VCSEL，路在何方？
最新更新时间：2021-10-08
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近几年，随着物联网、AI、5G技术的发展，3D成像和传感技术迎来了高速成长，撬动智能手机、AR/VR、智能汽车等多个领域发展，加速万物互联时代的到来。VCSEL作为3D成像和传感系统的核心器件，正处于智能互联产业的金字塔尖。
VCSEL（Vertical-cavity Surface-emitting Laser），垂直腔面发射激光器，是以半导体材料为工作物质发射激光的器件，最初用于光通信领域。
VCSEL结构图
2016年，VCSEL借助测距传感器进入苹果iPhone 7系列手机，实现人脸接近感测、自动对焦等功能。同年，VCSEL也开始应用于苹果AirPods耳机，实现佩戴监测功能。2017年，苹果陆续将其用在iPhone人脸识别模组，直到在iPhone X上的惊艳亮相，让VCSEL从原本的工业应用市场转向商业与消费类市场，成为3D人脸识别的核心器件。
苹果多款产品的应用推动了VCSEL产业在消费电子市场的发展，随后安卓阵营也相继推出多款集成ToF传感技术的手机，推动VCSEL市场规模迈上新台阶。据麦姆斯咨询公司的测算，2023年VCSEL全球出货量将达到30亿颗。
兴于苹果，终于安卓
VCSEL如今在手机上的应用，一个是单点的ToF，做后摄的搭配，比如测距对焦等功能；另一个是人脸识别，不管是结构光、ToF还是红外摄像头，都需要VCSEL做补光、发射等，苹果手机后置的LiDar就是用的VCSEL做发射。
单点对焦比较好理解，在暗光条件下，增加一个比较精准的测距功能，能够让摄像头快速对焦成功，避免成像失焦。目前的趋势是从单点推广到多点、多区域对焦，以进一步提升手机摄像头的对焦能力，进一步向单反的“多区域对焦”靠拢。
后置LiDar在苹果上的主要应用是SLAM建模，通过对空间的建模达到为AR、VR等应用服务的目的，依赖苹果强大的生态能力，可以将虚拟与现实进行更好的融合。
安卓阵营也想跟随这样的趋势，但难度较大。苹果的产品设计有几个相当高难度的门槛：（1）ToF接收芯片，采用索尼的SPAD阵列，目前能实现这样的立体成像的企业仅此一家，包括激光雷达在内的诸多厂商采用SPAD阵列还没有达到量产状态；（2）极高的收发和扫描速度需要强大的驱动芯片及图像处理芯片，这一技术在安卓阵营也是空白的，目前还没有成熟的方案出现；（3）数据融合及应用开发能力是iOS开发阵营的强项，安卓阵营在此基础较弱，无法提供真实逼真的体验。
因此，目前安卓厂商也主要是在单点、多点ToF上面做文章，以提高拍照的能力为主。同时，限于技术、应用等多种原因，ToF也并没有常驻安卓阵营，如今安卓高端机型前置3D方案越来越少，反而被屏下指纹技术挤占了大量市场份额。VCSEL在传感模块/手机市场中的应用正在被取代。
VCSEL在智能手机中的应用趋势（图源：YOLE）
Yole分析师表示，对于智能手机，OLED 显示器在 13xx 到 15xx nm范围内的波长范围内是透明的。有兴趣去除手机屏幕上的摄像头凹槽并在 OLED 显示器下集成 3D 传感模块的 OEM 正在考虑转向 InP EEL（边发射激光器），以取代当前的 GaAs VCSEL。
尽管这一趋势目前处于早期研发阶段，但Yole看到了多家厂商对此有浓厚兴趣，例如ams、英飞凌、意法半导体以及多家激光器制造商和传感器厂商。预计到2026年，消费者3D传感行业将以467%的复合年增长率增长至2200万美元。
图源：YOLE
对此，有业内专家向半导体行业观察指出，VCSEL有一些优点，比如体积小，光特性好，比较容易与芯片集成等，但同样存在一些缺点，比如在大功率、长波长方面不占优势。很多OEM也是因此才转用EEL，因为只有手机才主要考虑体积，其他应用领域对此并不敏感。波长相对短的时候，激光的能量有可能对人带来伤害 ，波长长的时候就没有这方面顾忌了。
Cadence工程师Gilles Lamant也曾表示：“VCSEL激光往往接近可见光波段，因此可能会在提高功率时具有一定的人眼危险性，因为激光雷达需要非常高的功率来获得所需的各种探测范围。”
因此VCSEL本身并不是不可取代的，EEL正在成为潜在的替代者。
EEL 再被提起
根据激光芯片的结构，半导体激光器可垂直腔面发射激光器（VCSEL）和分为边发射激光器（EEL）。（图源：中科院半导体研究所刘安金）
顾名思义，VCSEL的激光垂直于顶面射出，而EEL的光则从芯片边缘射出。边发射EEL是比较成熟的激光器，生产没有什么瓶颈，功率和光电效率也比较高，性能可靠稳定，InP工艺能够带来更长的波段，可以采用高功率、实现长距离，同时保证人的安全。
有业内人士表示，几乎所有主流的激光器厂商都有涉及EEL产品，可靠性还是其主要的挑战，因为激光器的应用场景需要保持时刻工作，比如汽车、医疗、工业、通讯等等，大电流、高热量的激光器首先要保证稳定可靠。当前，国内玩家在此领域起步比较晚，还需要加速追赶。
Yole 技术与市场分析师 Martin Vallo曾表示：“VCSEL 的一项重大优势是其外形尺寸，以及该技术易于用于移动应用中的人脸识别，但是 EEL 在后向 3D 传感方面更加具备潜力。”
据报道，下一代高端智能手机很可能将内置感测距离长达 5米的后向式 3D 传感器，可穿过房间检测和测量物体，而这也将有利于较高功率的 EEL。在此类应用中，行业厂商将采用 EEL 取代VCSEL正在成为趋势。
VCSEL的下一站在哪？
近两年，VCSEL虽然没有在手机市场取得绝对的份额，并不妨碍其在其他领域落地，比如TWS耳机、扫地机器人、数据中心等，这也成为机构对其看好的重要基础。
TWS耳机是近年来消费电子少有的爆款产品，VCSEL幸运地搭上了这趟车。在TWS耳机中，VCSEL用在入耳检测的光学检测模组中，用来判断耳机是否入耳。与基于LED的等效感测器系统相比，基于VCSEL的光学模组系统的总功耗明显更低，且串音干扰减少，信噪比更高。
据Counterpoint数据，2020年全球TWS耳机市场的销量达到2.33亿套，预测今年全球TWS耳机市场销量将达到3.1亿套，同比增长33%。而据业内人士估计，加上白牌产品后的TWS市场总量将达到6亿套左右，使用VCSEL的产品将达到20%，也就是1亿套的水平，市场增长空间巨大。另外，随着市场的扩大，基于VCSEL的ToF感测方案将越来越多地出现在高端机器人产品中。
不过，最令人激动的当属汽车市场。近年来，随着国内汽车行业“电动化、智能化”的发展，车载激光雷达已成为自动驾驶的必备传感器。据了解，全球范围内自动驾驶量产车项目当前处于快速开发之中，随着激光雷达成本下探至数百美元区间且达到车规级要求，未来在汽车应用市场将呈爆发式增长。
在此趋势和应用要求下，VCSEL的应用领域开始由消费电子延伸至汽车场景，市场规模不断增长，助推VCSEL技术迭代。VCSEL的主要应用是汽车的激光雷达，还有座舱内的驾驶员状态监控（DMS）等。Veeco首席技术官Ajit Paranjpe表示：“随着新应用的兴起，VCSEL技术得到了显著重视和改善。采用VCSEL阵列的激光雷达推进自动驾驶时，VCSEL也将迎来更高功率要求的汽车应用机遇，这类应用需要使用更大的VCSEL阵列。”
另一方面，VCSEL 和 EEL 均可用于中短程激光雷达，以提供盲点检测、车道偏离和追尾警告。EEL 的亮度是 VCSEL 的 100 倍，这使EEL激光器更适合于远程传感应用。但VCSEL 是低功耗器件，可在未来的电动汽车上起到节省电池电能的作用。Yole分析师观点表示：“对于每项技术，每种市场的应用，最终的集成商将始终考虑对他们来说最适合的选择方案。”
其中，多结技术被业内人士认为是VCSEL行业的下一个飞跃，凭借其高功率、高效率、高斜率、集成难度低、可靠性高、低功耗等方面的优点，简化了光学设计和系统架构，功率转换效率远高于同类单结，在高性能全固态中、远程汽车激光雷达的应用中具有重要意义。除了可以测距之外，VCSEL激光雷达还有“识物”的功能。在近距离的低速强制避障部分，合理布局的dToF VCSEL激光雷达传感器能够快速无盲区地连续生成3D环境地图，是目前理想的避障措施。
有专家表示，在2020-2021年期间，多结VCSEL阵列已成为全球各大厂商陆续重点布局的产品，未来5-10年VCSEL有望逐渐取代EEL成为主流的激光元器件。
业内专家们还认为，在自动驾驶技术中采用dToF VCSEL激光雷达，完全可以通过不同的阵列模式制作出多种类型的传感器出来，在很多领域完全能替代掉现在功能单一的红外传感器、超声波传感器，以及隐私性与安全性不足的摄像头传感器。
值得注意的是，激光雷达中有一种闪光（FLASH）式雷达，用激光照射一个区域，相比光学相控阵在制造方面的挑战更小，VCSEL在这种FLASH激光雷达中可用作多光束扫描光源。相较于传统的FLASH方案，VCSEL的发射光峰值功率密度和信号信噪比均显著提高。如与SPAD（单光子雪崩二极管）阵列传感器相配合，探测灵敏度会大幅提升。此前，苹果公司新款iPad Pro和iPhone 12配备的激光雷达就是采用VCSEL+SPAD方案。
纵慧芯光联合创始人陈晓迟曾表示，FLASH激光雷达多用在中近距离中作补盲雷达，现在的趋势是基本都会用VCSEL。因为VCSEL在主要性能指标全部占优，逐渐有越来越多的激光雷达厂商计划用VCSEL替代传统光源。
消费电子领域外，VCSEL在汽车中的应用将开始起量。苹果激光雷达VCSEL组件的主要供应商之一Lumentum公司表示，“预计2022年基于VCSEL方案的汽车级激光雷达将进入量产窗口期”。
VCSEL进入汽车、工业、医疗等领域（图源：YOLE）
此外，对于车舱内传感，VCSEL 正在竞相取代 LED，以检测和警告注意力不集中的驾驶者。除了汽车场景，大功率、高性能VCSEL的研发，让工业应用成为VCSEL另一个主要发力的方向，例如工业加热、环境监测、智能物流等基础设施。可见，对于VCSEL行业来说，虽然在手机领域未能达到预期效果，但在汽车以及工业、扫地机器人等领域的引导下，未来几年将步入一个黄金发展期。
写在最后
2021年7月底，根据全球权威机构Yole发表的《VCSEL-2021年技术和市场趋势》报告显示，在手机消费、通信设备、汽车工业等多产业的推动下，全球VCSEL市场预计将从2021年的12亿美元增长到2026年的24亿美元，期间复合年增长率为13.6%。
对于VCSEL的未来，有专家向笔者表示，短距离、低功耗、高集成度场景下，VCSEL还是业内首先会考虑的激光器，但VCSEL只是一个光电系统的配角，单独谈论意义不大。在更多实际的应用中，客户需要的是简单易用、光电热整体优化好的光源方案（封装好的光芯片，并装配好光学透镜），而不是单独的VCSEL光芯片。
从市场格局来看，国内能量产VCSEL的公司较少。该技术瓶颈较高，对芯片设计能力需求很高，同时受限于高昂成本、专利壁垒等因素，导致国内VCSEL发展速度远不及预期。部分国内芯片设计厂家虽有涉足，但良品率和可靠性存在不足，难以摆脱对国外成熟供应商的依赖。
随着ToF、3D传感、激光雷达等应用的普及，VCSEL的市场规模还是会上量，但考虑到成本和可靠性，国外大厂如lumentum/ams/通快等应该会进一步增强其市场领导地位。中国厂商想要突围，需要开发多款激光产品，齐头并进，才有机会一边提高性能，一边降成本，否则产品太单一，难以成为主流。
综合来看，VCSEL始于工业应用，兴于苹果引领的消费市场，虽然在安卓阵营未能达到市场预期，但随着智能汽车市场的发展和其他新兴行业的带动，正在迎来新的增长空间，VCSEL未来的路依旧宽广。
而国内厂商需要做的是，在VCSEL产业不断壮大的浪潮中，尽快找到属于自己的发展路径和行业位置。
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