VCSEL产品介绍20180808

1、VCSEL 敢光器简介 1、VCSEL 勺定义 VCSEL（Vertical-CavitySurface-EmittingLaser,垂直腔表 面发射激光器）是一种垂直于衬底面射出激光的半导体激光器。基本结构是一个“三明治”结构，由上下两个 DB 皈射镜和有源区这三部分组成。上下两个 DB 皈射镜与有源区构成谐振腔。有源区由几个量子阱组成，作为VCSEL 勺核心部分，决定着器件的阈值增益、激射波长等重要参数。高反射率的 DB 他多层介质薄膜组组成，实现对光的反馈。为得到较小的阈值电流，DBRK 射镜的反射率一般在 99.5%以上。 VCSEL默IS 2、VCSEL 勺发光原理 VCSE 席用的

2、原材料有碎化钱、磷化锢或氮化钱等发光化合物半 导体。【衬底方面，不同材料衬底厚底不同，但总体厚度约 100-150um,在制作时保留 300-600um 厚，方便机器手抓取。外延方面，共 200 多层，总厚度才 8-10um（包括谐振腔），外延片不能太厚，主要原因是 MOCVD 炉的时间效率（10um 需要烤 10 小时）及偏差（越高越容易走形）考虑。发VGSELSftffl 光原理方面，VCSEUf 其它半导体激光发光原理一样，首先要实现是能量激发，通过外加能量激发半导体的电子由价带跃迁到导带，当电子由导带返回价带时，将能量以光能的型式释放出来。然后依靠上下两个 DBR5 射镜和增益物质组成

3、的谐振腔实现共振放大，谐振腔使激发出来的光在上下两个DBR5 射镜之间反射（谐振腔长 200nm 来回几千次后，总路径可长达 4mm,不停地通过发光区吸收光能，使受激光多次能量反馈而形成激光。 3、VCSEL 勺优点 VCSE 廉具低制造成本、优异性能和易集成三大优点！经过在电信、数据通信等领域多年发展，目前 VCSEE 经具备耦合效率高、功耗低、传输速率快、制造成本低等优良特点。与 LED 和 FP 激光器【法布里-珀罗激光器（FPlaser）】、DFB#光器【分布反馈式激光器（DFBlaser）】相比，具有体积小、圆形输出光斑、单纵模输出、阈值电流小、价格低廉、易集成为大面积阵列等优点，广

4、泛应用于光通信、光互连、光存储等领域。 VCSEL 的优良特点的优良特点 主动感知的 3D 摄像头技术通常使用红外光来检测目标，早期 3D 传感系统一般都使用 LED 作为红外光源。在技术方面，由于 LED 不具 有谐振器，导致光束更加发散，在耦合性方面也不如 VCSEL 由于 VCSE 在精确度、小型化、低功耗、可靠性全方面占优的情况下，现在常见的 3D 摄像头系统一般都采用 VCSEL 乍为红外光源。 Itttt VCSEL LED| 2-3mW 3-5mW 枷马光 好.低发蚯 套鬲躺性 敏斑 电南 光电特禁效率 川%以上 20%EXT 11 WGbpS OJGbps inett 0.06

5、nm/T 0.25m/r 制HW Inm 2&30nm 半导体激光器按照发射方向可以分为：边发射激光器和面发射激 光器，其中边发射激光器主要有法布里-珀罗激光器(FPlaser)和分布反馈式 发射角小.具白国对称的近场和 I近场分布 垂直腔面出射 能够也按在,而日)上进行工艺制作 有测试J 阈仅电流低， 体枳小吊子效率高 激光器(DFBlaser)两种【边发射发光效率可达到 70%面发射最大到 60%平均只有 40%华芯公司目前只有 35 溢右】 ， 面发射激光器目前主要指 VCSEL结构上 FP 激光器一般由衬底层、波导层、有源层，及金属导线层组成，普遍采用双异质结多量子阱有源层；D

6、FB 激光器在 FP 的基础上沿着共谐振腔外部加一层光栅，依靠光栅的选频原理来实现纵模选择，以提升激光的单色性。 典型半导体激尤将 用t博 理霰北区口卜M澈北XVCSEL 及再虐现：#网.隼gxr 与传统边发射激光器相比，VCSE 而光束质量、与光纤耦合效率、腔面反射率上都具有较大优势， 且因为 VCSE 发射光线垂直于衬底而边发射激光器发射光线平行于衬底，因此 VCSElft 够实现二维阵列而边发射激光器不行。 征 VCSEL AikriU 出界方向 垂直于村底 平行于材度 AM* 泾向时相:此束 不对济光束 与光肝的亶提夸姓率 -100% -50% 立面反射幸 98% 30% 0.3um

7、*300um 集成化 易于实网二维阵刖 亚一堆阵列 我们从成本优势、尺寸优势、波长热稳定性、功耗、通讯距离等 方面对三种主流半导体激光器进行比较分析 【目前光通信的干线光线激光器用边发射，但支线一般用面发射, 面发射的最大极限距离是 300M 目前，光通信带宽 30G 的，使用 VCSEL 会使得误码率跟不上，除非使用 25G 的 VCSE 殴备才行，但目前 25G 的性能还不稳定。】 1比较现日 FPW 口FBtfb也 VCSEL 女 尺寸优第 玄文 A 女女女 波长热定馋 会 *玄心 知 -IMA *玄+ 育 功帏优磬 他电就 女 从最近上市的具有 3D 摄像头的产品也能看到，红外光源由

8、LED 向VCSEL 专变是必定趋势！从 2016 年意法半导体及 AM 睡 THeptagon 发布的光学模块新产品来看，均采用 VCSEL 乍为红外线光源，且消费级产品联想 Phab2ProAR 手机与 IntelRealSenseSR300 也采用了 VCSEL 乍为红夕卜光源。 据了解，目前 3DSensing 有 3 种主流方案，分别是结构光方案、TO 昉案以及双目立体成像方案。 示意图 分辨率 中 底 高 精度 高 中 中 真法开发难度 中 底 高 硬件成本 底 中 集辘而微僖：jiweinel 在这三种 3DSensing3DSensing 技术对比中发现， TOFTOF 方案与

9、结构光方案因其使用便捷、 成本较低等优点而最具前景。但是结构光方案在精度方面超越了另外 2 2 种方案, 非常适合智能终端采用。 【结构光和 TOFTOF 方案区别】： 我们进行测距或是 3D3D 建模的话，一般会有三种方法： 1)1)一是传统的双目，两个都是可见光摄像头，这个大家也比较熟悉。它的劣势是比较明显的，就是算法麻烦，计算量大，要实现高的分辨率也比较困难。同时它将会有误判的情况出现，比如说两个东西虽然有一前一后的距离，颜色很接近，必然会造成误判的情况出现。 2)2)还有另外一种，用 TOFTOF 做距离的探测，它的优点是利用光的延时来进行 1塔构光方案 TOF方案 基础原理 激光靓斑

10、编码 反射时差 双目立体成像方案 双目匹配，三角测量 具体方法 利用双撰爆头拍摄物体，再通道三 角形原理计算物体距离 结构先投附特定的光信息到物体表面后， 由揖像头果窠。 根据悯体匿成的光信居的变化来计算物体的位置和亲度等信息， 进而复原整个三缝空间 通过专有传感器，捕提近红外光从发射到接收的飞行时间，判断物体 理高 距离的测量，可以马上就可以报出的距离，他们也不需要很多复杂的计算它有一个很明显的劣势，目前来说 TOFTOF 没办法做成一个比较精密的成像。在我所了解的信息里，TOFTOF 目前能实现的最高像素是 0.1M0.1M 像素，如果这样的像素下是比较难用作人脸识别、虹膜识别的，同时他们

11、也会有面临用红外光的问题（后面会说），这是 TOFTOF 的劣势。 3 3）由于上面两种方法他们有各自的缺点，我们有第三种方式就是我们的结构光，英文叫做 StructuredlightStructuredlight,它为什么叫这个名字？他们打出来的光并不是普通的光源，他们打出来的光是有一定的细节，最简单的是打出黑白相间的条纹，去照射我们的物体。黑白条纹打到一个平面，它反射过来其实仍旧是黑白的条纹；但是如果它是打到某些物体上，例如圆柱。黑白条纹有一些畸变，通过这个畸变就可以把它的立体信息提取出来，这是最简单的一种。比较先进的是打出一种散斑作为结构光，我们可以把大面积的散斑划分成很多小区域，如果是

12、 9X9 的九宫格的话，某一些格子可以是亮的，某些格子是暗的，相当于是对空间做成了编码，有了这个编码就知道这个点是处于我们画面中的哪些位置。利用这些散 斑我们可以知道，如果没有物体的情况下它只是一个均匀分布的散斑，有物体的 情况下，我们发现散斑会产生一定的畸变，根据编码我就知道这一点畸变位于什么样的位置，同时可以把 3D3D 的信息可以提取出来。这是结构光的优势，它不需要用很精准的时间延时来测量，只需要用普通的红外摄像头去收集一些红外的信息，就可以进行 3D3D 的测算。 但是对于结构光我们会有技术问题，首先是光源的问题，它还是需要红外的光源进行，但是我们知道，红外光源在室外使用是有问题的，因

13、为太阳是连续波段，一般来说他们有大量的红外分量在，所以在室外，如果打出这些光照到物体 上再做反射的话，他会淹没在太阳光的红外分量里，我们没办法探测到。这次传言苹果用的波段其实是 940940 波段，这个波段是有讲究的，因为太阳光虽然是一 个连续的光谱，唯独在这个波段里有一个能量的极小值，因为大气中的水分子会吸收这部分的能量进行共震，太阳光有这个窗口，也就是说他利用这个窗口在室外打出 940940 的但是 光照到物体作为反射，我们的接受器是能感受到的。一般来说， 我们传统的硅基红外探测器是达不到 940940 吸收的波长，一般在 800800 多的波长， 这种波长肯定会淹没在太阳的红外分量中。据

14、我了解，目前能做到 940940 作为吸 收比较强的传感器的有一个叫 InvisageInvisage 的公司做的量子薄膜可以精确调节基础波长， 可以作为红外的吸收。他们的基底仍旧是普通的硅基基底，只是把传统 sensorsensor 的吸收层换掉，从而可以实现 940940 波长吸收的探测器，它的分辨率还是挺高的，完全可以满足成像的需求。 据目前的信息来看的话，如果苹果真要采用人脸识别，我觉得他们可以采用 VSCELVSCEL的模组作为发射器，同时他们可以用一个这种薄膜做成的摄像头作为红外的识别，然后再用一个 TOFTOF 的接收器去做 TOFTOF 的接近感应测量，再加上普通的 RGBRG

15、B 的摄像头，这样的方案来做整体人脸识别+ +前置摄像头+ +距离探测功能。】 事实上，无论是结构光方案、TOFTOF 方案还是双目立体成像方案，3DSensing3DSensing 主要的硬件包括四部分：红外光发射器（IRLDIRLD 或 VcselVcsel）、红外光摄像头（IRCISIRCIS 或者其他光电二极管）、可见光摄像头（VisCISVisCIS）、图像处理芯片，窄带滤色片，另外结构光方案还需要在发射端添加光学棱镜（DOEDOE）与光栅，双目立体 成像多一颗 IRCISIRCIS 等。 而在 3DSensing3DSensing 产业链的上、中、下游中，上游部分包括：红外传感器、

16、红外激光光源、光学组件、光学镜头、CMOSCMOS 图像传感器；中游包括：传感器 模组、摄像头模组、光源代工、光源检测、图像算法；下游包括：终端厂商以及应用。 其中 3DSens3DSensinging 产业链关键部件在于：1 1、红外线传感器；2 2、红外激光光源；3 3、光学组件。产业链相关红外线传感器的上市公司有 STMSTM、AMSAMS HeptagonInfineonHeptagonInfineon、TITI、索尼、豪威等；产业链相关红外激光光源的上市公司有 FinisarFinisar、LumentumLumentum、IIII- -VIVI、光迅科技等；产业链相关光学组件的上市

17、公司为福晶科技；而提供综合技术方案的上市公司有 STMSTM、微软、英特尔，德州仪器、英飞凌等。此外，3D3D 摄像头模组的上市公司有欧菲光；滤光片有水晶光电；摄像头芯片封测有晶方科技；镜头有联创电子等。 4、VCSEL勺应用 VCSEL勺应用主要由光通信领域向商业级应用如工业加热、 环境监测、医疗以及消费电子（如 3Dsensing）领域发展。 850nm 波段 VCSE 嘀用化程度最为成熟，是短距离光纤数据传输系统的重要器件； 此后开发出的长波段产品主要用于长距离光纤通信、光并行处理 以及光识别系统； 随着工艺、材料技术改进，VCSE 黑件在功耗、制造成本、集成、散热等领域的优势开始显现，

18、逐渐应用于消费电子、工业加热、环境 监测、医疗设备等商业级应用以及 3D 感知等消费级应用 【VCSE 应用在光通信和手机方面，区别如下: 频率 功率 价格 尺寸 光通信 高 低， 单个 2mWV 单颗 2-3 元（10G 规格） 250um*250um 手机 低 高，每个 5mW,30c个发光元件（阵 列）。 17-13 元每颗芯片 1mm*1mm, 5、VCSE 市场容量 2016 年之前，VCSE 住要应用领域在光通信领域，受益于 40G 及 100G 通信技术的发展，VCSEK 光器的市场需求仍将持续发展，但未来最大的市场应用将会是智能手机领域。市场研究公司 Light Countin

19、g 发表报告称，预计 2017 年智能手机方面 VCSEK 光器需求量在6000 万只，2018 年将迅速增加至 1.2 亿只，2019 年将会达到 2.4 亿只，基本上保持每年翻番增长。远超光通信不到 5000 万只的需求。通过下面图表我们可以看出，2017 年将成为 VCSEL1 光器在 智能手机应用的转折点，而这无疑是苹果 iPhone8 手机的功劳 6、国内 VCSEK 光器现状 在光通讯领域，VCSEK 光器应用已经成为趋势，但是目前有能力推出商业化产品方面的只有：光迅科技（股票代码：002281）。随着 5G 以及物联网行业的快速发展，带来流量数据爆炸式增长，对于高速低功耗器件需求

20、越来越高，因此 VCSEK 光器前景非常广阔，而国内在芯片生产方面还没有摆脱技术限制，仍然受制于人。 在消费电子领域，目前国内还没有一家具有量产的能力。【有报 道称：由陈晓迟带领的团队，以硅谷为研发中心，以国内为生产基地，预计将于 2018 年第二季度实现垂直腔面发射激光器大批量生产。但据华芯半导体彭某称，纵慧自己设计，然后让 IQE 做外延，然后再找稳懋代工做芯片。目前他们厂房已经到位，但设备暂未到货（截至 20180805）1 在科研方面，吉林大学、长春理工大学、北京邮电大学、厦门大 学、中科院半导体所、华中科技大学等都对 VCSEK 光器进行了不同层面的研究。但是，其行业技术门槛很高，受

21、制于关键技术壁垒，国内仍未实现量U. 5 2 02 01 S0qcnD 产。 值得一提的是，自动驾驶在全球范围内迅速火热，国内外主流汽车厂商基本都在尝试自动驾驶方案。其中，如何降低激光雷达成本成为该技术落地的关键。而 VCSEK 光器作为激光雷达光源提供了一种新方案。 7、VCSE 乐来发展趋势 VCSE 器件由问世到运用于光通信领域，再到延伸至消费电子领域，本质上是其性能、工艺和材料的一部发展史，从技术看产业，我们结合 VCSE频域内主要玩家产品线变化和 VCSE 发展历程探析： (1)、1990-1996:该阶段 VCSEU1 刚问世，主要是采用液相外延技术(LPB 实现 In-GaAs/

22、InP 材料。这时它在各方面性能并不具有优越性，发射方式为脉冲激射，中心波长为 1.18um,阈值电流为 900mA(远大与成熟技术)； (2)、1996-1999:该阶段主要是 650850nm 短波段的大范围应 用发展。业界主要采用减少谐振腔长度的方法来降低阈值电流，并通 过开发 AlAs 氧化技术来提升 DB 皈射镜的反射率，具有高反射率、高热传导率和良好的导电特性的 AlAs/GaAs 在这一阶段被应用于 VCSEL实现在850nm下超过80%勺反射率， 同时阈值电流降低至mA级别。1997 年起 VCSEL 在单通道短距离光学互连市场占据了绝对的主导地位， 此外也在 650670nn

23、段被应用于基于塑料光纤的数据通 信系统（因为塑料光纤在 650nm 处有最小吸收）； （3）、2000-2005:这一阶段主要是 1300nm1500nmfe 波段的应用发展，主要解决波长变长带来的散热、电流限制、反射镜制作等问题。首先氧化物限制工艺被引入，这一技术能够极大地提升光电转换效率（50 犯上）和光束稳定度，使其能够稳定地耦合进单模和多模光纤，同时氧化物限制方案能够继续降低阈值电流至几百AA,为解 决此后 VCSEL 车列严重过热问题打下基础。同时直接键合工艺在长波段VCSE 的作中得到广泛应用，因为长波长材料 GaInAsP/InP 与 DBR 两种材料折射率相差小，反射性能差，因

24、此直接键合 GaAsSDBRW InP 有源区来制作长波段 VCSE 成为热点， 长波段 VCSE 是大容量光通信系统和光互连的关键器件； （4）、2005-2016:这一阶段 VCSE 器件开始逐渐由光通信领域延伸至工业级应用及消费电子领域，发展趋势为阵列化和小型化。这一阶段核心工艺主要为基于 MEMSi 术的可调谐 VCSELM 术、VCSEL 阵列技术以及电流限制技术。阵列技术使得 VCSEL#件向高功率、高速率发展，得以用于加热、探测等工业级应用领域。电流限制技术（离子注入、掩埋隧道结等）将电流限制在较小区域内，是 VCSE 撤型化的关键工艺。此外金属键合技术的引入改善了 VCSEL

25、勺散热问题，使得它能够更好地应用于体感设备、智能手机等消费电子领域。 综上，我们认为，VCSE 产品将继续向高速度、高效率、低功耗、低成本的方向发展，消费电子的应用将为进一步拓展创造条件。未来 VCSE 的继续应用在激光雷达、激光投影方面。 8、VCSELfe 头企业 目前，全球范围内主要的设计者包括 Finsar、Lumentum PrincetonOptronics、Heptagon、HVI 等公司，它们在移动端 VCSEL 处于前沿的研发角色。由 IQE、全新、联亚光电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）、稳懋（Hepta

26、gon合作方）等公司进行晶圆制造，再经过联钧、矽品等公司的封测，便变成了独立的 VCSEL 器件。然后由设计公司提供给 意法半导体、德州仪器、英飞凌等综合解决方案商，再提供给下游消费电子厂商。 目前 VCSEILM 域主要厂商共有 5 家，分别是 LumentumFinisar、 II-VI、PhilipsPhotonics 和 HLJ 华立捷。我们可以看到，基本上都是来自于光通信芯片的龙头企业；可以说正是有了光电子在通信领域的经验，消费级应用变得顺理成章，两者产品具备很强的技术延展性。重点关注光电子通信龙头，切入消费电子应用的爆发潜力。 (1) Lumentum 公司作为专业光学厂商， 其前身是全球最大的光纤零件供应商JDSU(后拆分为 Viavi 和 Lumentum。凭借广泛的技术和制造经验，成为 VCSEL 勺全球领先供应商，可靠 Ti 高，产能大。公司于 2005 年和 2007 年分别收购Agility 通信和 Picolight 公司， 为公司带来关键的短波 VCSE 段术。 根据公司2017Q2电话会议， 公司3Dsensing产品已