隨著3D傳感的爆發(fā)，VCSEL激光器從光通信領(lǐng)域進(jìn)入消費(fèi)電子領(lǐng)域。VCSEL進(jìn)入蘋果產(chǎn)業(yè)鏈，是以VCSEL技術(shù)為代表的半導(dǎo)體激光技術(shù)在消費(fèi)領(lǐng)域的重大突破，光器件也從工業(yè)領(lǐng)域走向消費(fèi)領(lǐng)域。
一、VCSEL激光器簡(jiǎn)介
VCSEL，垂直共振腔表面放射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)，基本結(jié)構(gòu)是由上下兩個(gè)DBR（Distributed Bragg Reflector）反射鏡和有源區(qū)這三部分組成。上下兩個(gè)DBR反射鏡與有源區(qū)構(gòu)成諧振腔。有源區(qū)由幾個(gè)量子阱組成，作為VCSEL的核心部分，決定著器件的閾值增益、激射波長(zhǎng)等重要參數(shù)。VCSEL常用的原材料有砷化鎵、磷化銦或氮化鎵等發(fā)光化合物半導(dǎo)體，具有體積小、圓形輸出光斑、單縱模輸出、閾值電流小、價(jià)格低廉、易集成為大面積陣列等優(yōu)點(diǎn)。
VCSEL結(jié)構(gòu)圖
VCSEL制造流程大致為：：材料外延生長(zhǎng)→外延結(jié)構(gòu)的表征（X射線衍射、反射譜、光致熒光譜、電化學(xué)C-V特性等）→器件工藝（包括外延片清洗、晶片鍵合、刻蝕、金屬膜濺射、光學(xué)鍍膜等）→后段工藝（包括引線鍵合、劃片、封裝、光纖耦合等）→器件性能測(cè)試（包括I-V特性、I-P特性、發(fā)射光譜、頻響特性等），最終完成從材料到器件的全過(guò)程。
二、VCSEL應(yīng)用領(lǐng)域
在應(yīng)用領(lǐng)域方面，VCSEL從誕生起就作為新一代光存儲(chǔ)和光通信應(yīng)用的核心器件，應(yīng)用在光并行處理、光識(shí)別、光互聯(lián)系統(tǒng)、光存儲(chǔ)等領(lǐng)域。隨著工藝、材料技術(shù)改進(jìn)，VCSEL器件在功耗、制造成本、集成、散熱等領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)開始顯現(xiàn)，逐漸應(yīng)用于工業(yè)加熱、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療設(shè)備等商業(yè)級(jí)應(yīng)用以及3D感知等消費(fèi)級(jí)應(yīng)用。
未來(lái)，隨著智能化信息世界的不斷發(fā)展，VCSEL將廣泛應(yīng)用在消費(fèi)電子3D成像、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心/云計(jì)算、自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域。其中，VCSEL在消費(fèi)電子領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，VCSEL可用來(lái)進(jìn)行智能手機(jī)人臉識(shí)別、無(wú)人機(jī)避障、VR/AR、掃地機(jī)器人、家用攝像頭等。
（1）消費(fèi)電子3D成像：VCSEL是消費(fèi)電子視覺(jué)成像、三維感應(yīng)的基礎(chǔ)元器件，預(yù)計(jì)2020年，僅智能手機(jī)為VCSEL市場(chǎng)貢獻(xiàn)超過(guò)20億美元的收入。
（2）物聯(lián)網(wǎng)：VCSEL是物聯(lián)網(wǎng)的重要傳感器件，預(yù)計(jì)2025年，全球?qū)⒂袛?shù)十億設(shè)備接入物聯(lián)網(wǎng)，全球物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)有望超過(guò)30萬(wàn)億美元。
（3）數(shù)據(jù)中心/云計(jì)算：VCSEL用于數(shù)據(jù)中心，預(yù)計(jì)2020年，全球VCSEL數(shù)據(jù)通訊的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到100億美元。
（4）自動(dòng)駕駛：VCSEL應(yīng)用于自動(dòng)駕駛中的車身通訊、傳感器等，預(yù)計(jì)到2030年，激光雷達(dá)的使用數(shù)量將超過(guò)3億枚。
三、VCSEL廠商情況
VCSEL國(guó)外廠商主要有Broadcom、Lumentum、Finisar、II-VI、Philips Photonics、ams、Osram等，國(guó)內(nèi)主要有江蘇華芯、武漢光迅科技，其他還有山東太平洋、深圳源國(guó)、國(guó)星光電、華工科技、三安光電、乾照光電、華燦光電以及睿熙科技等公司?？梢钥闯?，基本上都是來(lái)自于光通信芯片的龍頭企業(yè)；也正是VCSEL有了在光通信領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)，消費(fèi)級(jí)應(yīng)用變得順理成章，兩者產(chǎn)品具備很強(qiáng)的技術(shù)延展性。
1. Broadcom
Broadcom是VCSEL芯片的主要供應(yīng)商之一。2016年2月，Avago收購(gòu)了博通，成立了新博通。博通在光學(xué)數(shù)據(jù)通訊市場(chǎng)產(chǎn)品供應(yīng)豐富，包括光纖接收器、嵌入式光學(xué)模組以及自適應(yīng)光纜等。博通憑借近期VCSEL出貨量的升級(jí)，該公司已經(jīng)出貨100萬(wàn)件25G VCSEL器件，使其市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)領(lǐng)域擴(kuò)展至光學(xué)網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)。
2.Lumentum
Lumentum是2015年從JDSU分拆出來(lái)的公司，主要生產(chǎn)和銷售光纖相關(guān)產(chǎn)品，銷售給全球光纖網(wǎng)絡(luò)及商用激光客戶，公司分2個(gè)部門來(lái)運(yùn)作：光通信、商用激光器。Lumentum是蘋果公司的第一家VCSEL供應(yīng)商，芯片代工在臺(tái)灣穩(wěn)懋。
2018年3月，Lumentum宣布溢價(jià)27%收購(gòu)Oclaro，交易金額約18億美元。通過(guò)收購(gòu)，Lumentum將獲得Oclaro的磷化銦、光電積體整合電路技術(shù)。
3.Finisar
Finisar是蘋果公司的第二家VCSEL供應(yīng)商。2017年12月，蘋果對(duì)Finisar投資3.9億美元，用于增加VCSEL的研發(fā)和生產(chǎn)。Finisar將使用這筆資金把德克薩斯州謝爾曼一家面積70萬(wàn)平方英尺的已關(guān)閉制造廠，改造成開發(fā)VCSEL芯片的工廠，未來(lái)將用于蘋果產(chǎn)品。所有的蘋果訂單的加工將使用100%的可再生能源，預(yù)計(jì)新工廠將于2018年下半年投入運(yùn)營(yíng)。
4.II-VI
II-VI公司成立于1987年，業(yè)務(wù)主要分為紅外光學(xué)、近紅外光學(xué)、軍事和材料、先進(jìn)產(chǎn)品部四大部門。
II-VI公司重金投入2017年8月以8000萬(wàn)美元從Kaiam收購(gòu)的6英寸VCSEL制造廠。Kaiam位于英國(guó)牛頓艾克利夫占地30萬(wàn)平方英尺的工廠擁有10萬(wàn)平方英尺的潔凈室，專為大規(guī)模制造GaAs、SiC以及InP化合物半導(dǎo)體器件而設(shè)計(jì)。
2018年3月，II-VI公司宣布8500萬(wàn)美元收購(gòu)波長(zhǎng)選擇開關(guān)(WSS)供應(yīng)商CoAdna。2018年9月，交易完成。CoAdna將并入II-VI Photonics部門此項(xiàng)交易將強(qiáng)化II-VI公司ROADMs產(chǎn)品垂直整合能力。
5.Philips Photonics
Philips Photonics是飛利浦全資子公司，生產(chǎn)760nm-948nm VCSEL傳感類用的單模激光管，VCSEL技術(shù)具有20多年研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，是原德國(guó)Ulm Photonics公司，2006年P(guān)hilips收購(gòu)Ulm Photonics。760nm-948nm VCSEL單模激光器主要應(yīng)用于，激光吸收光譜TDLAS測(cè)量氧氣和水分子、紅外傅里葉變換光譜、原子鐘、干涉儀、編碼器以及運(yùn)動(dòng)控制等傳感方面應(yīng)用。
6.ams
ams通過(guò)收購(gòu)快速轉(zhuǎn)型，成為聚焦在光學(xué)傳感器領(lǐng)域的主要供應(yīng)商。在總部奧地利的工廠負(fù)責(zé)前端晶圓制造，新加坡廠則負(fù)責(zé)光學(xué)傳感器生產(chǎn)和封裝以及VCSEL制造，測(cè)試/傳感器校準(zhǔn)工作則在奧地利和菲律賓的廠內(nèi)進(jìn)行。2017年，ams對(duì)其位于新加坡的6吋晶圓廠(2000 wspm)產(chǎn)能（主要生產(chǎn)VCSEL芯片）進(jìn)行擴(kuò)充投資，針對(duì)最新具有人臉識(shí)別技術(shù)的高端手機(jī)所需器件進(jìn)行投產(chǎn)，增加員工也大部分集中于此，以支持3D和光學(xué)傳感領(lǐng)域的迅速增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)在2019年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
ams在成像和光學(xué)方面陸續(xù)收購(gòu)了Heptagon、Princeton Optronics、CMOSIS、KeyLemon、Mazet這幾家公司。其中，KeyLemon公司具備領(lǐng)先的3D人臉識(shí)別知識(shí)產(chǎn)權(quán)庫(kù)。Princeton Optronics公司可以提供VCSEL光源發(fā)射器。
7.Osram
2018年5月，Osram收購(gòu)美國(guó)Vixar公司。Osram是紅外LED和紅外激光二極管的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者，通過(guò)引入Vixar在VCSEL方面的專業(yè)技術(shù)，Osram將在該領(lǐng)域擁有更強(qiáng)的技術(shù)能力和產(chǎn)品組合。
Vixar公司成立于 2005 年，為生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)、辦公產(chǎn)品、汽車和消費(fèi)品行業(yè)的傳感器等應(yīng)用制造波長(zhǎng)在650~1000 nm 之間的 VCSEL。
8.江蘇華芯
江蘇華芯成立于2015年底，是目前國(guó)內(nèi)唯一一家能夠自主完成VCSEL和藍(lán)光半導(dǎo)體激光器芯片外延及芯片工藝制造，并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的公司。2017年11月，10G VCSEL芯片量產(chǎn)并批量出貨。2018年3月，940nm 100mW VCSEL產(chǎn)品定型。
目前年產(chǎn)能為5000萬(wàn)顆單管光通訊VCSEL芯片、2500萬(wàn)顆VCSEL面列陣芯片、500萬(wàn)顆藍(lán)光芯片。預(yù)計(jì)到2018年底，將形成5000萬(wàn)顆3D傳感VCSEL芯片的年產(chǎn)能。
華芯半導(dǎo)體提供真正可靠的國(guó)產(chǎn)VCSEL芯片
9.武漢光迅科技
武漢光迅科技是國(guó)內(nèi)光通信光模塊器件最大的公司，公司牽頭組建了“國(guó)家信息光電子創(chuàng)新中心”，短期來(lái)看可以幫助公司節(jié)約研發(fā)支出，長(zhǎng)期來(lái)看有利于公司充分發(fā)揮產(chǎn)業(yè)協(xié)同優(yōu)勢(shì)，完善技術(shù)前瞻布局。光迅科技近年來(lái)積極開展波長(zhǎng)為850nm/940nm VCSEL 芯片的研發(fā)，應(yīng)用于光通信、3D傳感等領(lǐng)域。
光迅科技光芯片平臺(tái)能力
四、總結(jié)
VCSEL激光器最大的應(yīng)用在光通信、3D傳感器，應(yīng)用領(lǐng)域包括消費(fèi)電子、工業(yè)、醫(yī)療、5G、汽車電子、AR/VR等，全球已經(jīng)出現(xiàn)老牌光電子企業(yè)擴(kuò)張/并購(gòu)、初創(chuàng)企業(yè)涌現(xiàn)的潮流，VCSEL的市場(chǎng)熱度、未來(lái)應(yīng)用將會(huì)受到更多的重視。
