3D感測持續(xù)大火，“老炮兒”Lumentum帶你了解VCSEL

2021年，VCSEL和EEL在汽車上的新興應(yīng)用，如車內(nèi)駕駛員監(jiān)控和激光雷達，可能成為未來的“殺手級應(yīng)用”；另外，應(yīng)對圍繞增強現(xiàn)實（AR）的消費電子產(chǎn)品，以及L3/L4/L5級自動駕駛乘用車、共享出租車的激光雷達產(chǎn)品應(yīng)用，3D傳感即將出現(xiàn)的新爆發(fā)點

隨著5G的發(fā)展與普及，3D成像和傳感技術(shù)將迎來新一輪高速成長，撬動增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實（AR/VR）、智能家居、智慧安防等多個領(lǐng)域發(fā)展，加速智慧互聯(lián)時代的到來。垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）因智能手機3D人臉識別應(yīng)用而被市場高度認可。Lumentum是全球少數(shù)幾家能夠滿足通訊行業(yè)采購商大批量需求的VCSEL和EEL制造商之一。

Lumentum表示，3D傳感市場是超出行業(yè)想象的龐大。從消費電子產(chǎn)品到工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用，作為走在3D傳感技術(shù)前沿的Lumentum，對未來3D傳感應(yīng)用有何理解和預(yù)測？Lumentum又做了哪些布局？2020年12月，在上海舉行的激光雷達前瞻技術(shù)展示交流會中，探索科技（Tecusgar）誠邀Lumentum對相關(guān)問題進行解答與探討。

3D感測持續(xù)大火，背后是你不知道的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(lǐng)域，比如光模塊中，后來開始應(yīng)用于消費電子領(lǐng)域的3D感測方面。2017年蘋果將其用在iPhone人臉識別模組，2020年3月蘋果推出搭載Lumentum家激光雷達的新款iPad pro，3D人臉識別解鎖/支付被稱作智能手機前置3D傳感系統(tǒng)的“殺手級應(yīng)用”。以上種種，不難看出VCSEL在消費電子領(lǐng)域正火熱起來。

在VCSEL領(lǐng)域，如今較為流行的兩種3D傳感方案是結(jié)構(gòu)光和飛行時間（ToF）。

iToF模式工作的單結(jié)VCSEL和三結(jié)VCSEL：芯片面積不變，單位功率密度大幅提升

微軟 Kinect V1

從2012年微軟公司推出的室內(nèi)游戲機（微軟 Kinect V1），到2015年的個人電腦，再到2017年之后具有劃時代意義的3D傳感手機應(yīng)用中，都有Lumentum公司提供的激光器產(chǎn)品和技術(shù)。Lumentum利用其光電專業(yè)優(yōu)勢，生產(chǎn)高性能商用激光器，應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋通訊傳輸、數(shù)據(jù)中心、工業(yè)激光和3D傳感等。隨著3D傳感市場的快速成長，3D傳感已經(jīng)成為Lumentum僅次于光通信的第二大業(yè)務(wù)板塊。在產(chǎn)品方案設(shè)計過程中，Lumentum根據(jù)實際應(yīng)用場景來選擇適合的3D傳感方案；舉例而言，若需求為短距離、高精度的Face ID、工業(yè)應(yīng)用，Lumentum建議采用結(jié)構(gòu)光方案；而若場景用于較長距離（大于2米）、平面分辨率較高的場景，Lumentum則建議采用ToF方案。

可替換EEL，依照不同功率、不同激光排布

2020年12月，在上海舉行的激光雷達前瞻技術(shù)展示交流會中，Lumentum特別提出了整套艙內(nèi)（Automotive In-cabin）解決方案，讓客戶能縮短開發(fā)時程，直接走到導(dǎo)入產(chǎn)品的階段。

面向車用Lidar部份, Lumentum依照不同功率、不同激光排布，從50W的單區(qū)芯片，擴展到400W的分區(qū)芯片，滿足各式3D感測所需。由于激光結(jié)構(gòu)趨復(fù)雜，光功能跟轉(zhuǎn)換效率也愈來愈高，多結(jié)多區(qū)的設(shè)計經(jīng)驗將是Lumentum現(xiàn)階段引以為傲的產(chǎn)品亮點。Lumentum VCSEL的光功率密度已大幅提升到1000 W/mm2，可替換EEL，已經(jīng)成為激光雷達系統(tǒng)設(shè)計的首選光源。

對于半導(dǎo)體激光器重點考慮的可靠性問題，Lumentum VCSEL（芯片及封裝）已經(jīng)通過了AEC-Q102認證，并批量出貨，是目前全球唯一通過AEC-Q102認證的VCSEL封裝，可為車內(nèi)駕駛員監(jiān)控/乘員監(jiān)控（DMS/OMS）應(yīng)用提供現(xiàn)貨產(chǎn)品。Lumentum的VCSEL陣列制造過程采取晶圓級測試（Wafer Level Testing），以實現(xiàn)晶圓生產(chǎn)過程的嚴格產(chǎn)品質(zhì)量管控。

Lumentum自2010年開始布局3D傳感市場，至今已累計發(fā)貨超8.5億顆3D傳感激光器，其中邊發(fā)射激光器（EEL）5千萬顆，VCSEL超8億顆。Lumentum面向iToF（間接飛行時間）、dToF（直接飛行時間）、結(jié)構(gòu)光、汽車座艙及汽車激光雷達等多種應(yīng)用的VCSEL和EEL產(chǎn)品，均處于量產(chǎn)狀態(tài)，2018年至今在中國市場3D傳感VCSEL發(fā)貨量已經(jīng)超過6千萬顆。目前Lumentum不僅可以提供車規(guī)級可靠性的VCSEL標品，也可以與客戶進行汽車VCSEL的深度定制開發(fā)。

應(yīng)對晶圓制造工藝實現(xiàn)量產(chǎn)、成本控制等多項挑戰(zhàn)

Lumentum致力在技術(shù)領(lǐng)域上做到更精準、耗電量小的模塊化發(fā)光產(chǎn)品，以應(yīng)對如手機這類需求量大、開發(fā)周期短、價格非常敏感的市場。

Lumentum追求對VCSEL產(chǎn)品性能持續(xù)不斷的提升，同時努力降低成本，因此要在解決方案的設(shè)計層面進行優(yōu)化，由此催生“多結(jié)VCSEL”。多結(jié)VCSEL能提供更高的功率密度，對光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計更加友好；其次，多結(jié)VCSEL增加了斜率效率。

另外，消費領(lǐng)域?qū)Τ杀颈容^敏感。除了前面提過的縮小整個芯片面積可降低成本之外，從生產(chǎn)開始的EPI（外延）設(shè)計跟選用（會影響產(chǎn)品良率），加上芯片尺寸優(yōu)化（如縮小打線焊盤尺寸）和嚴控制程參數(shù)變異，讓測試數(shù)據(jù)都能集中在規(guī)格上下限的中間等等，這都是未來Lumentum為實現(xiàn)成本降低的努力方向。

Lumentum的VCSEL產(chǎn)品旨在提升性能的同時降低

成本VCSEL作為發(fā)光元件，而后續(xù)設(shè)計將會愈來愈復(fù)雜。從芯片結(jié)構(gòu)上而言，高效能、高可靠性的設(shè)計方向不變之外，高溫下維持較小的功率衰退、高電流下的功率轉(zhuǎn)換，都將是Lumentum技術(shù)開發(fā)方向。

加深VCSEL技術(shù)在車用及AR市場中的滲透

2021年，Lumentum認為VCSEL和EEL在汽車上的新興應(yīng)用，如車內(nèi)駕駛員監(jiān)控和激光雷達，可能成為未來的“殺手級應(yīng)用”；另外，應(yīng)對圍繞增強現(xiàn)實（AR）的消費電子產(chǎn)品，以及L3/L4/L5級自動駕駛乘用車、共享出租車的激光雷達產(chǎn)品應(yīng)用，3D傳感即將出現(xiàn)的新爆發(fā)點。

近年歐洲將車內(nèi)駕駛員監(jiān)控用于所有新車，短時間內(nèi)各式各樣的車內(nèi)應(yīng)用很快成熟，并于2020年為Lumentum帶來明顯的營業(yè)額。針對車用市場，Lumentum布局已久，同時為不同的車載應(yīng)用需求提供VCSEL和EEL，目前恰逢時機。Lumentum還表示，除了上文提到的多結(jié)、多區(qū)的芯片設(shè)計，配合感光元件的演進，不同的發(fā)射器間距（emitter pitch）、多層結(jié)構(gòu)、甚至未來的倒裝芯片、高度封裝整合都會是市場未來3~5年的趨勢。

Lumentum還表示，AR將會是人們之后生活不可或缺的幫手，透過機器的3D視覺，提供更多樣性的互動體驗。另一方面, 自駕車中車載雷達已經(jīng)是必備的主動關(guān)鍵元件，為了實現(xiàn)不同等級的自主駕駛, Lumentum將對芯片、封裝、系統(tǒng)做通盤的規(guī)劃。除了實物量測、3D建模、AR互動之外，Lumentum期待有后置3D傳感系統(tǒng)。5G時代，Lumentum的激光器在光通訊領(lǐng)域確實是不可或缺的關(guān)鍵元器件，會越來越普及地用于設(shè)備中。

著力推進本土化戰(zhàn)略

近年已經(jīng)有不少中國VCSEL初創(chuàng)公司成功進入智能手機供應(yīng)鏈并實現(xiàn)批量供貨。Lumentum扎根中國20年，非常重視本地化和客戶服務(wù)，其中國銷售團隊一直與中國智能手機廠家緊密配合。除了蘋果公司，Lumentum也與中國智能手機廠商開展了合作，例如OPPO的Find X，以及華為的多款手機都用到了Lumentum的產(chǎn)品。作為一家芯片供應(yīng)商，Lumentum為客戶提供的服務(wù)已經(jīng)遠超芯片本身，通過深厚的技術(shù)積累與研發(fā)能力，在解決方案和產(chǎn)品生態(tài)等方面，提供全方位技術(shù)支持，保證項目高效順利推進和按時投放市場。

Lumentum和VCSEL技術(shù)領(lǐng)先開發(fā)商TriLumina近日宣布，Lumentum已收購TriLumina的部分技術(shù)資產(chǎn)，包括后者的專利和其它知識產(chǎn)權(quán)。此次的IP收購，將有助于Lumentum在下一代的芯片封裝上取得先機，Lumentum期望雙邊研發(fā)團隊可以把開發(fā)周期有效縮短，在短時間內(nèi)提供給國內(nèi)客戶最好的服務(wù)。同時，Lumentum認為，上下游產(chǎn)業(yè)鏈需要同心協(xié)助擴大市場應(yīng)用，將原有的2D成像增加景深維度，變成3D成像，讓手機成為人人都擁有的“移動載具”，實現(xiàn)量測、建模、AR（增強現(xiàn)實）等應(yīng)用的普及。