艾邁斯歐司朗：“晚熟”的VCSEL

在2017年首次進入蘋果iPhone X成為3D人臉識別的光源之前，VCSEL還不知道這是自己人生改寫的轉(zhuǎn)折點。

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低開高走的人生

1977年，日本東京工業(yè)大學Iga教授最早提出VCSEL的概念。

VCSEL，Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，簡稱垂直腔面發(fā)射激光器，是一種垂直于襯底面發(fā)射出激光的半導體激光器，因為垂直腔表面發(fā)射，因此也被稱為面射型激光器，其激光束呈圓形對稱。

VCSEL的結(jié)構(gòu)有點類似一個“三明治”，主要包括上、下底部的多層布拉格反射鏡（DBR）、導電限制區(qū)、有源區(qū)以及半導體襯底等，激光束沿著垂直于襯底方向出射，其典型結(jié)構(gòu)如下圖所示。上、下底部的DBR與有源區(qū)形成激光器的腔體，其中有源區(qū)是VCSEL的重要組成部分。

*圖源網(wǎng)絡(luò)，“三明治”結(jié)構(gòu)的VCSEL

VCSEL具有調(diào)制響應(yīng)快、光束質(zhì)量好、效率高、低功耗、易于與芯片集成等諸多優(yōu)點，但由于其單個芯片輸出功率較低，因此在誕生近40年的時間里，VCSEL一直局限在短距光通信領(lǐng)域。

后來，智能手機的出現(xiàn)進一步拉進了人們和設(shè)備的距離，VCSEL才更多找到屬于自己的舞臺。

2016年，VCSEL替代LED應(yīng)用于手機中的接近傳感器。相信大家都有這樣的使用體驗：當用手機接聽電話時，屏幕會在貼近耳朵時自動熄滅。

這背后就有VCSEL芯片制成的接近感應(yīng)模塊的支持——通過低功率的VCSEL芯片發(fā)射激光，當有物體靠近時會自動反射激光，手機就能偵測到物體接近，并判斷屏幕是熄滅還是點亮，這就讓手機日常使用時盡可能降低功耗并減少誤觸，方便人們使用。

接近感應(yīng)讓人們感受到了VCSEL的魅力，但真正讓VCSEL一炮而紅的現(xiàn)象級應(yīng)用，還是2017年蘋果推出的十周年重磅產(chǎn)品——iPhone X，它的發(fā)布讓VCSEL芯片產(chǎn)業(yè)迎來了爆發(fā)式擴張。

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大器晚成的VCSEL市場前景

被哪些應(yīng)用點亮？

伴隨VCSEL的功率隨技術(shù)發(fā)展逐步提高，其下游應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴展，該市場具有結(jié)構(gòu)性特征，短期支撐與長期想象空間并存。

根據(jù)Yole Intelligence發(fā)布的年度《2022年VCSEL市場和技術(shù)趨勢》報告顯示，預(yù)計2022年VCSEL市場規(guī)模將達到16億美元（約合人民幣113.7億元）左右，是2018年的2倍。

*圖源：Yole Intelligence

據(jù)報告顯示，未來5年，VCSEL整體市場還是將保持高速增長趨勢，或以19.2%的年均復合增長率（CAGR）增長，到2027年市場規(guī)模將達到39億美元（約人民幣277億元）。

而從上圖中也可以看出，除了消費電子、通信等主流市場，工業(yè)和汽車正成為VCSEL應(yīng)用更具憧憬的場景，可以說VCSEL激光器是3D傳感、激光雷達市場快速發(fā)展的關(guān)鍵驅(qū)動力。

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助力Jabil創(chuàng)新

電子商務(wù)和物流業(yè)的飛速增長以及對工作場所安全性的關(guān)注度提高正在推動自主移動機器人（AMR）和自動導向車（AGV）市場的大規(guī)模增長。為了幫助AMR/AGV獲得更廣闊的視角，快速推進自動機器車導航系統(tǒng)的發(fā)展，精確且經(jīng)濟高效的3D傳感和激光雷達技術(shù)必不可少。

作為擁有超過26萬名員工的制造解決方案供應(yīng)商，Jabil制造了世界上第一臺基于ToF的全向傳感器，可監(jiān)測自動機器車四周360度。

在這款全向傳感器的設(shè)計中，Jabil想要探測地面和空中的所有障礙物，因此它需要使用高功率VCSEL來適當?shù)卣樟林車沫h(huán)境，艾邁斯歐司朗的Bidos VCSEL產(chǎn)品正能滿足其需求。

納米級響應(yīng)，可以在非常短的時間內(nèi)檢測到障礙物；

無需費心校準，由于Bidos VCSEL產(chǎn)品提供了重復度非常高的圖案，所有孔徑之間沒有差異……

物流場景之外，在智能家居和樓宇自動化中，為了確保樓宇和敏感工作環(huán)境的安全性，先進的門禁和可靠的監(jiān)測解決方案至關(guān)重要，艾邁斯歐司朗的VCSEL技術(shù)支持通過面部識別進行身份驗證，確保人們能夠安全地進入樓宇或公司停車場。 事實上，3D人臉識別身份驗證不僅可顯著提高門禁的便利性，同時還確保了高水平的安全性，用戶本人即使丟失了鑰匙、工卡或PIN碼，但有了3D人臉識別身份驗證，自身就是可靠的鑰匙，這種方式為住宅和商業(yè)場所的門禁帶來無與倫比額的便利性。 4

汽車行業(yè)帶來新憧憬

隨著3D傳感技術(shù)的應(yīng)用不斷增加，汽車激光雷達、以及艙內(nèi)傳感等新興應(yīng)用也成為VCSEL技術(shù)發(fā)展的新陣地。

去年底，補盲激光雷達進一步帶火了VCSEL，多款基于VCSEL技術(shù)的短距固態(tài)激光雷達發(fā)布，讓VCSEL再次置于聚光燈下。

除了車載激光雷達市場，艙內(nèi)傳感也是VCSEL應(yīng)用的重頭戲，其中以DMS（駕駛員狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)）、OMS（乘客狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)）最為產(chǎn)業(yè)關(guān)注。

*圖源：Yole Intelligence

近幾年， DMS迅速興起，可保障道路安全并提升駕駛體驗。安全性和自動駕駛是移動出行領(lǐng)域的兩大趨勢，受到歐盟和美國國家公路交通安全管理局(NHTSA)等監(jiān)管機構(gòu)的支持，這些機構(gòu)要求汽車制造商使用駕駛員狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。自2023年起，歐洲新車安全評鑒協(xié)會(Euro NCAP)還將要求直接DMS的安全評級達到5星。

而且除提升安全性之外，DMS還可滿足舒適度相關(guān)的需求，如駕駛員身份識別和驗證，或調(diào)整增強現(xiàn)實抬頭顯示（HUD），從而實現(xiàn)更好的駕駛體驗。此外，隨著L2+以上的自動駕駛功能投入使用，方向盤離手檢測功能也愈顯重要。

隨著與車內(nèi)乘員相關(guān)的新的安全標準陸續(xù)出臺，以及車輛自主性的提高，乘員監(jiān)測系統(tǒng)（OMS）也變得不可或缺。

值得注意的是，NCAP（新車碰撞測試）路線圖中除了涉及DMS駕駛員狀態(tài)監(jiān)測、還包括了乘員監(jiān)測和兒童位置監(jiān)測功能，可用于安全帶狀態(tài)提醒、自適應(yīng)安全氣囊部置，或提醒父母兒童遺留在車內(nèi)的情況。

一系列采用VCSEL技術(shù)的應(yīng)用正在不斷增加。

而在VCSEL方面，艾邁斯歐司朗可以提供廣泛的VCSEL激光芯片、封裝和模塊等VCSEL垂直腔面發(fā)射激光器產(chǎn)品組合，以滿足汽車激光雷達、機器人周圍環(huán)境檢測和智能手機人臉識別解鎖等各種應(yīng)用需求。

比如去年5月份，全球領(lǐng)先的汽車半導體供應(yīng)商Melexis宣布全球領(lǐng)先的光學解決方案供應(yīng)商艾邁斯歐司朗為其最新的汽車iToF產(chǎn)品提供了高性能紅外激光泛光照明器——TARA2000-AUT系列的VCSEL。

這款VCSEL不僅具有集成的人眼安全聯(lián)鎖功能，同時與業(yè)界其他VCSEL泛光照明器相比，在尺寸上更緊湊，也能實現(xiàn)更可靠、更快的系統(tǒng)響應(yīng)。

而就在前不久的6月初，艾邁斯歐司朗宣布升級了這一產(chǎn)品，全新推出TARA2000-AUT-SAFE系列VCSEL產(chǎn)品，在提供比現(xiàn)有汽車VCSEL模塊更可靠、更強的人眼安全功能的同時，強化了用于汽車艙內(nèi)傳感的紅外激光模塊組合。

新推出的TARA2000-AUT-SAFE可在940nm的峰值波長下產(chǎn)生一束嚴格控制的紅外光，適用于與現(xiàn)有TARA2000-AUT系列相同的應(yīng)用場景：駕駛員監(jiān)測、手勢傳感和艙內(nèi)監(jiān)測，由于采用了新的內(nèi)置互鎖回路方法來保護人眼安全，為汽車制造商提高了可靠性并簡化了設(shè)計。

據(jù)悉，TARA2000-AUT-SAFE系列將于2024年起向一家全球排名前十的汽車制造商批量供應(yīng)。 這，才僅是開始。