VCSEL為何突然火了？什么是VCSEL？

　　基于結(jié)構(gòu)光原理的3D攝像頭

　　Lamant表示，VCSEL的真正優(yōu)勢在于其便利性、靈活性和功率，以及與其它激光源相比的熱效率。

　　“VCSEL垂直發(fā)光，這使得構(gòu)建垂直于芯片的VCSEL陣列變得很容易，而且它們在相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)都非常穩(wěn)定，”Lamant說，“VCSEL還被證明可以在一個系統(tǒng)內(nèi)編碼數(shù)據(jù)信號和發(fā)送數(shù)據(jù)。這將遇到頻率的限制問題，盡管如此，我們?nèi)栽趯ふ乙环N集成光學(xué)與硅基解決方案的方法?！?/p>

　　Thompson說：“VCSEL每瓦輸出的光也遠(yuǎn)超其它激光光源。此外，VCSEL芯片引線也更容易，因為激光從頂部發(fā)出，可以在芯片下方進(jìn)行電氣和熱管理?！?/p>

　　VCSEL的輸出功率也可以通過尺寸線性擴(kuò)展。VCSEL每個激光出光孔是獨立且基本相同的。芯片上的孔徑越多，輸出的能量就越大，將它們?nèi)窟B接到單個電源就可以使它們一起發(fā)射。將芯片布線不同的區(qū)域，可以使它們在不同的時間以不同的圖案發(fā)射，其功率輸出由出光孔的數(shù)量確定。

　　采用氮化鋁(AIN)腔體封裝的Finisar大功率VCSEL

　　“數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備應(yīng)用的VCSEL在幾百微米見方的一顆芯片上有一個出光孔和一個發(fā)射點，”Thompson說，“而在高功率3D傳感VCSEL中，將有數(shù)百個出光孔，芯片將達(dá)到毫米見方。它是一種非常獨特、容易擴(kuò)展的激光結(jié)構(gòu)，就像是一種樂高(LEGO)積木技術(shù)?！?/p>

　　Ferguson說：“熱干擾或其它類型的噪聲可能會影響數(shù)據(jù)中心的VCSEL使用，但能夠識別這種干擾的測試并不常見?！?/p>

　　“這不像測試臺上用探針測試的IC，”Ferguson說，“你需要在這些器件的外部進(jìn)行光信號處理，這并非易事。一些大型系統(tǒng)公司正在努力推動代工廠這樣做，以了解他們還可以利用這項技術(shù)做些什么，因為除了數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)以外，我們正看到越來越多的應(yīng)用。汽車領(lǐng)域的光子學(xué)應(yīng)用包括LiDAR和自動駕駛汽車，看起來VCSEL技術(shù)正獲得越來越多的關(guān)注。許多公司正在探索這項技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)有幾家公司我們預(yù)計會在明年推出相關(guān)的產(chǎn)品。”

　　Thompson說：“明年應(yīng)該會推出很多應(yīng)用VCSEL的產(chǎn)品。已經(jīng)在生產(chǎn)、測試和驗證的VCSEL的數(shù)量將遠(yuǎn)超以往?！?/p>

　　1996年霍尼韋爾商業(yè)化VCSEL之后，該技術(shù)在計算機(jī)鼠標(biāo)及其它外圍設(shè)備領(lǐng)域成功了十年，自2004年以來，VCSEL一直作為運營商級數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的光纖-銅纜接口光源而廣受歡迎。所有這些都是堅實的利基業(yè)務(wù)，但是一直非?！暗驼{(diào)”，以至于芯片產(chǎn)業(yè)大多數(shù)人都沒有關(guān)注到VCSEL技術(shù)。但在iPhone X發(fā)布后，一切都改變了。

　　Thompson表示：“當(dāng)時，設(shè)計一款能夠在用戶臉上投射30000個紅外光點，然后快速、準(zhǔn)確地構(gòu)建面部3D形貌，以為iPhone X實現(xiàn)Face ID身份驗證功能的大尺寸、高功率VCSEL，仍然存在一些挑戰(zhàn)。但最大的挑戰(zhàn)是如何滿足iPhone X的批量生產(chǎn)需求。蘋果公司當(dāng)時宣布，它必須在2017年第四季度采購相比2016年全球同期制造量10倍的VCSEL晶圓?！?/p>

　　這就是為什么蘋果公司在2017年向Finisar提前支付了3.9億美元。其目標(biāo)是將位于德州謝爾曼的閑置700000平方英尺的工廠變成“美國VCSEL之都”。Thompson說：“當(dāng)它在今年晚些時候滿產(chǎn)能運營時，這座原本屬于MEMC和SunEdison的700000平方英尺制造工廠自身的VCSEL晶圓產(chǎn)能，將比過去整個VCSEL產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)能高幾個數(shù)量級?！?/p>

　　VCSEL前景樂觀，眾廠商紛紛擴(kuò)大產(chǎn)能

　　2017年和2023年VCSEL市場預(yù)測

　　圖片來源：《VCSEL技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和市場趨勢》

　　據(jù)麥姆斯咨詢報道，良好的iPhone X銷量引發(fā)其它安卓(Android)智能手機(jī)品牌廠商對3D傳感功能的強(qiáng)烈興趣。在iPhone X發(fā)布不到一年的時間里，安卓競爭對手們也開始采用類似的策略，集成各種3D傳感技術(shù)和人臉識別功能，可見VCSEL“殺手級”應(yīng)用獲得了市場認(rèn)可!

　　小米和OPPO的速度是最快的，2018年第二季度分別推出了小米8探索版和OPPO Find X兩款集成3D傳感技術(shù)的智能手機(jī)。其它Android智能手機(jī)廠商，如華為、vivo和三星，也陸續(xù)把VCSEL用于旗艦手機(jī)。預(yù)計VCSEL出貨量將從2017年的6.52億顆增長至2023年的33億多顆，2017～2023年的復(fù)合年增長率高達(dá)31%。

　　相比Finisar的3億顆VCSEL出貨量，Philips Photonics的出貨量已經(jīng)超過10億顆。2018年，Philips Photonics投資了2300萬歐元，使其位于德國烏爾姆的VCSEL工廠產(chǎn)能翻了一番。而總部位于奧地利的艾邁斯半導(dǎo)體(ams)，則宣布將斥資2億美元在新加坡擴(kuò)建VCSEL制造廠。

　　“值得注意的是，現(xiàn)在智能手機(jī)市場已經(jīng)將VCSEL引入了主流，像蘋果這樣的巨頭已經(jīng)承擔(dān)了VCSEL在智能手機(jī)應(yīng)用中的開發(fā)以及成熟所需要的成本，”Thompson說，“使我們這些產(chǎn)業(yè)廠商有足夠的信心投入大量資金，擴(kuò)大規(guī)模使VCSEL可以大批量生產(chǎn)?！?/p>

　　“在Face ID之前，標(biāo)準(zhǔn)的VCSEL制造幾乎完全基于MOCVD，MOCVD通常用于III-V族材料以制造多晶薄膜，而自動化晶圓測試和光束成像檢測等制造效率測量還處于‘初期且不成熟階段’。”Thompson說道。

　　“我們已經(jīng)從3英寸轉(zhuǎn)向5英寸砷化鎵晶圓。我們在整個晶圓廠工藝中開發(fā)了一種更成熟的自動化晶圓級測試方法，這在幾年前還非常不成熟，”Thompson說，“我們必須為這些應(yīng)用開發(fā)外延片，擴(kuò)展供應(yīng)鏈，借鑒射頻(RF)產(chǎn)業(yè)的經(jīng)驗以開發(fā)新的計量方法和新的測試方案，開發(fā)自動化晶圓測試和探針。我們需要開發(fā)近場和遠(yuǎn)場光學(xué)測試，以便在近距離和一定距離處對芯片及其輸出進(jìn)行成像。我們還需要開發(fā)測試方法，以準(zhǔn)確地測量大尺寸激光芯片上出光孔的數(shù)量和性能，以及紅外光如何被成形和聚焦。”

　　Finisar德州謝爾曼工廠于2018年7月開始運營，直到今年晚些時候才能達(dá)到滿產(chǎn)能，但已經(jīng)提供了VCSEL制造商幾年前無法想象的產(chǎn)能。