新生的、沖擊高端市場的榮耀Magic3發(fā)布了，在一堆眼花繚亂的參數(shù)之后，有一個技術亮點不得不提，那就是搭載了8*8 dToF激光對焦系統(tǒng)。此前，dToF對焦系統(tǒng)僅為蘋果所獨有，而繼小米11 Ultra之后，榮耀Magic3也用上了dToF，預示該技術將漸成安卓陣營的主流。

VCSEL（垂直腔面發(fā)射激光器）是dToF的核心部件之一。隨著dToF在手機、TWS、機器人、汽車等領域的逐步落地，VCSEL有望迎來新一輪的發(fā)展高潮。

高效的VCSEL

“VCSEL市場一直沒有起量，我們就逐步放棄了。”一位投資人此前曾這樣表示。

在iPhone X上的驚艷亮相，讓VCSEL從原本的工業(yè)應用市場轉(zhuǎn)向商業(yè)與消費類市場。安卓系也相繼推出多款集成ToF傳感技術的手機，迅速擴大了市場規(guī)模。但限于技術、應用等多種原因，ToF沒有常駐安卓陣營，反被屏下指紋技術擠占了大量市場份額。

一位業(yè)內(nèi)人士告訴集微網(wǎng)，“這其中有多種原因，包括疫情的、中美貿(mào)易戰(zhàn)等，但最大的原因是華為被制裁，因為華為是ToF應用的一面旗幟，如果它停下來，整個市場的速度就會減慢。”

VCSEL本質(zhì)上是一種半導體激光器，與其同類的還有EEL（邊發(fā)射激光器）。顧名思義，VCSEL的激光垂直于頂面射出，而EEL的光則從芯片邊緣射出。與EEL相比，VCSEL 波長的溫度敏感性要低得多。它能夠沿指定方向發(fā)射溫度的光學，擁有紅外光的高能量密度和簡單封裝，也有線性發(fā)射器（如 EEL 技術）的光譜寬度。其相比EEL不僅具有低廉的生產(chǎn)成本，以及更低的輸出功率，同時也具有卓越的光束質(zhì)量。

圖 VCSEL的結(jié)構(gòu)

在制造工藝上，不同應用對VCSEL產(chǎn)品的性能和規(guī)格要求各異，主要體現(xiàn)在尺寸、輸出功率和激光腔（laser cavity）等方面。VCSEL表面積隨著所需輸出功率的增加而增大，激光腔和制造工藝的復雜性也在提升，這些也是VCSEL尚未能普及的原因之一。

不過，隨著VCSEL回歸安卓陣營，這一切都將迎刃而解�？v慧芯光聯(lián)合創(chuàng)始人陳曉遲表示：“市場整體發(fā)展速度會有所減緩，但只是一個暫時的現(xiàn)象，我們認為安卓手機最終應該都會集成dToF，這個趨勢應該不變，只是整體時間上會往后移兩年。”

根據(jù)Yole最新發(fā)布的報告, 全球VCSEL市場預計將以13.6%的CAGR從2021年的12億美元增長到2026年的24億美元。

多方出擊

近兩年，VCSEL雖然沒有在手機市場取得絕對的份額，并不妨礙其在其他領域落地，比如TWS耳機、掃地機器人、數(shù)據(jù)中心等，這也成為機構(gòu)對其看好的重要基礎。

TWS耳機是近年來消費電子少有的爆款產(chǎn)品，VCSEL幸運地搭上了這趟班車。在TWS耳機中，VCSEL用在入耳檢測的光學檢測模組中，通過發(fā)射940nm的紅外激光，激光朝特定方向打出，反射回來形成回路。當接收區(qū)域的解碼芯片收到有效的編碼信號后輸出電平信號，從而判斷耳機是否入耳。與基于LED的等效感測器系統(tǒng)相比，基于VCSEL的光學模組系統(tǒng)的總功耗明顯更低，且串音干擾減少，信噪比更高。

全球TWS耳機市場在2020年的銷量達到2.33億套，counterpoint 預測今年全球TWS耳機市場銷量將達到3.1億套，同比增長33%。而據(jù)一位業(yè)內(nèi)人士估計，加上白牌產(chǎn)品后的TWS市場總量將達到6億套左右，使用VCSEL的產(chǎn)品將達到20%，也就是1億套的水平，市場容量相當可觀。

而2021上半年此類VCSEL的出貨量低于預期，主要是由于智能手機銷售疲軟造成。據(jù)Digitimes Research估計，中國智能手機供應商在2021年第二季度（Q2）的總出貨量同比下降了20%以上。但是，業(yè)內(nèi)都預計全球TWS耳機和智能手機對VCSEL的需求將在2021下半年反彈。

VCSEL在非手機領域的拓展不單是TWS耳機，還有掃地機器人、線下人臉支付等，出貨量都在穩(wěn)步上升。尤其是中國的掃地機器人滲透率只為3.6%，而光學感知模組的滲透率約為10%，隨著市場的擴大，基于VCSEL的ToF感測方案將越來越多地出現(xiàn)在高端機器人產(chǎn)品中。

不過，最令人激動的當屬汽車市場。業(yè)內(nèi)人士都認為，在手機和汽車兩大終端產(chǎn)品的智能化需求之下，VCSEL市場規(guī)模將繼續(xù)保持高速增長勢頭。

陳曉遲告訴集微網(wǎng)，VCSEL的主要應用是汽車的激光雷達，還有轎廂內(nèi)的駕駛員狀態(tài)監(jiān)控等。

在遠程測距方面，超遠程測距由于留給自動駕駛的機器判別時間較長，仍然可以采用雙攝像頭視覺傳感器和毫米波LiDAR來完成；在150~250M安全避障距離內(nèi)，dToF VCSEL激光LiDAR傳感器由于機器計算時間少，硬件反應速度更快，硬件可靠性更高、集成難度更低，體積更小，正在成為行業(yè)共同突破的重點。除了可以測距之外，VCSEL激光LiDAR還有“識物”的功能。在近距離的低速強制避障部分，合理布局的dToF VCSEL激光LiDAR傳感器能夠快速無盲區(qū)地連續(xù)生成3D環(huán)境地圖，是目前理想的無風險避障措施。

部分業(yè)內(nèi)專家們還認為，在自動駕駛技術中采用dToF VCSEL激光LiDAR，完全可以通過不同的陣列模式制作出多種類型的傳感器出來，在很多領域完全能替代掉現(xiàn)在功能單一的紅外傳感器、超聲波傳感器，以及隱私性與安全性不足的攝像頭傳感器。

不論這種想法能否成型，讓VCSEL用在車用激光雷達上的難度顯然遠大于前。“激光雷達的探測距離是幾十米甚至是幾百米這樣的距離，所以要求的光功率密度要遠遠高于消費電子或者手機上的應用。”陳曉遲指出，“即使是轎廂內(nèi)的疲勞駕駛監(jiān)控，芯片的規(guī)格跟普通手機上的類似，但是要求通過車規(guī)級認證，所以難度會更大一些。”

“在手機中應用的VCSEL芯片價格約為1美元，在汽車中顯然要更高。”他補充道。

還要指出的是，激光雷達中有一種閃光（FLASH）式雷達，用激光照射一個區(qū)域，相比光學相控陣在制造方面的挑戰(zhàn)更小，VCSEL在這種FLASH激光雷達中可用作多光束掃描光源。相較于傳統(tǒng)的FLASH方案，VCSEL的發(fā)射光峰值功率密度和信號信噪比均顯著提高。如與SPAD（單光子雪崩二極管）陣列傳感器相配合，探測會靈敏度大幅提升。

此前，蘋果公司新款iPad Pro和iPhone 12配備的激光雷達就是采用VCSELs+SPADs方案，隨著智能手機帶動相關供應鏈產(chǎn)能釋放，成本已經(jīng)進入快速下降區(qū)間。

“FLASH激光雷達多用在中近距離中作補盲雷達，現(xiàn)在的趨勢是基本都會用VCSEL。”陳曉遲說，“下半年開始有越來越多的激光雷達廠商開始找到我們，想看看VCSEL能否替代傳統(tǒng)光源，因為VCSEL在主要性能指標全部占優(yōu)。”

陳曉遲認為，VCSEL在汽車中的應用將會在明年起量。這個觀點也與其他廠商相一致。蘋果激光雷達VCSEL組件的主要供應商之一Lumentum公司最近表示，“預計2022年基于VCSEL方案的汽車級激光雷達將進入量產(chǎn)窗口期”。

對于VCSEL行業(yè)來說，有了手機和汽車的引導，未來幾年將步入一個黃金發(fā)展期。

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