2017年9月,iPhone 8的發(fā)布讓VCSEL在消費(fèi)類產(chǎn)品中火了一把,之后從光通信到消費(fèi)電子,VCSEL激光器迎來爆發(fā)式增長。幾年過去,2021年,蘋果仍是唯一一家在前后兩側(cè)嵌入ToF用VCSEL模塊的公司。

現(xiàn)在,VCSEL也已悄悄進(jìn)入了車載應(yīng)用——激光雷達(dá)(LiDAR),在智能駕駛的目標(biāo)感測中將發(fā)揮更大的作用。難怪有人說,2021年是VCSEL應(yīng)用全面落地之年,也是VCSEL決戰(zhàn)之年。

市場研判VCSEL前景誘人

7月底,Yole發(fā)表的《VCSEL-2021年技術(shù)和市場趨勢》報(bào)告對VCSEL產(chǎn)業(yè)做出最新判斷:VCSEL市場正在經(jīng)歷巨大的技術(shù)變革,供應(yīng)商也在尋求新的平衡。Yole固態(tài)照明技術(shù)與市場分析師Pierrick Boulay斷言:“VCSEL技術(shù)在不斷發(fā)展,數(shù)據(jù)通信應(yīng)用中基于850nm的VCSEL已經(jīng)過渡到用于3D傳感應(yīng)用的940nm VCSEL陣列。”

“幾年前,智能手機(jī)在前顯示屏上嵌入一個(gè)凹槽,以搭載自拍攝像頭和人臉識(shí)別模塊。這些元件占用空間,不夠美觀,需要在顯示器下隱藏起來。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),需要對3D傳感波長進(jìn)行轉(zhuǎn)換,以便光線穿透顯示器。現(xiàn)在情況已經(jīng)改變,”他補(bǔ)充道。

Yole團(tuán)隊(duì)的分析表明,全球VCSEL市場預(yù)計(jì)將從2021年的12億美元增長到2026年的24億美元,期間復(fù)合年增長率為13．6%。主導(dǎo)該市場的移動(dòng)和消費(fèi)將從7．97億美元增長到17億美元,復(fù)合年增長率為16．4%。

VCSEL市場預(yù)測

關(guān)于技術(shù)趨勢,報(bào)告指出,新的多結(jié)技術(shù)代表了VCSEL行業(yè)的下一次飛躍。VCSEL制造正在從4英寸轉(zhuǎn)向6英寸晶圓,有可能很快轉(zhuǎn)向8英寸晶圓,以便降低芯片成本。另一個(gè)趨勢是,在OLED(有機(jī)發(fā)光二極管)顯示器中集成3D傳感模塊可能導(dǎo)致傳統(tǒng)制造鏈重整。

在供應(yīng)鏈方面,兩家獨(dú)大的局面分割了VCSEL市場,一家是Lumentum,另一家是II VI,兩者市場份額高達(dá)80%。2017年以來,由于收購Finisar和對蘋果供應(yīng)鏈的更多參與,II-VI的市場持續(xù)增長。還有幾家比較大的公司,更多的是中小型VCSEL供應(yīng)商。

VCSEL頭部供應(yīng)商的收入

Boulay表示:“在這個(gè)市場上,與智能手機(jī)相關(guān)的收入預(yù)計(jì)在2021年和2022年保持穩(wěn)定。這是因?yàn)?span id="bbphdtkdh" class="hrefStyle" style="padding: 0px; margin: 0px;">Android玩家越來越少采用3D傳感模塊。2021年,只有蘋果公司正在實(shí)施VCSEL并開發(fā)AR應(yīng)用。這將在兩年內(nèi)創(chuàng)造一個(gè)相對平緩的市場。在這之后,Android玩家的增長可能會(huì)恢復(fù)。”

數(shù)據(jù)通信是第二大市場,預(yù)計(jì)2021年將產(chǎn)生4．3億美元的收入,2026年將達(dá)到5．66億美元,復(fù)合年增長率為5．6%。

在消費(fèi)品之后,3D傳感開始應(yīng)用于汽車ADAS傳感器激光雷達(dá)。2021年汽車市場相當(dāng)小,收入為110萬美元,但預(yù)計(jì)2026年將達(dá)到5700萬美元,復(fù)合年增長率為122%,主要應(yīng)用是激光雷達(dá)和駕駛員監(jiān)控,車外和車內(nèi)應(yīng)用都在增長。工業(yè)應(yīng)用預(yù)計(jì)將在2021年產(chǎn)生1600萬美元的收入,2026年將達(dá)到2100萬美元,復(fù)合年增長率為6．3%。隨著使用3D激光雷達(dá)應(yīng)用的出現(xiàn),工業(yè)收入可能會(huì)在中期起飛。這些應(yīng)用將與智能基礎(chǔ)設(shè)施和物流相關(guān)。

VCSEL進(jìn)入汽車、工業(yè)等市場

移動(dòng)和消費(fèi)帶火VCSEL

蘋果顯然在智能手機(jī)中主導(dǎo)了VCSEL的使用,預(yù)計(jì)這種情況還會(huì)繼續(xù)。2017年以來,VCSEL被用于近距離傳感器后,主要功能是3D傳感和面部識(shí)別,嵌入3D傳感模塊的智能手機(jī)數(shù)量一直在增加。

Android廠商在智能手機(jī)中使用了近1億顆VCSEL,占移動(dòng)設(shè)備中VCSEL用量的30%。2019年,3D傳感技術(shù)開始應(yīng)用于耳機(jī)或機(jī)器人等消費(fèi)品。2020年,Android用量近8500萬顆,占20%多一點(diǎn),到2020年,隨著蘋果所有智能手機(jī)都使用FaceID模塊,這一比例增加到80%。在iPadPro中安裝了后激光雷達(dá)后,蘋果在2020年在iPhone 12Pro和Max中安裝了相同的模塊。2021年,蘋果是唯一一家在前后兩側(cè)嵌入此類模塊的公司。

手機(jī)中VCSEL應(yīng)用

什么是VCSEL?

用于3D測距的激光光源種類有幾種,如FPLD(法布里-珀羅激光二極管)、EEL(邊發(fā)射激光器)、VCSEL等,掃描方式和發(fā)射距離有很大不同。

3D測距的激光光源種類

VCSEL即垂直腔面發(fā)射激光器,與邊緣射出激光的邊射型不同,其激光垂直于頂面射出,集高輸出功率、高轉(zhuǎn)換效率和高質(zhì)量光束等優(yōu)點(diǎn)于一身,相比LED、EEL和旋轉(zhuǎn)式掃描的FPLD,在精確度、小型化、低功耗、可靠性等方面具有優(yōu)勢。

FPLD與VCSEL的區(qū)別

1977年,日本東京工業(yè)大學(xué)的伊賀健一最初提出VCSEL,1979年首次演示;2014年,消費(fèi)類產(chǎn)品開始采用基于VCSEL的接近感測和自動(dòng)對焦功能;2017年,iPhone X 3D傳感功能點(diǎn)燃VCSEL芯片市場,直至今日,VCSEL已在蠶食汽車、工業(yè)等市場。繼GaAs基VCSEL之后,最新的研發(fā)成果主要集中在GaN基VCSEL。

VCSEL發(fā)展歷史

目前,市場上有許多不同的二極管激光器可供選擇,根據(jù)應(yīng)用情況,每種激光器都具有特定的優(yōu)勢。

VCSEL:窄帶寬(小于1nm),功率范圍200mW,可擴(kuò)展到10W,輸出光束圓形,波長隨溫度鎖定;

邊緣發(fā)射器:窄帶寬(小于1nm),功率范圍200mW,可擴(kuò)展至10W,輸出光束橢圓形,波長隨溫度鎖定;

FPLD:寬帶大于1nm,功率范圍200mW,可擴(kuò)展至10W,輸出光束橢圓形,最有效的解決方案。

每種激光器的特點(diǎn)

VCSEL制造不簡單

在VCSEL制造方面,用于智能手機(jī)前端3D傳感的波長可能會(huì)隨著OLED材料的使用而變化,因?yàn)镺LED顯示器可以透過約1300到1400nm的SWIR(短波紅外)光。從940nm到SWIR波長的轉(zhuǎn)變將對組件和供應(yīng)鏈產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。940nm VCSEL由6英寸GaAs晶圓制成;SWIR VCSEL則以InP為基礎(chǔ),InP更難加工,目前的制造是在2英寸和/或3英寸晶圓上完成的。

汽車和出行將改變VCSEL波長

消費(fèi)市場的智能手機(jī)需要超過3．5億顆VCSEL,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過用于汽車激光雷達(dá)的VCSEL。為了降低成本并使用相同的VCSEL結(jié)構(gòu),激光雷達(dá)制造商可能需要轉(zhuǎn)換到940nm,而不是使用905nm或更低的VCSEL。此外,在940nm處,其輻照度可能比在940nm低。工業(yè)應(yīng)用主要是走向全自動(dòng)化及物流需要的傳感器,包括相機(jī)、雷達(dá)、激光雷達(dá)等。

工業(yè)應(yīng)用傳感器需求

Yole固態(tài)照明和顯示業(yè)務(wù)部門經(jīng)理Pars Mukishasserts表示:“影響不僅限于光源,還包括近紅外區(qū)域使用硅基SPAD(單光子雪崩二極管)接收器。硅不能再用于SWIR區(qū)域。SPAD必須基于InGaAs材料或使用量子點(diǎn)。在這兩種情況下,這項(xiàng)技術(shù)仍在發(fā)展,制造良率低,元件量產(chǎn)有限。這將導(dǎo)致發(fā)射器和接收器的組件成本增加。”

他同時(shí)指出,只有蘋果智能手機(jī)有高于1000美元的ASP(活動(dòng)服務(wù)器頁面)功能,才能承受這樣的技術(shù)變革。

紅外光譜VCSEL制造典型工藝流程是兩個(gè)外延生長步驟在一個(gè)步驟中完成,封裝包括片芯連接和互連、光學(xué)和測試。

紅外光譜VCSEL制造典型工藝流程

因?yàn)閂CSEL制造相當(dāng)復(fù)雜,這類組件的低良率很正常,VCSEL的新興參與者良率都不高。

紅外光譜VCSEL制造良率

VCSEL、驅(qū)動(dòng)器和光電探測器之間是什么關(guān)系呢?光電探測器、VCSEL和驅(qū)動(dòng)器緊密連接在一個(gè)3D模塊中。驅(qū)動(dòng)器用處理器指定的信號(hào)為VCSEL供電,產(chǎn)生的信號(hào)必須符合速度、形狀和功率水平方面的要求。圖像傳感器/光電探測器的性能(SNR)取決于照明,需要通過處理器為驅(qū)動(dòng)器提供反饋來優(yōu)化。VCSEL負(fù)責(zé)照明,其效率與時(shí)間、溫度、功率水平、與驅(qū)動(dòng)器的接近度(由于寄生)等直接相關(guān),驅(qū)動(dòng)(驅(qū)動(dòng)信號(hào)、性能和接近度)與VCSEL性能間接相關(guān)。

頭部企業(yè)引領(lǐng)技術(shù)

多結(jié)技術(shù)代表了VCSEL行業(yè)的下一個(gè)飛躍。多結(jié)VCSEL為用戶提供了許多明顯的好處,其背面發(fā)射配置比傳統(tǒng)產(chǎn)品有優(yōu)勢,消除導(dǎo)線鍵合將提高VCSEL性能,并允許使用微透鏡來實(shí)現(xiàn)更緊湊的封裝。

Lumentum多結(jié)VCSEL陣列

Lumentum稱,其多結(jié)VCSEL陣列在低占空比(小于1%)下用短納秒脈沖驅(qū)動(dòng),可以達(dá)到數(shù)百瓦峰值功率,非常適合短、中、長距離激光雷達(dá)系統(tǒng)。VCSEL芯片中的多結(jié)減少了為每個(gè)電子發(fā)射多個(gè)光子所需的驅(qū)動(dòng)電流,很容易實(shí)現(xiàn)每安培4W以上的光功率。其發(fā)射器布置緊湊,不僅高功率,而且是高功率密度。

多結(jié)VCSEL陣列中一個(gè)發(fā)射器示意圖

Lumentum已經(jīng)證明,在125℃及0．1%占空比下,每平方毫米片芯面積可超過1kW。

對于短距離,VCSEL芯片可與擴(kuò)散器配對,以照亮寬視野。在這種情況下,更高的功率密度減少了所需芯片面積。對于較長距離,較小面積的較高功率簡化了激光雷達(dá)光學(xué)設(shè)計(jì),因此可以將更多功率準(zhǔn)直到較低的發(fā)散光束中來掃描場景。

對于激光雷達(dá)而言,VCSEL比多結(jié)邊緣發(fā)射激光器更具優(yōu)勢,因?yàn)槠潆S溫度變化的波長范圍較窄,且可以形成可尋址條紋陣列,甚至可以形成矩陣可尋址格式。可尋址性有助于用更堅(jiān)固的全電子激光雷達(dá)掃描取代機(jī)械式掃描激光雷達(dá)。

Lumentum首席執(zhí)行官Alan Lowe認(rèn)為:“明年汽車激光雷達(dá)對激光器及光子元件的需求將穩(wěn)步增長。自動(dòng)駕駛汽車和運(yùn)載車輛對激光雷達(dá)和3D傳感功能的需求為我們提供了巨大的長期市場機(jī)遇。我們與廣泛的客戶緊密接觸,包括自動(dòng)駕駛汽車、運(yùn)載車輛制造商、主要Tier 1汽車供應(yīng)商和激光雷達(dá)解決方案提供商。在近期,也許(自動(dòng))運(yùn)載車輛可能會(huì)最早用上我們的產(chǎn)品。”

2021年3月,Lumentum推出高功率五結(jié)和六結(jié)VCSEL陣列,用于汽車激光雷達(dá)和其他3D傳感應(yīng)用。尺寸為1平方毫米的VCSEL陣列中,單個(gè)VCSEL發(fā)射器的光功率超過2W,整個(gè)陣列的峰值功率超過800W。這些新型多結(jié)VCSEL陣列擁有更低的功耗、較高的斜率效能,以及較高的峰值光功率,對于擴(kuò)展其在高性能全固態(tài)中、遠(yuǎn)程激光雷達(dá)中的應(yīng)用十分重要。多結(jié)VCSEL陣列的發(fā)射波長為940nm和905nm,與目前用于消費(fèi)電子市場的量產(chǎn)VCSEL陣列產(chǎn)品采用相同的生產(chǎn)線。

Lumentum正在擴(kuò)大其廣泛的產(chǎn)品組合,以利用這一市場領(lǐng)先的多結(jié)技術(shù)所帶來的高峰值功率和功率密度。除了用于消費(fèi)電子市場和車內(nèi)汽車應(yīng)用的多結(jié)VCSEL解決方案外,Lumentum正在開發(fā)一系列用于各種3D傳感應(yīng)用的高功率器件,包括用于汽車、消費(fèi)和工業(yè)市場的激光雷達(dá)系統(tǒng)。

車內(nèi)應(yīng)用940nm VCSEL陣列

Lumentum稱,25年來已交付海底通信用半導(dǎo)體激光器1．5萬顆,5年交付消費(fèi)電子用二極管激光器10億顆,現(xiàn)場故障均為0。目前,工業(yè)應(yīng)用出貨量為5萬顆/年,消費(fèi)電子產(chǎn)品2．5億顆/年,電信50萬顆/年。

羅姆(ROHM)也在開發(fā)100W大功率VCSEL。以往作為ToF光源的VCSEL和用來驅(qū)動(dòng)光源的MOSFET在電路板上是獨(dú)立貼裝的,器件之間布線長度(寄生電感)會(huì)影響光源驅(qū)動(dòng)時(shí)間和輸出功率,給實(shí)現(xiàn)高精度傳感所需的短脈沖大功率光源帶來了局限性。羅姆的VCSEL模塊技術(shù)將VCSEL元件和MOSFET集成在1個(gè)模塊中,盡量縮短元件間布線長度,更大程度地發(fā)揮各元件的性能,且不易受陽光的外部干擾,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了短脈沖(10納秒以內(nèi))驅(qū)動(dòng)及高于以往產(chǎn)品約30%的輸出功率。

VCSEL模塊技術(shù)提升輸出功率和精度

關(guān)于3D傳感解決方案測距區(qū),結(jié)構(gòu)光和間接ToF解決方案適用于小于10m的范圍;直接飛行時(shí)間適用于更長的射程。

結(jié)構(gòu)光:這是第一個(gè)用于人臉識(shí)別的解決方案,非常適合1米以下的短程飛行。

間接ToF:智能手機(jī)正面采用該解決方案進(jìn)行人臉識(shí)別,背面采用該解決方案進(jìn)行照片增強(qiáng)。

直接飛行時(shí)間:這一解決方案最近被蘋果公司的iPad用于flash激光雷達(dá)。它具有最佳的長距離精度,并將支持新的應(yīng)用。

3D傳感解決方案測距區(qū)比較

進(jìn)一步探索

Veeco首席技術(shù)官Ajit Paranjpe說,“隨著新應(yīng)用的興起,VCSEL技術(shù)得到了顯著重視和改善。我們終于克服了學(xué)習(xí)曲線,可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)制造,當(dāng)我們進(jìn)入第二個(gè)大規(guī)模應(yīng)用——采用VCSEL陣列的激光雷達(dá)推進(jìn)自動(dòng)駕駛時(shí),VCSEL也將迎來更高功率要求的汽車應(yīng)用機(jī)遇。這類應(yīng)用需要使用更大的VCSEL陣列。”

Cadence杰出工程師Gilles Lamant提醒說:“VCSEL激光往往接近可見光波段,因此,可能會(huì)在提高功率時(shí)具有一定的人眼危險(xiǎn)性,因?yàn)榧す饫走_(dá)需要非常高的功率來獲得所需的各種探測范圍。”