【芯视野】当安卓旗舰机和激光雷达开始加持 VCSEL有了更大的野心

来源:爱集微 #VCSEL#
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(集微网报道)新生的、冲击高端市场的荣耀Magic3发布了,在一堆眼花缭乱的参数之后,有一个技术亮点不得不提,那就是搭载了8*8 dToF激光对焦系统。此前,dToF对焦系统仅为苹果所独有,而继小米11 Ultra之后,荣耀Magic3也用上了dToF,预示该技术将渐成安卓阵营的主流。

VCSEL(垂直腔面发射激光器)是dToF的核心部件之一。随着dToF在手机、TWS、机器人、汽车等领域的逐步落地,VCSEL有望迎来新一轮的发展高潮。

高效的VCSEL

“VCSEL市场一直没有起量,我们就逐步放弃了。”一位投资人此前曾这样表示。

在iPhone X上的惊艳亮相,让VCSEL从原本的工业应用市场转向商业与消费类市场。安卓系也相继推出多款集成ToF传感技术的手机,迅速扩大了市场规模。但限于技术、应用等多种原因,ToF没有常驻安卓阵营,反被屏下指纹技术挤占了大量市场份额。

一位业内人士告诉集微网,“这其中有多种原因,包括疫情的、中美贸易战等,但最大的原因是华为被制裁,因为华为是ToF应用的一面旗帜,如果它停下来,整个市场的速度就会减慢。”

VCSEL本质上是一种半导体激光器,与其同类的还有EEL(边发射激光器)。顾名思义,VCSEL的激光垂直于顶面射出,而EEL的光则从芯片边缘射出。与EEL相比,VCSEL 波长的温度敏感性要低得多。它能够沿指定方向发射温度的光学,拥有红外光的高能量密度和简单封装,也有线性发射器(如 EEL 技术)的光谱宽度。其相比EEL不仅具有低廉的生产成本,以及更低的输出功率,同时也具有卓越的光束质量。

图 VCSEL的结构

在制造工艺上,不同应用对VCSEL产品的性能和规格要求各异,主要体现在尺寸、输出功率和激光腔(laser cavity)等方面。VCSEL表面积随着所需输出功率的增加而增大,激光腔和制造工艺的复杂性也在提升,这些也是VCSEL尚未能普及的原因之一。

不过,随着VCSEL回归安卓阵营,这一切都将迎刃而解。纵慧芯光联合创始人陈晓迟表示:“市场整体发展速度会有所减缓,但只是一个暂时的现象,我们认为安卓手机最终应该都会集成dToF,这个趋势应该不变,只是整体时间上会往后移两年。”

根据Yole最新发布的报告, 全球VCSEL市场预计将以13.6%的CAGR从2021年的12亿美元增长到2026年的24亿美元。

多方出击 

近两年,VCSEL虽然没有在手机市场取得绝对的份额,并不妨碍其在其他领域落地,比如TWS耳机、扫地机器人、数据中心等,这也成为机构对其看好的重要基础。

TWS耳机是近年来消费电子少有的爆款产品,VCSEL幸运地搭上了这趟班车。在TWS耳机中,VCSEL用在入耳检测的光学检测模组中,通过发射940nm的红外激光,激光朝特定方向打出,反射回来形成回路。当接收区域的解码芯片收到有效的编码信号后输出电平信号,从而判断耳机是否入耳。与基于LED的等效感测器系统相比,基于VCSEL的光学模组系统的总功耗明显更低,且串音干扰减少,信噪比更高。

全球TWS耳机市场在2020年的销量达到2.33亿套,Counterpoint 预测今年全球TWS耳机市场销量将达到3.1亿套,同比增长33%。而据一位业内人士估计,加上白牌产品后的TWS市场总量将达到6亿套左右,使用VCSEL的产品将达到20%,也就是1亿套的水平,市场容量相当可观。

而2021上半年此类VCSEL的出货量低于预期,主要是由于智能手机销售疲软造成。据Digitimes Research估计,中国智能手机供应商在2021年第二季度(Q2)的总出货量同比下降了20%以上。但是,业内都预计全球TWS耳机和智能手机对VCSEL的需求将在2021下半年反弹。

VCSEL在非手机领域的拓展不单是TWS耳机,还有扫地机器人、线下人脸支付等,出货量都在稳步上升。尤其是中国的扫地机器人渗透率只为3.6%,而光学感知模组的渗透率约为10%,随着市场的扩大,基于VCSEL的ToF感测方案将越来越多地出现在高端机器人产品中。

不过,最令人激动的当属汽车市场。业内人士都认为,在手机和汽车两大终端产品的智能化需求之下,VCSEL市场规模将继续保持高速增长势头。

陈晓迟告诉集微网,VCSEL的主要应用是汽车的激光雷达,还有轿厢内的驾驶员状态监控等。

在远程测距方面,超远程测距由于留给自动驾驶的机器判别时间较长,仍然可以采用双摄像头视觉传感器和毫米波LiDAR来完成;在150~250M安全避障距离内,dToF VCSEL激光LiDAR传感器由于机器计算时间少,硬件反应速度更快,硬件可靠性更高、集成难度更低,体积更小,正在成为行业共同突破的重点。除了可以测距之外,VCSEL激光LiDAR还有“识物”的功能。在近距离的低速强制避障部分,合理布局的dToF VCSEL激光LiDAR传感器能够快速无盲区地连续生成3D环境地图,是目前理想的无风险避障措施。

部分业内专家们还认为,在自动驾驶技术中采用dToF VCSEL激光LiDAR,完全可以通过不同的阵列模式制作出多种类型的传感器出来,在很多领域完全能替代掉现在功能单一的红外传感器、超声波传感器,以及隐私性与安全性不足的摄像头传感器。

不论这种想法能否成型,让VCSEL用在车用激光雷达上的难度显然远大于前。激光雷达的探测距离是几十米甚至是几百米这样的距离,所以要求的光功率密度要远远高于消费电子或者手机上的应用。”陈晓迟指出,“即使是轿厢内的疲劳驾驶监控,芯片的规格跟普通手机上的类似,但是要求通过车规级认证,所以难度会更大一些。”

“在手机中应用的VCSEL芯片价格约为1美元,在汽车中显然要更高。”他补充道。

还要指出的是,激光雷达中有一种闪光(FLASH)式雷达,用激光照射一个区域,相比光学相控阵在制造方面的挑战更小,VCSEL在这种FLASH激光雷达中可用作多光束扫描光源。相较于传统的FLASH方案,VCSEL的发射光峰值功率密度和信号信噪比均显著提高。如与SPAD(单光子雪崩二极管)阵列传感器相配合,探测会灵敏度大幅提升。

此前,苹果公司新款iPad Pro和iPhone 12配备的激光雷达就是采用VCSELs+SPADs方案,随着智能手机带动相关供应链产能释放,成本已经进入快速下降区间。

“FLASH激光雷达多用在中近距离中作补盲雷达,现在的趋势是基本都会用VCSEL。”陈晓迟说,“下半年开始有越来越多的激光雷达厂商开始找到我们,想看看VCSEL能否替代传统光源,因为VCSEL在主要性能指标全部占优。”

陈晓迟认为,VCSEL在汽车中的应用将会在明年起量。这个观点也与其他厂商相一致。苹果激光雷达VCSEL组件的主要供应商之一Lumentum公司最近表示,“预计2022年基于VCSEL方案的汽车级激光雷达将进入量产窗口期”。

对于VCSEL行业来说,有了手机和汽车的引导,未来几年将步入一个黄金发展期。

(校对/艾禾)

责编: 慕容素娟
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