VCSEL為何突然火了？什么是VCSEL？

　　基于結構光原理的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，這使得構建垂直于芯片的VCSEL陣列變得很容易，而且它們在相當寬的溫度范圍內都非常穩(wěn)定，”Lamant說，“VCSEL還被證明可以在一個系統(tǒng)內編碼數據信號和發(fā)送數據。這將遇到頻率的限制問題，盡管如此，我們仍在尋找一種集成光學與硅基解決方案的方法?！?/p>

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

　　VCSEL的輸出功率也可以通過尺寸線性擴展。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，將它們全部連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量確定。

　　采用氮化鋁(AIN)腔體封裝的Finisar大功率VCSEL

　　“數據網絡設備應用的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，將有數百個出光孔，芯片將達到毫米見方。它是一種非常獨特、容易擴展的激光結構，就像是一種樂高(LEGO)積木技術?！?/p>

　　Ferguson說：“熱干擾或其它類型的噪聲可能會影響數據中心的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做些什么，因為除了數據網絡以外，我們正看到越來越多的應用。汽車領域的光子學應用包括LiDAR和自動駕駛汽車，看起來VCSEL技術正獲得越來越多的關注。許多公司正在探索這項技術，現在已經有幾家公司我們預計會在明年推出相關的產品?！?/p>

　　Thompson說：“明年應該會推出很多應用VCSEL的產品。已經在生產、測試和驗證的VCSEL的數量將遠超以往?！?/p>

　　1996年霍尼韋爾商業(yè)化VCSEL之后，該技術在計算機鼠標及其它外圍設備領域成功了十年，自2004年以來，VCSEL一直作為運營商級數據網絡設備的光纖-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，但是一直非常“低調”，以至于芯片產業(yè)大多數人都沒有關注到VCSEL技術。但在iPhone X發(fā)布后，一切都改變了。

　　Thompson表示：“當時，設計一款能夠在用戶臉上投射30000個紅外光點，然后快速、準確地構建面部3D形貌，以為iPhone X實現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的批量生產需求。蘋果公司當時宣布，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：“當它在今年晚些時候滿產能運營時，這座原本屬于MEMC和SunEdison的700000平方英尺制造工廠自身的VCSEL晶圓產能，將比過去整個VCSEL產業(yè)的產能高幾個數量級?！?/p>

　　VCSEL前景樂觀，眾廠商紛紛擴大產能

　　2017年和2023年VCSEL市場預測

　　圖片來源：《VCSEL技術、產業(yè)和市場趨勢》

　　據麥姆斯咨詢報道，良好的iPhone X銷量引發(fā)其它安卓(Android)智能手機品牌廠商對3D傳感功能的強烈興趣。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傳感技術和人臉識別功能，可見VCSEL“殺手級”應用獲得了市場認可!

　　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傳感技術的智能手機。其它Android智能手機廠商，如華為、vivo和三星，也陸續(xù)把VCSEL用于旗艦手機。預計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年的復合年增長率高達31%。

　　相比Finisar的3億顆VCSEL出貨量，Philips Photonics的出貨量已經超過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工廠產能翻了一番。而總部位于奧地利的艾邁斯半導體(ams)，則宣布將斥資2億美元在新加坡擴建VCSEL制造廠。

　　“值得注意的是，現在智能手機市場已經將VCSEL引入了主流，像蘋果這樣的巨頭已經承擔了VCSEL在智能手機應用中的開發(fā)以及成熟所需要的成本，”Thompson說，“使我們這些產業(yè)廠商有足夠的信心投入大量資金，擴大規(guī)模使VCSEL可以大批量生產?！?/p>

　　“在Face ID之前，標準的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。

　　“我們已經從3英寸轉向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，“我們必須為這些應用開發(fā)外延片，擴展供應鏈，借鑒射頻(RF)產業(yè)的經驗以開發(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)近場和遠場光學測試，以便在近距離和一定距離處對芯片及其輸出進行成像。我們還需要開發(fā)測試方法，以準確地測量大尺寸激光芯片上出光孔的數量和性能，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到滿產能，但已經提供了VCSEL制造商幾年前無法想象的產能。