在2017年首次進(jìn)入蘋(píng)果iPhone X成為3D人臉識(shí)別的光源之前，VCSEL還不知道這是自己人生改寫(xiě)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

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低開(kāi)高走的人生

1977年，日本東京工業(yè)大學(xué)Iga教授最早提出VCSEL的概念。

VCSEL，Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，簡(jiǎn)稱垂直腔面發(fā)射激光器，是一種垂直于襯底面發(fā)射出激光的半導(dǎo)體激光器，因?yàn)榇怪鼻槐砻姘l(fā)射，因此也被稱為面射型激光器，其激光束呈圓形對(duì)稱。

VCSEL的結(jié)構(gòu)有點(diǎn)類(lèi)似一個(gè)“三明治”，主要包括上、下底部的多層布拉格反射鏡（DBR）、導(dǎo)電限制區(qū)、有源區(qū)以及半導(dǎo)體襯底等，激光束沿著垂直于襯底方向出射，其典型結(jié)構(gòu)如下圖所示。上、下底部的DBR與有源區(qū)形成激光器的腔體，其中有源區(qū)是VCSEL的重要組成部分。

*圖源網(wǎng)絡(luò)，“三明治”結(jié)構(gòu)的VCSEL

VCSEL具有調(diào)制響應(yīng)快、光束質(zhì)量好、效率高、低功耗、易于與芯片集成等諸多優(yōu)點(diǎn)，但由于其單個(gè)芯片輸出功率較低，因此在誕生近40年的時(shí)間里，VCSEL一直局限在短距光通信領(lǐng)域。

后來(lái)，智能手機(jī)的出現(xiàn)進(jìn)一步拉進(jìn)了人們和設(shè)備的距離，VCSEL才更多找到屬于自己的舞臺(tái)。

2016年，VCSEL替代LED應(yīng)用于手機(jī)中的接近傳感器。相信大家都有這樣的使用體驗(yàn)：當(dāng)用手機(jī)接聽(tīng)電話時(shí)，屏幕會(huì)在貼近耳朵時(shí)自動(dòng)熄滅。

這背后就有VCSEL芯片制成的接近感應(yīng)模塊的支持——通過(guò)低功率的VCSEL芯片發(fā)射激光，當(dāng)有物體靠近時(shí)會(huì)自動(dòng)反射激光，手機(jī)就能偵測(cè)到物體接近，并判斷屏幕是熄滅還是點(diǎn)亮，這就讓手機(jī)日常使用時(shí)盡可能降低功耗并減少誤觸，方便人們使用。

接近感應(yīng)讓人們感受到了VCSEL的魅力，但真正讓VCSEL一炮而紅的現(xiàn)象級(jí)應(yīng)用，還是2017年蘋(píng)果推出的十周年重磅產(chǎn)品——iPhone X，它的發(fā)布讓VCSEL芯片產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了爆發(fā)式擴(kuò)張。

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大器晚成的VCSEL市場(chǎng)前景

被哪些應(yīng)用點(diǎn)亮？

伴隨VCSEL的功率隨技術(shù)發(fā)展逐步提高，其下游應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，該市場(chǎng)具有結(jié)構(gòu)性特征，短期支撐與長(zhǎng)期想象空間并存。

根據(jù)Yole Intelligence發(fā)布的年度《2022年VCSEL市場(chǎng)和技術(shù)趨勢(shì)》報(bào)告顯示，預(yù)計(jì)2022年VCSEL市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到16億美元（約合人民幣113.7億元）左右，是2018年的2倍。

*圖源：Yole Intelligence

據(jù)報(bào)告顯示，未來(lái)5年，VCSEL整體市場(chǎng)還是將保持高速增長(zhǎng)趨勢(shì)，或以19.2%的年均復(fù)合增長(zhǎng)率（CAGR）增長(zhǎng)，到2027年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到39億美元（約人民幣277億元）。

而從上圖中也可以看出，除了消費(fèi)電子、通信等主流市場(chǎng)，工業(yè)和汽車(chē)正成為VCSEL應(yīng)用更具憧憬的場(chǎng)景，可以說(shuō)VCSEL激光器是3D傳感、激光雷達(dá)市場(chǎng)快速發(fā)展的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。

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助力Jabil創(chuàng)新

電子商務(wù)和物流業(yè)的飛速增長(zhǎng)以及對(duì)工作場(chǎng)所安全性的關(guān)注度提高正在推動(dòng)自主移動(dòng)機(jī)器人（AMR）和自動(dòng)導(dǎo)向車(chē)（AGV）市場(chǎng)的大規(guī)模增長(zhǎng)。為了幫助AMR/AGV獲得更廣闊的視角，快速推進(jìn)自動(dòng)機(jī)器車(chē)導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，精確且經(jīng)濟(jì)高效的3D傳感和激光雷達(dá)技術(shù)必不可少。

作為擁有超過(guò)26萬(wàn)名員工的制造解決方案供應(yīng)商，Jabil制造了世界上第一臺(tái)基于ToF的全向傳感器，可監(jiān)測(cè)自動(dòng)機(jī)器車(chē)四周360度。

在這款全向傳感器的設(shè)計(jì)中，Jabil想要探測(cè)地面和空中的所有障礙物，因此它需要使用高功率VCSEL來(lái)適當(dāng)?shù)卣樟林車(chē)沫h(huán)境，艾邁斯歐司朗的Bidos VCSEL產(chǎn)品正能滿足其需求。

納米級(jí)響應(yīng)，可以在非常短的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到障礙物；

無(wú)需費(fèi)心校準(zhǔn)，由于Bidos VCSEL產(chǎn)品提供了重復(fù)度非常高的圖案，所有孔徑之間沒(méi)有差異……

物流場(chǎng)景之外，在智能家居和樓宇自動(dòng)化中，為了確保樓宇和敏感工作環(huán)境的安全性，先進(jìn)的門(mén)禁和可靠的監(jiān)測(cè)解決方案至關(guān)重要，艾邁斯歐司朗的VCSEL技術(shù)支持通過(guò)面部識(shí)別進(jìn)行身份驗(yàn)證，確保人們能夠安全地進(jìn)入樓宇或公司停車(chē)場(chǎng)。 事實(shí)上，3D人臉識(shí)別身份驗(yàn)證不僅可顯著提高門(mén)禁的便利性，同時(shí)還確保了高水平的安全性，用戶本人即使丟失了鑰匙、工卡或PIN碼，但有了3D人臉識(shí)別身份驗(yàn)證，自身就是可靠的鑰匙，這種方式為住宅和商業(yè)場(chǎng)所的門(mén)禁帶來(lái)無(wú)與倫比額的便利性。 4

汽車(chē)行業(yè)帶來(lái)新憧憬

隨著3D傳感技術(shù)的應(yīng)用不斷增加，汽車(chē)激光雷達(dá)、以及艙內(nèi)傳感等新興應(yīng)用也成為VCSEL技術(shù)發(fā)展的新陣地。

去年底，補(bǔ)盲激光雷達(dá)進(jìn)一步帶火了VCSEL，多款基于VCSEL技術(shù)的短距固態(tài)激光雷達(dá)發(fā)布，讓VCSEL再次置于聚光燈下。

除了車(chē)載激光雷達(dá)市場(chǎng)，艙內(nèi)傳感也是VCSEL應(yīng)用的重頭戲，其中以DMS（駕駛員狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)）、OMS（乘客狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)）最為產(chǎn)業(yè)關(guān)注。

*圖源：Yole Intelligence

近幾年， DMS迅速興起，可保障道路安全并提升駕駛體驗(yàn)。安全性和自動(dòng)駕駛是移動(dòng)出行領(lǐng)域的兩大趨勢(shì)，受到歐盟和美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局(NHTSA)等監(jiān)管機(jī)構(gòu)的支持，這些機(jī)構(gòu)要求汽車(chē)制造商使用駕駛員狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。自2023年起，歐洲新車(chē)安全評(píng)鑒協(xié)會(huì)(Euro NCAP)還將要求直接DMS的安全評(píng)級(jí)達(dá)到5星。

而且除提升安全性之外，DMS還可滿足舒適度相關(guān)的需求，如駕駛員身份識(shí)別和驗(yàn)證，或調(diào)整增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)抬頭顯示（HUD），從而實(shí)現(xiàn)更好的駕駛體驗(yàn)。此外，隨著L2+以上的自動(dòng)駕駛功能投入使用，方向盤(pán)離手檢測(cè)功能也愈顯重要。

隨著與車(chē)內(nèi)乘員相關(guān)的新的安全標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)出臺(tái)，以及車(chē)輛自主性的提高，乘員監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（OMS）也變得不可或缺。

值得注意的是，NCAP（新車(chē)碰撞測(cè)試）路線圖中除了涉及DMS駕駛員狀態(tài)監(jiān)測(cè)、還包括了乘員監(jiān)測(cè)和兒童位置監(jiān)測(cè)功能，可用于安全帶狀態(tài)提醒、自適應(yīng)安全氣囊部置，或提醒父母兒童遺留在車(chē)內(nèi)的情況。

一系列采用VCSEL技術(shù)的應(yīng)用正在不斷增加。

而在VCSEL方面，艾邁斯歐司朗可以提供廣泛的VCSEL激光芯片、封裝和模塊等VCSEL垂直腔面發(fā)射激光器產(chǎn)品組合，以滿足汽車(chē)激光雷達(dá)、機(jī)器人周?chē)h(huán)境檢測(cè)和智能手機(jī)人臉識(shí)別解鎖等各種應(yīng)用需求。

比如去年5月份，全球領(lǐng)先的汽車(chē)半導(dǎo)體供應(yīng)商Melexis宣布全球領(lǐng)先的光學(xué)解決方案供應(yīng)商艾邁斯歐司朗為其最新的汽車(chē)iToF產(chǎn)品提供了高性能紅外激光泛光照明器——TARA2000-AUT系列的VCSEL。

這款VCSEL不僅具有集成的人眼安全聯(lián)鎖功能，同時(shí)與業(yè)界其他VCSEL泛光照明器相比，在尺寸上更緊湊，也能實(shí)現(xiàn)更可靠、更快的系統(tǒng)響應(yīng)。

而就在前不久的6月初，艾邁斯歐司朗宣布升級(jí)了這一產(chǎn)品，全新推出TARA2000-AUT-SAFE系列VCSEL產(chǎn)品，在提供比現(xiàn)有汽車(chē)VCSEL模塊更可靠、更強(qiáng)的人眼安全功能的同時(shí)，強(qiáng)化了用于汽車(chē)艙內(nèi)傳感的紅外激光模塊組合。

新推出的TARA2000-AUT-SAFE可在940nm的峰值波長(zhǎng)下產(chǎn)生一束嚴(yán)格控制的紅外光，適用于與現(xiàn)有TARA2000-AUT系列相同的應(yīng)用場(chǎng)景：駕駛員監(jiān)測(cè)、手勢(shì)傳感和艙內(nèi)監(jiān)測(cè)，由于采用了新的內(nèi)置互鎖回路方法來(lái)保護(hù)人眼安全，為汽車(chē)制造商提高了可靠性并簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。

據(jù)悉，TARA2000-AUT-SAFE系列將于2024年起向一家全球排名前十的汽車(chē)制造商批量供應(yīng)。 這，才僅是開(kāi)始。