浅谈可寻址VCSEL

汽车

VCSEL技术因其紧凑的尺寸、高效率和高可靠性，在汽车领域的应用正在迅速扩展，成为实现车内外多种传感器应用的关键技术。同时，随着自动驾驶技术的发展，VCSEL因其高人眼安全性，在汽车传感器领域的地位变得越来越重要。它在车舱内部监控、智能照明、激光雷达（LiDAR）、自动驾驶和高级驾驶辅助系统（ADAS）等多个方面发挥着重要作用。

传统的车舱内监控系统大多依赖于红外LED，但使用VCSEL替代LED的趋势日益明显。在LiDAR技术方案中，由于VCSEL的快速脉冲模式非常适合LiDAR应用，能够提供高峰值功率的超短脉冲实现3D环境感知的更高精度，VCSEL正在逐步取代传统的EEL。

VCSEL的小型封装显著减少了传感器的占用空间，与传统技术相比，其体积缩小了5到10倍。通过为VCSEL二极管添加智能功能，例如单片集成微光学元件，VCSEL不仅能够进一步减少占用空间，还为光学设计提供了更大的灵活性。这种设计灵活性使VCSEL能够支持车内外的不同应用，满足从短程到长程的照明需求。

在夜间驾驶时，VCSEL技术能够通过红外补光的方式，探测前方路况，并将图像清晰地显示在中控显示屏上。传统的夜视系统主要依赖红外光源和摄像机获取黑白图像，尽管这能够增加可视距离，但在雨雾等恶劣天气下，摄像机接收到的反射光容易饱和，难以捕捉远距离的微弱光信号。

此外，传统激光器通常以连续或准连续模式工作，功耗较高，且需要复杂的散热设计，增加了设备体积。而最新的VCSEL技术引入了纳秒或微秒级的窄脉冲激光器进行补光。结合激光器和摄像机开关时机的精确控制以及延时扫描技术，可以在不增加功耗的前提下，对不同距离的目标实现清晰成像。

这种技术不仅减小了设备体积，还提高了成像效果，尤其在复杂天气条件下表现出色。目前，VCSEL的这一应用已广泛应用于交通监控、汽车夜视以及高速运动目标的检测等多个领域。汽车车头有一套远红外夜视系统即搭载了VCSEL芯片，在高速情况下仍能实现300m超长距离的高分辨率。

从2020年开始，越来越多的汽车制造商开始将激光雷达技术集成到其汽车中的高级驾驶辅助系统（ADAS）中。ADAS通过传感器（如摄像头、雷达和激光雷达）收集车辆周围环境的数据，并结合软件算法，帮助驾驶员做出更安全的驾驶决策。

固态激光雷达是自动驾驶汽车中的关键传感器，2D可寻址VCSEL作为其核心技术之一，以实现高精度、高效率的环境感知和测量，从而实现更高级别的夜间自动驾驶功能。在固态激光雷达中，2D可寻址VCSEL阵列允许对每个VCSEL单元进行单独控制，对外发射点阵多光束光源。这意味着可以精确控制哪些VCSEL单元发出激光，以及何时发出激光。

同时，探测器可以开启与发射相对应的区域，接收目标反射光。最终，通过多个角度的电子扫描，完成整个视场范围内的激光雷达点云获取。这种灵活性使得固态激光雷达能够实现高密度的点云生成，从而更准确地感知周围环境。不仅可以帮助自动驾驶汽车准确感知周围环境中的行人、车辆和其他障碍物，也能在机器人导航可以自主规划路径、避开障碍物，并准确到达目标位置、无人机高精度的障碍物检测能力，使其能够在复杂环境中安全飞行（无人机避障）等领域展现出广泛的应用前景。

消费电子应用

自2016年VCSEL技术首次被应用在手机中以来，极大地推动了整个行业的快速发展。在消费电子领域，VCSEL激光器已经被广泛应用于多种消费类电子应用场景，包括手机/平板、TWS蓝牙耳机、AR/VR、健康监测、人脸识别、3D传感、美容医疗等。

消费类应用的VCSEL芯片涵盖了单孔或多孔芯片，规则或随机发光孔阵列芯片，单结或多结芯片，可寻址芯片。光功率从毫瓦级低光功率（连续驱动）至数百瓦级的超高光功率（脉冲驱动）。波长范围包含红光可见光（650nm-680nm）和近红外光（808nm、850nm、905nm、940nm）。未来陆续推出紫外，蓝绿光，及全波段VCSEL，欢迎关注咨询。

如今，VCSEL技术在手机中的重要作用不仅限于人脸识别，还扩展到表情捕捉和3D建模等功能，例如苹果的Animoji功能。为了实现高密度的3D结构光，iPhone采用了包括VCSEL在内的多种技术组件来增强3D成像和红外摄影能力。

智能手机设计的发展对VCSEL技术提出了更高的要求，近年来，OEM厂商正致力于将近红外波段的VCSEL技术集成到OLED屏幕下方，这项技术能够降低电源消耗、改善热管理，并提升光学性能。

市场对于更高屏占比的追求也促使传感器集成到显示屏下方，需要依赖更先进的材料和制造工艺。此外，短波红外波段的VCSEL有望成为屏下3D传感模块的核心技术，从而带动整个行业向更高集成度方向发展。

在智能家居领域，VCSEL激光传感器被广泛应用于智能扫地机器人、智能门锁、智能灯光、小型家庭美容仪器等设备中。VCSEL激光雷达由于其高精度和小型化的特点，尤其适用于长距离检测和室内导航。

且由于大多数消费产品的内部空间都极为狭窄，终端家居客户在考虑接近传感的应用集成时，一般会要求模块尺寸最大限度紧凑。而当接近传感的发射端与接收端距离过于接近时，发射光与内部反射光会发生信号串扰，进而影响整体的测量精度。

目前，公司已推出特有的超窄发散角可大幅降低传感器件信号串扰现象，确保发射和反射光具有清晰、不互相干扰的往返路径，可帮助缩小接近传感模块尺寸、简化器件设计并实现更精确的距离测量。

在智能家居领域，VCSEL技术将成为智能家居设备如扫地机器人、智能电视、家用投影仪等产品的核心传感器。伴随着智能家居设备市场的扩展，VCSEL技术的市场需求也会进一步攀升。

在可穿戴设备领域，目前主要的如智能手表、智能戒指等拥有心率检测、控制智能家电等功能，通常都包含了VCSEL激光器。例如，苹果手表利用VCSEL技术实现脉搏血氧检测，并在无线立体声（TWS）耳机中提高了佩戴检测的准确性。

同时，小尺寸和超低功耗也使VCSEL成为便携式健康监测设备的理想选择。在智能戒指等新兴市场，VCSEL技术通过提高生理数据采集的准确性和降低功耗，进一步推动了设备的功能和市场应用。高功率高光效红光VCSEL发射的光可以透过皮肤测量睡眠健康、心率和血氧饱和度，在运动监测和健康管理方面非常有用。

数据通信

在过去的半个世纪里，移动技术几乎每十年都会实现一次创新的飞跃。从最初仅支持语音通话和短信，发展到现在能够承载超高清（UHD）视频和增强现实/虚拟现实（AR/VR）应用，移动带宽的需求持续增长。

目前全球消费者和企业用户对网络和云服务的需求仍在持续上升。社交网络、商务会议、超高清视频流、电子商务和游戏等应用在这一过程中发挥了关键作用，进一步推动了数据通信市场的扩张。

在技术层面，VCSEL以其单片制造能力、卓越的波束质量、快速的调制带宽以及阵列形式的可扩展性，展现出在短距离互连领域的显著竞争力。特别是在850nm波长的VCSEL中，这些特性使其成为数据中心高速通信的理想选择。

目前，随着市场对高速数据传输需求的不断增长，VCSEL不仅在现有架构中得到广泛应用，同时也激发了新材料和技术平台的开发，以满足5G网络、人工智能和机器学习等新兴技术的需求。

在数据通信领域，光收发模块市场增量显着，2019至2020年期间增长了23.8%，主要受到数据中心互连需求的增加、城域网和长途网络对额外容量需求的增长以及5G移动网络加速发展的推动。

到2021年，光收发模块市场的收入继续增长21.3%，达到58.3亿美元。这一增长的主要因素包括工作、教育和娱乐领域对视频会议、流媒体视频、社交网络和云计算需求的激增，这些应用加速了数据和视频流量的增长。

随着数据中心和5G通信市场的扩展，数据量承载指数级增长，光模块等产品在数据通信行业的需求预计将持续上升。这些应用场景不仅促进了光模块市场的发展，也进一步推动了光模块市场的发展奠定了VCSEL技术在未来数据通信中的重要地位。

工业激光

在工业应用中，VCSEL激光器在激光雷达系统中的应用已成为推动工业自动化和智能基础设施发展的关键因素。这些激光雷达系统能够实现精确的光探测和测距，广泛应用于工业自动化、交通控制、测距仪等领域。

VCSEL的加入使得工业机器人能够识别并避开人类工人，同时清洁机器人也能在复杂环境中自主导航，显著提升了工业生产的安全性和效率。

工业激光雷达产品类型包括远程激光雷达和机器视觉等。随着技术进步，激光雷达系统已从早期的工厂自动化和自动门等少数应用，扩展到物流、智能基础设施和安全等新兴领域。3D激光雷达的快速发展和成本降低，正在挑战2D激光雷达的传统地位，为工业应用带来新的可能性。

物流自动化的加速推进，使得激光雷达在仓库、港口的自动引导车辆（AGV）和工业清洁机器人中的应用迅速增加。尽管许多自动化应用仍处于测试阶段，但其发展速度值得关注。

同时，激光雷达在智能基础设施中的应用也在扩大，如交通控制、机场人群管理和公共安全等领域，激光雷达作为关键传感器的作用日益凸显。它们能够提供匿名的3D信息，并且可以在夜间操作，逐渐取代了电感回路、相机和雷达等传统技术。

目前，多模VCSEL在工业激光雷达和机器视觉应用中占据主导地位。然而，单模VCSEL因其更高的精度和稳定性，在传感和计量领域的新兴应用中迅速获得市场份额。单模VCSEL广泛应用于环境监测、医疗诊断和工业过程控制等领域，随着这些应用的发展，对精确传感解决方案的需求也在上升。

随着技术的持续进步和新应用的不断涌现，VCSEL激光器在工业领域的应用正变得越来越广泛。预计未来，随着对更高精度、更快响应和更低功耗需求的增长，VCSEL技术将在工业自动化和智能基础设施中扮演更加关键的角色。

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​审核编辑 黄宇