导读
3D摄像头在智能手机等消费类电子产品中的广泛应用，将带动相关的红外光源、红外传感以及光学元件等市场大幅增长。VCSEL凭借其体积小、圆形输出光斑、单纵模输出、阈值电流小、价格低廉、易集成为大面积阵列等优点，在3D摄像头的红外光源中逐渐取代了红外LED，获得越来越大的市场份额。
随着3D摄像头技术在消费类电子产品尤其是智能手机中的应用，特别是人脸识别和手势识别应用，其市场空间有望迎来爆发式增长，根据研究机构Zion Research预测数据，3D摄像头市场规模将从2015年的12.5亿美元增长到2021年的78.9亿美元，年均增长率达35%。
3D摄像头的关键部件包括：红外线传感器、红外光源、光学组件。红外光源主要包含红外发光二极管（IR LED）和红外激光器，红外激光器又分为边发射激光器（EEL）和垂直腔面发射激光器（VCSEL）。VCSEL早期应用于近距离通信，而随着在消费类电子面部识别领域的成功应用，VCSEL技术受到了广泛的关注。
一、VCSEL在3D摄像头中的应用优势
VCSEL是一种垂直于衬底面射出激光的半导体激光器。基本结构是一个“三明治”结构，由上下两个DBR反射镜和有源区这三部分组成。上下两个DBR反射镜与有源区构成谐振腔。有源区由几个量子阱组成，作为VCSEL的核心部分，决定着器件的阈值增益、激射波长等重要参数。高反射率的DBR由多层介质薄膜组组成，实现对光的反馈。为得到较小的阈值电流，DBR反射镜的反射率一般在99.5%以上。
VCSEL常用的原材料有砷化镓、磷化铟或氮化镓等发光化合物半导体。发光原理方面，VCSEL与其它半导体激光发光原理一样，首先要实现是能量激发，通过外加能量激发半导体的电子由价带跃迁到导带，当电子由导带返回价带时，将能量以光能的型式释放出来。然后依靠上下两个DBR反射镜和增益物质组成的谐振腔实现共振放大，谐振腔使激发出来的光在上下两个DBR反射镜之间反射，不停地通过发光区吸收光能，使受激光多次能量反馈而形成激光。
主动感知的3D摄像头技术通常使用红外光来检测目标，早期3D传感系统一般都使用LED作为红外光源。在技术方面，由于LED不具有谐振器，导致光束更加发散，在耦合性方面也不如VCSEL，现在常见的3D摄像头系统一般都采用VCSEL作为红外光源。VCSEL兼具低制造成本、优异性能和易集成三大优点。经过在电信、数据通信等领域多年发展，目前VCSEL已经具备耦合效率高、功耗低、传输速率快、制造成本低等优良特点。
二、VCSEL主要厂商
VCSEL国外厂商主要有Broadcom、Lumentum、Finisar、II-VI、Philips Photonics、ams、Osram等。 受美国商务部对华为及华为指定关联公司出口管制条例影响，Lumentum、Finisar等公司陆续发布公告，停止向华为提供相关元器件产品。据Lumentum公告显示，截至2019年3月30日，Lumentum对华为的销售额约占总收入的18%，美国对华为的出口限制，未来将对上游元器件厂商巨大的营收压力。
表1 国外主要厂商
Lumentum
Lumentum是2015年从JDSU分拆出来的公司，主要生产和销售光纤相关产品，销售给全球光纤网络及商用激光客户，公司分2个部门来运作：光通信、商用激光器。Lumentum是苹果公司的第一家VCSEL供应商，芯片代工在台湾稳懋。2018年3月，Lumentum宣布溢价27%收购Oclaro，交易金额约18亿美元。通过收购，Lumentum将获得Oclaro的磷化铟、光电积体整合电路技术。
Finisar
Finisar是苹果公司的第二家VCSEL供应商。2017年12月，苹果对Finisar投资3.9亿美元，用于增加VCSEL的研发和生产。Finisar将使用这笔资金把德克萨斯州谢尔曼一家面积70万平方英尺的已关闭制造厂，改造成开发VCSEL芯片的工厂，未来将用于苹果产品。2018年11月，II－VI公司以现金和股票交易收购Finisar，股权价值约为32亿美元。II－VI期望通过与Finisar的结合，发挥InP、GaAs、SiC、GaN、SiP和金刚石的完整技术和知识专利，缩短产品上市时间，大规模降低成本。我们相信，我们将更好地实行战略定位，在5G、3D传感、云计算、电动和自动驾驶汽车以及先进微电子制造等新兴市场中发挥强有力的领导作用。
II-VI
II-VI公司成立于1987年，业务主要分为红外光学、近红外光学、军事和材料、先进产品部四大部门。II-VI公司重金投入2017年8月以8000万美元从Kaiam收购的6英寸VCSEL制造厂。Kaiam位于英国牛顿艾克利夫占地30万平方英尺的工厂拥有10万平方英尺的洁净室，专为大规模制造GaAs、SiC以及InP化合物半导体器件而设计。2018年3月，II-VI公司宣布8500万美元收购波长选择开关(WSS)供应商CoAdna。2018年9月，交易完成。CoAdna将并入II-VI Photonics部门此项交易将强化II-VI公司ROADMs产品垂直整合能力。2018年11月，II－VI公司收购Finisar。
Philips Photonics
Philips Photonics是飞利浦全资子公司，生产760nm-948nm VCSEL传感类用的单模激光管，VCSEL技术具有20多年研发经验，是原德国Ulm Photonics公司，2006年Philips收购Ulm Photonics。760nm-948nm VCSEL单模激光器主要应用于，激光吸收光谱TDLAS测量氧气和水分子、红外傅里叶变换光谱、原子钟、干涉仪、编码器以及运动控制等传感方面应用。
ams
ams通过收购快速转型，成为聚焦在光学传感器领域的主要供应商。在总部奥地利的工厂负责前端晶圆制造，新加坡厂则负责光学传感器生产和封装以及VCSEL制造，测试/传感器校准工作则在奥地利和菲律宾的厂内进行。2017年，ams对其位于新加坡的6寸晶圆厂产能（主要生产VCSEL芯片）进行扩充投资，针对最新具有人脸识别技术的高端手机所需器件进行投产，增加员工也大部分集中于此，以支持3D和光学传感领域的迅速增长，预计在2019年实现量产。ams在成像和光学方面陆续收购了Heptagon、Princeton Optronics、CMOSIS、KeyLemon、Mazet这几家公司，其中KeyLemon公司具备领先的3D人脸识别知识产权库，Princeton Optronics公司可以提供VCSEL光源发射器。
Osram
2018年5月，Osram收购美国Vixar公司。Osram是红外LED和红外激光二极管的技术领导者，通过引入Vixar在VCSEL方面的专业技术，Osram将在该领域拥有更强的技术能力和产品组合。Vixar公司成立于 2005 年，为生物医学、工业、办公产品、汽车和消费品行业的传感器等应用制造波长在650~1000 nm 之间的 VCSEL。2018年9月，Osram推出其首款VCSEL新产品Bidos PLPVQ 940A。
国内VCSEL芯片和器件厂商主要有江苏华芯、武汉光迅科技，其他还有山东太平洋、深圳源国、国星光电、华工科技、三安光电、乾照光电、华灿光电以及睿熙科技等公司，以及台湾厂商全新光电、晶元光电、环宇及穩懋。
表2 大陆及台湾主要厂商
晶元光电
晶元光电已经向光通信旗舰制造商出货了4英寸VCSEL外延片，从2018年第三季度开始，晶元光电将通过改造目前用于生产6英寸LED晶圆的10—15台MOCVD设备，生产6英寸VCSEL晶圆。据称，10多个潜在客户正在验证晶圆光电的6英寸VCSEL晶圆。
江苏华芯
江苏华芯成立于2015年底，是目前国内唯一一家能够自主完成VCSEL和蓝光半导体激光器芯片外延及芯片工艺制造，并实现量产的公司。2017年11月，10G VCSEL芯片量产并批量出货。2018年3月，940nm 100mW VCSEL产品定型。
光迅科技
武汉光迅科技是国内光通信光模块器件最大的公司，公司牵头组建了“国家信息光电子创新中心”，短期来看可以帮助公司节约研发支出，长期来看有利于公司充分发挥产业协同优势，完善技术前瞻布局。光迅科技近年来积极开展波长为850nm/940nm VCSEL 芯片的研发，应用于光通信、3D传感等领域。
三安光电
已成功开发出10GbpsVCSEL芯片和FP激光器。
国星光电
国星光电隆重推出国内首款砷化镓半导体材料的VCSEL红外3535产品。公司VCSEL封装器件产品处于样品认证与试用阶段
首发于微信公众号：材料深一度
匿名