1、VCSEL 敢光器簡介 1、VCSEL 勺定義 VCSEL（Vertical-CavitySurface-EmittingLaser,垂直腔表 面發射激光器）是一種垂直于襯底面射出激光的半導體激光器。基本結構是一個“三明治”結構，由上下兩個 DB 皈射鏡和有源區這三部分組成。上下兩個 DB 皈射鏡與有源區構成諧振腔。有源區由幾個量子阱組成，作為VCSEL 勺核心部分，決定著器件的閾值增益、激射波長等重要參數。高反射率的 DB 他多層介質薄膜組組成，實現對光的反饋。為得到較小的閾值電流，DBRK 射鏡的反射率一般在 99.5%以上。 VCSEL默IS 2、VCSEL 勺發光原理 VCSE 席用的

2、原材料有碎化錢、磷化錮或氮化錢等發光化合物半 導體?！疽r底方面，不同材料襯底厚底不同，但總體厚度約 100-150um,在制作時保留 300-600um 厚，方便機器手抓取。外延方面，共 200 多層，總厚度才 8-10um（包括諧振腔），外延片不能太厚，主要原因是 MOCVD 爐的時間效率（10um 需要烤 10 小時）及偏差（越高越容易走形）考慮。發VGSELSftffl 光原理方面，VCSEUf 其它半導體激光發光原理一樣，首先要實現是能量激發，通過外加能量激發半導體的電子由價帶躍遷到導帶，當電子由導帶返回價帶時，將能量以光能的型式釋放出來。然后依靠上下兩個 DBR5 射鏡和增益物質組成

3、的諧振腔實現共振放大，諧振腔使激發出來的光在上下兩個DBR5 射鏡之間反射（諧振腔長 200nm 來回幾千次后，總路徑可長達 4mm,不停地通過發光區吸收光能，使受激光多次能量反饋而形成激光。 3、VCSEL 勺優點 VCSE 廉具低制造成本、優異性能和易集成三大優點！經過在電信、數據通信等領域多年發展，目前 VCSEE 經具備耦合效率高、功耗低、傳輸速率快、制造成本低等優良特點。與 LED 和 FP 激光器【法布里-珀羅激光器（FPlaser）】、DFB#光器【分布反饋式激光器（DFBlaser）】相比，具有體積小、圓形輸出光斑、單縱模輸出、閾值電流小、價格低廉、易集成為大面積陣列等優點，廣

4、泛應用于光通信、光互連、光存儲等領域。 VCSEL 的優良特點的優良特點 主動感知的 3D 攝像頭技術通常使用紅外光來檢測目標，早期 3D 傳感系統一般都使用 LED 作為紅外光源。在技術方面，由于 LED 不具 有諧振器，導致光束更加發散，在耦合性方面也不如 VCSEL 由于 VCSE 在精確度、小型化、低功耗、可靠性全方面占優的情況下，現在常見的 3D 攝像頭系統一般都采用 VCSEL 乍為紅外光源。 Itttt VCSEL LED| 2-3mW 3-5mW 枷馬光 好.低發蚯 套鬲躺性 敏斑 電南 光電特禁效率 川%以上 20%EXT 11 WGbpS OJGbps inett 0.06

5、nm/T 0.25m/r 制HW Inm 2&30nm 半導體激光器按照發射方向可以分為：邊發射激光器和面發射激 光器，其中邊發射激光器主要有法布里-珀羅激光器(FPlaser)和分布反饋式 發射角小.具白國對稱的近場和 I近場分布 垂直腔面出射 能夠也按在,而日)上進行工藝制作 有測試J 閾僅電流低， 體枳小吊子效率高 激光器(DFBlaser)兩種【邊發射發光效率可達到 70%面發射最大到 60%平均只有 40%華芯公司目前只有 35 溢右】 ， 面發射激光器目前主要指 VCSEL結構上 FP 激光器一般由襯底層、波導層、有源層，及金屬導線層組成，普遍采用雙異質結多量子阱有源層；D

6、FB 激光器在 FP 的基礎上沿著共諧振腔外部加一層光柵，依靠光柵的選頻原理來實現縱模選擇，以提升激光的單色性。 典型半導體激尤將 用t博 理霰北區口卜M澈北XVCSEL 及再虐現：#網.隼gxr 與傳統邊發射激光器相比，VCSE 而光束質量、與光纖耦合效率、腔面反射率上都具有較大優勢， 且因為 VCSE 發射光線垂直于襯底而邊發射激光器發射光線平行于襯底，因此 VCSElft 夠實現二維陣列而邊發射激光器不行。 征 VCSEL AikriU 出界方向 垂直于村底 平行于材度 AM* 涇向時相:此束 不對濟光束 與光肝的亶提夸姓率 -100% -50% 立面反射幸 98% 30% 0.3um

7、*300um 集成化 易于實網二維陣刖 亞一堆陣列 我們從成本優勢、尺寸優勢、波長熱穩定性、功耗、通訊距離等 方面對三種主流半導體激光器進行比較分析 【目前光通信的干線光線激光器用邊發射，但支線一般用面發射, 面發射的最大極限距離是 300M 目前，光通信帶寬 30G 的，使用 VCSEL 會使得誤碼率跟不上，除非使用 25G 的 VCSE 毆備才行，但目前 25G 的性能還不穩定。】 1比較現日 FPW 口FBtfb也 VCSEL 女 尺寸優第 玄文 A 女女女 波長熱定饞 會 *玄心 知 -IMA *玄+ 育 功幃優磬 他電就 女 從最近上市的具有 3D 攝像頭的產品也能看到，紅外光源由

8、LED 向VCSEL 專變是必定趨勢！從 2016 年意法半導體及 AM 睡 THeptagon 發布的光學模塊新產品來看，均采用 VCSEL 乍為紅外線光源，且消費級產品聯想 Phab2ProAR 手機與 IntelRealSenseSR300 也采用了 VCSEL 乍為紅夕卜光源。 據了解，目前 3DSensing 有 3 種主流方案，分別是結構光方案、TO 昉案以及雙目立體成像方案。 示意圖 分辨率 中 底 高 精度 高 中 中 真法開發難度 中 底 高 硬件成本 底 中 集轆而微僖：jiweinel 在這三種 3DSensing3DSensing 技術對比中發現， TOFTOF 方案與

9、結構光方案因其使用便捷、 成本較低等優點而最具前景。但是結構光方案在精度方面超越了另外 2 2 種方案, 非常適合智能終端采用。 【結構光和 TOFTOF 方案區別】： 我們進行測距或是 3D3D 建模的話，一般會有三種方法： 1)1)一是傳統的雙目，兩個都是可見光攝像頭，這個大家也比較熟悉。它的劣勢是比較明顯的，就是算法麻煩，計算量大，要實現高的分辨率也比較困難。同時它將會有誤判的情況出現，比如說兩個東西雖然有一前一后的距離，顏色很接近，必然會造成誤判的情況出現。 2)2)還有另外一種，用 TOFTOF 做距離的探測，它的優點是利用光的延時來進行 1塔構光方案 TOF方案 基礎原理 激光靚斑

10、編碼 反射時差 雙目立體成像方案 雙目匹配，三角測量 具體方法 利用雙撰爆頭拍攝物體，再通道三 角形原理計算物體距離 結構先投附特定的光信息到物體表面后， 由揖像頭果窠。 根據憫體匿成的光信居的變化來計算物體的位置和親度等信息， 進而復原整個三縫空間 通過專有傳感器，捕提近紅外光從發射到接收的飛行時間，判斷物體 理高 距離的測量，可以馬上就可以報出的距離，他們也不需要很多復雜的計算它有一個很明顯的劣勢，目前來說 TOFTOF 沒辦法做成一個比較精密的成像。在我所了解的信息里，TOFTOF 目前能實現的最高像素是 0.1M0.1M 像素，如果這樣的像素下是比較難用作人臉識別、虹膜識別的，同時他們

11、也會有面臨用紅外光的問題（后面會說），這是 TOFTOF 的劣勢。 3 3）由于上面兩種方法他們有各自的缺點，我們有第三種方式就是我們的結構光，英文叫做 StructuredlightStructuredlight,它為什么叫這個名字？他們打出來的光并不是普通的光源，他們打出來的光是有一定的細節，最簡單的是打出黑白相間的條紋，去照射我們的物體。黑白條紋打到一個平面，它反射過來其實仍舊是黑白的條紋；但是如果它是打到某些物體上，例如圓柱。黑白條紋有一些畸變，通過這個畸變就可以把它的立體信息提取出來，這是最簡單的一種。比較先進的是打出一種散斑作為結構光，我們可以把大面積的散斑劃分成很多小區域，如果是

12、 9X9 的九宮格的話，某一些格子可以是亮的，某些格子是暗的，相當于是對空間做成了編碼，有了這個編碼就知道這個點是處于我們畫面中的哪些位置。利用這些散 斑我們可以知道，如果沒有物體的情況下它只是一個均勻分布的散斑，有物體的 情況下，我們發現散斑會產生一定的畸變，根據編碼我就知道這一點畸變位于什么樣的位置，同時可以把 3D3D 的信息可以提取出來。這是結構光的優勢，它不需要用很精準的時間延時來測量，只需要用普通的紅外攝像頭去收集一些紅外的信息，就可以進行 3D3D 的測算。 但是對于結構光我們會有技術問題，首先是光源的問題，它還是需要紅外的光源進行，但是我們知道，紅外光源在室外使用是有問題的，因

13、為太陽是連續波段，一般來說他們有大量的紅外分量在，所以在室外，如果打出這些光照到物體 上再做反射的話，他會淹沒在太陽光的紅外分量里，我們沒辦法探測到。這次傳言蘋果用的波段其實是 940940 波段，這個波段是有講究的，因為太陽光雖然是一 個連續的光譜，唯獨在這個波段里有一個能量的極小值，因為大氣中的水分子會吸收這部分的能量進行共震，太陽光有這個窗口，也就是說他利用這個窗口在室外打出 940940 的但是 光照到物體作為反射，我們的接受器是能感受到的。一般來說， 我們傳統的硅基紅外探測器是達不到 940940 吸收的波長，一般在 800800 多的波長， 這種波長肯定會淹沒在太陽的紅外分量中。據

14、我了解，目前能做到 940940 作為吸 收比較強的傳感器的有一個叫 InvisageInvisage 的公司做的量子薄膜可以精確調節基礎波長， 可以作為紅外的吸收。他們的基底仍舊是普通的硅基基底，只是把傳統 sensorsensor 的吸收層換掉，從而可以實現 940940 波長吸收的探測器，它的分辨率還是挺高的，完全可以滿足成像的需求。 據目前的信息來看的話，如果蘋果真要采用人臉識別，我覺得他們可以采用 VSCELVSCEL的模組作為發射器，同時他們可以用一個這種薄膜做成的攝像頭作為紅外的識別，然后再用一個 TOFTOF 的接收器去做 TOFTOF 的接近感應測量，再加上普通的 RGBRG

15、B 的攝像頭，這樣的方案來做整體人臉識別+ +前置攝像頭+ +距離探測功能?！?事實上，無論是結構光方案、TOFTOF 方案還是雙目立體成像方案，3DSensing3DSensing 主要的硬件包括四部分：紅外光發射器（IRLDIRLD 或 VcselVcsel）、紅外光攝像頭（IRCISIRCIS 或者其他光電二極管）、可見光攝像頭（VisCISVisCIS）、圖像處理芯片，窄帶濾色片，另外結構光方案還需要在發射端添加光學棱鏡（DOEDOE）與光柵，雙目立體 成像多一顆 IRCISIRCIS 等。 而在 3DSensing3DSensing 產業鏈的上、中、下游中，上游部分包括：紅外傳感器、

16、紅外激光光源、光學組件、光學鏡頭、CMOSCMOS 圖像傳感器；中游包括：傳感器 模組、攝像頭模組、光源代工、光源檢測、圖像算法；下游包括：終端廠商以及應用。 其中 3DSens3DSensinging 產業鏈關鍵部件在于：1 1、紅外線傳感器；2 2、紅外激光光源；3 3、光學組件。產業鏈相關紅外線傳感器的上市公司有 STMSTM、AMSAMS HeptagonInfineonHeptagonInfineon、TITI、索尼、豪威等；產業鏈相關紅外激光光源的上市公司有 FinisarFinisar、LumentumLumentum、IIII- -VIVI、光迅科技等；產業鏈相關光學組件的上市

17、公司為福晶科技；而提供綜合技術方案的上市公司有 STMSTM、微軟、英特爾，德州儀器、英飛凌等。此外，3D3D 攝像頭模組的上市公司有歐菲光；濾光片有水晶光電；攝像頭芯片封測有晶方科技；鏡頭有聯創電子等。 4、VCSEL勺應用 VCSEL勺應用主要由光通信領域向商業級應用如工業加熱、 環境監測、醫療以及消費電子（如 3Dsensing）領域發展。 850nm 波段 VCSE 嘀用化程度最為成熟，是短距離光纖數據傳輸系統的重要器件； 此后開發出的長波段產品主要用于長距離光纖通信、光并行處理 以及光識別系統； 隨著工藝、材料技術改進，VCSE 黑件在功耗、制造成本、集成、散熱等領域的優勢開始顯現，

18、逐漸應用于消費電子、工業加熱、環境 監測、醫療設備等商業級應用以及 3D 感知等消費級應用 【VCSE 應用在光通信和手機方面，區別如下: 頻率 功率 價格 尺寸 光通信 高 低， 單個 2mWV 單顆 2-3 元（10G 規格） 250um*250um 手機 低 高，每個 5mW,30c個發光元件（陣 列）。 17-13 元每顆芯片 1mm*1mm, 5、VCSE 市場容量 2016 年之前，VCSE 住要應用領域在光通信領域，受益于 40G 及 100G 通信技術的發展，VCSEK 光器的市場需求仍將持續發展，但未來最大的市場應用將會是智能手機領域。市場研究公司 Light Countin

19、g 發表報告稱，預計 2017 年智能手機方面 VCSEK 光器需求量在6000 萬只，2018 年將迅速增加至 1.2 億只，2019 年將會達到 2.4 億只，基本上保持每年翻番增長。遠超光通信不到 5000 萬只的需求。通過下面圖表我們可以看出，2017 年將成為 VCSEL1 光器在 智能手機應用的轉折點，而這無疑是蘋果 iPhone8 手機的功勞 6、國內 VCSEK 光器現狀 在光通訊領域，VCSEK 光器應用已經成為趨勢，但是目前有能力推出商業化產品方面的只有：光迅科技（股票代碼：002281）。隨著 5G 以及物聯網行業的快速發展，帶來流量數據爆炸式增長，對于高速低功耗器件需求

20、越來越高，因此 VCSEK 光器前景非常廣闊，而國內在芯片生產方面還沒有擺脫技術限制，仍然受制于人。 在消費電子領域，目前國內還沒有一家具有量產的能力。【有報 道稱：由陳曉遲帶領的團隊，以硅谷為研發中心，以國內為生產基地，預計將于 2018 年第二季度實現垂直腔面發射激光器大批量生產。但據華芯半導體彭某稱，縱慧自己設計，然后讓 IQE 做外延，然后再找穩懋代工做芯片。目前他們廠房已經到位，但設備暫未到貨（截至 20180805）1 在科研方面，吉林大學、長春理工大學、北京郵電大學、廈門大 學、中科院半導體所、華中科技大學等都對 VCSEK 光器進行了不同層面的研究。但是，其行業技術門檻很高，受

21、制于關鍵技術壁壘，國內仍未實現量U. 5 2 02 01 S0qcnD 產。 值得一提的是，自動駕駛在全球范圍內迅速火熱，國內外主流汽車廠商基本都在嘗試自動駕駛方案。其中，如何降低激光雷達成本成為該技術落地的關鍵。而 VCSEK 光器作為激光雷達光源提供了一種新方案。 7、VCSE 樂來發展趨勢 VCSE 器件由問世到運用于光通信領域，再到延伸至消費電子領域，本質上是其性能、工藝和材料的一部發展史，從技術看產業，我們結合 VCSE頻域內主要玩家產品線變化和 VCSE 發展歷程探析： (1)、1990-1996:該階段 VCSEU1 剛問世，主要是采用液相外延技術(LPB 實現 In-GaAs/

22、InP 材料。這時它在各方面性能并不具有優越性，發射方式為脈沖激射，中心波長為 1.18um,閾值電流為 900mA(遠大與成熟技術)； (2)、1996-1999:該階段主要是 650850nm 短波段的大范圍應 用發展。業界主要采用減少諧振腔長度的方法來降低閾值電流，并通 過開發 AlAs 氧化技術來提升 DB 皈射鏡的反射率，具有高反射率、高熱傳導率和良好的導電特性的 AlAs/GaAs 在這一階段被應用于 VCSEL實現在850nm下超過80%勺反射率， 同時閾值電流降低至mA級別。1997 年起 VCSEL 在單通道短距離光學互連市場占據了絕對的主導地位， 此外也在 650670nn

23、段被應用于基于塑料光纖的數據通 信系統（因為塑料光纖在 650nm 處有最小吸收）； （3）、2000-2005:這一階段主要是 1300nm1500nmfe 波段的應用發展，主要解決波長變長帶來的散熱、電流限制、反射鏡制作等問題。首先氧化物限制工藝被引入，這一技術能夠極大地提升光電轉換效率（50 犯上）和光束穩定度，使其能夠穩定地耦合進單模和多模光纖，同時氧化物限制方案能夠繼續降低閾值電流至幾百AA,為解 決此后 VCSEL 車列嚴重過熱問題打下基礎。同時直接鍵合工藝在長波段VCSE 的作中得到廣泛應用，因為長波長材料 GaInAsP/InP 與 DBR 兩種材料折射率相差小，反射性能差，因

24、此直接鍵合 GaAsSDBRW InP 有源區來制作長波段 VCSE 成為熱點， 長波段 VCSE 是大容量光通信系統和光互連的關鍵器件； （4）、2005-2016:這一階段 VCSE 器件開始逐漸由光通信領域延伸至工業級應用及消費電子領域，發展趨勢為陣列化和小型化。這一階段核心工藝主要為基于 MEMSi 術的可調諧 VCSELM 術、VCSEL 陣列技術以及電流限制技術。陣列技術使得 VCSEL#件向高功率、高速率發展，得以用于加熱、探測等工業級應用領域。電流限制技術（離子注入、掩埋隧道結等）將電流限制在較小區域內，是 VCSE 撤型化的關鍵工藝。此外金屬鍵合技術的引入改善了 VCSEL

25、勺散熱問題，使得它能夠更好地應用于體感設備、智能手機等消費電子領域。 綜上，我們認為，VCSE 產品將繼續向高速度、高效率、低功耗、低成本的方向發展，消費電子的應用將為進一步拓展創造條件。未來 VCSE 的繼續應用在激光雷達、激光投影方面。 8、VCSELfe 頭企業 目前，全球范圍內主要的設計者包括 Finsar、Lumentum PrincetonOptronics、Heptagon、HVI 等公司，它們在移動端 VCSEL 處于前沿的研發角色。由 IQE、全新、聯亞光電等公司提供三五族化合物 EPI 外延硅片，然后由宏捷科（PrincetonOptronics 合作方）、穩懋（Hepta

26、gon合作方）等公司進行晶圓制造，再經過聯鈞、矽品等公司的封測，便變成了獨立的 VCSEL 器件。然后由設計公司提供給 意法半導體、德州儀器、英飛凌等綜合解決方案商，再提供給下游消費電子廠商。 目前 VCSEILM 域主要廠商共有 5 家，分別是 LumentumFinisar、 II-VI、PhilipsPhotonics 和 HLJ 華立捷。我們可以看到，基本上都是來自于光通信芯片的龍頭企業；可以說正是有了光電子在通信領域的經驗，消費級應用變得順理成章，兩者產品具備很強的技術延展性。重點關注光電子通信龍頭，切入消費電子應用的爆發潛力。 (1) Lumentum 公司作為專業光學廠商， 其前身是全球最大的光纖零件供應商JDSU(后拆分為 Viavi 和 Lumentum。憑借廣泛的技術和制造經驗，成為 VCSEL 勺全球領先供應商，可靠 Ti 高，產能大。公司于 2005 年和 2007 年分別收購Agility 通信和 Picolight 公司， 為公司帶來關鍵的短波 VCSE 段術。 根據公司2017Q2電話會議， 公司3Dsensing產品已