新生的、沖擊高端市場(chǎng)的榮耀Magic3發(fā)布了，在一堆眼花繚亂的參數(shù)之后，有一個(gè)技術(shù)亮點(diǎn)不得不提，那就是搭載了8*8 dToF激光對(duì)焦系統(tǒng)。此前，dToF對(duì)焦系統(tǒng)僅為蘋果所獨(dú)有，而繼小米11 Ultra之后，榮耀Magic3也用上了dToF，預(yù)示該技術(shù)將漸成安卓陣營(yíng)的主流。

VCSEL（垂直腔面發(fā)射激光器）是dToF的核心部件之一。隨著dToF在手機(jī)、TWS、機(jī)器人、汽車等領(lǐng)域的逐步落地，VCSEL有望迎來新一輪的發(fā)展高潮。

高效的VCSEL

“VCSEL市場(chǎng)一直沒有起量，我們就逐步放棄了。”一位投資人此前曾這樣表示。

在iPhone X上的驚艷亮相，讓VCSEL從原本的工業(yè)應(yīng)用市場(chǎng)轉(zhuǎn)向商業(yè)與消費(fèi)類市場(chǎng)。安卓系也相繼推出多款集成ToF傳感技術(shù)的手機(jī)，迅速擴(kuò)大了市場(chǎng)規(guī)模。但限于技術(shù)、應(yīng)用等多種原因，ToF沒有常駐安卓陣營(yíng)，反被屏下指紋技術(shù)擠占了大量市場(chǎng)份額。

一位業(yè)內(nèi)人士告訴集微網(wǎng)，“這其中有多種原因，包括疫情的、中美貿(mào)易戰(zhàn)等，但最大的原因是華為被制裁，因?yàn)槿A為是ToF應(yīng)用的一面旗幟，如果它停下來，整個(gè)市場(chǎng)的速度就會(huì)減慢。”

VCSEL本質(zhì)上是一種半導(dǎo)體激光器，與其同類的還有EEL（邊發(fā)射激光器）。顧名思義，VCSEL的激光垂直于頂面射出，而EEL的光則從芯片邊緣射出。與EEL相比，VCSEL 波長(zhǎng)的溫度敏感性要低得多。它能夠沿指定方向發(fā)射溫度的光學(xué)，擁有紅外光的高能量密度和簡(jiǎn)單封裝，也有線性發(fā)射器（如 EEL 技術(shù)）的光譜寬度。其相比EEL不僅具有低廉的生產(chǎn)成本，以及更低的輸出功率，同時(shí)也具有卓越的光束質(zhì)量。

圖 VCSEL的結(jié)構(gòu)

在制造工藝上，不同應(yīng)用對(duì)VCSEL產(chǎn)品的性能和規(guī)格要求各異，主要體現(xiàn)在尺寸、輸出功率和激光腔（laser cavity）等方面。VCSEL表面積隨著所需輸出功率的增加而增大，激光腔和制造工藝的復(fù)雜性也在提升，這些也是VCSEL尚未能普及的原因之一。

不過，隨著VCSEL回歸安卓陣營(yíng)，這一切都將迎刃而解。縱慧芯光聯(lián)合創(chuàng)始人陳曉遲表示：“市場(chǎng)整體發(fā)展速度會(huì)有所減緩，但只是一個(gè)暫時(shí)的現(xiàn)象，我們認(rèn)為安卓手機(jī)最終應(yīng)該都會(huì)集成dToF，這個(gè)趨勢(shì)應(yīng)該不變，只是整體時(shí)間上會(huì)往后移兩年。”

根據(jù)Yole最新發(fā)布的報(bào)告, 全球VCSEL市場(chǎng)預(yù)計(jì)將以13.6%的CAGR從2021年的12億美元增長(zhǎng)到2026年的24億美元。

多方出擊

近兩年，VCSEL雖然沒有在手機(jī)市場(chǎng)取得絕對(duì)的份額，并不妨礙其在其他領(lǐng)域落地，比如TWS耳機(jī)、掃地機(jī)器人、數(shù)據(jù)中心等，這也成為機(jī)構(gòu)對(duì)其看好的重要基礎(chǔ)。

TWS耳機(jī)是近年來消費(fèi)電子少有的爆款產(chǎn)品，VCSEL幸運(yùn)地搭上了這趟班車。在TWS耳機(jī)中，VCSEL用在入耳檢測(cè)的光學(xué)檢測(cè)模組中，通過發(fā)射940nm的紅外激光，激光朝特定方向打出，反射回來形成回路。當(dāng)接收區(qū)域的解碼芯片收到有效的編碼信號(hào)后輸出電平信號(hào)，從而判斷耳機(jī)是否入耳。與基于LED的等效感測(cè)器系統(tǒng)相比，基于VCSEL的光學(xué)模組系統(tǒng)的總功耗明顯更低，且串音干擾減少，信噪比更高。

全球TWS耳機(jī)市場(chǎng)在2020年的銷量達(dá)到2.33億套，counterpoint 預(yù)測(cè)今年全球TWS耳機(jī)市場(chǎng)銷量將達(dá)到3.1億套，同比增長(zhǎng)33%。而據(jù)一位業(yè)內(nèi)人士估計(jì)，加上白牌產(chǎn)品后的TWS市場(chǎng)總量將達(dá)到6億套左右，使用VCSEL的產(chǎn)品將達(dá)到20%，也就是1億套的水平，市場(chǎng)容量相當(dāng)可觀。

而2021上半年此類VCSEL的出貨量低于預(yù)期，主要是由于智能手機(jī)銷售疲軟造成。據(jù)Digitimes Research估計(jì)，中國(guó)智能手機(jī)供應(yīng)商在2021年第二季度（Q2）的總出貨量同比下降了20%以上。但是，業(yè)內(nèi)都預(yù)計(jì)全球TWS耳機(jī)和智能手機(jī)對(duì)VCSEL的需求將在2021下半年反彈。

VCSEL在非手機(jī)領(lǐng)域的拓展不單是TWS耳機(jī)，還有掃地機(jī)器人、線下人臉支付等，出貨量都在穩(wěn)步上升。尤其是中國(guó)的掃地機(jī)器人滲透率只為3.6%，而光學(xué)感知模組的滲透率約為10%，隨著市場(chǎng)的擴(kuò)大，基于VCSEL的ToF感測(cè)方案將越來越多地出現(xiàn)在高端機(jī)器人產(chǎn)品中。

不過，最令人激動(dòng)的當(dāng)屬汽車市場(chǎng)。業(yè)內(nèi)人士都認(rèn)為，在手機(jī)和汽車兩大終端產(chǎn)品的智能化需求之下，VCSEL市場(chǎng)規(guī)模將繼續(xù)保持高速增長(zhǎng)勢(shì)頭。

陳曉遲告訴集微網(wǎng)，VCSEL的主要應(yīng)用是汽車的激光雷達(dá)，還有轎廂內(nèi)的駕駛員狀態(tài)監(jiān)控等。

在遠(yuǎn)程測(cè)距方面，超遠(yuǎn)程測(cè)距由于留給自動(dòng)駕駛的機(jī)器判別時(shí)間較長(zhǎng)，仍然可以采用雙攝像頭視覺傳感器和毫米波LiDAR來完成；在150~250M安全避障距離內(nèi)，dToF VCSEL激光LiDAR傳感器由于機(jī)器計(jì)算時(shí)間少，硬件反應(yīng)速度更快，硬件可靠性更高、集成難度更低，體積更小，正在成為行業(yè)共同突破的重點(diǎn)。除了可以測(cè)距之外，VCSEL激光LiDAR還有“識(shí)物”的功能。在近距離的低速?gòu)?qiáng)制避障部分，合理布局的dToF VCSEL激光LiDAR傳感器能夠快速無(wú)盲區(qū)地連續(xù)生成3D環(huán)境地圖，是目前理想的無(wú)風(fēng)險(xiǎn)避障措施。

部分業(yè)內(nèi)專家們還認(rèn)為，在自動(dòng)駕駛技術(shù)中采用dToF VCSEL激光LiDAR，完全可以通過不同的陣列模式制作出多種類型的傳感器出來，在很多領(lǐng)域完全能替代掉現(xiàn)在功能單一的紅外傳感器、超聲波傳感器，以及隱私性與安全性不足的攝像頭傳感器。

不論這種想法能否成型，讓VCSEL用在車用激光雷達(dá)上的難度顯然遠(yuǎn)大于前。“激光雷達(dá)的探測(cè)距離是幾十米甚至是幾百米這樣的距離，所以要求的光功率密度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于消費(fèi)電子或者手機(jī)上的應(yīng)用。”陳曉遲指出，“即使是轎廂內(nèi)的疲勞駕駛監(jiān)控，芯片的規(guī)格跟普通手機(jī)上的類似，但是要求通過車規(guī)級(jí)認(rèn)證，所以難度會(huì)更大一些。”

“在手機(jī)中應(yīng)用的VCSEL芯片價(jià)格約為1美元，在汽車中顯然要更高。”他補(bǔ)充道。

還要指出的是，激光雷達(dá)中有一種閃光（FLASH）式雷達(dá)，用激光照射一個(gè)區(qū)域，相比光學(xué)相控陣在制造方面的挑戰(zhàn)更小，VCSEL在這種FLASH激光雷達(dá)中可用作多光束掃描光源。相較于傳統(tǒng)的FLASH方案，VCSEL的發(fā)射光峰值功率密度和信號(hào)信噪比均顯著提高。如與SPAD（單光子雪崩二極管）陣列傳感器相配合，探測(cè)會(huì)靈敏度大幅提升。

此前，蘋果公司新款iPad Pro和iPhone 12配備的激光雷達(dá)就是采用VCSELs+SPADs方案，隨著智能手機(jī)帶動(dòng)相關(guān)供應(yīng)鏈產(chǎn)能釋放，成本已經(jīng)進(jìn)入快速下降區(qū)間。

“FLASH激光雷達(dá)多用在中近距離中作補(bǔ)盲雷達(dá)，現(xiàn)在的趨勢(shì)是基本都會(huì)用VCSEL。”陳曉遲說，“下半年開始有越來越多的激光雷達(dá)廠商開始找到我們，想看看VCSEL能否替代傳統(tǒng)光源，因?yàn)閂CSEL在主要性能指標(biāo)全部占優(yōu)。”

陳曉遲認(rèn)為，VCSEL在汽車中的應(yīng)用將會(huì)在明年起量。這個(gè)觀點(diǎn)也與其他廠商相一致。蘋果激光雷達(dá)VCSEL組件的主要供應(yīng)商之一Lumentum公司最近表示，“預(yù)計(jì)2022年基于VCSEL方案的汽車級(jí)激光雷達(dá)將進(jìn)入量產(chǎn)窗口期”。

對(duì)于VCSEL行業(yè)來說，有了手機(jī)和汽車的引導(dǎo)，未來幾年將步入一個(gè)黃金發(fā)展期。

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