隨著3D傳感的爆發(fā)，VCSEL激光器從光通信領(lǐng)域進入消費電子領(lǐng)域。VCSEL進入蘋果產(chǎn)業(yè)鏈，是以VCSEL技術(shù)為代表的半導(dǎo)體激光技術(shù)在消費領(lǐng)域的重大突破，光器件也從工業(yè)領(lǐng)域走向消費領(lǐng)域。
一、VCSEL激光器簡介
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DBR（Distributed Bragg Reflector）反射鏡和有源區(qū)這三部分組成。上下兩個DBR反射鏡與有源區(qū)構(gòu)成諧振腔。有源區(qū)由幾個量子阱組成，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、價格低廉、易集成為大面積陣列等優(yōu)點。
VCSEL結(jié)構(gòu)圖
VCSEL制造流程大致為：：材料外延生長→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和光通信應(yīng)用的核心器件，應(yīng)用在光并行處理、光識別、光互聯(lián)系統(tǒng)、光存儲等領(lǐng)域。隨著工藝、材料技術(shù)改進，VCSEL器件在功耗、制造成本、集成、散熱等領(lǐng)域的優(yōu)勢開始顯現(xiàn)，逐漸應(yīng)用于工業(yè)加熱、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療設(shè)備等商業(yè)級應(yīng)用以及3D感知等消費級應(yīng)用。
未來，隨著智能化信息世界的不斷發(fā)展，VCSEL將廣泛應(yīng)用在消費電子3D成像、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心/云計算、自動駕駛等領(lǐng)域。其中，VCSEL在消費電子領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用，VCSEL可用來進行智能手機人臉識別、無人機避障、VR/AR、掃地機器人、家用攝像頭等。
（1）消費電子3D成像：VCSEL是消費電子視覺成像、三維感應(yīng)的基礎(chǔ)元器件，預(yù)計2020年，僅智能手機為VCSEL市場貢獻超過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)市場有望超過30萬億美元。
（3）數(shù)據(jù)中心/云計算：VCSEL用于數(shù)據(jù)中心，預(yù)計2020年，全球VCSEL數(shù)據(jù)通訊的市場規(guī)模將達到100億美元。
（4）自動駕駛：VCSEL應(yīng)用于自動駕駛中的車身通訊、傳感器等，預(yù)計到2030年，激光雷達的使用數(shù)量將超過3億枚。
三、VCSEL廠商情況
VCSEL國外廠商主要有Broadcom、Lumentum、Finisar、II-VI、Philips Photonics、ams、Osram等，國內(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、國星光電、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，消費級應(yīng)用變得順理成章，兩者產(chǎn)品具備很強的技術(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收購了博通，成立了新博通。博通在光學數(shù)據(jù)通訊市場產(chǎn)品供應(yīng)豐富，包括光纖接收器、嵌入式光學模組以及自適應(yīng)光纜等。博通憑借近期VCSEL出貨量的升級，該公司已經(jīng)出貨100萬件25G VCSEL器件，使其市場領(lǐng)導(dǎo)領(lǐng)域擴展至光學網(wǎng)絡(luò)市場。
2.Lumentum
Lumentum是2015年從JDSU分拆出來的公司，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個部門來運作：光通信、商用激光器。Lumentum是蘋果公司的第一家VCSEL供應(yīng)商，芯片代工在臺灣穩(wěn)懋。
2018年3月，Lumentum宣布溢價27%收購Oclaro，交易金額約18億美元。通過收購，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)計新工廠將于2018年下半年投入運營。
4.II-VI
II-VI公司成立于1987年，業(yè)務(wù)主要分為紅外光學、近紅外光學、軍事和材料、先進產(chǎn)品部四大部門。
II-VI公司重金投入2017年8月以8000萬美元從Kaiam收購的6英寸VCSEL制造廠。Kaiam位于英國牛頓艾克利夫占地30萬平方英尺的工廠擁有10萬平方英尺的潔凈室，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。
2018年3月，II-VI公司宣布8500萬美元收購波長選擇開關(guān)(WSS)供應(yīng)商CoAdna。2018年9月，交易完成。CoAdna將并入II-VI Photonics部門此項交易將強化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，是原德國Ulm Photonics公司，2006年P(guān)hilips收購Ulm Photonics。760nm-948nm VCSEL單模激光器主要應(yīng)用于，激光吸收光譜TDLAS測量氧氣和水分子、紅外傅里葉變換光譜、原子鐘、干涉儀、編碼器以及運動控制等傳感方面應(yīng)用。
6.ams
ams通過收購快速轉(zhuǎn)型，成為聚焦在光學傳感器領(lǐng)域的主要供應(yīng)商。在總部奧地利的工廠負責前端晶圓制造，新加坡廠則負責光學傳感器生產(chǎn)和封裝以及VCSEL制造，測試/傳感器校準工作則在奧地利和菲律賓的廠內(nèi)進行。2017年，ams對其位于新加坡的6吋晶圓廠(2000 wspm)產(chǎn)能（主要生產(chǎn)VCSEL芯片）進行擴充投資，針對最新具有人臉識別技術(shù)的高端手機所需器件進行投產(chǎn)，增加員工也大部分集中于此，以支持3D和光學傳感領(lǐng)域的迅速增長，預(yù)計在2019年實現(xiàn)量產(chǎn)。
ams在成像和光學方面陸續(xù)收購了Heptagon、Princeton Optronics、CMOSIS、KeyLemon、Mazet這幾家公司。其中，KeyLemon公司具備領(lǐng)先的3D人臉識別知識產(chǎn)權(quán)庫。Princeton Optronics公司可以提供VCSEL光源發(fā)射器。
7.Osram
2018年5月，Osram收購美國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、工業(yè)、辦公產(chǎn)品、汽車和消費品行業(yè)的傳感器等應(yīng)用制造波長在650~1000 nm 之間的 VCSEL。
8.江蘇華芯
江蘇華芯成立于2015年底，是目前國內(nèi)唯一一家能夠自主完成VCSEL和藍光半導(dǎo)體激光器芯片外延及芯片工藝制造，并實現(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5000萬顆單管光通訊VCSEL芯片、2500萬顆VCSEL面列陣芯片、500萬顆藍光芯片。預(yù)計到2018年底，將形成5000萬顆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產(chǎn)VCSEL芯片
9.武漢光迅科技
武漢光迅科技是國內(nèi)光通信光模塊器件最大的公司，公司牽頭組建了“國家信息光電子創(chuàng)新中心”，短期來看可以幫助公司節(jié)約研發(fā)支出，長期來看有利于公司充分發(fā)揮產(chǎn)業(yè)協(xié)同優(yōu)勢，完善技術(shù)前瞻布局。光迅科技近年來積極開展波長為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)擴張/并購、初創(chuàng)企業(yè)涌現(xiàn)的潮流，VCSEL的市場熱度、未來應(yīng)用將會受到更多的重視。
