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苹果华为“带火”了这个激光器

作者:张心怡来源:中国电子报、电子信息产业网发布时间:2020-06-25 09:12我要评论

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被苹果iPhone X“带火”之后,VCSEL(垂直腔面发射激光器)在消费市场热度不减。

爱乐透彩票近日,华为投资VCSEL供应商纵慧芯光,再度引发市场对VCSEL的关注。同时,有报道称,在苹果iPhone产品系列的带动下,中国台湾VCSEL供应链自今年6月起扩充产量,预计VCSEL的需求增长将持续到第三季度。VCSEL为何被苹果、华为等手机厂商看好?我国企业该如何布局,推动VCSEL的普及和量产?

苹果带火 安卓跟进

2017年,苹果推出十周年力作iPhone X。除了十周年献礼的情怀,iPhone X的最大卖点是取消了苹果标志性的Touch ID,转而采用了人脸解锁技术Face ID。

与当时主流的平面影像识别技术不同,Face ID实现了3D感测。当用户看向iPhone X屏幕,会触发ToF接近传感器,感测到用户面部靠近手机。泛光照明器接收到信息后,利用红外光照亮用户面部,确定用户面部的位置。继而由点阵投影器在用户面部投射3万个红外光点,再由红外摄像头捕捉这些光点并计算立体结构,生成用户的面部3D立体图像,与过往图像匹配后实现解锁。

值得注意的是,iPhone X的ToF接近传感器、泛光照明器、点阵投射器,都用到了同一个核心器件——VCSEL。早在20世纪80年代,VCSEL就被相关厂商提出,并在20世纪末就应用于光通信领域。苹果的Face ID,开启了3D感测时代,也推动VCSEL快速向消费市场渗透。

“苹果选择VCSEL的原因有多种。VCSEL垂直腔面发光,使得构建垂直于芯片的VCSEL阵列变得容易,而且在相当宽的温度范围内都非常稳定。VCSEL芯片引线键合也更容易,因为激光从顶部发出,可以在芯片下方进行电气和热管理。此外,VCSEL体积可做得非常小,获得高封装密度和低阈值电流。”麦姆斯咨询创始人兼CEO王懿向《中国电子报》记者指出。

具体来说,VCSEL相对于EEL(边发射器)和LED光源,有着独特的优势。

爱乐透彩票赛迪智库集成电路研究所高级分析师马晓凯向《中国电子报》指出,有别于EEL,VCSEL光源的发射方向和芯片是垂直的。VCSEL的光斑测试比边发射器更加简单易行,可以在晶圆上进行测试,测试成本比较低。在调制方面,大多采用直接调制。VCSEL在光纤通信上有比较广泛的应用,最常见的是数据中心里的短距光模块,以及有源光缆。它的光斑是圆形的,腔长短,易于实现单纵模,易于集成,在传感领域有较大的优势,目前已经应用到消费电子领域。

集邦咨询分析师吴盈洁向《中国电子报》记者表示,相比LED,VCSEL功率更强、指向性更好,拥有最佳的温度稳定性,可应用于精准、高速距离运算。此外,它的操作电流低,散热装置简单,也较为省电。

在Face ID点燃了消费市场对于VCSEL的热情之后,安卓阵营也开始进行相关布局。华为在2018年推出的Mate 20 Pro和华为Mate 20 RS保时捷均支持3D人脸解锁。据麦姆斯咨询介绍,Mate 20 Pro的3D深度传感系统采用了两颗VCSEL,用于点阵投影器和泛光照明器。小米、OPPO、三星也陆续在旗舰机型引入VCSEL。集邦科技LED研究所指出,2020年预计将有近10款高端机型将采用3D感测方案,部分机型更将扩大至前后镜头同步采用,进一步推升VCSEL产值。

“在光通信领域有很多黑科技,但大部分用于通信、工业领域,不为消费者熟知。苹果作为消费电子的引领者,有这个能力和眼光,把其他领域的成熟产品引入消费电子,提升了产品性能和质量。目前国内已经涌现出一批有能力且在消费市场具有影响力的企业,也可以借鉴苹果的模式,将光通信等高科技领域的技术与消费电子相结合,提高产品性能。”马晓凯表示。

3D感测领衔 汽车电子可期

爱乐透彩票中长期来看,VCSEL在消费电子、汽车、通信基础设施、医疗、工业等领域都存在应用空间。调研机构Yole指出,2018年VCSEL市场规模为7。38亿美元,预计2024年将达到37。75亿美元(约合67亿元),年复合增长率达到31%。

消费电子是VCSEL占比最大且增长最快的应用市场,预计2024年市场规模将达到33。82亿美元。今年以来,后置ToF成为VCSEL用量增长的新动力。苹果的iPad Pro搭载了基于ToF模组的激光雷达,将iPad变成“体验AR的强大设备”。华为也在P40 Pro及P40 Pro+搭载后置ToF,并推出了每平方公里包含40亿三维信息点的AR地图。5G时代,基于VCSEL的3D感测方案有望为更多终端设备赋予AR能力。

“3D感测应用领域相当广泛,包含生物识别、工业自动化、汽车、游戏和便携式消费型电子产品。消费型产品里面,最先受到影响与改变的是智能手机,若将3D 感测应用于后镜头,其功能包含测距、图片虚化效果、3D物体识别、空间建模与增强现实,未来有可能导入AR产品。对于品牌厂商来说,3D感测结合5G传输,以AR的功能搭配手势控制达到交互式AI,将具备一定的商机。”吴盈洁说。

车用市场是激光雷达的另一个热门市场。宁波睿熙科技有限公司产品总监汪辰杲表示,VCSEL在自动驾驶领域,主要作为激光雷达的发射端光源,用于替代目前的EEL。由于在性能、价格以及量产性上的显著优势,已经得到越来越多的关注。而应用到车载激光雷达,期望工作距离在几百米,需要更大功率的VCSEL,也将对其芯片和封装的散热设计提出新的要求。

目前来看,VCSEL厂商推出的车用VCSEL主要面向车内监控和车用激光雷达光源。Lumentum、II-VI旗下的Finistar都推出了用于车内监控和感知的VCSEL。在汽车雷达系统方面,Lumentum推出了用于闪光式激光雷达的VCSEL,艾迈斯利用VCSEL阵列和VCSEL驱动技术为雷达系统提供高功率光源。王懿表示,汽车激光雷达将成为VCSEL的重要市场,有望引领下一轮增长。

头部IDM主导 我国与之存在差距

爱乐透彩票经过一系列的整合并购,VCSEL已经形成由头部IDM主导的局面。拓墣产业研究院报告显示,艾迈斯、Lumentum、II-VI等VCSEL元器件IDM大厂,通过对相关代工厂和IDM的并购,进一步完善了VCSEL的制备过程。同时,原先专注于生产LED元件的Osram、晶元光电等IDM厂商也投身于VCSEL元器件的开发。

近年来,我国VCSEL技术和供应能力有所提升。华为投资的纵慧芯光从事VCSEL芯片、模组的研发设计、生产和销售,并于2019年5月投产VCSEL用6英寸砷化镓外延片。华芯半导体、睿熙科技、博升光电等企业也在设计、外延、芯片制造等领域开展布局。但是在供应能力和产业链完善程度方面,我国VCSEL企业仍与头部厂商存在差距。

王懿表示,VCSEL产业链环节较为复杂。设计公司提供VCSEL结构设计给外延代工厂,外延代工厂根据需求进行外延片生长,然后将外延片寄送至FAB代工厂,经FAB生产完毕后寄送给封测厂,最终出货给客户。区别于数据通信行业用VCSEL常采用3英寸或4英寸晶圆制造工艺,消费电子行业需要6英寸晶圆制造工艺,才能降低成本并实现更大的VCSEL阵列,而晶圆尺寸的增加会对良率的提升带来更大挑战。

吴盈洁表示,要推动VCSEL的量产和普及,要兼顾好输出功率、光电转换效率、发光角度、温度稳定性等产品要求,并保障产品寿命与品质,以提升产品良率。

爱乐透彩票王懿表示,鉴于VCSEL复杂的代工产业链,各环节的产能准备,原材料的准备,客户需求的及时响应,都考验着一家公司的品质管理水平。

“VCSEL的技术挑战主要在制造方面,根据不同应用,设计方面也需要配合。

只有制造和设计两方面同时迭代发展,企业才能取得最终的竞争优势。”王懿向记者表示,“我国相关企业应该积极布局VCSEL产业链,包括设计、制造、封装、测试,并加强对关键材料和设备的攻关,推动产业整体水平的提升。”


责任编辑:赵强
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