当安卓旗舰机和激光雷达开始加持 VCSEL有了更大野心

新生的、冲击高端市场的荣耀Magic3发布了，在一堆眼花缭乱的参数之后，有一个技术亮点不得不提，那就是搭载了8*8 dToF激光对焦系统。此前，dToF对焦系统仅为苹果所独有，而继小米11 Ultra之后，荣耀Magic3也用上了dToF，预示该技术将渐成安卓阵营的主流。

VCSEL（垂直腔面发射激光器）是dToF的核心部件之一。随着dToF在手机、TWS、机器人、汽车等领域的逐步落地，VCSEL有望迎来新一轮的发展高潮。

高效的VCSEL

“VCSEL市场一直没有起量，我们就逐步放弃了。”一位投资人此前曾这样表示。

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。安卓系也相继推出多款集成ToF传感技术的手机，迅速扩大了市场规模。但限于技术、应用等多种原因，ToF没有常驻安卓阵营，反被屏下指纹技术挤占了大量市场份额。

一位业内人士告诉集微网，“这其中有多种原因，包括疫情的、中美贸易战等，但最大的原因是华为被制裁，因为华为是ToF应用的一面旗帜，如果它停下来，整个市场的速度就会减慢。”

VCSEL本质上是一种半导体激光器，与其同类的还有EEL（边发射激光器）。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。与EEL相比，VCSEL 波长的温度敏感性要低得多。它能够沿指定方向发射温度的光学，拥有红外光的高能量密度和简单封装，也有线性发射器（如 EEL 技术）的光谱宽度。其相比EEL不仅具有低廉的生产成本，以及更低的输出功率，同时也具有卓越的光束质量。

图 VCSEL的结构

在制造工艺上，不同应用对VCSEL产品的性能和规格要求各异，主要体现在尺寸、输出功率和激光腔（laser cavity）等方面。VCSEL表面积随着所需输出功率的增加而增大，激光腔和制造工艺的复杂性也在提升，这些也是VCSEL尚未能普及的原因之一。

不过，随着VCSEL回归安卓阵营，这一切都将迎刃而解。纵慧芯光联合创始人陈晓迟表示：“市场整体发展速度会有所减缓，但只是一个暂时的现象，我们认为安卓手机最终应该都会集成dToF，这个趋势应该不变，只是整体时间上会往后移两年。”

根据Yole最新发布的报告, 全球VCSEL市场预计将以13.6%的CAGR从2021年的12亿美元增长到2026年的24亿美元。

多方出击 

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幸运地搭上了这趟班车。在TWS耳机中，VCSEL用在入耳检测的光学检测模组中，通过发射940nm的红外激光，激光朝特定方向打出，反射回来形成回路。当接收区域的解码芯片收到有效的编码信号后输出电平信号，从而判断耳机是否入耳。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。

全球TWS耳机市场在2020年的销量达到2.33亿套，Counterpoint 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%。而据一位业内人士估计，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，市场容量相当可观。

而2021上半年此类VCSEL的出货量低于预期，主要是由于智能手机销售疲软造成。据Digitimes Research估计，中国智能手机供应商在2021年第二季度（Q2）的总出货量同比下降了20%以上。但是，业内都预计全球TWS耳机和智能手机对VCSEL的需求将在2021下半年反弹。

VCSEL在非手机领域的拓展不单是TWS耳机，还有扫地机器人、线下人脸支付等，出货量都在稳步上升。尤其是中国的扫地机器人渗透率只为3.6%，而光学感知模组的渗透率约为10%，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。业内人士都认为，在手机和汽车两大终端产品的智能化需求之下，VCSEL市场规模将继续保持高速增长势头。

陈晓迟告诉集微网，VCSEL的主要应用是汽车的激光雷达，还有轿厢内的驾驶员状态监控等。

在远程测距方面，超远程测距由于留给自动驾驶的机器判别时间较长，仍然可以采用双摄像头视觉传感器和毫米波LiDAR来完成；在150~250M安全避障距离内，dToF VCSEL激光LiDAR传感器由于机器计算时间少，硬件反应速度更快，硬件可靠性更高、集成难度更低，体积更小，正在成为行业共同突破的重点。除了可以测距之外，VCSEL激光LiDAR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LiDAR传感器能够快速无盲区地连续生成3D环境地图，是目前理想的无风险避障措施。

部分业内专家们还认为，在自动驾驶技术中采用dToF VCSEL激光LiDAR，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。

不论这种想法能否成型，让VCSEL用在车用激光雷达上的难度显然远大于前。“激光雷达的探测距离是几十米甚至是几百米这样的距离，所以要求的光功率密度要远远高于消费电子或者手机上的应用。”陈晓迟指出，“即使是轿厢内的疲劳驾驶监控，芯片的规格跟普通手机上的类似，但是要求通过车规级认证，所以难度会更大一些。”

“在手机中应用的VCSEL芯片价格约为1美元，在汽车中显然要更高。”他补充道。

还要指出的是，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，探测会灵敏度大幅提升。

此前，苹果公司新款iPad Pro和iPhone 12配备的激光雷达就是采用VCSELs+SPADs方案，随着智能手机带动相关供应链产能释放，成本已经进入快速下降区间。

“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。”陈晓迟说，“下半年开始有越来越多的激光雷达厂商开始找到我们，想看看VCSEL能否替代传统光源，因为VCSEL在主要性能指标全部占优。”

陈晓迟认为，VCSEL在汽车中的应用将会在明年起量。这个观点也与其他厂商相一致。苹果激光雷达VCSEL组件的主要供应商之一Lumentum公司最近表示，“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”。

对于VCSEL行业来说，有了手机和汽车的引导，未来几年将步入一个黄金发展期。