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2009年，一位微軟公司員工花費(fèi)35000美元，在當(dāng)時(shí)地球首富比爾·蓋茨的慈善晚宴上，拍下了一張專屬“游覽券”。
此次游覽的目的地不是名山大川，也不是風(fēng)景名勝，而是蓋茨耗費(fèi)7年時(shí)間和9700萬美元打造的地球上最智能的豪宅“世外桃源2.0”，但這趟行程注定會(huì)讓他難忘終生。
在比爾·蓋茨的豪宅里，當(dāng)他走入房間，門便自動(dòng)打開了，房間里不但開始播放他喜歡的音樂，在離開時(shí)還會(huì)自動(dòng)暫停，而每一個(gè)房間都會(huì)識(shí)別出他是誰(shuí)并自動(dòng)調(diào)整空調(diào)溫度，甚至當(dāng)他把手放進(jìn)泳池中，水溫開始慢慢調(diào)節(jié)到最適合的程度。
能夠提前預(yù)知未來總是令人興奮的，當(dāng)時(shí)的這一切看似科幻，但在13年后的今天，卻成為我們每天都在使用的現(xiàn)實(shí)——TWS耳機(jī)可以根據(jù)使用與否自動(dòng)暫停，掃地機(jī)會(huì)在清掃時(shí)主動(dòng)避讓周圍物體，智能門鎖不用鑰匙只用“刷臉”自動(dòng)開門，只靠“刷臉”就能搞定衣食住行各種支付，激光雷達(dá)正在讓汽車走向完全自動(dòng)駕駛的科幻未來......
這些過去普通人想都不敢想的事情，在短短13年后居然普及到千家萬戶，你不用花費(fèi)9700萬美金，甚至也不需要35000美金的“門票”。而讓這一切實(shí)現(xiàn)，將耳機(jī)、門鎖、汽車等消費(fèi)品都“卷”起來的技術(shù)，都離不開一顆小小的、不太起眼的芯片——VCSEL芯片。
這是一顆能讓電子產(chǎn)品變得更智能的芯片，在它的加持下，許多產(chǎn)品的體驗(yàn)跨越式提升。由于它的出現(xiàn)，機(jī)器進(jìn)一步讓我們的生活更便捷。但這一切究竟是如何實(shí)現(xiàn)的？VCSEL芯片如何改變了我們的整個(gè)世界？中國(guó)企業(yè)在這顆芯片上是否又會(huì)被“卡脖子”？
一張臉引發(fā)革命：“懶人”技術(shù)背后的秘密
VCSEL芯片全稱是垂直腔面發(fā)射激光（Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL），是一種微型的半導(dǎo)體激光器，最初由日本科學(xué)家伊賀健一和內(nèi)山誠(chéng)治在上世紀(jì)七十年代末提出。一開始，科學(xué)家們將VCSEL（面發(fā)射激光）和EEL（邊發(fā)射激光）兩種芯片都應(yīng)用于光通訊領(lǐng)域，但二者卻有顯著不同的特性。
VCSEL相較于EEL具備體積小、光特性好、低功耗、易于與芯片集成等諸多特性，但它的激光發(fā)射功率較低，導(dǎo)致它偵測(cè)的距離不夠遠(yuǎn)，因此誕生之后的二三十年時(shí)間里，VCSEL一直局限在光通訊領(lǐng)域里，無法在更多的應(yīng)用場(chǎng)景中施展。但智能手機(jī)的出現(xiàn)，讓人們和設(shè)備距離拉近，終于讓VCSEL芯片找到了屬于自己的舞臺(tái)。
大家都有過這樣的使用體驗(yàn)：當(dāng)手機(jī)來電話時(shí)貼近耳朵，屏幕便自動(dòng)熄滅，而當(dāng)電話結(jié)束放下手機(jī)，屏幕又會(huì)自動(dòng)亮起，這背后就有VCSEL芯片制成的近距感應(yīng)模塊的支持——通過低功率的VCSEL芯片發(fā)射激光，當(dāng)有物體靠近時(shí)會(huì)自動(dòng)反射激光，手機(jī)就能偵測(cè)到物體接近，并判斷屏幕是熄滅還是點(diǎn)亮，這就讓手機(jī)日常使用時(shí)盡可能降低功耗并減少誤觸，方便了人們使用。
近距感應(yīng)讓VCSEL從實(shí)驗(yàn)室走向了千千萬萬普通人手中，但真正讓VCSEL一炮而紅的，還是2017年蘋果推出的十周年重磅產(chǎn)品——iPhone X，它的發(fā)布，讓VCSEL芯片產(chǎn)業(yè)迎來了爆發(fā)式擴(kuò)張。
在iPhone X的“劉海”上，有著大大小小的各種傳感器，他們共同組成了名為TrueDepth的攝像系統(tǒng)，簡(jiǎn)單來說，這塊“劉?！眳^(qū)域會(huì)在每一次解鎖手機(jī)、刷臉付款、驗(yàn)證身份時(shí)打出許多激光到人臉上，然后利用反射回來的激光偵測(cè)人臉的立體結(jié)構(gòu)，從而判斷這個(gè)人是不是手機(jī)的主人，并實(shí)現(xiàn)一系列的操作，這背后運(yùn)用的結(jié)構(gòu)光技術(shù)至關(guān)重要：
結(jié)構(gòu)光（Structured Light），即通過點(diǎn)陣投影器打出不同的光線圖形，此時(shí)經(jīng)由物體不同深度的位置反射回來便會(huì)造成光線或圖形扭曲，繪制出一個(gè)獨(dú)一無二的帶有深度信息的面譜。比如當(dāng)你打出直線條紋的光線到手指上，由于手指是立體圓弧形的，此時(shí)反射回來的光線就會(huì)扭曲，并變成圓弧條紋，而此時(shí)紅外鏡頭就可以利用圓弧形條紋反推出手指的立體結(jié)構(gòu)。而VCSEL芯片就是能讓點(diǎn)陣投影器投射出圖形的核心光源器件。
在iPhone X的“劉?！鄙希瑹o論是泛光感應(yīng)元件、距離傳感器還是點(diǎn)陣投影儀均依賴于VCSEL芯片支持。iPhone X的面部識(shí)別功能讓人們?cè)诮怄i手機(jī)、刷臉支付等方面變得更加無感。不僅如此，其安全性也極大提升：根據(jù)官方說法，過去的指紋解鎖，錯(cuò)誤率是五萬分之一，而當(dāng)時(shí)代進(jìn)化到iPhone X的面部解鎖后，錯(cuò)誤率僅有百萬分之一。
iPhone 12之后，蘋果為手機(jī)后置攝像頭加入了dToF（直接飛行時(shí)間）激光雷達(dá)，其中再次用到了VCSEL芯片。dToF屬于時(shí)間飛行（ToF，Time of Flight）的一種，時(shí)間飛行是利用激光發(fā)射器發(fā)出的光照射到物體表面發(fā)射回來，由于光速已知，可以利用一個(gè)紅外鏡頭測(cè)量物體不同深度的位置反射回來的時(shí)間，利用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式就可以計(jì)算出物體不同位置的距離深度。而dToF的原理就是利用VCSEL芯片直接發(fā)射一個(gè)激光脈沖，之后測(cè)量反射光脈沖和發(fā)射光脈沖之間的時(shí)間間隔，就可以得到光的飛行時(shí)間。
由于dToF技術(shù)的加入，蘋果設(shè)備不但擁有了更好地拍照對(duì)焦效果，不論對(duì)焦速度還是對(duì)焦精確度上都有了大幅度提升，更重要的是為手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備的AR應(yīng)用場(chǎng)景提供了更栩栩如生的使用體驗(yàn)，不僅定位更加精準(zhǔn)，反饋也更迅速。
因此，如今的蘋果諸多產(chǎn)品線，如iPhone、iPad、AirPods等系列上，VCSEL芯片都發(fā)揮著重要作用，耳機(jī)中的VCSEL芯片用來識(shí)別用戶聽歌狀態(tài)，手機(jī)、iPad中的VCSEL芯片用來進(jìn)行精準(zhǔn)對(duì)焦拍照和“刷臉”解鎖等。并且，蘋果正不遺余力地布局VCSEL行業(yè)的未來——AR領(lǐng)域和自動(dòng)駕駛汽車，傳聞中即將于年底發(fā)布的蘋果AR眼鏡，以及很可能擺脫方向盤的蘋果汽車，都將為人們展現(xiàn)VCSEL芯片帶來的更多可能，進(jìn)一步讓人們感受到消費(fèi)光子時(shí)代的科技魅力。而這一切，也對(duì)VCSEL芯片產(chǎn)業(yè)提出了更高要求，如今，相關(guān)領(lǐng)域成為國(guó)內(nèi)外眾多芯片企業(yè)爭(zhēng)相競(jìng)爭(zhēng)的重點(diǎn)。
半導(dǎo)體光芯片領(lǐng)域：從跟跑到走向世界
即將到來的消費(fèi)光子時(shí)代，對(duì)VCSEL芯片提出了新的需求。在諸多消費(fèi)類應(yīng)用場(chǎng)景中，不但要求硬件產(chǎn)品體積更小，成本更低，且對(duì)產(chǎn)品能耗和散熱等指標(biāo)有更苛刻的要求，但在早期，我國(guó)企業(yè)針對(duì)消費(fèi)光子光發(fā)射模組方案尚無完美解決方案，總體水平處在“跟跑”狀態(tài)，和海外差距較大。
iPhone X發(fā)布后，海外大廠博通、Finisar、Lumentum、II-VI等開始加速VCSEL相關(guān)產(chǎn)業(yè)及解決方案的研發(fā)，通過一系列并購(gòu)逐步形成由頭部IDM主導(dǎo)的局面。綜合來看，這些光通信巨頭通過并購(gòu)布局VCSEL核心技術(shù)并橫向擴(kuò)張賽道，通過整合降低運(yùn)營(yíng)研發(fā)成本，未來上游核心技術(shù)或呈寡頭競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)。
行業(yè)研究報(bào)告顯示，VCSEL的制造難度高，包括外延工藝、氧化工藝、保護(hù)絕緣等工藝均需要深厚的技術(shù)積累，尤其外延生長(zhǎng)技術(shù)為其生產(chǎn)的核心壁壘，該良率水平直接影響企業(yè)生產(chǎn)成本。
“很長(zhǎng)一段時(shí)間，國(guó)內(nèi)VCSEL行業(yè)走向高端化面臨各種困難，一方面芯片光電轉(zhuǎn)換效率低、成本高；另一方面，大部分VCSEL公司均是初創(chuàng)公司且僅是芯片設(shè)計(jì)公司，能夠設(shè)計(jì)產(chǎn)品但無法大規(guī)模量產(chǎn)，國(guó)產(chǎn)化良率低；即便實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，但芯片封裝體積大或成本高，無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。“一位光芯片領(lǐng)域?qū)＜艺劦馈?br /> 筆者注意到，國(guó)際廠商壟斷VCSEL芯片的情況在近期已開始轉(zhuǎn)變。目前國(guó)內(nèi)已有多家有實(shí)力的VCSEL公司，致力于VCSEL芯片的全國(guó)產(chǎn)化。而這其中，瑞識(shí)科技以VCSEL芯片加光學(xué)集成封裝的路線更是獨(dú)具特色。據(jù)了解，瑞識(shí)科技已打通“芯片+光學(xué)+應(yīng)用”的全產(chǎn)業(yè)鏈條，不僅有芯片設(shè)計(jì)能力，大規(guī)模交付能力，而且還有自建光學(xué)封裝工廠，突破行業(yè)瓶頸。其芯片級(jí)光學(xué)整型技術(shù)和高光密度芯片技術(shù)，可以有效提升光功率，降低芯片成本，具有較高技術(shù)壁壘并性能已與國(guó)際大廠一致。 其獨(dú)創(chuàng)的1.5次光學(xué)集成技術(shù)，還可以大幅縮小光學(xué)器件尺寸，突破了成本瓶頸，完全滿足正在尋找“國(guó)產(chǎn)替代”的企業(yè)用戶的需求。?
據(jù)了解，2022年上半年，瑞識(shí)科技VCSEL芯片出貨量連續(xù)3個(gè)月超過百萬顆，逐漸實(shí)現(xiàn)了VCSEL芯片國(guó)產(chǎn)化良性循環(huán)。不僅如此，瑞識(shí)科技還積極布局智能汽車，公司順利通過IATF 16949國(guó)際汽車質(zhì)量管理體系認(rèn)證和AEC-Q102產(chǎn)品車規(guī)認(rèn)證，已向國(guó)內(nèi)新能源汽車頭部客戶量產(chǎn)出貨。同時(shí)還成為了國(guó)內(nèi)首家進(jìn)入日本和韓國(guó)世界500強(qiáng)供應(yīng)鏈并量產(chǎn)出貨的VCSEL公司。
這是中國(guó)VCSEL芯片行業(yè)的一個(gè)縮影，近年來，伴隨VCSEL芯片逐步覆蓋人工智能、身份識(shí)別、3D視覺、智能駕駛、安防監(jiān)控、AR/VR、健康監(jiān)測(cè)等行業(yè)，更多國(guó)內(nèi)企業(yè)逐步增強(qiáng)話語(yǔ)權(quán)，光電芯片企業(yè)技術(shù)迭代明顯加快并突破瓶頸，通過技術(shù)突破實(shí)現(xiàn)“國(guó)產(chǎn)替代”和“芯片出?！?，并有望重構(gòu)全球VCSEL芯片格局。
尾聲
有時(shí)候，科幻和現(xiàn)實(shí)的距離看似遙遠(yuǎn)，但人類的智慧最終讓一切都展現(xiàn)在眼前。一枚小小的VCSEL芯片，讓許許多多看似不可能的事情變成可能，并讓人類社會(huì)走入消費(fèi)光子時(shí)代。如今，不但是智能手機(jī)、TWS耳機(jī)、安防、汽車智能座艙等領(lǐng)域都讓人更加便利，元宇宙、自動(dòng)駕駛、機(jī)器人等面向未來的前沿技術(shù)也離不開VCSEL芯片加持，讓人不得不感嘆，技術(shù)的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出大多數(shù)人的預(yù)料。
從光通訊領(lǐng)域起步，VCSEL芯片如今已在消費(fèi)電子3D成像、激光雷達(dá)、物聯(lián)網(wǎng)、AR/VR、醫(yī)美等行業(yè)不斷成長(zhǎng)，并帶火了圍繞我們生活的諸多智能產(chǎn)品。從小眾走向大眾的過程中，VCSEL芯片的火熱現(xiàn)狀與未來前景再次證明，一項(xiàng)技術(shù)在真正匹配的場(chǎng)景下將爆發(fā)出令人難以置信的力量，在中國(guó)企業(yè)的奮起直追中，由VCSEL芯片引發(fā)的產(chǎn)業(yè)變革，終將推動(dòng)中國(guó)光電半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)超越，這一天也許不會(huì)太遠(yuǎn)。
