文︱立厷

图︱网络

2017年9月,iPhone 8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。