VCSEL供應(yīng)鏈崛起

文心

自從iPhone X推出人臉識別功能，背后的關(guān)鍵技術(shù)——垂直腔面發(fā)射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser， VCSEL）仿佛受到了加持，簡直就成了消費市場的技術(shù)明星。無論是行業(yè)內(nèi)，還是行業(yè)外，工業(yè)界，還是投資界，仿佛到處都在談?wù)撝@個聽上去高端大氣上檔次的名字。

受蘋果公司大量訂單的帶動，國內(nèi)上市公司發(fā)布關(guān)于VCSEL相關(guān)公告也層出不窮，華工科技、光迅科技、匯頂科技、國星光電、三安光電、乾照光電紛紛涉足這一領(lǐng)域，一個新的產(chǎn)業(yè)鏈正在崛起。

VCSEL為何方神圣

實際上，VCSEL并不是近些年研制出的新技術(shù)，自1977年日本東京工業(yè)大學(xué)的伊賀健一（Kenichi Iga）等人提出了相關(guān)概念，至今已發(fā)展四十余年。VCSEL也經(jīng)歷了一開始的結(jié)構(gòu)定型，到之后性能參數(shù)不斷優(yōu)化的發(fā)展歷史，伊賀教授也因此被譽為“VCSEL之父”。

VCSEL，是垂直共振腔表面放射激光器，顧名思義，激光器發(fā)光方向垂直于晶體襯底晶體表面。這使它與傳統(tǒng)的邊發(fā)射激光器完全不同，能夠在垂直于襯底的方向上并行排列多個激光器，十分便于集成。更重要的是，VCSEL的制造工藝與發(fā)光二極管（LED）相兼容，因此大規(guī)模制造的成本很低。與此同時，VCSEL又具有模式好、閾值低、穩(wěn)定性好、壽命長、調(diào)制速率高、集成高、發(fā)散角小、耦合效率高、價格便宜等諸多優(yōu)點，這使它一經(jīng)研制就迅速受到了光通信領(lǐng)域的歡迎。經(jīng)過多年發(fā)展，VCSEL已經(jīng)在寬帶以太網(wǎng)、高速數(shù)據(jù)通信、光互聯(lián)等領(lǐng)域中得到了大量的應(yīng)用。業(yè)內(nèi)人士稱，隨著技術(shù)的不斷優(yōu)化，VCSEL有在未來在光纖局域網(wǎng)（LAN）中取代傳統(tǒng)邊發(fā)射激光器的趨勢。

在光通信領(lǐng)域的一路走紅，并沒有讓VCSEL技術(shù)迎來爆發(fā)性增長，直到2014年，VCSEL進(jìn)入消費類市場——智能手機(jī)端。

一開始，VCSEL技術(shù)只是用來實現(xiàn)近感探測和自動對焦功能。2016年，蘋果公司在無線耳機(jī)AirPods上第一次使用了VCSEL發(fā)射器，用來檢測耳機(jī)被摘下還是正在使用。2017年，蘋果十周年機(jī)型iphone X推出了其重磅應(yīng)用Face ID功能，使用了搭載VCSEL發(fā)射器的3D感測模塊，從此，VCSEL產(chǎn)業(yè)被一路引爆。2018年，小米和OPPO于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(shù)的智能手機(jī)。業(yè)內(nèi)人士稱，華為、vivo和三星2019年也將把VCSEL技術(shù)用于相關(guān)機(jī)型。安卓機(jī)市場的一路跟進(jìn)，使得VCSEL產(chǎn)業(yè)迎來一個小高峰。與此同時，用于汽車領(lǐng)域的激光雷達(dá)以及氣體傳感器，AR智能眼鏡等也將成為VCSEL下一個需求市場的增長點。

從技術(shù)層面看，以3D感測模塊為例，每個模塊包含一個發(fā)射器模塊與一個接收器模塊，其中，在發(fā)射器模塊中，除了光學(xué)組件圓晶級光學(xué)鏡頭（WLO）之外，最關(guān)鍵的器件就屬VCSEL。簡單地說，在傳統(tǒng)攝像頭中加入主動感知技術(shù)即構(gòu)成3D感應(yīng)攝像頭。主動感知的3D攝像頭技術(shù)通常使用紅外光來檢測目標(biāo)，需要發(fā)射紅外光源。早期的紅外光源使用LED發(fā)光，但LED由于本身發(fā)光特性導(dǎo)致光束發(fā)散、且耦合性差，很快就被具有垂直發(fā)光特性、精準(zhǔn)可靠、低功耗的VCSEL技術(shù)取代。與此同時，隨著VCSEL技術(shù)的成熟，芯片性價比已經(jīng)逼近紅外LED，更是成為3D感測技術(shù)中紅外光源的不二之選。

據(jù)法國咨詢公司悠樂（Yole）公司統(tǒng)計，2017年VCSEL出貨量6.52億顆，整體市場規(guī)模達(dá)到3.3億美元。隨著消費市場、通信市場、傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域以及汽車領(lǐng)域?qū)CSEL技術(shù)的需求的增長，預(yù)計2023年VCSEL市場規(guī)模將達(dá)到35億美元，復(fù)合年均增長率達(dá)到48%（圖1）。

本土供應(yīng)鏈崛起

不過，半導(dǎo)體市場向來是大玩家主導(dǎo)，光電領(lǐng)域也不例外。由于VCSEL在光通信領(lǐng)域的長期發(fā)展，致使其核心關(guān)鍵技術(shù)及供應(yīng)能力仍然主要掌握在各大光通信芯片廠手中，主要供應(yīng)商包括Lumentum、II—VI、Finsar、Avago、Phlilips、Epistar等（圖2）。

也正是因為在通信領(lǐng)域的經(jīng)驗積累，VCSEL在消費市場上的應(yīng)用才變得順理成章。在轉(zhuǎn)向消費電子領(lǐng)域的過程中，VCSEL不斷向陣列化和小型化的趨勢發(fā)展，其核心工藝主要基于MEMS技術(shù)的可調(diào)諧VCSEL技術(shù)、VCSEL陣列技術(shù)以及電流限制技術(shù)。

總體來看，目前VCSEL商用技術(shù)已經(jīng)較為成熟，25Gb/s速率的850nm VCSEL激光器已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn)，實驗室已可實現(xiàn)40Gb/s的傳輸速率；3D傳感用40%功率效率的940nm VCSEL激光器也已實現(xiàn)批量供貨。

近年來，為了能夠搭乘全球VCSEL產(chǎn)業(yè)發(fā)展的東風(fēng)，我國本土廠商也開始紛紛涉足這一領(lǐng)域，掀起一陣熱潮。據(jù)悉，當(dāng)前國內(nèi)具備VCSEL量產(chǎn)制造能力的廠商包括光通信企業(yè)光迅科技和面向消費市場的華芯半導(dǎo)體。而據(jù)媒體粗略統(tǒng)計，我國大陸在該VCSEL領(lǐng)域布局的廠商達(dá)到了十余家，除了光迅科技和華芯半導(dǎo)體外，山東太平洋、深圳源國、國星光電、華工科技、三安光電、乾照光電、縱慧芯光也均在VCSEL領(lǐng)域展開布局。另外，蘇州長光華芯光電技術(shù)有限公司、深亮智能技術(shù)（中山）有限公司、寧波睿熙科技有限公司等一些公司也紛紛獲得資本注入，相關(guān)報道見諸報端。

而我國臺灣地區(qū)憑借著半導(dǎo)體集成電路產(chǎn)業(yè)的技術(shù)、人才積累，在VCSEL芯片領(lǐng)域的發(fā)展相對成熟，也獲得了一些國際大廠的訂單。上游的外延和芯片技術(shù)方面，有宏捷科、穩(wěn)懋、全新光電、聯(lián)亞集團(tuán)、光環(huán)科技等廠商，其中，穩(wěn)懋憑借著GaAS外延技術(shù)的積累甚至拿到了蘋果3D攝像頭供應(yīng)鏈Lumentum的代工訂單；中游的封裝方面，聯(lián)鈞、華信、華星、光環(huán)、矽品與同欣也均有相當(dāng)?shù)膶嵙ΑＡ硗猓琁DM廠商華立捷，具有上中下游垂直整合的實力，已成為蘋果無線耳機(jī)AirPods的獨家供應(yīng)商。

機(jī)遇與挑戰(zhàn)

不過，也有業(yè)內(nèi)人士指出，國內(nèi)部分宣傳可以做國產(chǎn)芯的企業(yè)往往只具有芯片設(shè)計的能力，而最核心的外延和流片環(huán)節(jié)都是外包給其他廠商，產(chǎn)品質(zhì)量和實際供貨能力還有待市場檢驗。

從技術(shù)層面看，VCSEL技術(shù)難度極大。有廠商表示，“VCSEL綜合了半導(dǎo)體材料、激光物理、半導(dǎo)體制造工藝、高速射頻電子和光學(xué)技術(shù)等學(xué)科。不僅芯片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且需要在使用比硅材料脆弱及本征缺陷度高兩個數(shù)量級的砷化鎵材料的情況下，滿足高性能和高可靠性要求。”以消費市場上使用的940nm VSCEL為例，其外延材料需要疊加300多層，且每層需要充分調(diào)制摻雜分布和組分的均勻性，且要保證一定的良率，難度系數(shù)極高。

整體上看，國內(nèi)企業(yè)要想發(fā)展VCSEL，還需要打通材料、工藝、人才、工程技術(shù)等重重難關(guān)。與此同時，隨著越來越多廠商進(jìn)入這個市場，國外廠商和用戶對數(shù)據(jù)通信、3D傳感、激光雷達(dá)等方面的專利布局和競爭也在不斷加劇，一定程度上增大了國內(nèi)企業(yè)的進(jìn)入門檻。

好在我們擁有巨大的國內(nèi)市場，以及廣闊的市場空間。有人說，今天的光電產(chǎn)業(yè)很像10年前的LED產(chǎn)業(yè)。經(jīng)過十幾年的努力，我國的LED產(chǎn)業(yè)取得非凡的成就，擁有巨大的產(chǎn)值和一定的國際話語權(quán)，這有賴于全行業(yè)的共同付出與拼搏。同樣，消費市場為今天光電產(chǎn)業(yè)拓展了如此廣大的市場空間，盡管我們的產(chǎn)業(yè)尚且弱小，但我們沒有理由不為之一博。