标签: VCSEL技术

“晚熟的人像冬日山间的松柏，虽腰身弯折却蓄势待发。”——莫言 在2017年首次进入苹果iPhone X成为3D人脸识别的光源之前，VCSEL还不知道这是自己人生改写的转折点。 1、 低开高走的人生 1977年，日本东京工业大学Iga教授最早提出VCSEL的概念。 VCSEL，Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，简称垂直腔面发射激光器，是一种垂直于衬底面发射出激光的半导体激光器，因为垂直腔表面发射，因此也被称为面射型激光器，其激光束呈圆形对称。 VCSEL的结构有点类似一个“三明治”，主要包括上、下底部的多层布拉格反射镜（DBR）、导电限制区、有源区以及半导体衬底等，激光束沿着垂直于衬底方向出射，其典型结构如下图所示。上、下底部的DBR与有源区形成激光器的腔体，其中有源区是VCSEL的重要组成部分。 *图源网络，“三明治”结构的VCSEL VCSEL具有调制响应快、光束质量好、效率高、低功耗、易于与芯片集成等诸多优点，但由于其单个芯片输出功率较低，因此在诞生近40年的时间里，VCSEL一直局限在短距光通信领域。 后来，智能手机的出现进一步拉进了人们和设备的距离，VCSEL才更多找到属于自己的舞台。 2016年，VCSEL替代LED应用于手机中的接近传感器。相信大家都有这样的使用体验：当用手机接听电话时，屏幕会在贴近耳朵时自动熄灭。 这背后就有VCSEL芯片制成的接近感应模块的支持——通过低功率的VCSEL芯片发射激光，当有物体靠近时会自动反射激光，手机就能侦测到物体接近，并判断屏幕是熄灭还是点亮，这就让手机日常使用时尽可能降低功耗并减少误触，方便人们使用。 接近感应让人们感受到了VCSEL的魅力，但真正让VCSEL一炮而红的现象级应用，还是2017年苹果推出的十周年重磅产品——iPhone X，它的发布让VCSEL芯片产业迎来了爆发式扩张。 2、 大器晚成的VCSEL市场前景被哪些应用点亮？ 伴随VCSEL的功率随技术发展逐步提高，其下游应用领域不断扩展，该市场具有结构性特征，短期支撑与长期想象空间并存。 根据Yole Intelligence发布的年度《2022年VCSEL市场和技术趋势》报告显示，预计2022年VCSEL市场规模将达到16亿美元（约合人民币113.7亿元）左右，是2018年的2倍。 *图源：Yole Intelligence 据报告显示，未来5年，VCSEL整体市场还是将保持高速增长趋势，或以19.2%的年均复合增长率（CAGR）增长，到2027年市场规模将达到39亿美元（约人民币277亿元）。 而从上图中也可以看出，除了消费电子、通信等主流市场，工业和汽车正成为VCSEL应用更具憧憬的场景，可以说VCSEL激光器是3D传感、激光雷达市场快速发展的关键驱动力。 3、 助力Jabil创新 电子商务和物流业的飞速增长以及对工作场所安全性的关注度提高正在推动自主移动机器人（AMR）和自动导向车（AGV）市场的大规模增长。为了帮助AMR/AGV获得更广阔的视角，快速推进自动机器车导航系统的发展，精确且经济高效的3D传感和激光雷达技术必不可少。 作为拥有超过26万名员工的制造解决方案供应商，Jabil制造了世界上第一台基于ToF的全向传感器，可监测自动机器车四周360度。 在这款全向传感器的设计中，Jabil想要探测地面和空中的所有障碍物，因此它需要使用高功率VCSEL来适当地照亮周围的环境，艾迈斯欧司朗的Bidos VCSEL产品正能满足其需求。 纳米级响应，可以在非常短的时间内检测到障碍物； 无需费心校准，由于Bidos VCSEL产品提供了重复度非常高的图案，所有孔径之间没有差异…… 物流场景之外，在智能家居和楼宇自动化中，为了确保楼宇和敏感工作环境的安全性，先进的门禁和可靠的监测解决方案至关重要，艾迈斯欧司朗的VCSEL技术支持通过面部识别进行身份验证，确保人们能够安全地进入楼宇或公司停车场。 事实上，3D人脸识别身份验证不仅可显著提高门禁的便利性，同时还确保了高水平的安全性，用户本人即使丢失了钥匙、工卡或PIN码，但有了3D人脸识别身份验证，自身就是可靠的钥匙，这种方式为住宅和商业场所的门禁带来无与伦比额的便利性。 4、 汽车行业带来新憧憬 随着3D传感技术的应用不断增加，汽车激光雷达、以及舱内传感等新兴应用也成为VCSEL技术发展的新阵地。 去年底，补盲激光雷达进一步带火了VCSEL，多款基于VCSEL技术的短距固态激光雷达发布，让VCSEL再次置于聚光灯下。 除了车载激光雷达市场，舱内传感也是VCSEL应用的重头戏，其中以DMS（驾驶员状态监控系统），OMS（乘客状态监控系统）最为产业关注。 *图源：Yole Intelligence 近几年， DMS迅速兴起，可保障道路安全并提升驾驶体验。安全性和自动驾驶是移动出行领域的两大趋势，受到欧盟和美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)等监管机构的支持，这些机构要求汽车制造商使用驾驶员状态监测系统。自2023年起，欧洲新车安全评鉴协会(Euro NCAP)还将要求直接DMS的安全评级达到5星。 而且除提升安全性之外，DMS还可满足舒适度相关的需求，如驾驶员身份识别和验证，或调整增强现实抬头显示（HUD），从而实现更好的驾驶体验。此外，随着L2+以上的自动驾驶功能投入使用，方向盘离手检测功能也愈显重要。 随着与车内乘员相关的新的安全标准陆续出台，以及车辆自主性的提高，乘员监测系统（OMS）也变得不可或缺。 值得注意的是，NCAP（新车碰撞测试）路线图中除了涉及DMS驾驶员状态监测、还包括了乘员监测和儿童位置监测功能，可用于安全带状态提醒、自适应安全气囊部置，或提醒父母儿童遗留在车内的情况。 一系列采用VCSEL技术的应用正在不断增加。 而在VCSEL方面，艾迈斯欧司朗可以提供广泛的VCSEL激光芯片、封装和模块等VCSEL垂直腔面发射激光器产品组合，以满足汽车激光雷达、机器人周围环境检测和智能手机人脸识别解锁等各种应用需求。 比如去年5月份，全球领先的汽车半导体供应商Melexis宣布全球领先的光学解决方案供应商艾迈斯欧司朗为其最新的汽车iToF产品提供了高性能红外激光泛光照明器——TARA2000-AUT系列的VCSEL。 这款VCSEL不仅具有集成的人眼安全联锁功能，同时与业界其他VCSEL泛光照明器相比，在尺寸上更紧凑，也能实现更可靠、更快的系统响应。 而就在前不久的6月初，艾迈斯欧司朗宣布升级了这一产品，全新推出TARA2000-AUT-SAFE系列VCSEL产品，在提供比现有汽车VCSEL模块更可靠、更强的人眼安全功能的同时，强化了用于汽车舱内传感的红外激光模块组合。 新推出的TARA2000-AUT-SAFE可在940nm的峰值波长下产生一束严格控制的红外光，适用于与现有TARA2000-AUT系列相同的应用场景：驾驶员监测、手势传感和舱内监测，由于采用了新的内置互锁回路方法来保护人眼安全，为汽车制造商提高了可靠性并简化了设计。 据悉，TARA2000-AUT-SAFE系列将于2024年起向一家全球排名前十的汽车制造商批量供应。 这，才仅是开始。