被苹果iphone x“带火”之后，vcsel(垂直腔面发射激光器)在消费市场热度不减。
近日，华为投资vcsel供应商纵慧芯光，再度引发市场对vcsel的关注。同时，有报道称，在苹果iphone产品系列的带动下，中国台湾vcsel供应链自今年6月起扩充产量，预计vcsel的需求增长将持续到第三季度。vcsel为何被苹果、华为等手机厂商看好?我国企业该如何布局，推动vcsel的普及和量产?
苹果带火 安卓跟进
2017年，苹果推出十周年力作iphone x。除了十周年献礼的情怀，iphone x的最大卖点是取消了苹果标志性的touch id，转而采用了人脸解锁技术face id。
与当时主流的平面影像识别技术不同，face id实现了3d感测。当用户看向iphone x屏幕，会触发tof接近传感器，感测到用户面部靠近手机。泛光照明器接收到信息后，利用红外光照亮用户面部，确定用户面部的位置。继而由点阵投影器在用户面部投射3万个红外光点，再由红外摄像头捕捉这些光点并计算立体结构，生成用户的面部3d立体图像，与过往图像匹配后实现解锁。
值得注意的是，iphone x的tof接近传感器、泛光照明器、点阵投射器，都用到了同一个核心器件——vcsel。早在20世纪80年代，vcsel就被相关厂商提出，并在20世纪末就应用于光通信领域。苹果的face id，开启了3d感测时代，也推动vcsel快速向消费市场渗透。
“苹果选择vcsel的原因有多种。vcsel垂直腔面发光，使得构建垂直于芯片的vcsel阵列变得容易，而且在相当宽的温度范围内都非常稳定。vcsel芯片引线键合也更容易，因为激光从顶部发出，可以在芯片下方进行电气和热管理。此外，vcsel体积可做得非常小，获得高封装密度和低阈值电流。”麦姆斯咨询创始人兼ceo王懿向《中国电子报》记者指出。
具体来说，vcsel相对于eel(边发射器)和led光源，有着独特的优势。
赛迪智库集成电路研究所高级分析师马晓凯向《中国电子报》指出，有别于eel，vcsel光源的发射方向和芯片是垂直的。vcsel的光斑测试比边发射器更加简单易行，可以在晶圆上进行测试，测试成本比较低。在调制方面，大多采用直接调制。vcsel在光纤通信上有比较广泛的应用，最常见的是数据中心里的短距光模块，以及有源光缆。它的光斑是圆形的，腔长短，易于实现单纵模，易于集成，在传感领域有较大的优势，目前已经应用到消费电子领域。
集邦咨询分析师吴盈洁向《中国电子报》记者表示，相比led，vcsel功率更强、指向性更好，拥有最佳的温度稳定性，可应用于精准、高速距离运算。此外，它的操作电流低，散热装置简单，也较为省电。
在face id点燃了消费市场对于vcsel的热情之后，安卓阵营也开始进行相关布局。华为在2018年推出的mate 20 pro和华为mate 20 rs保时捷均支持3d人脸解锁。据麦姆斯咨询介绍，mate 20 pro的3d深度传感系统采用了两颗vcsel，用于点阵投影器和泛光照明器。小米、oppo、三星也陆续在旗舰机型引入vcsel。集邦科技led研究所指出，2020年预计将有近10款高端机型将采用3d感测方案，部分机型更将扩大至前后镜头同步采用，进一步推升vcsel产值。
“在光通信领域有很多黑科技，但大部分用于通信、工业领域，不为消费者熟知。苹果作为消费电子的引领者，有这个能力和眼光，把其他领域的成熟产品引入消费电子，提升了产品性能和质量。目前国内已经涌现出一批有能力且在消费市场具有影响力的企业，也可以借鉴苹果的模式，将光通信等高科技领域的技术与消费电子相结合，提高产品性能。”马晓凯表示。
3d感测领衔 汽车电子可期
中长期来看，vcsel在消费电子、汽车、通信基础设施、医疗、工业等领域都存在应用空间。调研机构yole指出，2018年vcsel市场规模为7.38亿美元，预计2024年将达到37.75亿美元(约合67亿元)，年复合增长率达到31%。
消费电子是vcsel占比最大且增长最快的应用市场，预计2024年市场规模将达到33.82亿美元。今年以来，后置tof成为vcsel用量增长的新动力。苹果的ipad pro搭载了基于tof模组的激光雷达，将ipad变成“体验ar的强大设备”。华为也在p40 pro及p40 pro+搭载后置tof，并推出了每平方公里包含40亿三维信息点的ar地图。5g时代，基于vcsel的3d感测方案有望为更多终端设备赋予ar能力。
“3d感测应用领域相当广泛，包含生物识别、工业自动化、汽车、游戏和便携式消费型电子产品。消费型产品里面，最先受到影响与改变的是智能手机，若将3d 感测应用于后镜头，其功能包含测距、图片虚化效果、3d物体识别、空间建模与增强现实，未来有可能导入ar产品。对于品牌厂商来说，3d感测结合5g传输，以ar的功能搭配手势控制达到交互式ai，将具备一定的商机。”吴盈洁说。
车用市场是激光雷达的另一个热门市场。宁波睿熙科技有限公司产品总监汪辰杲表示，vcsel在自动驾驶领域，主要作为激光雷达的发射端光源，用于替代目前的eel。由于在性能、价格以及量产性上的显著优势，已经得到越来越多的关注。而应用到车载激光雷达，期望工作距离在几百米，需要更大功率的vcsel，也将对其芯片和封装的散热设计提出新的要求。
目前来看，vcsel厂商推出的车用vcsel主要面向车内监控和车用激光雷达光源。lumentum、ii-vi旗下的finistar都推出了用于车内监控和感知的vcsel。在汽车雷达系统方面，lumentum推出了用于闪光式激光雷达的vcsel，艾迈斯利用vcsel阵列和vcsel驱动技术为雷达系统提供高功率光源。王懿表示，汽车激光雷达将成为vcsel的重要市场，有望引领下一轮增长。
头部idm主导 我国与之存在差距
经过一系列的整合并购，vcsel已经形成由头部idm主导的局面。拓墣产业研究院报告显示，艾迈斯、lumentum、ii-vi等vcsel元器件idm大厂，通过对相关代工厂和idm的并购，进一步完善了vcsel的制备过程。同时，原先专注于生产led元件的osram、晶元光电等idm厂商也投身于vcsel元器件的开发。
近年来，我国vcsel技术和供应能力有所提升。华为投资的纵慧芯光从事vcsel芯片、模组的研发设计、生产和销售，并于2019年5月投产vcsel用6英寸砷化镓外延片。华芯半导体、睿熙科技、博升光电等企业也在设计、外延、芯片制造等领域开展布局。但是在供应能力和产业链完善程度方面，我国vcsel企业仍与头部厂商存在差距。
王懿表示，vcsel产业链环节较为复杂。设计公司提供vcsel结构设计给外延代工厂，外延代工厂根据需求进行外延片生长，然后将外延片寄送至fab代工厂，经fab生产完毕后寄送给封测厂，最终出货给客户。区别于数据通信行业用vcsel常采用3英寸或4英寸晶圆制造工艺，消费电子行业需要6英寸晶圆制造工艺，才能降低成本并实现更大的vcsel阵列，而晶圆尺寸的增加会对良率的提升带来更大挑战。
吴盈洁表示，要推动vcsel的量产和普及，要兼顾好输出功率、光电转换效率、发光角度、温度稳定性等产品要求，并保障产品寿命与品质，以提升产品良率。
王懿表示，鉴于vcsel复杂的代工产业链，各环节的产能准备，原材料的准备，客户需求的及时响应，都考验着一家公司的品质管理水平。
“vcsel的技术挑战主要在制造方面，根据不同应用，设计方面也需要配合。
只有制造和设计两方面同时迭代发展，企业才能取得最终的竞争优势。”王懿向记者表示，“我国相关企业应该积极布局vcsel产业链，包括设计、制造、封装、测试，并加强对关键材料和设备的攻关，推动产业整体水平的提升。”