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。現在情況已經改變,”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。

頭部企業引領技術

多結技術代表了VCSEL行業的下一個飛躍。多結VCSEL為用戶提供了許多明顯的好處,其背面發射配置比傳統產品有優勢,消除導線鍵合將提高VCSEL性能,并允許使用微透鏡來實現更緊湊的封裝。

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,可以達到數百瓦峰值功率,非常適合短、中、長距離激光雷達系統。VCSEL芯片中的多結減少了為每個電子發射多個光子所需的驅動電流,很容易實現每安培4W以上的光功率。其發射器布置緊湊,不僅高功率,而且是高功率密度。

多結VCSEL陣列中一個發射器示意圖

Lumentum已經證明,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散光束中來掃描場景。

對于激光雷達而言,VCSEL比多結邊緣發射激光器更具優勢,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中、遠程激光雷達中的應用十分重要。多結VCSEL陣列的發射波長為940nm和905nm,與目前用于消費電子市場的量產VCSEL陣列產品采用相同的生產線。

Lumentum正在擴大其廣泛的產品組合,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汽車應用的多結VCSEL解決方案外,Lumentum正在開發一系列用于各種3D傳感應用的高功率器件,包括用于汽車、消費和工業市場的激光雷達系統。

車內應用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,現場故障均為0。目前,工業應用出貨量為5萬顆/年,消費電子產品2．5億顆/年,電信50萬顆/年。

羅姆(ROHM)也在開發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,更大程度地發揮各元件的性能,且不易受陽光的外部干擾,同時實現了短脈沖(10納秒以內)驅動及高于以往產品約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,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,可以實現大規模生產制造,當我們進入第二個大規模應用——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。”

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。”