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據(jù) Yole 報告，預計到 2023 年 VCSEL 整體市場規(guī)模將增長至 35 億美元，復合年增長率高達 48％，VCSEL 出貨量將從 2017 年的 6.52 億顆增長至 2023 年的 33 億多顆。伴隨著 AI 技術逐步成熟，智能硬件的發(fā)展趨勢滲透到光電產業(yè)的許多方面，3D TOF VCSEL 的智能攝像頭模組嶄露頭角。
隨著 5G 技術逐步推行，光通信芯片及 TO 封裝二極管市場需求巨大。同時激光雷達（LiDAR）是智能駕駛不可或缺的眼睛，車規(guī)級高功率脈沖 VCSEL 是激光雷達的核心器件。除了消費類 3D 傳感，VCSEL 在光通信和自動駕駛領域的 LiDAR（激光雷達）方面也極具應用前景。
圖源：基業(yè)常青經濟研究院
01、什么是 VCSEL？
VCSEL 全稱（Vertical-cavity Surface-emitting Laser），是垂直腔面發(fā)射激光器，最初用于光通信領域，比如光模塊中，后來開始應用于消費電子領域的 3D 感測方面，比如人臉識別，2017 年蘋果將其用在 iPhone 人臉識別模組，VCSEL 也開始受到消費電子領域的大規(guī)模關注。
目前來看國外在 VCSEL 芯片方面還是較為領先，近些年國內多家廠商發(fā)展迅速，并且開始逐漸小批量或者批量生產，多家 VCSEL 芯片也得到了資本的較多關注，比如新亮智能、縱慧芯光、睿熙科技等。
激光器是用來發(fā)射激光的裝置，而半導體激光器則是以半導體材料為工作物質發(fā)射激光的器件，根據(jù)激光芯片的結構，半導體激光器可分為邊發(fā)射激光器（EEL）和垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）。華芯半導體呂工介紹到相較于傳統(tǒng)的半導體激光器，VCSEL 有以下諸多優(yōu)點：1）有源層體積極小，從而可以獲得極低的工作閾值，如材料工藝發(fā)展可期待極低閾值甚至無閾值發(fā)光器件；2）波長和閾值對溫度變化相對不太敏感（當然 VCSEL 本身也屬于半導體激光器的一種，也就逃脫不了溫度對其影響的宿命，其波長相對于溫度變化的溫漂系數(shù)大約為 0.06 nm/℃，相比于 F-P 激光器的 0.3 nm/℃來說已經小很多了。）；3）腔長量級與波長相近，甚至更?。ò氩ㄩL量級），故縱模間隔較大，可實現(xiàn)單縱模出射；4）可得到較大的馳豫振蕩頻率，從而實現(xiàn)較高的調制頻率；5）出射圓形光斑，易于與光纖耦合；6）封裝簡易，且可以形成二維激光陣列；7）預期工作壽命達 10 萬小時及以上。
02、VCSEL 芯片的制作流程
VCSEL 的制造，不易
VCSEL 結構一般由上、下布拉格反射鏡(DBR)和中間有源區(qū)三部分組成，其典型的外延結構如圖 1 所示從下到上依次是襯底、N 型接觸層、N 型 DBR、量子阱有源區(qū)、P 型 DBR、P 型接觸層。
圖 1 氧化限制頂發(fā)射激光器剖面示意圖
其中有源區(qū)為器件最重要的組成部分，由于 VCSEL 腔長極短，需要腔內有源介質對激射模式提供較大的增益補償。
圖源：合一粒子
材料外延生長（晶圓）-->外延結構的表征（X 射線衍射、反射譜、PL 譜、電化學 C-V 特性等） -->芯片工藝制作（包括外延片開片清洗、SiNx 生長、多次光刻、ICP 刻蝕、氧化、金屬電極、剝離、減薄等） -->后段工藝（包括劃片解個、I-V 特性、I-P 特性、光譜等） -->最終完成從材料到芯片的全過程。
VCSEL 芯片的工藝分解
MOCVD，為金屬有機物化學氣相外延。通過外延工藝，按設計出的外延結構將材料生長出來，形成符合要求的晶圓。
圖源：合一粒子
激光器就是利用半導體中的電子光躍遷引起光子受激發(fā)射而產生光振蕩器和光放大器的總稱，其產生激光同樣要滿足以下三個基本條件：
1）建立有源區(qū)內載流子的反轉分布；
2）合適的諧振腔使受激輻射在其中得到多次反饋形成激光振蕩；
3）提供足夠強的電流注入使得光增益大于或者等于各種損耗之和，滿足一定的電流閾值條件。
三個基本條件對應著 VCSEL 器件結構的設計理念。VCSEL 的有源區(qū)使用應變量子阱結構，建立起實現(xiàn)內部載流子反轉分布的基礎，同時設計合適的反射率的諧振腔使輻射出的光子形成相干振蕩，最后提供足夠強的注入電流使得光子能夠克服器件自身的各種損耗形成激射。
實際制造過程中使用金屬有機物化學氣相沉積（MOCVD）設備生長外延材料、生長外延結構過程中，以 4 寸半絕緣砷化鎵作為外延襯底層，三甲基甲（TMGa）、三甲基鋁（TMAl）、三甲基銦（TMIn）作為Ⅲ族源，砷烷（AsH3）作為Ⅴ族源，硅烷（SiH4）作為 N 型摻雜源，四溴化碳（CBr4）作為 P 型摻雜源。
外延生長過程中需要精確控制各層材料的生長溫度、氣體流量、時間等條件，使得生長的外延層結構和組分滿足設計要求。外延生長結束后，經過一系列外延材料測試設備如光致熒光譜測試儀（PL）、X 射線衍射儀（XRD）、原子力顯微鏡（AFM）、擴散濃度測試儀（ECV）等進行測試，外延片如果滿足測試要求，那么就得到了合格的 VCSEL 外延片。
然后利用斷點監(jiān)控電感耦合等離子體刻蝕技術和精確濕法氧化控制技術等芯片制造技術，最后得到高速雙臺面同面電極結構 VCSEL 陣列芯片。隨后再進行芯片解理、測試、分選、抽樣老化及可靠性測試
03、國內主流 VCSEL 芯片廠商進展如何？
長期以來，VCSEL 芯片被 Broadcom（Avago）、住友電工、Finisar 和 Lumentum 、ams 等國外少數(shù)國際廠商把控。但近幾年隨著 3D 感知技術及市場發(fā)展，多家國內 VCSEL 芯片廠商開始迅速成長，并開始小規(guī)模并規(guī)模量產，包括新亮智能、縱慧芯光、睿熙科技、檸檬光子、瑞識科技、華芯半導體、長光華芯等。
1. 新亮智能
新亮光子成立于 2006 年，是新亮智能集團旗下的全資子公司，專業(yè)從事 VCSEL 芯片及其它光芯片的研發(fā)制造和銷售，公司致力于人工智能和物聯(lián)網領域，為消費類電子，工業(yè)應用，車載 / 航空、光通信等領域提供核心的 VCSEL 芯片等光子器件。
2020 年 9 月，新亮光子發(fā)布了多結（Multijunction）VCSEL 芯片，單孔光功率高達 30mW；斜率效率（SE）2.2W/A；能夠在 -40 至+105°工作；發(fā)光面積更小，易于準直。
3D TOF VCSEL 的智能攝像頭模組嶄露頭角
圖源：新亮光子
新亮光子提供 3D TOF VCSEL 滿足攝像頭模組生產商迫切需求 3D 或者單點測距的適配光源。
波長包括 850nm 和 940nm,標準產品有功率 2W 和 4W，出光角度有 60°x45°，72°x58°，90°x70°，120°x85°，120°x90°；新亮光子 VCSEL 的特點是工作溫度范圍寬，可靠性高，調制頻率高，都可以達到 100MHz 或者以上；同時封裝 PD 和 VCSEL 一起，既可以檢測 diffuser 是否脫落，也可以作為控制 VCSEL 光功率恒定輸出的反饋信號。
圖源：新亮光子 Multijunction VCSEL 有助于車載激光雷達、人臉識別、機器視覺產品的更小型化。今年早些時候，新亮光子還推出了高性能、高可靠性的 940nm VCSEL 系列產品。
新亮光子擁有國際同步的 6 吋 VCSEL 芯片量產線，打造了以 VCSEL 為核心的光子芯片及 COB 模組的 IDM 模式，是全球較為知名的 VCSEL 產品及方案供應商。
高功率脈沖 VCSEL 是激光雷達的核心器件
圖源：新亮光子
新亮光子推出了高轉換效率和高可靠性的 808nm，850nm，940nm VCSEL 系列產品：連續(xù)功率有 1W，2-3W，4-5W；光發(fā)散角度小至 20°、光電轉換效率高達 48%。溫度高達 90℃時，PCE 仍然高達 31%。
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圖源：新亮光子相較于邊發(fā)射激光（EEL），VCSEL 具有低臨界電流的潛力、發(fā)光光束具有圓形對稱特性與調制頻率高等優(yōu)勢。除了功耗低，體積小，易于集成外，該系列芯片還具有響應快的優(yōu)點。
應用于激光雷達 LiDAR，主要為車載使用，探測距離較遠，一般在 100m-200m 之間，脈沖功率在 200W-300W 左右。
圖源：新亮光子新亮光子采用 IDM 模式，大大縮短了產品研發(fā)和生產周期，降低元氣件采購種類，減少生產成本，因此產品和方案備受客戶的青睞。除了上述 CIOE 熱門需求產品，新亮光子提供 808nm，850nm，940nm 各種功率規(guī)格的準連續(xù)（QCW），連續(xù)以及高峰值脈沖功率的單顆和陣列 VCSEL 光源。
2. 縱慧芯光
縱慧芯光成立于 2015 年，可提供高功率和高速 VCSEL（垂直腔面發(fā)射激光器）解決方案，設計和制造 VCSEL（650nm 至 1000nm），應用于高速光通信、生物醫(yī)學、工業(yè)、汽車和消費類產品中的光學傳感中。
圖源：縱慧芯光面向消費類應用已推出的 VCSEL 產品公司聯(lián)合創(chuàng)始人兼亞太區(qū) CEO 陳曉遲談到，消費電子領域是公司主攻的市場之一，包括手機、掃地機器人、人臉支付、智能門鎖等應用場景。在 2019 年全球 ToF 傳感器市場中，縱慧芯光的 VCSEL 激光器占比達到 32.6%，位列全球第二。今天的縱慧已成為國內多家手機品牌高端機 VCSEL 的主要供應商，比如華為 Mate30 Pro 前置和后置 ToF 供應商。縱慧芯光從 2019 年下半年開始聚焦汽車激光雷達領域。
縱慧芯光消費類 VCESL 產品的可靠性水平和量產保障能力體現(xiàn)在兩方面：
（1）世界級的產品可靠性?？v慧芯光的 2W、940 nm 單結 VCSEL 產品，在 75℃下 PCE 為 40%，105℃時超過 30%，PCE 在較寬溫度范圍（-40 ~ 105℃）表現(xiàn)優(yōu)秀。
其中，這顆產品的加速老化測試結果超過 2600 小時，等效于全天 24 小時工作的條件下持續(xù)發(fā)光 24 年（也等效于每天 8 小時工作，壽命達 72 年），這已遠遠超出客戶對壽命的要求，足以滿足車規(guī)級要求。
圖源：縱慧芯光單結 2W VCSEL 的可靠性表現(xiàn)非常優(yōu)秀
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（2）以量產為目標。陳曉遲博士表示，“有了令人滿意的可靠性性能之后，我們關注的是如何大規(guī)模地生產這顆芯片，即芯片的可量產性?？v慧芯光雖然是一家初創(chuàng)公司，但一直秉承‘以量產為目標’的理念，從項目立項開始，就嚴格按照新產品導入流程，保障每一階段的穩(wěn)健輸出，最終達到可量產的目標?！?/p>
陳曉遲博士展示了縱慧芯光在過去一段時間積累的 2000 片 6 英寸外延晶圓波長的分布圖，可以看出波長的波動范圍控制在± 5 nm 內。此外，縱慧芯光在外延代工廠擁有每月超 1500 片的產能，在常州建有自有外延產線，外延產能每月超過 1000 片。
縱慧芯光的最新 2000 片 6 英寸外延晶圓波長分布圖
據(jù)悉，縱慧芯光已經提前布局了下一代 VCSEL 產品：多結 VCSEL，并可實現(xiàn)分區(qū)點亮。相比單結 VCSEL，多結 VCSEL 將多個 PN 偏置結在垂直方向上串聯(lián)，能輸出更高的峰值功率，并提供更佳的信噪比，所需驅動電流更小，有助于降低整個系統(tǒng)的功耗。在相同光功率需求下可減小芯片尺寸，因此相比單結 VCSEL 優(yōu)勢明顯，從而成為未來汽車激光雷達光源的最佳選擇。
縱慧芯光為汽車激光雷達開發(fā)的第一代多結 VCSEL 的性能表現(xiàn)，各項指標均可滿足汽車激光雷達的要求：
（1）LIV 性能：在相同的電流下，三結 VCSEL 可以實現(xiàn) 8.2 W 的光功率輸出，單結 VCSEL 只有 3 W，同時三結 VCSEL 在室溫下 PCE 高達 53.7%，達到全球領先水平。
（2）短脈沖下的溫度穩(wěn)定性：工作在 85℃時輸出光功率相比 25℃相差小于 10%，充分證明了三結 VCSEL 的溫度穩(wěn)定性非常好，可滿足長距離激光雷達高溫環(huán)境下的工作要求。
（3）遠場發(fā)散角：隨著驅動電流的增加，多結 VCSEL 發(fā)散角度變化較小，形狀從“甜甜圈”形狀慢慢變成單峰形狀。
（4）可靠性：1000 小時加速老化測試結果表明無任何衰減，等效于產品壽命超過 15 年。
（5）車規(guī)認證：縱慧芯光 VCSEL 產品已通過 AEC-Q102 車規(guī)級認證，能夠滿足車規(guī)要求。
圖源：縱慧芯光 LIV 特性對比：單結 VCSEL vs. 三結 VCSEL
目前，縱慧芯光主要為汽車激光雷達提供兩種 VCSEL 光源解決方案：（1）多顆 VCSEL 集成封裝在一起，從而提高最終的輸出功率；（2）分區(qū)點亮 VCSEL 方案，包括 850 nm 波段和 940 nm 波段、單結和多結技術。
3. 華芯半導體
華芯半導體科技有限公司位于泰州市姜堰區(qū)現(xiàn)代科技產業(yè)園，投資已超 5 億元，占地面積 90 余畝，建筑面積 50000 平米。
公司主要產品為高亮度 LED、藍綠光半導體激光管、垂直腔面發(fā)射（VCSEL）光子芯片、DFB 光子芯片、EML 光子芯片以及高亮度半導體激光芯片等。產品主要應用于激光顯示、激光照明、激光電視、光纖通訊、數(shù)據(jù)中心、云計算、超算等領域。
圖源：華芯半導體商用 25G VCSEL 激光器制造流程
華芯半導體近期接受媒體采訪的時候表示，公司 2017 年 3 月宣布其自主開發(fā)的 25G VCSEL 芯片已通過客戶測試，一時間引起全行業(yè)高度關注。
圖源：華芯半導體官網
到目前為止，華芯半導體已經為業(yè)界提供了包括 850nm 6G/10G/25G VCSEL 外延片和芯片， 940nm 5mW~4W VCSEL 芯片及外延片，藍光外延片和芯片等系列解決方案，完全滿足數(shù)據(jù)通信、3D 感測及測距、激光雷達等應用的要求。
4. 睿熙科技
睿熙科技成立于 2017 年，專注于 VCSEL 芯片及衍生產品的研發(fā)及量產，2020 年 9 月，公司完成 2 億元人民幣 A+輪融資，將主要用于下一階段芯片的量產以及流片研發(fā)投入。據(jù)官網介紹，公司 VCSEL 芯片可以滿足消費電子領域每月 10kk+供貨能力。公司對標 lumentum，定位高端芯片市場，目前產品覆蓋消費電子、數(shù)據(jù)通信以及車載三大領域，產品線如今覆蓋各類場景應用：
除了消費電子領域，睿熙科技也在積極拓展數(shù)據(jù)通信領域和車載領域，據(jù)介紹，在數(shù)據(jù)通信領域，25G 數(shù)通產品現(xiàn)階段已經進入量產階段，在車載領域，產品能量轉換效率可達 35%+，功率在 1000W。
圖源：睿熙科技睿熙科技車載領域與全球最大車載鏡頭供應商深度合作，已完成用于車載激光雷達 VCSEL 芯片的定制開發(fā)。芯片峰值輸出功率數(shù)百瓦，發(fā)光點約千個，支持逐行按序點亮。現(xiàn)階段正在開發(fā)二代產品。
相對集成電路設計，一方面光芯片對工藝依賴程度高，同時上游代工標準化程度低，VCSEL 的多層外延結構使得其對外延要求很高，工藝上 know-how 非常多，而光刻環(huán)節(jié)相對標準化。初創(chuàng)公司在戰(zhàn)略制定方面常常在 Fabless 以及介于 Fabless 和 IDM 之間（部分環(huán)節(jié)代工+部分自建產線）選擇，需要權衡公司資金、技術、經驗等方面的儲備，比如縱慧芯光的“fab-lite”除了電路 IC 設計還自建核心外延產線。
5. 檸檬光子
檸檬光子成立于 2018 年，主攻高性能半導體激光芯片及其模組和光引擎，包括 VCSEL 垂直腔面發(fā)射激光器 、EEL 邊發(fā)射激光器等產品，可應用于 3D 傳感、AR/VR、機器人、激光雷達、消費電子、智能制造、物聯(lián)網、數(shù)據(jù)中心等領域。
2020 年 4 月，檸檬光子推出了領先業(yè)界的高性能大功率 808 nm 和 850 nm VCSEL 芯片系列產品。據(jù)介紹，該系列產品具有高效率、高可靠性和優(yōu)異的高溫性能等特點，可應用于三維傳感、激光雷達、泵浦、安防、醫(yī)療等紅外照明等領域。
檸檬光子推出的 808 nm 和 850 nm VCSEL 芯片具有如下特點：
種類范圍廣：輸出功率從幾毫瓦，幾百毫瓦，通用的 1W、2W，到高功率 4-10W（連續(xù)輸出）或更高（脈沖輸出） ；
在連續(xù)輸出(CW)模式下取得領先業(yè)界的電光轉換效率，PCE~48%（1 W 芯片），PCE~46% （8W 芯片）;
圖 1 功率和效率曲線
高溫下保持良好的性能，即使在熱沉溫度 120°C 的情況下，850 nmVCSEL 芯片的電光轉換效率也超過 25%；
圖 2PCE vs 溫度曲線
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除了提供不同功率選擇的標準化 VCSEL 激光芯片產品，檸檬光子也能根據(jù)客戶的需求，提供芯片及相應模組的定制設計服務，例如客戶可定制發(fā)散角在 20 至 30 度之間的常規(guī) VCSEL，以及檸檬光子正在為客戶定制開發(fā)面向 dToF 應用的高能量密度 VCSEL。
檸檬光子該系列 VCSEL 產品適于大規(guī)模量產，完全采用 6 英寸外延及流片，有極為精減的加工流程，并已在多家國內外成熟的 6 英寸芯片代工廠得到驗證。同時，該產品具有優(yōu)異的可靠性，已通過 50°C 熱沉溫度下 2000h 以上連續(xù)出光的加速老化壽命測試。
6. 威科賽樂
威科賽樂微電子股份有限公司成立于 2018 年 1 月，是由廣東先導集團與重慶萬林投資公司共同出資打造，致力于半導體材料、晶圓、激光器芯片的研發(fā)、制造及銷售，一期投資 13 億元，總占地面積 75 畝。
據(jù)官網介紹，公司專注創(chuàng)新，通過資源整合、技術革新，實現(xiàn)了年產 250 萬片砷化鎵、磷化銦等襯底材料與年產高端激光器芯片 20 億顆的生產能力，投產后將徹底改變國內應用于智能手機、無人駕駛等領域的 3D 感測和激光雷達芯片嚴重依賴進口的困局。
圖源：威科賽樂
2020 年 5 月，由威科賽樂公司生產的首顆擁有自主知識產權的 3D 感測 VCSEL 芯片在萬州下線。目前公司芯片生產線已進入工藝優(yōu)化階段，預計下半年進行小批量投產。該芯片的下線，意味著威科賽樂從此成功擠入了全球為數(shù)不多可以自主研發(fā)制造 3D 感測 VCSEL 芯片的企業(yè)陣營。
7. 瑞識科技
瑞識科技是一家源自硅谷的高科技公司，由美國海歸博士團隊創(chuàng)建。公司致力于半導體光學領域，為人工智能、身份識別、3D 視覺、輔助駕駛、安防監(jiān)控、特種照明、智慧物流、健康監(jiān)測等行業(yè)客戶提供行業(yè)領先的光源產品和具有競爭力的光學解決方案。
圖 3 瑞識 SRay 工作原理
瑞識科技核心技術包括光芯片設計，光學透鏡集成，器件級集成封裝，數(shù)理建模，光電系統(tǒng)整合優(yōu)化等。公司的 VCSEL 外延及芯片設計已經完成數(shù)百片 6 寸晶圓的量產驗證。
公司產品涵蓋不同波長包括 850nm，940nm，光功率從幾毫瓦到數(shù)瓦的完整系列，可供 3D 結構光，接近傳感、紅外泛光源以及 3D TOF 感應等不同場景中的應用。
瑞識 SRay 通過整合了瑞識科技自主設計制造的 VCSEL 芯片以及準直透鏡（Collimator）和衍射光學器件（DOE），在使用時主動投射出由 2~3 萬個肉眼不可見、滿足 class 1 激光人眼安全標準的光點組成的紅外激光散斑，在被測物無任何感覺情況下，實現(xiàn)快速無感的表面深度信息解析，可廣泛適用于近距離人臉識別、手勢識別、活體檢測等智能應用場景。
早先推出的專為 3D ToF 研發(fā)的發(fā)射光源——TRay VCSEL + Diffuser 產品系列，緊湊尺寸，兼具高精度、高可靠性、高光電轉換率和低功耗產品優(yōu)勢，全面適用于 ToF 現(xiàn)有技術路線中的 iToF 和 dToF 方案，工作距離最遠可達 10m。
圖：瑞識 TRay ToF 光源系列產品實拍圖
瑞識 TRay 系列，通用視場角（FOV）有 60°*45° /72°*55°/90°*70° /110°*90° /20°*120° 等多種可選。作為 ToF 需求客戶的理想發(fā)射光源選擇，TRay 系列有以下六大產品優(yōu)勢：
- 采用自主研發(fā) VCSEL 芯片，具備高性價比、高可靠性和一致表現(xiàn)；采用獨家高“芯占比”封裝技術，3.45*3.45*1.65mm/3.5*3.2*1.3mm 緊湊尺寸，比市面現(xiàn)有產品體積縮小了 60%以上；高方案兼容性：波段 850/940nm，適用于各類移動產品集成；功率涵蓋 1W-5W，匹配主流 ToF 光源需求；高硬件兼容性（腳位 pin to pin）；高效率：高轉化率（PCE）達 42%，低功耗；高定制靈活性: 根據(jù)客戶需求，提供涵蓋芯片設計、視場角、光功率、PD 電流保護方案等在內的全鏈定制服務。極致性價比：全鏈可控，最大限度降低成本。
8. 長光華芯
長光華芯主要致力于高功率半導體激光器芯片、高效率半導體激光雷達 3D 傳感芯片、高速光通信半導體激光芯片及相關光電器件和應用系統(tǒng)的研發(fā)生產和銷售。產品廣泛應用于工業(yè)激光器泵浦、激光先進制造裝備、生物醫(yī)學及美容、高速光通信、機器視覺與傳感等。
目前，長光華芯的 VCSEL 已經推出距離傳感器、結構光（SL）、飛行時間（ToF）三大類產品，標準產品的波長包含 808 nm、850 nm、940 nm。這些產品可廣泛應用于距離傳感、人臉識別、手機 3D 傳感、機器人、汽車激光雷達、光通訊、原子鐘、安防照明等領域。
圖源：長光華芯官網
VCSEL- 5W TOF，VCSEL 均勻列陣芯片具有高功率、高效率、高可靠性等特點，并滿足客戶的定制化需求。適用于適用于飛行時間（TOF）3D 傳感方案，廣泛應用于人臉識別、無人駕駛、智能安防、AR/VR 等領域。
除了上述企業(yè)，已經量產 VCSEL 芯片的廠商還有光迅科技、海特高新、仟目激光，此前就有報道稱，光迅科技的 25G VCSEL 芯片已通過部分客戶驗證，逐步進入量產階段，今年 6 月份表示，光迅科技表示，公司 25G VCSEL 芯片的良率在逐步提高，生產和研發(fā)過程自主可控。
9. 博升光電
博升光電成立于 2018 年 12 月，由世界著名科學家和企業(yè)家創(chuàng)辦，是技術領先的光電半導體科技企業(yè)， 致力于為消費電子、智能物聯(lián)網、輔助 / 自動駕駛、光通信、云計算等企業(yè)，提供下一代高性能 VCSEL 光芯片解決方案。公司目前產品主要包括：應用于消費電子、智能物聯(lián)網 3D 傳感的 940nm 結構光 /iToF/dToF VCSEL 芯片，應用于輔助 / 自動駕駛的 940nm 激光雷達 VCSEL 芯片，應用于光通信、云計算 的 850nm10Gbps/20Gbps/25Gbps/50Gbps VCSEL 芯片。
博升光電擁有豐富的 VCSEL 光芯片技術積累和儲備、以及下一代核心專利技術—高對比度光柵（HCG）。HCG 從底層結構上對現(xiàn)有 DBR 結構的 VCSEL 帶來革命性的改進，通過單層 HCG 光柵替換現(xiàn)有 100 多層的 DBR 反射鏡，大幅簡化了 VCSEL 外延結構，縮短了外延生長時間，提高了生產效率。
dToF 是 3D 傳感產業(yè)最受關注的技術方向之一。博升光電很早就對 dToF 技術進行了研究，公司成立不久就已經開始設計 dToF VCSEL 芯片，目前已有支持 dToF 的分區(qū)點亮的 VCSEL 產品實物送樣。在國內，博升光電是業(yè)界很早具備實物產品送樣能力的公司。目前支持 dToF 的 VCSEL 已經有分區(qū)點亮、多 PN 結等不同種類的芯片產品，并且正在和合作伙伴進行定制化開發(fā)以提升系統(tǒng)性能。
博升光電同樣關注激光雷達市場。車用 VCSEL 不僅用于車外的激光雷達，也有車內應用，比如 DMS（疲勞駕駛預警系統(tǒng)），根據(jù)不同場景應用，VCSEL 芯片的性能指標有很多不同。博升光電的核心競爭力在于芯片的高功率、窄光束的特質，而且樂于與下游客戶密切合作做定制化開發(fā)。
10. 海威華芯
海特高新子公司海威華芯開發(fā)了砷化鎵 IPD、PPA15、VCSEL、氮化鎵 NPA25 等制程產品，在基站射頻氮化鎵、充電硅基氮化鎵、3D 感知 VCSEL 砷化鎵等核心產品進入小批量量產階段。
海特高新今年 3 月份表示，公司 VCSEL 芯片廣泛應用于人臉識別、測距、激光雷達、3D 感知等諸多領域，在消費電子領域有廣闊的應用， 2017 年 11 月成立于武漢的仟目激光，主要產品為 VCSEL、DFB、窄線寬激光器、工業(yè)大功率激光器等多種類型，在消費電子、自動駕駛、光纖通信以及工業(yè)切割等領域均有廣泛應用。
公司 2019 年 12 年就成功量產了 6 寸晶圓 25G VCSEL 芯片，應用于數(shù)據(jù)中心、消費電子中?？梢灶A見，未來在 3D 傳感、5G 通信等多領域的需求推動下，及各廠商的研發(fā)投入及經驗積累下，國內 VCSEL 芯片將會取得長足發(fā)展。
11. 乾照光電
乾照光電于 2018 年 11 月宣布擬出資 15.97 億元建設 VCSEL、高端 LED 芯片等半導體研發(fā)生產項目，由公司全資子公司廈門乾照半導體科技有限公司負責承辦。
據(jù)了解，由于紅黃光 LED 和 VCSEL 同屬 GaAs 材料體系，憑借在砷化鎵光電器件領域的多年積累，乾照光電 2017 年開始對 VCSEL 展開密集調研，次年正式投入 15.97 億用于投建 VCSEL、高端 LED 芯片等高端半導體項目，由全資子公司乾照半導體承辦，并成立合資子公司——乾照激光。在戰(zhàn)略投資 VCSEL 項目時，乾照光電充分信賴和依靠自身的技術團隊，選擇“企業(yè)孵化+科研院所合作”的產學研相結合的模式，將乾照光電的量產經驗與科研院所的理論底蘊相結合。
截止目前，乾照已建成包括 3D 感測 VCSEL 外延生長、芯片流片、點測分選和可靠性驗證等完整一站式 VCSEL 產線。
（1）針對結構光客戶，目前乾照已配合數(shù)家結構光客戶進行隨機列陣定制，并已為部分客戶小批量供貨。得益于完整和高效的 VCSEL 產線，乾照激光產品迭代迅速，供貨有保障：常規(guī)的 VCSEL 隨機陣列，定制周期較短，包括方案評估、光刻圖形定制、芯片研發(fā)和生產等環(huán)節(jié)。已通過驗證的客戶，重復訂單，從下單到出貨不到 3 周。
（2）針對 TOF 方案客戶，目前公司內部已開發(fā)的產品波長覆蓋 940nm 和 850nm，功率覆蓋單孔的 5mW 到高功率的 8W 均勻列陣。批量出貨產品的光電轉換效率可達 40~45%。
乾照光電均勻列陣產品
2019 年，乾照光電在高端化合物半導體領域通過投資、孵化、內部研發(fā)等多種方式并舉，積極拓展激光芯片、VCSEL 芯片、光通訊芯片等半導體產業(yè)機會?，F(xiàn) VCSEL 芯片產品已經實現(xiàn)小批量出貨，有望搶占 3D 感測的先機。此前乾照光電透露，公司目前的 VCSEL 芯片產品主要是根據(jù)客戶需求，按訂單生產，正在小批量出貨。
乾照光電可提供一站式的 VCSEL 測試和可靠性驗證，包括加速老化、 冷熱沖擊、可焊性實驗、恒溫恒濕實驗、靜電實驗等。在一輪輪的產品出樣和迭代周期中，對于 VCSEL，乾照光電已具備量產的幾大必需能力：響應及時、迭代迅速、制程穩(wěn)定、可靠性保障、大規(guī)模出貨。
在紅黃光 LED 外延片及芯片領域，乾照光電現(xiàn)有 MOCVD 共 42 個腔；在藍綠光 LED 外延片及芯片領域，公司擁有 MOCVD 共 155 個腔（折 K465I 機型）。目前均已導入 4 寸片生產工藝，產能在原有基礎上有所提升，且外延片良率均不低于 98%。
12. 三安集成電路
三安集成電路有限公司成立于 2014 年，是隸屬于上市公司三安光電的全資子公司。在光學通信和光子學領域，三安集成提供定制單片機和陣列、DFB 激光器、光電二極管、雪崩光電二極管(APDs)、監(jiān)控光電二極管(MPDs)等高速光學產品的晶圓制造。能力包括大功率可見和紅外 VCSELs，用于 3D 傳感的邊緣發(fā)射激光器，激光雷達和一些消費應用。
三安集成今年宣布推出針對應用于數(shù)據(jù)中心 AOC、光模塊基于其 GaAs 技術平臺的高速 25G VCSEL 芯片組及陣列系列，可以結合三安集成的 25G 850nm PD 芯片，為客戶提供全套的低功耗、極具成本效益的 25G 收發(fā)組合芯片。
面向光通訊領域，三安集成供應 10G-25G 850nm PD 芯片，1310/1550nm MPD、SPD、PD、APD 芯片，2.5G/10G/25G DFB 彩光芯片,10G/25G 850nm VCSEL 芯片等各類光芯片產品。其中，25G 850nm/1310nm PD 已實現(xiàn)大批量量產，25G 850nm VCSEL 和 25G 1310nm/CWDM DFB 也已經可以小批量量產。下一步產品規(guī)劃，例如 25G PAM4、56G 850nm 短距產品正在持續(xù)推進。
三安集成的優(yōu)勢是作為平臺型芯片供應商，不同于光器件公司內部直屬的光芯片部門，可以更全面地掌握行業(yè)需求走向和細分要求，更不會局限于某個特定方向，因此容易把握自身產品的演進迭代。同時，還可以不自我設限地面向市場各類需求開放平臺，以品質吸引客戶，同時發(fā)揮大批量制造和交付能力滿足客戶要求，規(guī)模效應攤薄成本并為后續(xù)產品迭代積累經驗和資源。
13. 光迅科技
光迅科技成立于 2001 年，不過它的前身可以追溯到 1976 年，其前身是中國光通信的鼻祖—武漢郵電部固體器件研究所,公司是光通信領域具備光芯片、器件及模塊一體化能力龍頭。
光迅科技 25G VCSEL 芯片
公司采用雙線戰(zhàn)略：法國 Almae 公司研發(fā) 25G EML 芯片，國內團隊研發(fā) 25G DFB 芯片，目前公司的 25G PD 探測器已經釋放量產；25G IPD 正在內部驗證改進；激光器芯片方面，25G VCSEL 芯片進展快一些，在客戶上已經做了批量送樣驗證；25G EML 芯片去年已經給國內國際客戶送樣，進度有快有慢，內部在解決量產的成品率問題，預計今年年底有階段性的成果；25G 商業(yè)級的 DFB 芯片已經在客戶送樣；從公司 25G 多種型號的光芯片進展來看，公司目前正在全力進行 25G 多種型號芯片的研發(fā)、測試、送樣驗證和量產準備工作。
根據(jù)公開資料顯示，法國 Almae 主要從事通信用 InP 基高速激光器研發(fā)和生產，其產品速率涵蓋 10G 和 25G。隨后 Almae 接手了原 III-V 實驗室剝離的設備和超過 2000 平米的潔凈室，用于進行通信相關產品產能的擴充。此外，2014 年公司通過定增募投光電子芯片產業(yè)化項目，在武漢本部建設 10G DML/APD、25G VCSEL 和 40G PIN 等光芯片產能。憑借兩次收購外延和定增內生，公司已具備高端無源光芯片和高端有源光芯片的生產能力，為公司面向高端高速模塊的產能提升和成本優(yōu)化打下了堅實的基礎。
光迅科技在技術發(fā)展戰(zhàn)略中，聚焦高速光模塊的生產以及光電芯片的自主研發(fā)，研發(fā)投入長期處于國內同行企業(yè)中領先，承擔國家光電子芯片和器件國產化替代的戰(zhàn)略任務；2017 年 1 月光迅科技牽頭成立光谷信息光電子創(chuàng)新中心，其目標旨在于解決 25G 速率以及以下光電子芯片技術，2020 年實現(xiàn)國內廠家在核心光電子芯片和器件的市場占有率不低于 30%的目標，到 2025 年實現(xiàn)核心光電子芯片和器件自主可控。
14. 太平洋（聊城）光電科技
太平洋（聊城）光電科技有限公司成立于 2016 年，是一家光通訊元器件制造商，主要產品有光模塊、VCSEL 芯片及 AOC 光纜等，應用于大數(shù)據(jù)、云計算中心服務器間數(shù)據(jù)交互。目前已具備年產 1800 萬對 VCSEL 面射型激光發(fā)射器芯片的能力，產品目前主要應用于大數(shù)據(jù)、云計算中心服務器間數(shù)據(jù)交互、4G、5G 網絡。
光通信芯片方面，公司產品包括 5G、10G、25G VCSEL 芯片；3D 傳感方面，公司產品包括 850nm 及 940nm，2mW-2W 的 VCSEL 芯片。
25G 面射型激光器芯片示意圖
太平洋（聊城）光電模塊負責人楊文卿告訴記者，在云計算以及數(shù)據(jù)中心的產品應用上，已完成 10G、25G、40G、100G 等低中高速率光收發(fā)模塊的研發(fā)并投入市場。
15. 源國科技
深圳源國光子通信有限公司成立于 2017 年，主要從事 10G、25G 乃至 56G 的 VCSEL 芯片開發(fā)和生產。旗下?lián)碛小癡CSEL 芯片”、適用于光纖連接的“MPO 模塊”，廣泛應用于大型數(shù)據(jù)中心、超級計算機內的連接。
據(jù)公開信息，公司已開始批量生產 850nm 和 940nm VCSEL 芯片，應用于消費電子領域。
VCSEL 芯片方面，25G 產品經過去年送樣及檢測，已開始了批量出貨，截止目前，VCSEL 芯片出貨量最大的還是以 10G 產品為主，同時在傳感及手機領域，源國科技 VCSEL 產品也開始了客戶送樣階段，期待未來能在更多領域得到拓展。
長波 VCSEL，仍有瓶頸
華芯半導體呂工介紹到通過對光纖損耗原因進行分析，人們發(fā)現(xiàn)光纖材料中的水汽（OH-）對光纖損耗影響很大。研究人員對生產光纖的工藝進行了改進，降低了水汽吸收的影響，而后發(fā)現(xiàn)光纖有三個低損耗窗口，分別是短波長 0.85 μm、長波長 1.31 μm 和 1.55 μm。
當前 850 nm 波段的 VCSEL 商用已經非常成熟，長波波段具有低色散和低損耗的特點，因此具有重要的應用。但在長波長范圍內，垂直腔面發(fā)射激光器的研究進展較為緩慢，主要有以下原因：
1)很難將具有高反射率、低電阻、低熱阻的 DBR 與能在長波長范圍提供高增益的有源層集成在一起；
2)長波長波段，P 型材料的電阻較大，造成發(fā)熱嚴重，因此整體器件的電阻幾乎全部來自于 P 型 DBR。因此長波長 VCSEL，合理的 P-DBR 設計對于減小器件的串聯(lián)電阻，降低制作難度，延長器件使用壽命至關重要[1]。
未來趨勢，可期
呂工說到隨著 VCSEL 在消費電子、智能手機的應用成熟，越來越多的客戶根據(jù)應用端需求對 VCSEL 提出了更高的要求，如更高的可靠性、更低的成本、更高的功率密度。上述需求在遠距離 3D 傳感應用中的呼聲更為強烈，比如智能手機后置 3D 攝像頭和汽車激光雷達。業(yè)界對此有較為統(tǒng)一的認知——VCESL 從單結向多結發(fā)展。
未來 VCSEL 激光器的發(fā)展根據(jù)其應用領域，將有以下趨勢：
針對光通信用的 VCSEL 激光器：
1） 更高調制帶寬和傳輸速率；
2） 更低的功耗；
4） 更寬的工作溫度范圍；
5） 覆蓋波段范圍更廣。
針對感測類應用的 VCSEL 激光器:
1） 高的光電轉換效率（PCE）；
2） 更高的點陣密度；
3） 高能量、低時延；
4） 覆蓋波段范圍更廣；
5） 更寬的工作溫度范圍。
本次 2020 第二屆激光雷達大會大會 ams、lumentum、縱慧芯光、威科賽樂等主流 VCSEL 廠商會現(xiàn)場參與展示交流，敬請期待！
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2020 激光雷達大會活動預告：
（點擊圖片查看大會詳情）
大會背景
智車行家攜手易貿信息科技將于 12 月 15-16 日在上海召開 2020（第二屆）激光雷達前瞻技術展示交流會，與 30 余位行業(yè)專家共同圍繞著市場趨勢、技術發(fā)展、車規(guī)級制造、傳感器融合、車路協(xié)同應用等熱點話題展開討論，分析最先進的激光雷達技術（包括光學器件，光源，接收器和處理單元等），力圖打造一個集信息共享、經驗交流、技術支持以及產品展示的綜合性合作平臺。
