本文來自格隆匯專欄：半導體行業觀察，作者：李晨光

近幾年，隨着物聯網、AI、5G技術的發展，3D成像和傳感技術迎來了高速成長，撬動智能手機、AR/VR、智能汽車等多個領域發展，加速萬物互聯時代的到來。VCSEL作爲3D成像和傳感系統的核心器件，正處於智能互聯產業的金字塔尖。

VCSEL（Vertical-cavity Surface-emitting Laser），垂直腔面發射激光器，是以半導體材料爲工作物質發射激光的器件，最初用於光通信領域。

VCSEL結構圖

2016年，VCSEL藉助測距傳感器進入蘋果iPhone 7系列手機，實現人臉接近感測、自動對焦等功能。同年，VCSEL也開始應用於蘋果AirPods耳機，實現佩戴監測功能。2017年，蘋果陸續將其用在iPhone人臉識別模組，直到在iPhone X上的驚豔亮相，讓VCSEL從原本的工業應用市場轉向商業與消費類市場，成爲3D人臉識別的核心器件。

蘋果多款產品的應用推動了VCSEL產業在消費電子市場的發展，隨後安卓陣營也相繼推出多款集成ToF傳感技術的手機，推動VCSEL市場規模邁上新臺階。據麥姆斯諮詢公司的測算，2023年VCSEL全球出貨量將達到30億顆。

興於蘋果，終於安卓

VCSEL如今在手機上的應用，一個是單點的ToF，做後攝的搭配，比如測距對焦等功能；另一個是人臉識別，不管是結構光、ToF還是紅外攝像頭，都需要VCSEL做補光、發射等，蘋果手機後置的LiDar就是用的VCSEL做發射。

單點對焦比較好理解，在暗光條件下，增加一個比較精準的測距功能，能夠讓攝像頭快速對焦成功，避免成像失焦。目前的趨勢是從單點推廣到多點、多區域對焦，以進一步提升手機攝像頭的對焦能力，進一步向單反的“多區域對焦”靠攏。

後置LiDar在蘋果上的主要應用是SLAM建模，通過對空間的建模達到爲AR、VR等應用服務的目的，依賴蘋果強大的生態能力，可以將虛擬與現實進行更好的融合。

安卓陣營也想跟隨這樣的趨勢，但難度較大。蘋果的產品設計有幾個相當高難度的門檻：（1）ToF接收芯片，採用索尼的SPAD陣列，目前能實現這樣的立體成像的企業僅此一家，包括激光雷達在內的諸多廠商採用SPAD陣列還沒有達到量產狀態；（2）極高的收發和掃描速度需要強大的驅動芯片及圖像處理芯片，這一技術在安卓陣營也是空白的，目前還沒有成熟的方案出現；（3）數據融合及應用開發能力是iOS開發陣營的強項，安卓陣營在此基礎較弱，無法提供真實逼真的體驗。

因此，目前安卓廠商也主要是在單點、多點ToF上面做文章，以提高拍照的能力爲主。同時，限於技術、應用等多種原因，ToF也並沒有常駐安卓陣營，如今安卓高端機型前置3D方案越來越少，反而被屏下指紋技術擠佔了大量市場份額。VCSEL在傳感模塊/手機市場中的應用正在被取代。

VCSEL在智能手機中的應用趨勢（圖源：YOLE）

Yole分析師表示，對於智能手機，OLED 顯示器在 13xx 到 15xx nm範圍內的波長範圍內是透明的。有興趣去除手機屏幕上的攝像頭凹槽並在 OLED 顯示器下集成 3D 傳感模塊的 OEM 正在考慮轉向 InP EEL（邊發射激光器），以取代當前的 GaAs VCSEL。

儘管這一趨勢目前處於早期研發階段，但Yole看到了多家廠商對此有濃厚興趣，例如ams、英飛凌、意法半導體以及多家激光器製造商和傳感器廠商。預計到2026年，消費者3D傳感行業將以467%的複合年增長率增長至2200萬美元。

圖源：YOLE

對此，有業內專家向半導體行業觀察指出，VCSEL有一些優點，比如體積小，光特性好，比較容易與芯片集成等，但同樣存在一些缺點，比如在大功率、長波長方面不佔優勢。很多OEM也是因此才轉用EEL，因爲只有手機才主要考慮體積，其他應用領域對此並不敏感。波長相對短的時候，激光的能量有可能對人帶來傷害 ，波長長的時候就沒有這方面顧忌了。

Cadence工程師Gilles Lamant也曾表示：“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，因爲激光雷達需要非常高的功率來獲得所需的各種探測範圍。”

因此VCSEL本身並不是不可取代的，EEL正在成爲潛在的替代者。

EEL 再被提起

根據激光芯片的結構，半導體激光器可垂直腔面發射激光器（VCSEL）和分爲邊發射激光器（EEL）。

顧名思義，VCSEL的激光垂直於頂面射出，而EEL的光則從芯片邊緣射出。邊發射EEL是比較成熟的激光器，生產沒有什麼瓶頸，功率和光電效率也比較高，性能可靠穩定，InP工藝能夠帶來更長的波段，可以採用高功率、實現長距離，同時保證人的安全。

有業內人士表示，幾乎所有主流的激光器廠商都有涉及EEL產品，可靠性還是其主要的挑戰，因爲激光器的應用場景需要保持時刻工作，比如汽車、醫療、工業、通訊等等，大電流、高熱量的激光器首先要保證穩定可靠。當前，國內玩家在此領域起步比較晚，還需要加速追趕。

Yole 技術與市場分析師 Martin Vallo曾表示：“VCSEL 的一項重大優勢是其外形尺寸，以及該技術易於用於移動應用中的人臉識別，但是 EEL 在後向 3D 傳感方面更加具備潛力。”

據報道，下一代高端智能手機很可能將內置感測距離長達 5米的後向式 3D 傳感器，可穿過房間檢測和測量物體，而這也將有利於較高功率的 EEL。在此類應用中，行業廠商將採用 EEL 取代VCSEL正在成爲趨勢。

VCSEL的下一站在哪？

近兩年，VCSEL雖然沒有在手機市場取得絕對的份額，並不妨礙其在其他領域落地，比如TWS耳機、掃地機器人、數據中心等，這也成爲機構對其看好的重要基礎。

TWS耳機是近年來消費電子少有的爆款產品，VCSEL幸運地搭上了這趟車。在TWS耳機中，VCSEL用在入耳檢測的光學檢測模組中，用來判斷耳機是否入耳。與基於LED的等效感測器系統相比，基於VCSEL的光學模組系統的總功耗明顯更低，且串音幹擾減少，信噪比更高。

據Counterpoint數據，2020年全球TWS耳機市場的銷量達到2.33億套，預測今年全球TWS耳機市場銷量將達到3.1億套，同比增長33%。而據業內人士估計，加上白牌產品後的TWS市場總量將達到6億套左右，使用VCSEL的產品將達到20%，也就是1億套的水平，市場增長空間巨大。另外，隨着市場的擴大，基於VCSEL的ToF感測方案將越來越多地出現在高端機器人產品中。

不過，最令人激動的當屬汽車市場。近年來，隨着國內汽車行業“電動化、智能化”的發展，車載激光雷達已成爲自動駕駛的必備傳感器。據瞭解，全球範圍內自動駕駛量產車項目當前處於快速開發之中，隨着激光雷達成本下探至數百美元區間且達到車規級要求，未來在汽車應用市場將呈爆發式增長。

在此趨勢和應用要求下，VCSEL的應用領域開始由消費電子延伸至汽車場景，市場規模不斷增長，助推VCSEL技術迭代。VCSEL的主要應用是汽車的激光雷達，還有座艙內的駕駛員狀態監控（DMS）等。Veeco首席技術官Ajit Paranjpe表示：“隨着新應用的興起，VCSEL技術得到了顯著重視和改善。採用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。”

另一方面，VCSEL 和 EEL 均可用於中短程激光雷達，以提供盲點檢測、車道偏離和追尾警告。EEL 的亮度是 VCSEL 的 100 倍，這使EEL激光器更適合於遠程傳感應用。但VCSEL 是低功耗器件，可在未來的電動汽車上起到節省電池電能的作用。Yole分析師觀點表示：“對於每項技術，每種市場的應用，最終的集成商將始終考慮對他們來說最適合的選擇方案。” 

其中，多結技術被業內人士認爲是VCSEL行業的下一個飛躍，憑藉其高功率、高效率、高斜率、集成難度低、可靠性高、低功耗等方面的優點，簡化了光學設計和系統架構，功率轉換效率遠高於同類單結，在高性能全固態中、遠程汽車激光雷達的應用中具有重要意義。除了可以測距之外，VCSEL激光雷達還有“識物”的功能。在近距離的低速強制避障部分，合理佈局的dToF VCSEL激光雷達傳感器能夠快速無盲區地連續生成3D環境地圖，是目前理想的避障措施。

有專家表示，在2020-2021年期間，多結VCSEL陣列已成爲全球各大廠商陸續重點佈局的產品，未來5-10年VCSEL有望逐漸取代EEL成爲主流的激光元器件。

業內專家們還認爲，在自動駕駛技術中採用dToF VCSEL激光雷達，完全可以通過不同的陣列模式製作出多種類型的傳感器出來，在很多領域完全能替代掉現在功能單一的紅外傳感器、超聲波傳感器，以及隱私性與安全性不足的攝像頭傳感器。

值得注意的是，激光雷達中有一種閃光（FLASH）式雷達，用激光照射一個區域，相比光學相控陣在製造方面的挑戰更小，VCSEL在這種FLASH激光雷達中可用作多光束掃描光源。相較於傳統的FLASH方案，VCSEL的發射光峯值功率密度和信號信噪比均顯著提高。如與SPAD（單光子雪崩二極管）陣列傳感器相配合，探測靈敏度會大幅提升。此前，蘋果公司新款iPad Pro和iPhone 12配備的激光雷達就是採用VCSEL+SPAD方案。

縱慧芯光聯合創始人陳曉遲曾表示，FLASH激光雷達多用在中近距離中作補盲雷達，現在的趨勢是基本都會用VCSEL。因爲VCSEL在主要性能指標全部佔優，逐漸有越來越多的激光雷達廠商計劃用VCSEL替代傳統光源。

消費電子領域外，VCSEL在汽車中的應用將開始起量。蘋果激光雷達VCSEL組件的主要供應商之一Lumentum公司表示，“預計2022年基於VCSEL方案的汽車級激光雷達將進入量產窗口期”。

VCSEL進入汽車、工業、醫療等領域（圖源：YOLE）

此外，對於車艙內傳感，VCSEL 正在競相取代 LED，以檢測和警告注意力不集中的駕駛者。除了汽車場景，大功率、高性能VCSEL的研發，讓工業應用成爲VCSEL另一個主要發力的方向，例如工業加熱、環境監測、智能物流等基礎設施。可見，對於VCSEL行業來說，雖然在手機領域未能達到預期效果，但在汽車以及工業、掃地機器人等領域的引導下，未來幾年將步入一個黃金髮展期。

寫在最後

2021年7月底，根據全球權威機構Yole發表的《VCSEL-2021年技術和市場趨勢》報告顯示，在手機消費、通信設備、汽車工業等多產業的推動下，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，期間複合年增長率爲13.6%。

對於VCSEL的未來，有專家向筆者表示，短距離、低功耗、高集成度場景下，VCSEL還是業內首先會考慮的激光器，但VCSEL只是一個光電系統的配角，單獨談論意義不大。在更多實際的應用中，客戶需要的是簡單易用、光電熱整體優化好的光源方案（封裝好的光芯片，並裝配好光學透鏡），而不是單獨的VCSEL光芯片。

從市場格局來看，國內能量產VCSEL的公司較少。該技術瓶頸較高，對芯片設計能力需求很高，同時受限於高昂成本、專利壁壘等因素，導致國內VCSEL發展速度遠不及預期。部分國內芯片設計廠家雖有涉足，但良品率和可靠性存在不足，難以擺脫對國外成熟供應商的依賴。

隨着ToF、3D傳感、激光雷達等應用的普及，VCSEL的市場規模還是會上量，但考慮到成本和可靠性，國外大廠如lumentum/ams/通快等應該會進一步增強其市場領導地位。中國廠商想要突圍，需要開發多款激光產品，齊頭並進，纔有機會一邊提高性能，一邊降成本，否則產品太單一，難以成爲主流。

綜合來看，VCSEL始於工業應用，興於蘋果引領的消費市場，雖然在安卓陣營未能達到市場預期，但隨着智能汽車市場的發展和其他新興行業的帶動，正在迎來新的增長空間，VCSEL未來的路依舊寬廣。

而國內廠商需要做的是，在VCSEL產業不斷壯大的浪潮中，儘快找到屬於自己的發展路徑和行業位置。