VCSEL究竟带来了哪些“黑科技”呢？

2017年iPhone X发布，深度相机走红，搭载了3D传感技术的摄像头，通过测量景深信息，把传统二维摄像能力提升至三维，并由此将手机功能衍生向人脸解锁、面部识别等模块，迅速引爆市场。

一些不太被熟知的元器件也逐渐走入大众视野，VCSEL就是其一。

就在iPhone X发布的同一年，一批留学美国并在世界500强企业有着多年工作经验的博士、专家们在余姚相聚，以VCSEL的研发设计为主营方向，创办了宁波睿熙科技有限公司。

几乎与他们创业的脚步同步，2017年8月，睿熙科技就获得舜宇V基金天使轮融资，次年8月获得达晨、天创Pre-A轮融资，如此飞速的融资速度，足见这个小小元器件的无限前景。

三大应用领域

资本簇拥，VCSEL究竟带来了哪些“黑科技”呢？

睿熙科技的创始人之一汪辰杲博士告诉记者，VCSEL（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，垂直腔表面发射激光器）是指从垂直于衬底面射出激光的一种新型结构的半导体激光器，以砷化镓半导体材料为基础研制。VCSEL从某种层面上，既可以理解为半导体芯片，也可以归类为光电元器件。VCSEL的主要材料是三五族半导体砷化镓，其制造工艺及产品形态同集成电路芯片很相似，但从器件原理及功能角度来看，其本质是一个半导体激光器，运作原理就是通过电流驱动后，在芯片的表面垂直方向发射出激光。

如应用到手机前置的3D人脸识别功能，是通过VCSEL投射出散斑红外光点，这些光点会因为每个人五官、脸型的区别而产生形变，这些形变经过红外摄像机拍摄后经过算法计算，从而实现了因人“立体识别”的功能。在手机后置应用中，VCSEL发出的激光经过匀光片后均匀地投射到物体表面，根据物体反射光线返回的时间就能计算出与物体的距离。通过这个技术可以构建环境的3D模型，从而为虚拟现实、增强现实等应用的实现提供了技术的平台。

当然，VCSEL的应用空间不仅仅局限于手机。汪辰杲表示：“业界已经公认，我们进入了从2D向3D转变的视觉革命。之前很多2D视觉应用，根据不同应用场景和不同客户需求逐渐向3D视觉方向发展。”

除了大家最熟悉的智能手机，线下人脸支付、扫地机器人、智能门锁等这类日渐火热的电器中也少不了VCSEL的影子。例如在扫地机器人应用中，这个在外观上其貌不扬的元器件，就成为了机器人的“眼睛”，帮助扫地机器人精准避障、规划扫地路径。

另外，随着互联网、云计算、5G等的快速发展，VCSEL在光通信领域的应用出现了很大规模的增长，进一步带动VCSEL产业成熟。比如，数据中心中高性能计算机每天都要处理海量的数据，以传统的电信号传播方式已经不能满足其使用需求，一般都使用光纤替代。这就涉及到需要把计算机的电信号转化为光信号、再把光信号转化为电信号的环节，VCSEL就在其中起到了“光电转换器”的作用。

据汪辰杲介绍，目前，业内人士最期待的另一市场应用领域是将VCSEL拓展进入汽车应用，如自动驾驶、无人驾驶的激光雷达、驾驶员监测系统（DMS）等等。

“VCSEL在未来4～5年会出现大规模的出货量增长。总体来讲，VCSEL市场‘蛋糕’会越来越大。”汪辰杲对此颇有信心。

成长空间广阔

毫无疑问，从当前的发展来看，未来VCSEL大有可为。根据麦姆斯咨询统计，2015年全球VCSEL的市场规模为9.5亿美元，占红外光源总市场规模的21%，随着VCSEL成本的逐步降低以及在消费电子领域的逐渐渗透，至2022年VCSEL的市场份额将激增至45%，市场规模有望达到31.2亿美元，年复合增长率可达17.3%。此外，物联网尤其是涉及3D感知的产品的快速发展，也有可能提供新的市场。

但是，摆在眼前的问题是，长期以来，VCSEL的核心技术仍被美日少数国际厂商把控，睿熙科技又是如何从中找到突破点，打造自己的“护城河”的呢？

对此，汪辰杲调侃道：“从某种程度来讲，我们这个团队本身就是‘护城河’。”

成熟VCSEL产品在可靠性工艺方面往往需多年积累和无数纠错实验，才能做到低成本、高性能、高良率，高可靠性的大批量产业化，需要从业者有工业界多年累积的丰富经验和迅速解决问题的能力。而睿熙创始团队就包括业界顶级VCSEL专家、世界500强VCSEL晶圆厂负责人，以及世界500强全球供应链技术质量部技术负责人兼首席激光专家；创始人从事VCSEL设计、外延生长、关键制程工艺开发超过20年，经验覆盖自设计研发制造至市场销售全链条。这也是他们这支“明星团队”一创业就获得资本护驾的原因之一。

另外，VCSEL设计研发领域天然就带着一堵高墙，它综合了半导体材料、激光物理、半导体制造工艺、高速射频电子和光学技术等学科。不仅芯片结构复杂，而且需要在使用比硅材料脆弱及本征缺陷度高的砷化镓材料的情况下，满足高性能和高可靠性要求。

在汪辰杲看来，设计一款VCSEL，10％～20％的设计难度来自性能优化，包括高速性能、热性能、电光性能，而更多的设计难点在于解决可靠性问题。“VCSEL的可靠性失效模式非常多，包括外延生长过程中的缺陷、芯片制程中的缺陷、机械损伤、氧化层相关的可靠性问题，还有应力和电流导致的缺陷。要解决这么多失效模式，对VCSEL的设计提出了非常高的要求和难度。”

不过，睿熙科技团队对这些挑战并不畏惧。回顾睿熙科技不到三年的成长史，公司成立次月，第一代应用于3D结构光VCSEL芯片下线，性能国内领先；同年12月第二代结构光VCSEL芯片推出；2018年3月，第三代结构光VCSEL和ToF（飞行时间）VCSEL芯片推出，PCE（功率转换效率）、发光点均匀性、量产稳定性均有很大的提升；2018年4月，自建可靠性实验室和设备开始运行，开始积累可靠性数据，具备高性能VCSEL芯片量产能力；同月推出大功率2W/3W ToF VCSEL芯片；2019年3月，推出单点大功率小尺寸结构光VCSEL芯片；2019年5月，应用于数据通信最新一代应用的的25G VCSEL芯片出样，同月高性能大功率2W/3W ToF VCSEL规模量产；2020年二季度第一代应用于车载激光雷达的350W首样芯片推出……据透露，今年下半年，睿熙还会有几个重要产品线陆续开始量产，届时会带领公司产值实现大幅飞跃。

“从整个VCSEL产业来看，供应链还是比较紧俏的，因此留给国内VCSEL公司很大的成长空间和市场空间。我们目前的核心竞争力还是在VCSEL的设计端，美国高通设计的芯片推动了全球移动科技的进程，我们的目标就是做中国光电行业的‘高通’。”汪辰杲展望道。