蘋果華為“帶火”了這個激光器

張心怡

被蘋果iPhone x“帶火”之后，vc-SEL（垂直腔面發(fā)射激光器）在消費市場熱度不減。

近日，華為投資VCSEL供應(yīng)商縱慧芯光，再度引發(fā)市場對VCSEL的關(guān)注。同時，有報道稱，在蘋果iPhone產(chǎn)品系列的帶動下，中國臺灣VCSEL供應(yīng)鏈自今年6月起擴充產(chǎn)量，預(yù)計VCSEL的需求增長將持續(xù)到第三季度。VCSEL為何被蘋果、華為等手機廠商看好？我國企業(yè)該如何布局，推動VCSEL的普及和量產(chǎn)？

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，iPhonex的最大賣點是取消了蘋果標志性的Touch ID，轉(zhuǎn)而采用了人臉解鎖技術(shù)Face ID。

與當(dāng)時主流的平面影像識別技術(shù)不同，F(xiàn)ace ID實現(xiàn)了3D感測。當(dāng)用戶看向iPhone x屏幕，會觸發(fā)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(jié)構(gòu)，生成用戶的面部3D立體圖像，與過往圖像匹配后實現(xiàn)解鎖。

值得注意的是，iPhoneX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(guān)廠商提出，并在20世紀末就應(yīng)用于光通信領(lǐng)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(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。vc-SEL芯片引線鍵臺也更容易，因為激光從頂部發(fā)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?！丙溎匪棺稍儎?chuàng)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(fā)射器）和LED光源，有著獨特的優(yōu)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(fā)射方向和芯片是垂直的。VCSEL的光斑測試比邊發(fā)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(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，腔長短，易于實現(xiàn)單縱模，易于集成，在傳感領(lǐng)域有較大的優(yōu)勢，目前已經(jīng)應(yīng)用到消費電子領(lǐng)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(wěn)定性，可應(yīng)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(guān)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(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，用于點陣投影器和泛光照明囂。小米、OPPO、三星也陸續(xù)在旗艦機型引入VCSEL。集邦科技LED研究所指出，2020年預(yù)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(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，不為消費者熟知。蘋果作為消費電子的引領(lǐng)者，有這個能力和眼光，把其他領(lǐng)域的成熟產(chǎn)品引入消費電子，提升了產(chǎn)品性能和后量。目前國內(nèi)已經(jīng)涌現(xiàn)出一批有能力且在消費市場具有影響力的企業(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)與消費電子相結(jié)合，提高產(chǎn)品性能?！瘪R曉凱表示。

3D感測領(lǐng)銜汽車電子可期

中長期來看，VCSEL在消費電子、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)研機構(gòu)Yole指出，2018年VCSEL市場規(guī)模為7 38億美元，預(yù)計2024年將達到37 75億美元（約合67億元），年復(fù)合增長率達到31%。

消費電子是VCSEL占比最大且增長最快的應(yīng)用市場，預(yù)計2024年市場規(guī)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(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40億三維信息點的AR地圖。5G時代，基于VCSEL的3D感測方案有望為更多終端設(shè)備賦予AR能力。

“3D感測應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，包含生物識別、工業(yè)自動化、汽車、游戲和便攜式消費型電子產(chǎn)品。消費型產(chǎn)品里面，最先受到影響與改變的是智能手機，若將3D感測應(yīng)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(xiàn)實，未來有可能導(dǎo)入AR產(chǎn)品。對于品牌廠商來說，3D感測結(jié)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(chǎn)品總監(jiān)汪辰杲表示，VCSEL在自動駕駛領(lǐng)域，主要作為激光雷達的發(fā)射端光源，用于替代目前的EEL。由于在性能、價格以及量產(chǎn)性上的顯著優(yōu)勢，已經(jīng)得到越來越多的關(guān)注。而應(yīng)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(shè)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(nèi)監(jiān)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(nèi)監(jiān)控和感知的vc-SEL。在汽車雷達系統(tǒng)方面，Lumenmln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(qū)動技術(shù)為雷達系統(tǒng)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(lǐng)下一輪增長。頭部IDM主導(dǎo)我國與之存在差距

經(jīng)過一系列的整合并購，VCSEL已經(jīng)形成由頭部IDM主導(dǎo)的局面。拓璞產(chǎn)業(yè)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(guān)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(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，我國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、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、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)計公司提供VCSEL結(jié)構(gòu)設(shè)計給外延代工廠，外延代工廠根據(jù)需求進行外延片生長，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，消費電子行業(yè)需要6英寸晶圓制造工藝，才能降低成本并實現(xiàn)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(zhàn)。

吳盈潔表示，要推動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)能準備，原材料的準備，客戶需求的及時響應(yīng)，都考驗著一家公司的品質(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)計方面也需要配合。只有制造和設(shè)計兩方面同時迭代發(fā)展，企業(yè)才能取得最終的競爭優(yōu)勢?！蓖踯蚕蛴浾弑硎?，“我國相關(guān)企業(yè)應(yīng)該積極布局VCSEL產(chǎn)業(yè)鏈，包括設(shè)計、制造、封裝、測試，并加強對關(guān)鍵材料和設(shè)備的攻關(guān)，推動產(chǎn)業(yè)整體水平的提升。”