2017年9月,iPhone 8的發(fā)布讓VCSEL在消費類產(chǎn)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(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也已悄悄進入了車載應(yīng)用——激光雷達(LiDAR),在智能駕駛的目標感測中將發(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(xiàn)這一點,需要對3D傳感波長進行轉(zhuǎn)換,以便光線穿透顯示器。現(xiàn)在情況已經(jīng)改變,”他補充道。

Yole團隊的分析表明,全球VCSEL市場預(yù)計將從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)該市場的移動和消費將從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。另一個趨勢是,在OLED(有機發(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(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:“在這個市場上,與智能手機相關(guān)的收入預(yù)計在2021年和2022年保持穩(wěn)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(fā)AR應(yīng)用。這將在兩年內(nèi)創(chuàng)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(fù)。”

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

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

VCSEL進入汽車、工業(yè)等市場

移動和消費帶火VCSEL

蘋果顯然在智能手機中主導(dǎo)了VCSEL的使用,預(yù)計這種情況還會繼續(xù)。2017年以來,VCSEL被用于近距離傳感器后,主要功能是3D傳感和面部識別,嵌入3D傳感模塊的智能手機數(shù)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(shè)備中VCSEL用量的30%。2019年,3D傳感技術(shù)開始應(yīng)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(cè)嵌入此類模塊的公司。

手機中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,消費類產(chǎn)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(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(zhuǎn)變將對組件和供應(yīng)鏈產(chǎn)生深遠影響。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(jié)構(gòu),激光雷達制造商可能需要轉(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化及物流需要的傳感器,包括相機、雷達、激光雷達等。

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。在這兩種情況下,這項技術(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。”

他同時指出,只有蘋果智能手機有高于1000美元的ASP(活動服務(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(xué)和測試。

紅外光譜VCSEL制造典型工藝流程

因為VCSEL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)動器緊密連接在一個3D模塊中。驅(qū)動器用處理器指定的信號為VCSEL供電,產(chǎn)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(qū)動器提供反饋來優(yōu)化。VCSEL負責(zé)照明,其效率與時間、溫度、功率水平、與驅(qū)動器的接近度(由于寄生)等直接相關(guān),驅(qū)動(驅(qū)動信號、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,可以達到數(shù)百瓦峰值功率,非常適合短、中、長距離激光雷達系統(tǒng)。VCSEL芯片中的多結(jié)減少了為每個電子發(fā)射多個光子所需的驅(qū)動電流,很容易實現(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光學(xué)設(shè)計,因此可以將更多功率準直到較低的發(fā)散光束中來掃描場景。

對于激光雷達而言,VCSEL比多結(jié)邊緣發(fā)射激光器更具優(yōu)勢,因為其隨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固的全電子激光雷達掃描取代機械式掃描激光雷達。

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

2021年3月,Lumentum推出高功率五結(jié)和六結(jié)VCSEL陣列,用于汽車激光雷達和其他3D傳感應(yīng)用。尺寸為1平方毫米的VCSEL陣列中,單個VCSEL發(fā)射器的光功率超過2W,整個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,對于擴展其在高性能全固態(tài)中、遠程激光雷達中的應(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、消費和工業(yè)市場的激光雷達系統(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)動光源的MOSFET在電路板上是獨立貼裝的,器件之間布線長度(寄生電感)會影響光源驅(qū)動時間和輸出功率,給實現(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,同時實現(xiàn)了短脈沖(10納秒以內(nèi))驅(qū)動及高于以往產(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;直接飛行時間適用于更長的射程。

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

間接ToF:智能手機正面采用該解決方案進行人臉識別,背面采用該解決方案進行照片增強。

直接飛行時間:這一解決方案最近被蘋果公司的iPad用于flash激光雷達。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,可以實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)制造,當(dāng)我們進入第二個大規(guī)模應(yīng)用——采用VCSEL陣列的激光雷達推進自動駕駛時,VCSEL也將迎來更高功率要求的汽車應(yīng)用機遇。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,可能會在提高功率時具有一定的人眼危險性,因為激光雷達需要非常高的功率來獲得所需的各種探測范圍。”