汽车和消费电子需求增长，加速提升VCSEL功率密度

对于垂直腔面发射激光器（VCSEL），前景一片光明。因为它们的性能正在上升，而价格却在下降。从近红外波长向短波红外波长的转变也即将到来。这些趋势将帮助VCSEL满足3D传感应用中越来越多的需求。

Yole Développement光子学和传感部门的高级技术和市场分析师Pierrick Boulay 说：“VCSEL始于5年多前的智能手机。但它开始进入汽车和工业应用——主要是与物流链的自主性相关——例如叉车、自动导引车、卡车、送货机器人等，以及用于交通监控的智能基础设施应用和人员监控。”

根据Yole Développement2021年关于VCSEL技术市场趋势的报告，对2021年至2026年的市场预测。移动和消费类应用仍然是最大市场，汽车和移动应用正在迅速增长。CAGR：复合年增长率

在汽车领域，VCSEL主要应用是前瞻性激光雷达，以及后视和侧视。3D传感也用于车厢内。位于汽车前方的激光雷达需要高功率光源，因为系统必须检测远距离的物体，而后方和侧面激光雷达使用低功率光源来实现更短的3D感应范围，车内应用也是如此。

3D传感是通过使用各种方法实现的，例如飞行时间和结构光。飞行时间技术用于激光雷达和一些汽车应用，例如通过测量光往返于物体所需的时间来确定距离。用于手机面部识别和其他领域的结构光将图案投射到物体上，然后根据反射图案中的扭曲计算出相对的深度信息。

飞行时间传感广泛用于汽车应用。例如确定与另一辆车或物体的距离

提高VCSEL效率

VCSEL在支持高性能3D传感的大规模需求方面取得了许多进步。Lumentum 3D传感产品线管理副总裁André Wong表示，“VCSEL”一词有时指的是单个发射器，但对于3D传感，客户希望在单个芯片上实现一组VCSEL阵列。

II-VI消费电子战略营销总监Gerald Dahlmann表示，芯片上的VCSEL阵列占地面积高达1mm×1mm，通常包括数百个发射器，输出功率从毫瓦到几瓦不等，用于移动设备中的3D传感。公司已经展示了更大的芯片，其阵列包含多达数千个发射器和数十瓦的功率，适用于远程激光雷达。所有这些设备的波长都在近红外范围内，通常为850nm或940nm。

Wong谈到，大约10年前，制造商将用于制造VCSEL的砷化镓晶片的直径从100mm扩大到150mm，使每块晶片的芯片数量增加了一倍多，并降低了每块芯片的制造成本。在此后的几年里，供应商通过实施多层结来倍增光子生产，提高了设备的功率密度。

另一个进步是多层金属，它提高了单个发射器的寻址能力（addressing capabilities），从而实现了3D传感照明的动态优化。“高端智能手机应用需要不断发展用于飞行时间或结构光的激光器功能，以改进面部识别或激光自动对焦等应用。”Gudde说。

管理热量和功率密度

然而，每项改进都包括局限性和新的要求。增加晶片尺寸需要对工厂进行重新装备，并为较大的晶片建立来源，因此增加了晶片供应商、VCSEL制造系统制造商和VCSEL生产商之间的协调。

多层结不仅使光子产生倍增，而且使热量产生倍增。Wong说，Lumentum堆叠多达6个结发射器，以提供足以满足汽车应用的功率密度。然而，在设计解决方案时，工程师必须平衡应用程序的功率需求和消除废热的竞争需求。

多结VCSEL堆叠发射区域以增加每个芯片的光子产量

软件在某些应用程序中解决了这个问题。脉冲输出可降低平均功率（和废热），同时保持峰值功率。对于可单独寻址的VCSEL阵列，软件可以关闭全部或部分阵列，调整脉冲操作以满足应用要求。

当特征尺寸必须缩小以管理系统封装尺寸时，也会出现散热问题。VCSEL的最新特征尺寸目前为单个发射器的几十微米。通过缩小发射器和其他系统组件，制造商将更多单独的VCSEL 封装到芯片中，而不会增加芯片尺寸。增加的输出功率密度有利于3D传感。

用于短波红外的VCSEL

如果VCSEL要在转换为短波红外（SWIR）后幸存下来，器件制造商需要一种在1400nm附近产生光子的材料，而目前的砷化镓VCSEL无法实现这一点。因此，研究人员和公司正在研究氮化物基砷化镓VCSEL配方以及其他新材料。

长波VCSEL制造商VERTILAS最近宣布了一种基于InP的阵列，在1300nm处发射8W的准连续功率。该功率级接近目前用于近红外短程3D传感应用的功率级，例如手机中的面部识别。

半导体晶圆制造商IQE也宣布，实现了SWIR中用于3D传感的氮化物基砷化镓技术所需的功率和寿命里程碑。该公司正在与合作伙伴一起改进技术并为生产做好准备。

这些新材料面临挑战。InP晶圆的直径是GaAs晶圆的三分之一到二分之一，与使用相同尺寸裸片的GaAs晶圆相比，每块晶圆的裸片可能是四分之一。这种差异转化为基于InP的设备的更高制造成本。

这些新材料的另一个潜在问题是获得市场认可。例如，汽车应用需要大量证据证明VCSEL满足苛刻的性能和可靠性规范。因此，较长波长的VCSEL可能需要一些时间才能在这些应用中获得市场认可。