文︱立厷

圖︱網絡

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

現在,VCSEL也已悄悄進入了車載應用——激光雷達(LiDAR),在智能駕駛的目標感測中將發揮更大的作用。難怪有人說,2021年是VCSEL應用全面落地之年,也是VCSEL決戰之年。

市場研判VCSEL前景誘人

7月底,Yole發表的《VCSEL-2021年技術和市場趨勢》報告對VCSEL產業做出最新判斷:VCSEL市場正在經歷巨大的技術變革,供應商也在尋求新的平衡。Yole固態照明技術與市場分析師Pierrick Boulay斷言:“VCSEL技術在不斷發展,數據通信應用中基于850nm的VCSEL已經過渡到用于3D傳感應用的940nm VCSEL陣列�！�

“幾年前,智能手機在前顯示屏上嵌入一個凹槽,以搭載自拍攝像頭和人臉識別模塊。這些元件占用空間,不夠美觀,需要在顯示器下隱藏起來。為了實現這一點,需要對3D傳感波長進行轉換,以便光線穿透顯示器�，F在情況已經改變,”他補充道。

Yole團隊的分析表明,全球VCSEL市場預計將從2021年的12億美元增長到2026年的24億美元,期間復合年增長率為13．6%。主導該市場的移動和消費將從7．97億美元增長到17億美元,復合年增長率為16．4%。

VCSEL市場預測

關于技術趨勢,報告指出,新的多結技術代表了VCSEL行業的下一次飛躍。VCSEL制造正在從4英寸轉向6英寸晶圓,有可能很快轉向8英寸晶圓,以便降低芯片成本。另一個趨勢是,在OLED(有機發光二極管)顯示器中集成3D傳感模塊可能導致傳統制造鏈重整。

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

VCSEL頭部供應商的收入

Boulay表示:“在這個市場上,與智能手機相關的收入預計在2021年和2022年保持穩定。這是因為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施VCSEL并開發AR應用。這將在兩年內創造一個相對平緩的市場。在這之后,Android玩家的增長可能會恢復�！�

數據通信是第二大市場,預計2021年將產生4．3億美元的收入,2026年將達到5．66億美元,復合年增長率為5．6%。

在消費品之后,3D傳感開始應用于汽車ADAS傳感器激光雷達。2021年汽車市場相當小,收入為110萬美元,但預計2026年將達到5700萬美元,復合年增長率為122%,主要應用是激光雷達和駕駛員監控,車外和車內應用都在增長。工業應用預計將在2021年產生1600萬美元的收入,2026年將達到2100萬美元,復合年增長率為6．3%。隨著使用3D激光雷達應用的出現,工業收入可能會在中期起飛。這些應用將與智能基礎設施和物流相關。

VCSEL進入汽車、工業等市場

移動和消費帶火VCSEL

蘋果顯然在智能手機中主導了VCSEL的使用,預計這種情況還會繼續。2017年以來,VCSEL被用于近距離傳感器后,主要功能是3D傳感和面部識別,嵌入3D傳感模塊的智能手機數量一直在增加。

Android廠商在智能手機中使用了近1億顆VCSEL,占移動設備中VCSEL用量的30%。2019年,3D傳感技術開始應用于耳機或機器人等消費品。2020年,Android用量近8500萬顆,占20%多一點,到2020年,隨著蘋果所有智能手機都使用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嵌入此類模塊的公司。

手機中VCSEL應用

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(邊發射激光器)、VCSEL等,掃描方式和發射距離有很大不同。

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、高轉換效率和高質量光束等優點于一身,相比LED、EEL和旋轉式掃描的FPLD,在精確度、小型化、低功耗、可靠性等方面具有優勢。

FPLD與VCSEL的區別

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

VCSEL發展歷史

目前,市場上有許多不同的二極管激光器可供選擇,根據應用情況,每種激光器都具有特定的優勢。

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

邊緣發射器:窄帶寬(小于1nm),功率范圍200mW,可擴展至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

VCSEL制造不簡單

在VCSEL制造方面,用于智能手機前端3D傳感的波長可能會隨著OLED材料的使用而變化,因為OLED顯示器可以透過約1300到1400nm的SWIR(短波紅外)光。從940nm到SWIR波長的轉變將對組件和供應鏈產生深遠影響。940nm VCSEL由6英寸GaAs晶圓制成;SWIR VCSEL則以InP為基礎,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

消費市場的智能手機需要超過3．5億顆VCSEL,遠遠超過用于汽車激光雷達的VCSEL。為了降低成本并使用相同的VCSEL結構,激光雷達制造商可能需要轉換到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。工業應用主要是走向全自動化及物流需要的傳感器,包括相機、雷達、激光雷達等。

工業應用傳感器需求

Yole固態照明和顯示業務部門經理Pars Mukishasserts表示:“影響不僅限于光源,還包括近紅外區域使用硅基SPAD(單光子雪崩二極管)接收器。硅不能再用于SWIR區域。SPAD必須基于InGaAs材料或使用量子點。在這兩種情況下,這項技術仍在發展,制造良率低,元件量產有限。這將導致發射器和接收器的組件成本增加�！�

他同時指出,只有蘋果智能手機有高于1000美元的ASP(活動服務器頁面)功能,才能承受這樣的技術變革。

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

紅外光譜VCSEL制造典型工藝流程

因為VCSEL制造相當復雜,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、驅動器和光電探測器之間是什么關系呢?光電探測器、VCSEL和驅動器緊密連接在一個3D模塊中。驅動器用處理器指定的信號為VCSEL供電,產生的信號必須符合速度、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動器提供反饋來優化。VCSEL負責照明,其效率與時間、溫度、功率水平、與驅動器的接近度(由于寄生)等直接相關,驅動(驅動信號、性能和接近度)與VCSEL性能間接相關。