借势苹果而火的VCSEL是昙花一现还是细水长流
2018-09-17   OFweek激光


VCSEL的概念最初提出于1977年日本东京工业大学的伊贺健一,2014年,VCSEL以接近感测和自动对焦功能进入消费类市场,2017年,伴随着iPhone X 3D传感功能的火爆,VCSEL芯片市场呈现爆炸式增长势头——2017年VCSEL整体市场规模达到3.3亿美元,可以说VCSEL激光器是积淀良久之后才迎来的爆发。但VCSEL的火爆能持续多久?是昙花一现还是细水长流?


VCSEL是什么


VCSEL是垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)的简称,是一种半导体激光器,其激光垂直于顶面射出,与一般用切开的独立芯片制程、激光由边缘射出的边射型激光有所不同。



与传统边发射激光器不同的结构为VCSEL带来了许多优势:小的发散角和圆形对称的远、近场分布使其与光纤的耦合效率大大提高,而不需要复杂昂贵的光束整形系统,现已证实与多模光纤的耦合效率竟能大于90%;光腔长度极短,导致其纵模间距拉大,可在较宽的温度范围内实现单纵模工作,动态调制频率高;腔体积减小使得其自发辐射因子较普通端面发射激光器高几个数量级,这导致许多物理特性大为改善;可以在片测试,极大地降低了开发成本;出光方向垂直衬底,可以很容易地实现高密度二维面阵的集成,实现更高功率输出,并且因为在垂直于衬底的方向上可并行排列着多个激光器,所以非常适合应用在并行光传输以及并行光互连等领域,它以空前的速度成功地应用于单通道和并行光互联,以它很高的性能价格比,在宽带以太网、高速数据通信网中得到了大量的应用;最吸引人的是它的制造工艺与发光二极管(LED)兼容,大规模制造的成本很低。


VCSEL用在哪


相比于红外线LED与EEL激光器,VCSEL具有光发散角度小、光电转换效率高与数据传输速度快、临界电流低、发光光束具有圆形对称特性、高效率光电转换与高指向性光源等优点。早期主要应用与光纤的资料传输、类比宽频讯号传输、吸收光谱学(TDLAS)、激光打印机、电脑鼠标上。同时VCSEL激光采用脉冲光,不会对人眼造成伤害,随着技术逐渐成熟,VCSEL与感测组件相结合,其市场逐渐从工业用市场转向商业与消费者市场。


VCSEL可用作移动设备面部识别的光源,均匀照明整个面部

图片来源:欧司朗


说到消费市场,还得先说以iPhone为代表的智能手机市场。iPhone X 采用了三种不同的VCSEL芯片用在Face ID的3D摄像头和接近传感器上,在iPhone X之后,华为(nova 3)、OPPO(Find X)、vivo(NEX)和小米(小米8探索版)这四大国产品牌也相继推出搭载3D传感功能的新款智能手机。在3D感测中,VCSEL作为红外线光源,若没有这个光源,面部识别也就无从谈起。在此基础之上,动作捕捉、人机交互、三维建模、AR、安防和辅助驾驶等多个领域的市场也逐步成长起来。


VCSEL市场格局


目前全球范围内主要的VCSEL厂商包括Finisar、Lumentum、Princeton Optronics(已被ams收购)、Philips Photonics、Heptagon以及Ⅱ-Ⅵ等公司。值得一提的是,欧司朗光电于9月14日也正式对外推出其首款VCSEL产品,跻身VCSEL供应商行列。


VCSEL晶圆


国内一些企业在VCSEL的研发与量产上也取得了突破。不久前,长光华芯宣布实现了国内首条VCSEL全产线的国产化,而华芯半导体已于去年年底开始批量光通讯类VCSEL产品,武汉光迅科技、山东太平洋、深圳源国、深亮智能、国星光电、华工科技、三安光电、全新光电、晶元光电、环宇及给苹果供应商VCSEL芯片的穩懋均有相应布局和突破。


在科研方面,据了解中科院半导体所、长春光机所、华中科技大学、吉林大学、厦门大学、北京邮电大学等都对VCSEL激光器进行了不同层面的研究。


VCSEL发展前景


市场研究公司 Light Counting 预测,2018年全球智能手机对于 VCSEL 激光器的需求为1.2亿只,2019年将会达到2.4亿只。而从Yole发布的《VCSEL技术、产业和市场趋势》报告获悉,2017年VCSEL整体市场规模达到了3.3亿美元,预计VCSEL出货量将从2017年的6.52亿颗增长至2023年的33亿多颗,到2023年整体市场规模将增长至35亿美元,2017~2023年的复合年增长率高达48%。


2017年和2023年VCSEL市场预测


市场规模不断扩大的同时,也意味着应用领域将不断扩展。在未来,VCSEL激光器有望与5G、物联网、虹膜识别、自动驾驶、AR等技术相结合,为人们的生活带来更大的改变。


综合而言,VCSEL激光器不仅市场规模潜力巨大,新的应用领域也让人无比憧憬,发展后劲充足。

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