數據通信行業(ye) 用VCSEL常采用3英寸或4英寸晶圓製造工藝，消費電子行業(ye) 需要6英寸晶圓製造工藝，才能降低成本並實現更大的VCSEL陣列，而晶圓尺寸的增加會(hui) 對良率的提升帶來更大挑戰。

吳盈潔表示，要推動VCSEL的量產(chan) 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(chan) 品要求，並保障產(chan) 品壽命與(yu) 品質，以提升產(chan) 品良率。

王懿表示，鑒於(yu) VCSEL複雜的代工產(chan) 業(ye) 鏈，各環節的產(chan) 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的技術挑戰主要在製造方麵，根據不同應用，設計方麵也需要配合。隻有製造和設計兩(liang) 方麵同時迭代發展，企業(ye) 才能取得最終的競爭(zheng) 優(you) 勢。”王懿向記者表示，“我國相關(guan) 企業(ye) 應該積極布局VCSEL產(chan) 業(ye) 鏈，包括設計、製造、封裝、測試，並加強對關(guan) 鍵材料和設備的攻關(guan) ，推動產(chan) 業(ye) 整體(ti) 水平的提升。”