iPhone X将VCSEL这种细分的光学技术提升到了热门技术的市场地位

iPhone X将VCSEL这种细分的光学技术提升到了热门技术的市场地位

iPhone X将垂直腔表面发射激光器（VCSEL）这种细分的光学技术提升到热门增长市场的地位。现在的问题是它还有什么好处？

垂直腔表面发射激光器（VCSEL，Vertical cavity surface emitting laser）技术，直到最近才被证明是一种久经考验的小众技术，由于在手机和其他移动设备中引入了面部识别技术，它突然变得非常热门。

VCSEL技术具有多种应用前景

VCSEL主要用作跟踪计算机鼠标，激光打印机和光纤中移动和传输数据的低成本方式。但苹果决定在其iPhone X中使用VCSEL技术进行面部识别，这使得该技术朝着不同的方向发展。这一决定 - 以及随之而来的智能手机和消费电子产品制造商的大量涌入 - 迫使整个VCSEL市场扩大了新的制造，测试和验证工艺流程。

“在VCSEL市场，多年来没有发生任何事情，”Veeco首席技术官Ajit Paranjpe说。 “但随着新应用的出现，VCSEL技术的应用得到了显著的改善。我们终于克服了学习曲线，将其转化为高市场容量的实用技术，当我们进入第二个大型应用市场领域时，这是必需的，首先是LIDAR，接着你有VCSEL阵列技术。此外，VCSEL已经在服务器场中用于机架到机架的通信技术。在采用板对板通信（例如光学背板）之后，另外一个应用圣杯是芯片到芯片的通信，最终采用这种全光互连技术。真正的问题是我们什么时候需要它。“

VCSEL只是少数不同硅光子方法中的一种，它们开始引起人们的注意。在整个半导体行业中，正在进行将这些各种技术中的一种或多种引入主流的应用工作中，特别是在通过导线推动的电子先进工艺节点变得更加困难的情况下。

iPhone X中率先引入VCSEL技术

“对于手机，有很多隐藏的和非隐藏的摄像头，”Synopsys光子解决方案研发总监Twan Korthorst说。 “那些相机可以识别你是否正在看手机并进行光学测量，这是VCSEL发挥作用的地方。有探测器，光源和图像。 VCSEL是小型的分立元件。“

什么是VCSEL？

从透视角度来看，VCSEL只是众多可用于这些设备的基于芯片的光源之一。 VCSEL如此吸引人的原因是激光垂直于器件发射。从规模扩展到测试，这样做都有很多好处。

VCSEL技术在3D感测中的应用

“VCSEL可以使用晶圆探测和晶圆测试在晶圆级进行测试，”Paranjpe说。 “对于边缘发射激光器，你必须对晶圆进行切割，然后构建器件的其余部分并对其进行测试，这会使其变得更难进行生产测试。”

然而，这并未减缓对其他领域的研究，其中大部分研究都集中在堆叠不同材料上，并将部分或全部材料整合到一个封装中。什么被放入封装中，或者在封装外面存在什么，仍在进行研究中。

“目前大型代工厂正在开展一些有趣的工作，以创造连接不同芯片的光子元件，”西门子商务公司Mentor的Calibre DRC应用营销总监John Ferguson说。 “主要问题是波导必须是一定的尺寸，几微米。你必须保留一定的空间，这样做甚至有可能会占用大量的空间。 Photonics（光子）不会受益于高级节点。实际上，到目前为止，65nm是最先进的工艺节点。“

另一个机会在于具有更高功率要求类似于LiDAR的等汽车应用中。而这种应用需要使用更大的VCSEL阵列。

“这将需要购买更多的MOCVD（金属有机化学气相沉积，metal-organic chemical vapor deposition）系统，以保持制造能力随着LiDAR系统的需求而加速，”Veeco产品营销总监Mark McKee说。 “现在的问题是如何实现最高性能和最高生产率以满足市场需求。这是基于业界领先的MOCVD技术。关键要求是金属 - 有机物和氢化物在晶片表面上的均匀分布和层流，均匀分布和可控的温度以及层之间的清晰界面。为了实现最高的生产率，您的平台在预防性维护周期之间需要较长的时间，预防性维护后的快速恢复和快速的外延生长速率。

典型的VCSEL截面图

VCSEL使用频率为几十千兆赫兹（GHz）的光脉冲进行测距和飞行时间计算，通过查看一幅图像与下一幅图像之间的变化来识别运动。美国国家仪器公司首席营销经理David Hall指出，目前尚不清楚这种方法是否可以改进以改善LiDAR使用更长波长和连续扫描的趋势。

“面部识别系统之间的要求似乎没有多少重叠，这种系统价格低廉，可以集成到一部智能手机中和LiDAR系统中进行连续扫描，并且应该比VCSEL可以管理得更远。 “任何一方是否都可以从另一方的方法中获益，这还有待观察。”

LiDAR是一个很好的潜在市场，但不如汽车内部的运动检测和面部识别等短期汽车应用机会具有吸引力。 Finisar新市场副总裁克雷格·汤普森（Craig Thompson）表示，该技术可用于识别驾驶员何时昏昏欲睡，或允许乘客用手势控制信息娱乐系统或其他系统，该公司向苹果提供芯片。

资料来源：YoleDéveloppement，2018年7月报告

自2004年以来，Finisar一直致力于开发用于运营商级数据网络设备的铜缆到光纤接口的VCSEL，当时它收购了霍尼韦尔首次将VCSEL商业化并将销售额扩展到计算机鼠标和PC外围设备以及数据网络之外的领域。

但并非所有人都在使用当前在板形式的LiDAR中的VCSEL。

“VCSEL光线往往接近可见光范围，这可能会在你增加功率时使它们变得危险，”Cadence的杰出工程师Gilles Lamant说。 “使用激光雷达，您需要非常高的功率来获得任何类型的射程，这可能会对视力造成风险。尽管接近可见光谱，但它们对于低功率应用是安全的，这就是为什么人们会将它们用于面部识别以及相机的距离测距等事情。

VCSEL在手机中的位置

VCSEL在手机中的位置

结构化的 Light 3D Camera

Lamant表示，VCSELS的真正优势在于其便利性，灵活性和功率，以及与其他激光源相比的热效率。

“VCSELS垂直发光，这使得构建垂直于芯片的阵列变得容易，并且它们在相当宽的温度变化下非常稳定，”Lamant说。 “他们还被证明在一个系统内发送数据，在一个系统内编码数据信号。尽管如此，我们仍然在寻找一种将光学与基于硅芯片的解决方案相集成的方法，但这将限制你可以做到的频率。“

Thompson说，与其他激光光源相比，VCSEL每瓦功率也能够提供更多的光。接线更容易，因为当激光从顶部出现时，可以从下面进行电气和热管理。

VCSEL输出的功率量也可以按照其尺寸来线性扩展。每个激光孔径是独立的并且基本相同。芯片上的孔径越多，它输出的功率就越大。将它们全部连接到单个电源会使它们全部一起发射。将芯片布线到区域中使得它们可以在不同的时间和不同的图示（ patterns）发射 - 其功率输出由孔的数量确定。

AIN腔封装中的Finisar高功率VCSEL

“数据网络VCSEL将在芯片上有一个光圈和一个发射点，在X和Y方向可能是几百微米，”Thompson说。 “在高功率3D传感VCSEL中，将有数百个孔径，芯片将达到毫米见方。它是一种非常独特，可扩展的激光结构。它几乎是一种搭乐高积木的技术。“

Ferguson说，热干扰或其他类型的噪声可能会损害数据中心中使用的VCSEL，但能够识别出这种干扰类型的测试并不常见。

VCSEL中集成光二极管

“这不像是一个用探针放在试验台上的IC，”弗格森说。 “你需要在这些设备外部进行光信号处理，这并非易事。一些大型系统公司正在努力推动代工厂这样做，以便他们知道他们可以用这项技术做些什么，因为我们开始看到除了网络之外还有更多的其它应用。汽车中的光子学应用有LiDAR和自动驾驶汽车，看起来这种技术正在获得发展的牵引力。有许多公司正在探索它，现在有几家公司认真对待这项技术点，因此我们预计明年会有相关的产品推出。“

汤普森表示，明年应该有很多产品会推出VCSEL，但是生产，测试和验证的VCSELS的数量都远远高于以往，尽管它可能像光学行业以外的大多数产品一样意识到变化的程度，汤普森说。

VCSELS在1996年霍尼韦尔商业化的计算机鼠标和其他外围设备中取得了十年的成功，并且自2004年以来一直作为运营商级数据网络设备的光纤到铜接口的光源而广受欢迎。所有这些都是坚实的细分业务，但是低调足以使VCSEL技术并没有进入到芯片行业的大多数人的法眼中。 然而iPhone X发布后，一切都改变了。

然而在设计一个超大的，功能过度的VCSEL时仍然存在一些挑战，这些VCSEL能够从用户脸上弹出30,000个IR点，据Thompson说，快速准确地拼装出一个3D地图可以为iPhone X中的Face ID（人脸识别）身份验证提供动力。但最大的挑战是如何确定如何满足iPhone X的批量需求。苹果公司宣布，它必须在2017年第四季度购买的VCSEL晶圆数量是全球同一时期制造量的10倍。 。

这就是为什么苹果公司在2017年向Finisar捐赠了3.9亿美元。其目标是将位于德克萨斯州谢尔曼的闲置700,000平方英尺的工厂变成“美国VCSEL之都”。当它在今年晚些时候达到满负荷时，这个700,000平方英尺的前MEMC制造工厂将自己生产出更多VCSEL晶圆，比过去整个VCSEL行业能够管理的数量要多几个数量级。

小米和Oppo遵循Apple的声明，承诺在2018年中期为其移动芯片增加3D感应功能。其次是华为，Vivo和三星，根据Yole的市场报告，预计这些手机厂商今年将为某些机型的手机增加VCSEL功能。据Yole Développement的预测预计VCSEL的销量将从2017年的6.52亿部增加到2023年的超过33亿部，而VCSEL芯片的销售额将从2017年的1.65亿美元增加到2023年的31亿美元。

VCSEL阵

与Finisar的3亿VCSEL相比，飞利浦光子公司已经出货超过10亿只VCSEL，2018年飞利浦花费了2300万欧元来使其位于德国乌尔姆的VCSEL工厂的产能翻了一番。总部位于奥地利的AMS宣布将斥资2亿美元在新加坡扩建VCSEL生产站点。

“这里的重大事件是智能手机市场已经将VCSELS带入了主流市场，像苹果这样的公司承担了开发和使技术变得成熟的成本，这些技术必须扩展到量产制造之王，”Thompson说。 “像Apple这样的公司承担了智能手机应用技术的大部分开发和成熟 - 并使我们在行业中有足够的信心投入大量资金从而来使VCSEL实现可以大批量生产。”

在FaceID（人脸识别）之前，标准VCSEL制造几乎完全基于MOCVD，MOCVD通常用于III-V材料以制造多晶薄膜，而自动化晶圆测试和光束成像等制造测量效率是“新生的和不成熟的”，Thompson说。

“我们已经从3英寸的砷化镓（GaAs）晶圆转变为5英寸的砷化镓（GaAs）。我们在整个晶圆厂工艺过程中开发了一种更成熟的自动化晶圆级测试方法，这在几年前还非常不成熟，“Thompson说。 “我们必须为这些应用开发外延片，根据从RF行业借来的学习开发自动晶片测试和电子探针，扩大供应链的规模，开发新的测量和新的测试方案。我们必须开发近场和远场光学测试方法，以便在近距离和远距离处对芯片及其输出进行成像。我们必须开发测试方法，以准确地测量诸如非常大的激光芯片区域上的孔径的数量和功能以及红外光如何被成形和聚焦的事物，“Thompson说。

VCSEL技术发展简史

德克萨斯州谢尔曼工厂于2018年7月开业，直到今年晚些时候才能满负荷生产，但已经提供了VCSEL制造商几年前无法想象的生产能力。

“该设施的规模比以前集体生产的任何产品都要大几个数量级，”汤普森补充道。 “我们没有公布产量，但我们正在接近III-V RF代工厂的规模。我们正处于一个阶段，我们有工作的测试人员，适当的近场和远场成像测试仪，它们在合理的周期时间内工作并产生合理的规模。我们专注于进行多次上升测试，并收集了许多可以让我们进行大量样本测试的数据。“

（完）