近年来,由于智能手机及其它移动设备中引入3D人脸识别应用,VCSEL突然变得非常热门。

 

据媒体报道,未来VCSEL激光器量产供应链形成之后,AR智能眼镜、智能驾驶的激光雷达等在内的一系列产品的颠覆式应用,将彻底从概念化小众市场得到快速普及。

 

作为光谷“芯”领域的代表,武汉光迅科技是国内光通信光模块器件最大的公司,公司牵头组建了“国家信息光电子创新中心”。作为国内光通信龙头企业,自主研发的VCSEL阵列芯片2015年投入商用,消费级VCSEL芯片已有样片的流片和测试。

 

什么是VCSEL芯片

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近年来,光迅积极开展波长为850nm/940nm VCSEL芯片的研发,应用于光通信、3D传感等领域。2018年的中国国际光电博览会CIOE期间,光迅展示了25G VCSEL芯片。

 

VCSEL的概念最初由1977年日本东京工业大学的伊贺健一提出,2014年VCSEL以接近感测和自动对焦功能进入消费类市场,2017年伴随着iPhone X 3D传感功能的火爆,VCSEL芯片市场呈现爆炸式增长势头——2017年VCSEL整体市场规模达到3.3亿美元,应用领域不断扩大。

 

什么是VCSEL激光器?

VCSEL全名为垂直共振腔表面放射激光(Vertical Cavity Surface Emitting Laser),简称面射型激光,是一种垂直表面出光的新型激光器,也是光纤通讯所采用的光源之一。

 

目前用于光通信系统和3D成像模块的红外光源可分为三大类:发光二极管(LED)、边射型激光器(EEL)和垂直面射型激光器(VCSEL)。相较于LED与EEL,VCSEL具有光发散角度小、光电转换效率高与数据传输速度快、临界电流低、发光光束具有圆形对称特性、高指向性光源等优点。

 

VCSEL应用领域

早期VCSEL在光通信、光互连、激光引信、激光显示、光信号处理等领域已获广泛应用,并在近红外波段的军用领域起着主导作用,例如用于周边和边境安全的高功率照明、透过烟雾和爆炸进行成像以及远程监视等。

 

由于VCSEL激光采用脉冲光,不会对人眼造成伤害,随着技术逐渐成熟,VCSEL与感测组件相结合,其市场逐渐从工业用市场转向商业与消费者市场,主要集中在3D摄像头的应用(3D摄像头相比传统摄像头,在硬件上最大的不同是前端引入了VCSEL模组)。

 

3D摄像头主要硬件包括四部分:红外光发射器(IR LD或VCSEL)、红外光摄像头(IR CIS或者其他光电二极管)&可见光摄像头(Vis CIS)、图像处理芯片。

 

什么是VCSEL

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整个三维视觉系统的工作原理为:首先红外激光发射器发射出近红外光,经过人手或人脸的反射之后,被红外图像传感器所接收,这个图像信息用来计算人手所处的位置(Z轴);同时,可见光图像传感器采集二维平面(X与Y轴)的人手信息;两颗图像传感器的信息汇总至专用的图像处理芯片,从而得到人手或人脸的三维数据,实现空间定位。

 

VCSEL市场分析

2017年,iPhone X采用了三种不同的VCSEL芯片用在Face ID的3D摄像头和接近传感器上,之后华为(nova 3)、OPPO(Find X)、vivo(NEX)和小米(小米8探索版)四大国产品牌也相继推出搭载3D传感功能的新款智能手机。在3D感测中,VCSEL作为红外线光源,若没有这个光源,面部识别也就无从谈起。在此基础之上,动作捕捉、人机交互、三维建模、AR、安防和辅助驾驶等多个领域的市场也逐步成长起来。

 

据Deutsche Bank统计,2017年搭载3D传感模组的智能手机(仅iPhone)数量为3800万台,在智能手机上搭载率仅为3%,到2020年搭载3D传感模组的iPhone手机数量将达4.4亿台,安卓手机数量将达4.65亿台,3D传感在智能手机上搭载率将达到38%。

 

智能手机应用中日益广泛采用的3D传感将加速VCSEL光源的市场增长。据法国市场研究公司Yole发布的《VCSEL技术、产业和市场趋势》报告,2017年VCSEL整体市场规模达到了3.3亿美元,预计VCSEL出货量将从2017年的6.52亿颗增长至2023年的33亿多颗,到2023年整体市场规模将增长至35亿美元,2017~2023年的复合年增长率高达48%。

 

VCSEL产业链现状

产业链

目前,致力于移动端设计的VCSEL芯片生产公司全球只有七八家,例如Finsar、Lumentum、Princeton Optronics(被AMS收购)、Heptagon(被AMS收购)、ⅡⅥ、OSRAM等公司,且大部分在美国,其中Finsar、Lumentum和II-VI为iPhone供应商。

 

由IQE、全新、联亚光电等公司提供三五族化合物外延硅片,然后由宏捷科(Princeton Optronics合作方)、稳懋(Heptagon合作方)等公司进行晶圆制造,再经过联钧、矽品等公司的封测,便变成了独立的VCSEL 器件。然后由设计公司提供给意法半导体、德州仪器、英飞凌等综合解决方案商,再提供给下游消费电子厂商。

 

国内厂商情况

目前,国内现有VCSEL芯片厂家包括武汉光迅科技、江苏华芯、山东太平洋、深圳源国、国星光电、华工科技、三安光电等。

 

由于VCSEL模块要应用在手机相机中,在解决光模块封装后还要解决与相机组建的一体化封装问题。在相机中,激光模块功能类似于激光雷达,相机感光CCD(Charge Coupled Device电荷耦合器件图像传感器)只能解决平面成像,双目摄像头受限于手机尺寸也很难真正形成3D效果,只有直接装上激光雷达VCSEL可以直接解决问题,支撑未来3D玻璃显示、VR应用、人脸识别应用等多种应用场景。

 

因此,未来除了解决芯片问题外,国内厂商的机会还可体现在封装能力等方面,手机空间导致的极其苛刻的封装条件、与相机CCD模块集成封装的特殊要求、与后端3D集成算法关联的技术等也将是未来VCSEL在手机上应用所要优先解决的技术难题。