资料来源:Nanzao.com
导读:在这个人越来越懒的世界里，智能科技早已融入生活的每一个细节，而VCSEL芯片就是其中的“关键先生”。
2009年，一名微软员工花了3.5万美元，在当时的地球首富比尔·盖茨的慈善晚宴上，拍下了一张独家“参观券”。
这次旅行的目的地不是名山大川，也不是风景名胜，而是盖茨用7年时间、9700万美元打造的最智能豪宅“世外桃源2.0”，但这次旅行注定让他终生难忘。
在比尔·盖茨的豪宅里，当他走进房间时，门会自动打开。房间不仅开始播放他最喜欢的音乐，还会在他离开时自动暂停。每个房间都会认出他是谁，自动调节空温度。甚至当他把手放入池中时，水温也开始慢慢调整到最合适的水平。
能够提前预知未来总是令人兴奋的。在当时，这一切都像是科幻小说，但在13年后的今天，这已经成为我们每天都在使用的现实——TWS耳机可以根据是否使用自动暂停。清扫机会在清扫时主动避开周围的物体。智能门锁无需钥匙，通过“刷脸”自动开门，只需“刷脸”即可完成衣食住行的各种支付。激光雷达正在让汽车走向全自动驾驶的科幻未来。......
以前普通人想都不敢想的事情，短短13年就传遍了千家万户。不需要花9700万美元，甚至3.5万美元的“门票”。要让这一切发生，“卷起”耳机、门锁、汽车等消费品的技术。离不开一个不起眼的小芯片——VCSEL芯片。
这是一个可以让电子产品变得更智能的芯片。有了它的加持，很多产品的体验都有了突飞猛进的提升。因为它的出现，机器进一步使我们的生活更加方便。但是这一切是怎么发生的呢？VCSEL芯片是如何改变我们整个世界的？中国企业会不会再次“卡”在这个芯片上？
一张脸引发革命:“懒人”技术背后的秘密
VCSEL芯片，全称垂直腔面发射激光器，是一种微型半导体激光器，由日本科学家岩田健一和内山诚司于20世纪70年代末首次提出。起初，科学家在光通信领域使用VCSEL和EEL芯片，但它们具有明显不同的特性。
与EEL相比，VCSEL具有体积小、光学特性好、功耗低、易于与芯片集成等特点。但其激光发射功率较低，导致其探测距离不够远。所以VCSEL诞生后的二三十年一直局限在光通信领域，无法用于更多的应用场景。但智能手机的出现让人们离设备更近了，终于VCSEL芯片找到了自己的舞台。
大家都有过这样的经历:手机靠近耳朵，屏幕会自动关闭，放下手机，屏幕会自动亮起。这由VCSEL芯片制成的近程传感模块支持。激光由低功率VCSEL芯片发射，当有物体靠近时，会自动反射激光。手机可以检测物体的接近程度，判断屏幕是关闭还是打开。这就方便了手机在日常使用中尽可能的降低功耗和误触。
接近传感使VCSEL从实验室走到了千千数百万普通人的手中，但真正让VCSEL一炮而红的是——苹果在2017年推出的十周年产品iPhone X。它的发布迎来了VCSEL芯片行业的爆发式扩张。
在iPhone X的“刘海”上，有大大小小各种各样的传感器，共同组成了一个名为TrueDepth的相机系统。简单来说，这个“刘海”区域会在一个人每次解锁手机、刷脸支付、验证身份时，在他的脸上发出很多激光。然后，反射回来的激光会被用来检测人脸的三维结构，从而判断这个人是不是手机的主人，实现一系列的操作。这背后用的是结构光技术。
结构光，即由点阵投影仪产生不同的光图案。此时，反射的光线或图案会因物体的深度位置不同而发生扭曲，从而绘制出具有深度信息的独特人脸光谱。比如当你把一条直线的光打在手指上，因为手指是三维的圆弧，反射的光会发生扭曲，变成圆弧。这时候红外镜头就可以利用圆弧来反转你手指的三维结构。VCSEL芯片是能使点阵投影仪投影图形的核心光源器件。
在iPhone X的“刘海”上，无论是洪水传感器、距离传感器还是点阵投影仪，都依赖于VCSEL芯片支持。iPhone的面部识别功能让人在解锁手机、刷脸、支付时感觉更加不灵敏。不仅如此，它的安全性也大大提高:按照官方的说法，过去指纹解锁的错误率是五万分之一，而当时代进化到iPhone X的人脸解锁时，错误率只有百万分之一。
iPhone 12之后，苹果在手机后置摄像头中加入了dToF激光雷达，其中再次使用了VCSEL芯片。DToF是一种时间飞行。时间飞行利用激光发射器发出的光照射物体表面，并将其传输回来。由于光速是已知的，所以可以用红外透镜来测量物体在不同深度的不同位置的反射时间，并且可以用简单的数学公式来计算物体不同位置的距离和深度。dToF的原理是利用VCSEL芯片直接发射一个激光脉冲，然后测量反射光脉冲与发射光脉冲的时间间隔，得到光的飞行时间。
得益于dToF技术的加入，苹果设备不仅拥有更好的照片对焦效果，对焦速度和精度也大幅提升。更重要的是，为手机等移动设备的AR应用场景提供了更生动的体验，不仅定位更精准，反馈也更快捷。
所以，如今VCSEL芯片在苹果的很多产品线中都扮演着重要的角色，比如iPhone、iPad、AirPods等。耳机中的VCSEL芯片用于识别用户听歌的状态，手机和iPads中的VCSEL芯片用于拍摄精确对焦的照片和面部解锁。而且苹果正在不遗余力的布局VCSEL产业的未来——AR领域和自动驾驶汽车。据传，将于年底发布的苹果AR眼镜和很可能摆脱方向盘的苹果汽车，将向人们展示VCSEL芯片带来的更多可能性，进一步让人感受到消费光子时代的科技魅力。这些都对VCSEL芯片产业提出了更高的要求。如今，相关领域已经成为国内外众多芯片公司争夺的焦点。
半导体芯片领域:从跟随到走向世界
即将到来的消费光子时代对VCSEL芯片提出了新的要求。在很多消费应用场景中，不仅要求硬件产品体积更小、成本更低，还要求产品对能耗和散热有更苛刻的要求。而前期中国企业对于消费级光子发光模组的方案还没有完善的解决方案，整体水平处于“跟随”状态，与海外相差甚远。
iPhone发布后，海外厂商博通、Finisar、Lumentum、II-VI等。开始加速VCSEL相关产业和解决方案的研发，通过一系列并购逐渐形成头部IDM主导的局面。整体来看，这些光通信巨头通过并购和横向拓展赛道布局VCSEL核心技术，通过整合降低运营RD成本。未来上游核心技术可能处于寡头竞争。
根据行业调研报告，VCSEL制造难度较大，包括外延工艺、氧化工艺、保护绝缘等工艺，需要深厚的技术积累。尤其是外延生长技术是其生产的核心壁垒，成品率的高低直接影响企业的生产成本。
“长期以来，国内VCSEL行业走向高端面临各种困难。一方面，芯片的光电转换效率低，成本高；另一方面，大部分VCSEL公司都是初创公司，只是芯片设计公司，可以设计产品但无法量产，国产化良率低；即使实现量产，芯片封装体积大或者成本高，也无法实现大规模应用。”一位光学芯片领域的专家说。
我注意到最近国际厂商垄断VCSEL芯片的局面开始改变。目前国内有很多有实力的VCSEL公司，致力于VCSEL芯片的国产化。其中锐视科技的VCSEL芯片加光学集成封装的路线更是独树一帜。据了解，锐视科技打通了“芯片+光学+应用”的全产业链，不仅具备芯片设计能力和大规模交付能力，还拥有自建的光学封装工厂，突破行业瓶颈。其芯片级的光学整形技术和高光密度芯片技术能有效提高光功率，降低芯片成本，技术壁垒高，性能已与国际厂商一致。其独创的1.5倍光集成技术还能大幅缩小光器件尺寸，突破成本瓶颈，完全满足寻求“国产替代”的企业用户需求。
据了解，2022年上半年，锐视科技连续三个月VCSEL芯片出货量超过百万，逐步实现了VCSEL芯片国产化的良性循环。不仅如此，睿视科技还积极布局智能汽车。公司已顺利通过IATF 16949国际汽车质量管理体系认证和AEC-Q102产品整车法规认证，并已量产出货至国内新能源汽车头部客户。同时成为国内首家进入日韩世界500强供应链并量产出货的VCSEL公司。
这是中国VCSEL芯片产业的一个缩影。近年来，随着VCSEL芯片逐渐覆盖人工智能、身份识别、3D视觉、智能驾驶、安防监控、AR/VR、健康监测等行业。，更多国内企业逐渐加强话语权，光电芯片企业技术迭代明显加快并突破瓶颈，通过技术突破实现“国产替代”和“芯片出海”，有望重构全球VCSEL芯片格局。
乐章结尾部
有时候，科幻与现实的距离看似遥远，但人类的智慧最终将一切展现在眼前。一个小小的VCSEL芯片，让很多看似不可能的事情成为可能，让人类社会进入了消耗光子的时代。如今，不仅智能手机、TWS耳机、安防、汽车智能驾驶舱等领域让人们更加便捷，就连超宇宙、自动驾驶、机器人等面向未来的前沿技术也离不开VCSEL芯片的加持，这让人不得不感叹科技的发展远超大多数人的预期。
从光通信领域开始，VCSEL芯片在消费电子3D成像、激光雷达、物联网、AR/VR、医美等行业不断壮大，带火了我们生活周围的很多智能产品。在从小到大走向大众的过程中，VCSEL芯片的火热现状和未来前景再次证明，一项技术在真正匹配的场景下，会爆发出不可思议的力量。在中国企业的追赶中，VCSEL芯片引发的产业变革终将推动中国光电半导体芯片产业超越，这一天或许不会太远。
