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VCSEL正当红,国内市场大有作为「星特写」
发布时间:2020-12-24 浏览量:1173

随着5G的发展与普及,3D成像和传感技术将迎来新一轮高速成长,撬动增强现实和虚拟现实(AR/VR)、智能家居、智慧安防、智慧金融等多个领域发展,加速万物互联、智慧互联时代的到来。垂直腔面发射激光器(VCSEL)芯片作为3D成像和传感系统核心器件,处于5G产业金字塔尖。近年来,中国已涌现出多家VCSEL初创企业。

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“当红炸子鸡”VCSEL是什么?

传统的光电转换技术一般采用LED等发光器件。这种发光器件多采用边缘发射,体积大,因此较难和半导体技术结合。20世纪90年代垂直腔表面发射激光VCSEL技术成熟后,解决了发光器件和半导体技术结合的问题,因此迅速得到普及。

垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser,简称VCSEL,又译垂直共振腔面射型雷射)是一种半导体,其激光垂直于顶面射出,与一般用切开的独立芯片制成,激光由边缘射出的边射型激光有所不同。

顾名思义,边发射激光器是沿平行于衬底表面、垂直于解理面的方向出射,而面发射激光器其出光方向垂直于衬底表面,如下图:


边发射激光器(a)与面发射激光器(b)示意图

传感器技术指出,VCSEL是颇具发展前景的新型光电器件,也是光通信中革命性的光发射器件。

它优于边发射激光器的表现在于:易于实现二维平面和光电集成;圆形光束易于实现与光纤的有效耦合;可以实现高速调制,能够应用于长距离、高速率的光纤通信系统;有源区尺寸较小,可实现高封装密度和低阈值电流;芯片生长后无须解理,封装后即可进行在片实验;在很宽的温度和电流范围内都以单纵模工作;价格低。

VCSEL的优异性能已引起广泛关注,成为国际上研究的热点。近十多年来,VCSEL在结构、材料、波长和应用领域都得到飞速发展,部分产品已进入市场。

半导体行业观察介绍,在应用领域方面,VCSEL从诞生起就作为新一代光存储和光通信应用的核心器件,应用在光并行处理、光识别、光互联系统、光存储等领域。随着工艺、材料技术改进,VCSEL器件在功耗、制造成本、集成、散热等领域的优势开始显现,逐渐应用于工业加热、环境监测、医疗设备等商业级应用以及3D感知等消费级应用。

根据麦姆斯咨询的估计,2022年VCSEL 的市场规模有望达到31.2亿美元,年复合增长率可达17.3%。

未来,随着智能化信息世界的不断发展,VCSEL将广泛应用在消费电子3D成像、物联网、数据中心/云计算、自动驾驶等领域。其中,VCSEL在消费电子领域发挥越来越重要的作用,VCSEL可用来进行智能手机人脸识别、无人机避障、VR/AR、扫地机器人、家用摄像头等。

1、消费电子3D成像:VCSEL是消费电子视觉成像、三维感应的基础元器件,有的智能手机已经采用多颗VCSEL芯片,例如使用集成VCSEL的泛光照明器和红外点阵投影器进行3D人脸识别;利用集成VCSEL的飞行时间(ToF)测距传感器检测人脸与手机屏幕的距离。

2、物联网:VCSEL是物联网的重要传感器件,预计2025年,全球将有数十亿设备接入物联网,全球物联网市场有望超过30万亿美元。

3、数据中心/云计算:VCSEL用于数据中心,预计2020年,全球VCSEL数据通讯的市场规模将达到100亿美元。

4、自动驾驶:VCSEL应用于自动驾驶中的车身通讯、传感器等,预计到2030年,激光雷达的使用数量将超过3亿枚。

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全产业链整合将成国内VCSEL产业趋势

2017年,苹果推出十周年力作iPhone X,其较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。安卓机阵营也在加速跟进,VCSEL在智能终端的应用预计在未来几年将出现爆发式增长。

华强微电子指出,在3D传感应用火爆之前,VCSEL主要的应用还是在光通讯领域,比如数据中心内部的数据交换。但正式商用已有十多年,VCSEL技术却一直进展缓慢,究其原因,一方面是本身VCSEL的制造难度高,包括外延工艺、氧化工艺、保护绝缘等工艺等需要深厚的技术积累;另一方面是市场规模并不算大,相关的应用也没有提供到足够的推动力,而这种情况直到2017年开始才开始迎来了转折点。

国内VCSEL行业的起步较晚,此前能够大规模生产VCSEL的厂家大部分集中于欧美日等国家。近年来,面对巨大的市场,加之国家扶持半导体产业发展政策的推动,在国内一些老牌厂商纷纷开始进军VCSEL芯片市场的同时,还催生了一大批初创企业。

国内VCSEL产业在崛起的同时,竞争愈演愈烈。对于各家初创企业而言是一个不小的挑战。比如以芯片设计为主的公司,受到代工厂产能上的限制,可能难以满足大批量需求。但对于一些完成全产业链整合的公司,他们能够在产能上掌握完全的主动权,这对于客户而言也是供货的保证。因此,全产业链的整合将是国内VCSEL产业趋势之一,拥有自己的产线与生产工艺,才是保持自己低成本、开发响应速度快、产品把控度高等优势的保证。

目前国内VCSEL行业关注度较高的领域在于消费电子领域,特别是智能手机上的3D感测应用。早在iPhone搭载3D结构光面部识别之前,就有手机厂商将ToF技术带到智能手机上,但当时主要用于辅助摄像。随着5G的到来,手机厂商似乎越来越看好AR/VR在手机上的应用。

VCSEL厂商普遍看好ToF技术在智能手机上的应用前景。但事实上,5G为VCSEL行业带来的远远不止这些。除了在消费电子领域外,VCSEL在传统的光通讯领域和未来智能家居、无人零售、自动驾驶等领域的应用也受到各大VCSEL厂商的重点关注。毫无疑问,VCSEL伴随着5G的普及,将会开发出更多应用场景,需求量也会随之水涨船高。而新应用的诞生,也必然推动着技术的发展。

随着5G时代的到来,VCSEL的用武之地将越来越多。这些新应用的诞生,则是推动VCSEL往大功率、高集成等方向发展的源动力。近年初创公司的遍地开花,较大地促进了国内VCSEL产业链的发展,但对于这些初创公司而言,竞争的日趋激烈可能会加剧淘汰的进程。目前从行业趋势来看,要想在未来的VCSEL市场中笑到最后,如何更好地满足终端需求、优化整合产业链,是国内VCSEL厂商需要着重关注的问题。

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持续创新,拓展增量市场

国内VCSEL行业目前还处于拓展增量的阶段,初创企业通过持续创新,仍有较大机会。




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