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定，”Lamant說，“VCSEL還被證明可以在一個系統內編碼數據信號和發送數據。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。”

　　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，因為激光從頂部發出，可以在芯片下方進行電氣和熱管理。”

　　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射。將芯片布線不同的區域，可以使它們在不同的時間以不同的圖案發射，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。”

　　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。”

　　“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。”

　　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。”

　　1996年霍尼韋爾商業化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務，但是一直非常“低調”，以至于芯片產業大多數人都沒有關注到VCSEL技術。但在iPhone X發布后，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。但最大的挑戰是如何滿足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。”

　　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產業的產能高幾個數量級。”

　　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、產業和市場趨勢》

　　據麥姆斯咨詢報道，良好的iPhone X銷量引發其它安卓(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以及成熟所需要的成本，”Thompson說，“使我們這些產業廠商有足夠的信心投入大量資金，擴大規模使VCSEL可以大批量生產。”

　　“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外延片，擴展供應鏈，借鑒射頻(RF)產業的經驗以開發新的計量方法和新的測試方案，開發自動化晶圓測試和探針。我們需要開發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。