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（垂直腔麵發射激光器）市場將在2026年達到24億(yi) 美元，年複合增長率為(wei) 13.6%；目前最大市場是手機和消費電子，預計同期將達17億(yi) 美元，年複合增長率為(wei) 16.4%。數據通信是VCSEL第二大市場，預計2021年將產(chan) 生4.3億(yi) 美元的收入，2026年將達到5.66億(yi) 美元，年複合增長率為(wei) 5.6%。

報告指出，多結技術代表VCSEL行業(ye) 的下一個(ge) 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(wei) VCSEL帶來了更多市場機遇，不過，有一些技術挑戰仍需麵對。

VCSEL從(cong) 哪裏來？

從(cong) VCSEL結構看，它和普通邊發射激光器（EEL）的最大區別在於(yu) ，在腔體(ti) 內(nei) 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(ti) 首席科學家莫慶偉(wei) 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(ge) 高反射電極，又做了隔斷，所以強迫電流從(cong) 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(cong) 底部發出，本質上已經很接近現代VCSEL激光器的雛形了。當然，當時是基於(yu) 銻化銦（InSb）材料體(ti) 係，參數並不好，50ns脈衝(chong) ，在10K超低溫條件下電流閾值為(wei) 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(dong) 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。後來他對VCSEL的發展做出了很多非常重要的貢獻。

從(cong) 發展曆程看，最早的VCSEL始於(yu) 1962年的紅外波長半導體(ti) 激光器；1964年出現了第一個(ge) 接近VCSEL的縱向電流注入麵發射激光器；1979年Kenichi lga在實驗室實現了其1977年的概念；1984年實現了室溫脈衝(chong) ，越來越接近實用，之前是脈衝(chong) 加低溫。之後，貝爾實驗室的很多人前赴後繼，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，最後由霍尼韋爾把VCSEL帶到了實用階段，後來霍尼韋爾VCSEL業(ye) 務被Finisar收購。

VCSEL發展曆程

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(guan) 。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(liang) 個(ge) 攝像頭模擬人的兩(liang) 個(ge) 眼睛，從(cong) 兩(liang) 個(ge) 不同點看同一個(ge) 物體(ti) ，然後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(ge) 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(liang) 個(ge) 攝像頭，以投影儀(yi) 主動投射光斑或光照，用兩(liang) 個(ge) 攝像頭接收這些光斑。

結構光保留了一個(ge) 攝像頭，另一個(ge) 是投射光斑的投影儀(yi) ，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(yu) dToF

在不同應用場景中，以上三種結構有不同的優(you) 勢，比如結構光的深度信息精度與(yu) 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(hui) 下降，這也是蘋果Face ID選擇結構光的理由。因為(wei) 結構光在1米以內(nei) 、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(ge) 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米後就比結構光好了。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(you) 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，這也是後來蘋果激光雷達掃描儀(yi) 選中它構建外界3D VR環境的原因。

以上VCSEL采用的幾個(ge) 方案並不是相互競爭(zheng) 的，而會(hui) 在不同場景下有不同的選擇，VCSEL都會(hui) 扮演很重要角色。

什麽(me) 是多結結構？

前麵提到，多結技術代表VCSEL行業(ye) 的下一個(ge) 飛躍，因為(wei) 多結發射的性能會(hui) 好很多，目前業(ye) 界最高能做到五結。多結技術是垂直將幾個(ge) PN結疊在一起，和普通多量子阱不一樣，多量子阱是一個(ge) PN結，幾個(ge) 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(ge) PN結價(jia) 帶中的電子變成下一個(ge) PN結中的導帶電子，這樣周而複始，但不會(hui) 永遠下去，一般多到一定程度就會(hui) 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(wei) 多個(ge) VCSEL隻分享一個(ge) 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(liang) 年VCSEL的重大突破，讓其功率密度從(cong) 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(cong) 而變成了汽車雷達一個(ge) “係列賽選手”。

多結VCSEL的意義(yi) 在於(yu) ，假設把邊發射激光器的幾個(ge) 量子阱疊起來，或把幾個(ge) 邊發射激光器串聯起來，再把VCSEL做成多結，從(cong) 光學角度看，是所謂的“沒有變化”，如果把邊發射激光器三個(ge) 量子阱疊在一起，麵積立體(ti) 角乘積（Area Solid Angle）就變成了三倍；如果把3個(ge) 器件串聯起來也是三倍；而做成多結，麵積立體(ti) 角乘積沒有變，隻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(jia) 相對較低。得到的好處遠遠多過付出的負麵代價(jia) ，這是做多結VCSEL背後非常重要的邏輯。

多結VCSEL與(yu) 多結EEL、多芯片EEL對比

VCSEL之光已照進現實

蘋果手機和ipads采用VCSEL將VCSEL帶到了一個(ge) 新的高度，使3D感測應用出現了數量級的增長。ipads Pro基於(yu) 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。

前麵說過，VCSEL是一種半導體(ti) 器件，其激光垂直於(yu) 頂麵射出，與(yu) 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(you) 點，采用更優(you) 質的激光源，既像紅外LED非常適合大規模晶圓級生產(chan) ，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(cong) 低溫到高溫每組VCSEL的典型漂移僅(jin) 為(wei) 0.07nm/K。這是其他光源很難做到的，這也是被蘋果選中作為(wei) Face ID光源的重要原因。這是用於(yu) VCSEL的架構決(jue) 定了它可以在許多光源的選擇中勝出。

VCSEL技術的優(you) 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(you) 點，且易於(yu) 與(yu) 光纖耦合，易於(yu) 單縱模發射和實現高調製頻率，加上易於(yu) 製備二維發光陣列，大批量生產(chan) 成本可控，是3D成像、識別感測模組的關(guan) 鍵器件，廣泛應用於(yu) 光通信和互連、數據采集和傳(chuan) 輸、消費電子3D成像、數據中心及雲(yun) 計算、物聯網、自動駕駛車輛、生物醫學、工業(ye) 等領域。

目前，基於(yu) VCSEL和SPAD（單光子陣列）的緊湊型全固態激光雷達已經量產(chan) 。例如Ouster利用這種基於(yu) 純芯片的架構，不使用移動機械結構，推出了OS0、OS1、OS2三個(ge) 係列9款激光雷達；最近又將數字激光雷達技術擴展至日韓兩(liang) 國工業(ye) 和機器人垂直領域；並牽手英偉(wei) 達加速部署自動駕駛汽車，基於(yu) NVIDIA DRIVE提供專(zhuan) 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也是采用基於(yu) 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(ti) 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，後者可以在車輛4個(ge) 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(yi) ，能夠讓使用場景變得更加豐(feng) 富。這種VCSEL加SPAD的小體(ti) 積方案可以將其集成在後視鏡中，既美觀又實用。

VCSEL想到哪裏去？

VCSEL應用趨勢

從(cong) Yole對VCSEL曆史到未來的展望可以看出，最初90年代實現工業(ye) 化時主要用處是數據通信，如850nm高速激光器，後來在光學鼠標內(nei) 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(men) 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。激光雷達過後還有什麽(me) ？IoT、人工智能或智能互聯應用都會(hui) 用到VCSEL。LED最早也是從(cong) 手機背光開始，然後是電視背光，再到照明，汽車照明又是一個(ge) 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(hui) 逐步豐(feng) 富。比如從(cong) 最早的數據通信、移動傳(chuan) 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(hui) 隨著VCSEL技術的發展或性能的提高越來越豐(feng) 富，越來越廣闊。

應用場景：功率與(yu) 距離

挑戰依然

從(cong) 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(ye) 的關(guan) 注。不過，它所麵對的挑戰也是不一而足。

VIGO亞(ya) 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(zheng) ，如905nm、1500nm和MEMS等，使用的半導體(ti) 材料不同，性能方麵各有利弊。

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(ge) 重要參數需要考慮，包括視野、發射角度、探測範圍和對象。相比消費類產(chan) 品，激光雷達的發射範圍有明顯不同的要求，前者10米範圍、小功率就能夠滿足需求，而VCSEL用於(yu) 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(wei) VCSEL和激光雷達缺乏相關(guan) 標準，生產(chan) 廠商要滿足的條件非常多，隻能根據客戶要求進行定製，影響了產(chan) 量和成本效益。因此，他希望能夠通過與(yu) 應用廠商和上下遊生產(chan) 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。