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嵌入ToF用VCSEL模塊的公司。

現(xiàn)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(fā)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(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)歷巨大的技術變革,供應商也在尋求新的平衡。Yole固態(tài)照明技術與市場分析師Pierrick Boulay斷言:“VCSEL技術在不斷發(fā)展,數(shù)據(jù)通信應用中基于850nm的VCSEL已經(jīng)過渡到用于3D傳感應用的940nm VCSEL陣列?！?/p>

“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傳感波長進行轉換,以便光線穿透顯示器?，F(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(yè)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(fā)光二極管)顯示器中集成3D傳感模塊可能導致傳統(tǒng)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(xù)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(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。”

數(shù)據(jù)通信是第二大市場,預計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(jiān)控,車外和車內(nèi)應用都在增長。工業(yè)應用預計將在2021年產(chǎn)生1600萬美元的收入,2026年將達到2100萬美元,復合年增長率為6．3%。隨著使用3D激光雷達應用的出現(xiàn),工業(yè)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(yè)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(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(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、高轉換效率和高質(zhì)量光束等優(yōu)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(yōu)勢。

FPLD與VCSEL的區(qū)別

1977年,日本東京工業(yè)大學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波長的轉變將對組件和供應鏈產(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,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(yè)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(yè)應用傳感器需求

Yole固態(tài)照明和顯示業(yè)務部門經(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,這項技術仍在發(fā)展,制造良率低,元件量產(chǎn)有限。這將導致發(fā)射器和接收器的組件成本增加?！?/p>

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(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動器提供反饋來優(yōu)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。

頭部企業(yè)引領技術

多結技術代表了VCSEL行業(yè)的下一個飛躍。多結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VCSEL陣列

Lumentum稱,其多結VCSEL陣列在低占空比(小于1%)下用短納秒脈沖驅動,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芯片中的多結減少了為每個電子發(fā)射多個光子所需的驅動電流,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設計,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?？蓪ぶ沸杂兄谟酶鼒怨痰娜娮蛹す饫走_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推出高功率五結和六結VCSEL陣列,用于汽車激光雷達和其他3D傳感應用。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用十分重要。多結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,以利用這一市場領先的多結技術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)汽車應用的多結VCSEL解決方案外,Lumentum正在開發(fā)一系列用于各種3D傳感應用的高功率器件,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)應用940nm VCSEL陣列

Lumentum稱,25年來已交付海底通信用半導體激光器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))驅動及高于以往產(chǎn)品約30%的輸出功率。

VCSEL模塊技術提升輸出功率和精度

關于3D傳感解決方案測距區(qū),結構光和間接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。

結構光: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,并將支持新的應用。

3D傳感解決方案測距區(qū)比較

進一步探索

Veeco首席技術官Ajit Paranjpe說,“隨著新應用的興起,VCSEL技術得到了顯著重視和改善。我們終于克服了學習曲線,可以實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)制造,當我們進入第二個大規(guī)模應用——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用機遇。這類應用需要使用更大的VCSEL陣列?！?/p>

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。”