前不久，国内首款波长660nm VCSEL芯片已在重庆万州实现批量化生产，这款由威科赛乐微电子股份有限公司研发的激光芯片，更易于面内集成阵列和光学整形的技术，使得在相同输出功率下对人眼敏感度能达到同类产品的4.5倍。而在成本方面，单颗芯片市场售价仅在一元左右，成本降低了60%，封装成本也降低50%以上。长春光机所也宣布首次实现了人眼安全范围内的1550 nm VCSEL芯片。
VCSEL芯片产业是如何崛起呢？当前，全球VCSEL芯片产业格局如何？我国的VCSEL芯片是如何“破壁”的？未来，如何“突围”才更有胜算？
从光通信到消费电子，VCSEL芯片产业的崛起
自2017年iPhone X推出人脸识别功能之后，其背后的关键技术——垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL)一炮而红，成为了消费电子领域的新宠。
事实上，VCSEL并不是近些年研制出的新技术，早在1977年，日本科学家伊贺健一和内山诚治就提出了相关概念，并将其用于光通信领域，为科研界和通讯行业人士所熟知，至今已发展了四十余年。
VCSEL芯片是一种微型的半导体激光器，相较于EEL（Edge Emitting Laser，边发射激光器），VCSEL具有效率高、光束质量好、精度高、功耗低、小型化、高可靠、调制速率快、可大量生产、制造成本低等优势，易于实现大规模阵列及光电集成。但由于其制作工艺复杂，且激光发射功率较低、无法进行远距离侦测等原因，在诞生后的很长一段时间内，VCSEL都无法向光通讯领域以外的应用场景中进行拓展。
结构示意图。（a）：VCSEL；（b）：EEL
直到20世纪90年代，智能手机的出现让近距感应进入了人们的生活。随着苹果公司推出的iPhone X系列手机引入了面部识别（3D传感）功能，用于结构光光源的VCSEL进入了人们的视野；2020年，可寻址VCSEL阵列首次进入苹果新款iPad Pro平板电脑和iPhone 12 Pro系列智能手机，成为消费类激光雷达（LiDAR）的光源。
与此同时，苹果也在积极布局VCSEL行业的未来——AR领域和智能汽车领域，探索VCSEL芯片的更多可能。在消费电子的巨大市场之下，VCSEL芯片产业链就此崛起。2022年，研究机构 Yole Group预测称，2027年VCSEL市场规模将达到39亿美元体量，2022~2027复合年化增速可达19.2%。
全球VCSEL芯片市场集中度高
在光通信系统中，核心光芯片分为DFB芯片、EML芯片、VCSEL芯片三种类型，核心光芯片技术壁垒高，全球市场由美国、日本等厂商占据主导。在VCSEL芯片领域，供应商主要有三菱、II-VI、Lumentum、AMS、Trumpf等。
垂直腔面发射激光器（VCSEL）是一种半导体激光器，具有检测距离精确、结构简单、体积小、功耗低等优势，是全球各国研发热点。VCSEL最初应用在光通信领域，后随着技术进步，VCSEL应用逐渐扩展至光识别、光存储、3D传感、消费电子、数据中心、汽车电子等领域。
受益于下游产业发展，VCSEL市场规模不断扩大，预计2022年，全球VCSEL市场规模将达到22.4亿美元，2022-2027年将以20.0%左右的年均复合增长率高速增长。VCSEL市场发展持续向好，带动VCSEL芯片市场需求释放。
VCSEL芯片市场集中度高，2017-2021年，Lumentum长期占据VCSEL芯片市场主要份额，2021年占比达到40.0%以上。2019年II-VI收购Finisar，受益于此，II-VI市场占比有所提升，成为仅次于Lumentum的第二大VCSEL芯片供应商，2021年其市占率约为37.2%。VCSEL芯片工艺流程长，涉及到芯片设计、外延生长、晶圆制造等环节，由于工艺复杂，II-IV、Lumentum等供应商多采用IDM（垂直整合制造）生产模式。
奋起直追，国产VCSEL的“破壁”之路
除高增速发展之外，集中度高是VCSEL芯片市场的另一个特点。根据Yole Group报告，2017~2021年，Lumentum长期占据VCSEL芯片市场主要份额，2021年占比达到40.0％以上。2019年II-VI（现为Coherent）收购Finisar，受益于此，II-VI（现为Coherent）市场占比有所提升，成为仅次于Lumentum的第二大VCSEL芯片供应商，2021年其市占率约为37.2％。
VCSEL芯片制作难度较高，从技术层面看，VCSEL综合了半导体材料、激光物理、半导体制造工艺、高速射频电子和光学技术等学科。不仅芯片结构复杂，而且需要在使用比硅材料脆弱及本征缺陷度高两个数量级的砷化镓材料的情况下，满足高性能和高可靠性要求。
从工艺层面看，VCSEL芯片工艺流程长，制造难度高，包括外延工艺、氧化工艺、保护绝缘等工艺均需要深厚的技术积累，尤其外延生长技术为其生产的核心壁垒，该良率水平直接影响企业生产成本。
因此，在很长一段时间，国内VCSEL行业难以走向高端化。一方面，芯片光电转换效率低、研发成本高；另一方面，大部分VCSEL公司均是初创公司且仅是芯片设计公司，能够设计产品但无法大规模量产，国产化良率低；即便实现量产，但芯片封装体积大或成本高，无法实现大规模应用，VCSEL芯片市场需求主要依赖进口。
值得注意的是，近年来，在国产替代的大趋势下，VCSEL芯片国产化加速，国外光通讯巨头垄断VCSEL芯片市场的情况有望被打破。目前我国部分VCSEL芯片企业在技术、工艺、性能等方面已接近国际先进水平，并在车载雷达、3D传感、消费电子等新兴领域积累了丰富的量产经验。
如长光华芯VCSEL芯片最高转换效率60.0%以上，打破国外技术封锁和芯片禁运，逐步实现了半导体激光芯片的国产化；纵慧芯片VCSEL已经在手机上持续多年大批量量产交付，从2021年开始进入汽车电子市场，在车载DMS，夜视补光和激光雷达应用上均已实现前装量产交付。并在国内快速布局大量专利，获得华为旗下哈勃资金、小米长江基金，比亚迪等投资方青睐。
此外还有度亘激光、华芯半导体、柠檬光子、瑞识科技、新亮智能等国产VCSEL厂商正在快速发展。
科研领域中，中科院长春光机所在VCSEL的研究处于世界前沿地位。近日，长春中科长光时空光电技术有限公司与中科院长春光机所联合发布了在人眼安全垂直腔面发射激光器（VCSEL）方面的最新成果。双方联合研究团队突破了高密度集成VCSEL阵列技术，在国内首次实现了1550 nm VCSEL芯片连续输出功率＞1 W，脉冲输出功率＞10 W。
国内首款660纳米波长VCSEL芯片实现量产
今年，国内首款波长660纳米垂直腔面发射激光器芯片(660VCSEL芯片）在万州研发成功并投入批量化生产，这款芯片广泛应用于激光指示、激光扫描、血氧传感、烟雾探测等领域。
2月2日上午，在位于万州经开区高峰园的威科赛乐微电子股份有限公司内，一颗颗比米粒还小的660VCSEL芯片正有序地从晶圆上分选贴装到蓝膜方片上，短短几分钟，一片包含数百颗芯片的蓝膜方片就完成了加工进入发货环节。
据研发人员介绍，这款芯片主要依靠特定波长的光源来实现显示、传感、探测等功能。相比于可见光LED，可见光VCSEL激光器芯片具有光源纯度高、单色性高、方向性好、相干性好等独特优势。但如何解决设计和工艺、外延和芯片相匹配的难题，也成为了摆在研发人员面前的最大难题。
威科赛乐微电子股份有限公司研发负责人宋世金表示：“依托于我们自身全产业链的优势，从外延、芯片以及设计制造，全部实现了技术和设备的自主可控。在一年多的研发时间里，从衬底到外延再到芯片制造，累计耗费了上百片的研发片，平均每片的成本都在一万元以上，总体研发投入超过了千万元，最终才实现了这款产品的成功研发和量产。”
目前，这款芯片已经具备6000万颗的年产能力，而目前国内市场的年需求量超过了亿颗，这也意味着这款万州造“芯片”的前景十分广阔。
竞争加剧，如何“突围”？
随着消费电子、汽车电子、3D传感等产业发展，VCSEL市场规模将持续扩大。VCSEL芯片作为核心元器件之一，市场需求也将持续增长，并对VCSEL技术提出更高要求。
除了芯片性能以外，芯片的可靠性、寿命以及可量产性都是国内VCSEL发展面临的挑战。
业内专家表示，尽管在新兴领域我国部分厂商的量产化能力已经可以比肩国际水平，打破了国外巨头对VCSEL芯片市场的垄断，但在传统的数据通信等行业高端应用中，国外厂商仍然牢牢占据着主导地位，我国在这一市场下的VCSEL芯片领域仍处于空白状态。由于技术积累的不足和市场验证的缺乏，全面实现国产替代和“芯片出海”仍然任重而道远。
与此同时，随着越来越多厂商进入这个市场，国外厂商和用户对数据通信、3D传感、激光雷达等方面的专利布局和竞争也在不断加剧，一定程度上增大了国内企业的进入门槛。
但凭借高性价比和完善产业链优势，国内企业仍有望破局。整体上看，国内企业要想发展VCSEL，除了需要打通材料、工艺、人才、工程技术等节点以外，还要不断加大研发投入，提高VCSEL芯片性能及转换效率，以巩固自身市场地位。
后记
国内产业的发展历程 ，一般会经历 “技术落后期”、“技术追赶期”、“全面替代超越期”三个阶段。而今，尚处于第一和第二阶段的VCSEL芯片产业仍是朝阳产业，拥有广阔的发展空间，相信在全行业的共同付出与拼搏之下，国产VCSEL芯片走向世界的这一天不会太远。
