2017年9月,iPhone8的发布让VCSEL在消费类产品中火了一把,之后从光通信到消费电子,VCSEL激光器迎来爆发式增长。几年过去,2021年,苹果仍是唯一一家在前后两侧嵌入ToF用VCSEL模块的公司。

现在,VCSEL也已悄悄进入了车载应用——激光雷达(LiDAR),在智能驾驶的目标感测中将发挥更大的作用。难怪有人说,2021年是VCSEL应用全面落地之年,也是VCSEL决战之年。

市场研判VCSEL前景诱人

7月底,Yole发表的《VCSEL-2021年技术和市场趋势》报告对VCSEL产业做出最新判断:VCSEL市场正在经历巨大的技术变革,供应商也在寻求新的平衡。Yole固态照明技术与市场分析师Pierrick Boulay断言:“VCSEL技术在不断发展,数据通信应用中基于850nm的VCSEL已经过渡到用于3D传感应用的940nm VCSEL阵列。”

“几年前,智能手机在前显示屏上嵌入一个凹槽,以搭载自拍摄像头和人脸识别模块。这些元件占用空间,不够美观,需要在显示器下隐藏起来。为了实现这一点,需要对3D传感波长进行转换,以便光线穿透显示器。现在情况已经改变,”他补充道。

Yole团队的分析表明,全球VCSEL市场预计将从2021年的12亿美元增长到2026年的24亿美元,期间复合年增长率为13．6%。主导该市场的移动和消费将从7．97亿美元增长到17亿美元,复合年增长率为16．4%。

VCSEL市场预测

关于技术趋势,报告指出,新的多结技术代表了VCSEL行业的下一次飞跃。VCSEL制造正在从4英寸转向6英寸晶圆,有可能很快转向8英寸晶圆,以便降低芯片成本。另一个趋势是,在OLED(有机发光二极管)显示器中集成3D传感模块可能导致传统制造链重整。

在供应链方面,两家独大的局面分割了VCSEL市场,一家是Lumentum,另一家是II VI,两者市场份额高达80%。2017年以来,由于收购Finisar和对苹果供应链的更多参与,II-VI的市场持续增长。还有几家比较大的公司,更多的是中小型VCSEL供应商。

VCSEL头部供应商的收入

Boulay表示:“在这个市场上,与智能手机相关的收入预计在2021年和2022年保持稳定。这是因为Android玩家越来越少采用3D传感模块。2021年,只有苹果公司正在实施VCSEL并开发AR应用。这将在两年内创造一个相对平缓的市场。在这之后,Android玩家的增长可能会恢复。”

数据通信是第二大市场,预计2021年将产生4．3亿美元的收入,2026年将达到5．66亿美元,复合年增长率为5．6%。

在消费品之后,3D传感开始应用于汽车ADAS传感器激光雷达。2021年汽车市场相当小,收入为110万美元,但预计2026年将达到5700万美元,复合年增长率为122%,主要应用是激光雷达和驾驶员监控,车外和车内应用都在增长。工业应用预计将在2021年产生1600万美元的收入,2026年将达到2100万美元,复合年增长率为6．3%。随着使用3D激光雷达应用的出现,工业收入可能会在中期起飞。这些应用将与智能基础设施和物流相关。

VCSEL进入汽车、工业等市场

移动和消费带火VCSEL

苹果显然在智能手机中主导了VCSEL的使用,预计这种情况还会继续。2017年以来,VCSEL被用于近距离传感器后,主要功能是3D传感和面部识别,嵌入3D传感模块的智能手机数量一直在增加。

Android厂商在智能手机中使用了近1亿颗VCSEL,占移动设备中VCSEL用量的30%。2019年,3D传感技术开始应用于耳机或机器人等消费品。2020年,Android用量近8500万颗,占20%多一点,到2020年,随着苹果所有智能手机都使用FaceID模块,这一比例增加到80%。在iPadPro中安装了后激光雷达后,苹果在2020年在iPhone 12Pro和Max中安装了相同的模块。2021年,苹果是唯一一家在前后两侧嵌入此类模块的公司。

手机中VCSEL应用

什么是VCSEL?

用于3D测距的激光光源种类有几种,如FPLD(法布里-珀罗激光二极管)、EEL(边发射激光器)、VCSEL等,扫描方式和发射距离有很大不同。

3D测距的激光光源种类

VCSEL即垂直腔面发射激光器,与边缘射出激光的边射型不同,其激光垂直于顶面射出,集高输出功率、高转换效率和高质量光束等优点于一身,相比LED、EEL和旋转式扫描的FPLD,在精确度、小型化、低功耗、可靠性等方面具有优势。

FPLD与VCSEL的区别

1977年,日本东京工业大学的伊贺健一最初提出VCSEL,1979年首次演示;2014年,消费类产品开始采用基于VCSEL的接近感测和自动对焦功能;2017年,iPhone X 3D传感功能点燃VCSEL芯片市场,直至今日,VCSEL已在蚕食汽车、工业等市场。继GaAs基VCSEL之后,最新的研发成果主要集中在GaN基VCSEL。

VCSEL发展历史

目前,市场上有许多不同的二极管激光器可供选择,根据应用情况,每种激光器都具有特定的优势。

VCSEL:窄带宽(小于1nm),功率范围200mW,可扩展到10W,输出光束圆形,波长随温度锁定;

边缘发射器:窄带宽(小于1nm),功率范围200mW,可扩展至10W,输出光束椭圆形,波长随温度锁定;

FPLD:宽带大于1nm,功率范围200mW,可扩展至10W,输出光束椭圆形,最有效的解决方案。

每种激光器的特点

VCSEL制造不简单

在VCSEL制造方面,用于智能手机前端3D传感的波长可能会随着OLED材料的使用而变化,因为OLED显示器可以透过约1300到1400nm的SWIR(短波红外)光。从940nm到SWIR波长的转变将对组件和供应链产生深远影响。940nm VCSEL由6英寸GaAs晶圆制成;SWIR VCSEL则以InP为基础,InP更难加工,目前的制造是在2英寸和/或3英寸晶圆上完成的。

汽车和出行将改变VCSEL波长

消费市场的智能手机需要超过3．5亿颗VCSEL,远远超过用于汽车激光雷达的VCSEL。为了降低成本并使用相同的VCSEL结构,激光雷达制造商可能需要转换到940nm,而不是使用905nm或更低的VCSEL。此外,在940nm处,其辐照度可能比在940nm低。工业应用主要是走向全自动化及物流需要的传感器,包括相机、雷达、激光雷达等。

工业应用传感器需求

Yole固态照明和显示业务部门经理Pars Mukishasserts表示:“影响不仅限于光源,还包括近红外区域使用硅基SPAD(单光子雪崩二极管)接收器。硅不能再用于SWIR区域。SPAD必须基于InGaAs材料或使用量子点。在这两种情况下,这项技术仍在发展,制造良率低,元件量产有限。这将导致发射器和接收器的组件成本增加。”

他同时指出,只有苹果智能手机有高于1000美元的ASP(活动服务器页面)功能,才能承受这样的技术变革。

红外光谱VCSEL制造典型工艺流程是两个外延生长步骤在一个步骤中完成,封装包括片芯连接和互连、光学和测试。

红外光谱VCSEL制造典型工艺流程

因为VCSEL制造相当复杂,这类组件的低良率很正常,VCSEL的新兴参与者良率都不高。

红外光谱VCSEL制造良率

VCSEL、驱动器和光电探测器之间是什么关系呢?光电探测器、VCSEL和驱动器紧密连接在一个3D模块中。驱动器用处理器指定的信号为VCSEL供电,产生的信号必须符合速度、形状和功率水平方面的要求。图像传感器/光电探测器的性能(SNR)取决于照明,需要通过处理器为驱动器提供反馈来优化。VCSEL负责照明,其效率与时间、温度、功率水平、与驱动器的接近度(由于寄生)等直接相关,驱动(驱动信号、性能和接近度)与VCSEL性能间接相关。

头部企业引领技术

多结技术代表了VCSEL行业的下一个飞跃。多结VCSEL为用户提供了许多明显的好处,其背面发射配置比传统产品有优势,消除导线键合将提高VCSEL性能,并允许使用微透镜来实现更紧凑的封装。

Lumentum多结VCSEL阵列

Lumentum称,其多结VCSEL阵列在低占空比(小于1%)下用短纳秒脉冲驱动,可以达到数百瓦峰值功率,非常适合短、中、长距离激光雷达系统。VCSEL芯片中的多结减少了为每个电子发射多个光子所需的驱动电流,很容易实现每安培4W以上的光功率。其发射器布置紧凑,不仅高功率,而且是高功率密度。

多结VCSEL阵列中一个发射器示意图

Lumentum已经证明,在125℃及0．1%占空比下,每平方毫米片芯面积可超过1kW。

对于短距离,VCSEL芯片可与扩散器配对,以照亮宽视野。在这种情况下,更高的功率密度减少了所需芯片面积。对于较长距离,较小面积的较高功率简化了激光雷达光学设计,因此可以将更多功率准直到较低的发散光束中来扫描场景。

对于激光雷达而言,VCSEL比多结边缘发射激光器更具优势,因为其随温度变化的波长范围较窄,且可以形成可寻址条纹阵列,甚至可以形成矩阵可寻址格式。可寻址性有助于用更坚固的全电子激光雷达扫描取代机械式扫描激光雷达。

Lumentum首席执行官Alan Lowe认为:“明年汽车激光雷达对激光器及光子元件的需求将稳步增长。自动驾驶汽车和运载车辆对激光雷达和3D传感功能的需求为我们提供了巨大的长期市场机遇。我们与广泛的客户紧密接触,包括自动驾驶汽车、运载车辆制造商、主要Tier 1汽车供应商和激光雷达解决方案提供商。在近期,也许(自动)运载车辆可能会最早用上我们的产品。”

2021年3月,Lumentum推出高功率五结和六结VCSEL阵列,用于汽车激光雷达和其他3D传感应用。尺寸为1平方毫米的VCSEL阵列中,单个VCSEL发射器的光功率超过2W,整个阵列的峰值功率超过800W。这些新型多结VCSEL阵列拥有更低的功耗、较高的斜率效能,以及较高的峰值光功率,对于扩展其在高性能全固态中、远程激光雷达中的应用十分重要。多结VCSEL阵列的发射波长为940nm和905nm,与目前用于消费电子市场的量产VCSEL阵列产品采用相同的生产线。

Lumentum正在扩大其广泛的产品组合,以利用这一市场领先的多结技术所带来的高峰值功率和功率密度。除了用于消费电子市场和车内汽车应用的多结VCSEL解决方案外,Lumentum正在开发一系列用于各种3D传感应用的高功率器件,包括用于汽车、消费和工业市场的激光雷达系统。

车内应用940nm VCSEL阵列

Lumentum称,25年来已交付海底通信用半导体激光器1．5万颗,5年交付消费电子用二极管激光器10亿颗,现场故障均为0。目前,工业应用出货量为5万颗/年,消费电子产品2．5亿颗/年,电信50万颗/年。

罗姆(ROHM)也在开发100W大功率VCSEL。以往作为ToF光源的VCSEL和用来驱动光源的MOSFET在电路板上是独立贴装的,器件之间布线长度(寄生电感)会影响光源驱动时间和输出功率,给实现高精度传感所需的短脉冲大功率光源带来了局限性。罗姆的VCSEL模块技术将VCSEL元件和MOSFET集成在1个模块中,尽量缩短元件间布线长度,更大程度地发挥各元件的性能,且不易受阳光的外部干扰,同时实现了短脉冲(10纳秒以内)驱动及高于以往产品约30%的输出功率。

VCSEL模块技术提升输出功率和精度

关于3D传感解决方案测距区,结构光和间接ToF解决方案适用于小于10m的范围;直接飞行时间适用于更长的射程。

结构光:这是第一个用于人脸识别的解决方案,非常适合1米以下的短程飞行。

间接ToF:智能手机正面采用该解决方案进行人脸识别,背面采用该解决方案进行照片增强。

直接飞行时间:这一解决方案最近被苹果公司的iPad用于flash激光雷达。它具有最佳的长距离精度,并将支持新的应用。

3D传感解决方案测距区比较

进一步探索

Veeco首席技术官Ajit Paranjpe说,“随着新应用的兴起,VCSEL技术得到了显著重视和改善。我们终于克服了学习曲线,可以实现大规模生产制造,当我们进入第二个大规模应用——采用VCSEL阵列的激光雷达推进自动驾驶时,VCSEL也将迎来更高功率要求的汽车应用机遇。这类应用需要使用更大的VCSEL阵列。”

Cadence杰出工程师Gilles Lamant提醒说:“VCSEL激光往往接近可见光波段,因此,可能会在提高功率时具有一定的人眼危险性,因为激光雷达需要非常高的功率来获得所需的各种探测范围。”