访谈 | 数据通信和移动应用“双翼驱动”，托举VCSEL“乘势高飞”

根据Yole Développement的《VCSEL——2021年技术和市场趋势》报告显示，在数据通信和移动应用这两个最重要应用方向的推动下，全球 VCSEL 市场预计将在2026年达到24亿美元，复合年增长率为13.6%（2021-2026年）。

 

近日，《 》编辑团队拜访了武汉仟目激光有限公司（以下简称仟目激光）。

 

成立于2017年的仟目激光，是一家从事半导体激光器生产制造的企业，能为客户提供从芯片性能设计、加工工艺、批量生产、销售至售后的完整供应链服务。

 

仟目激光在VCSEL的两大重要领域各有一张“王牌”——公司创始人之一杨旭博士主导3D传感和大功率边发射激光器，杨旭博士就读于清华大学和中佛罗里达大学，博士师从导师Dr.Dennis Deppe，正是商业VCSEL方案的发明者；资深研发总监郭丁凯博士主导数据通信，郭丁凯博士毕业于美国马里兰大学，曾在美国英特格公司从事半导体芯片工艺和新型材料的研究，后在艾迈斯-欧司朗半导体专门从事垂直腔面发射激光器(VCSEL)的设计，优化和量产。

 

郭丁凯博士和杨旭博士分别就VCSEL两大热门领域的技术重点，给出经验分享。

 

杨 旭博士（右）、郭丁凯博士（右二）与《 》编辑团队

 

业内VCSEL企业产品良率已达95%

 

CSC：VCSEL通过面阵可以实现比较高的功率，但高功率工作下要求瞬间注入电流很大，对雷达电路部分比较有挑战，有没有什么方案能够解决这个问题？

 

仟目激光 ：车载雷达方案整体厂商会选择相应的电路驱动、芯片、光路原件、信号处理等部分来完成雷达整体方案。

 

CSC：现在大陆市场Vcsel企业，产品的良率大概能做到什么程度？氧化技术虽然带来很多好处，但对可靠性有影响，质子注入技术可以改善这一点。你们认为质子注入技术对于高可靠VCSEL产品是否是必须的、绕不开的工艺？

 

仟目激光：最开始把氧化工艺真正运用到VCSEL芯片中是我的导师Dr. Deppe。他于1994年首次将氧化物结构引入到VCSEL芯片中，大幅提高了VCSEL的多项性能。该技术开启了VCSEL商业化的进程，其后该技术成为20多年来工业界制造VCSEL的关键技术标准之一。目前业内优秀工厂的良率已经可以做到95%。多年前我在Dr. Deppe研究课题组里从事下一代非氧化物VCSEL的研发。相较于此代氧化物VCSEL芯片，它的光功率提升了一倍，热阻为现有氧化物VCSEL的一半，同时器件的可靠性得到了大幅提升。它通过光刻工艺来提升器件的排布密度得到了更小的器件尺寸，是下一代VCSEL的发展方向。质子植入只是一种工艺，现在仍作为现有VCSEL里的辅助工艺采用，并非是绕不开的工艺。

 

国产高功率VCSEL的优势在于性能、成本和服务

CSC ：高功率VCSEL阵列、高功率DFB阵列，尤其是多结的，都用于激光雷达，他们各自的优势是什么？谁更有优势？

 

仟目激光：DFB属于边发射激光器。每个边发射激光器就是一个发光点，需要将单管激光器进行一维排列、光学整形，并用机械旋转的方式获得整个空间的扫描。而VCSEL则采用面阵，可以在单颗芯片上做到二维可寻址，也就是分区点亮。不需要机械转镜，配合接收端的SPAD/SiPM可以做全固态激光雷达，具有更高的稳定性和可靠性。

 

但从功率密度上讲，边发射的激光器仍然比VCSEL具有一定优势。

 

CSC ：一方面，高速VCSEL在短距离光互连有优势，被广泛用于数据中心服务器间（<300米）光互连。由于数据中心在500m-2km的光互连比重正在增加，因为传统VCSEL（850nm）难以支持这个距离的传输，你们认为1060nm GaAs VCSEL、1310nm InP VCSEL以及1310nm InP DML在500m-2km的光互连谁会成为未来的主流?

 

仟目激光 ：首先你就刚才提到另外两个波段（1060nm 和1310nm），VCSEL在这两个波段实现非常难，因为材料体系决定了在这个波长做VCSEL很难，即使现在有做出来的，但是效率较低，且量产比较很难实现，所以其实认为在这个波段就不要用VCSEL，用InP DFB就好。

 

CSC：另一方面，目前高速850nm VCSEL 100Gbit/s的产品已经出来了，华为也证明了PAM4调制200Gbit/s，您认为850nm VCSEL未来最高可能达到的速率是多少？目前来看哪一种技术路线更有优势？

 

仟目激光：现在最高速的应该是博通他们有单波100G的样品出来，还没有量产。就相当于100G*4的样品出来，这已经是属于比较难达到的速率了，如果不进行一个结构上大变的话，再提高速率其实会越来越难。理论上能达到的速率单波100G应该是可以的。

 

CSC ：手机人脸识别用的高功率VCSEL，国际市场Lumentum和II-VI占了80%以上，国内的厂家目前机会还不多，原因是什么？如何才能更有机会替代他们？

 

仟目激光：其实国内也有手机的厂商在用我们的芯片，像之前的魅族，我们现在和一线的厂商都在进行各种方案的开发定制当中，但现在手机做解锁和TOF不像当时的大家预测的上的量那么大，但在接近传感依旧具有不小的量。我觉得国内的芯片厂商还是有机会的，一个是我们的性能与国外大厂是可比的，在同一水平上。第二个我们在国内有成本上的优势。第三是服务上响应度上会更迅速，所以未来我们还是有机会的，尤其是在成本和服务。

 

VCSEL在固态激光雷达的方向有助力

 

CSC：905波段人眼安全度低于1550,但905波段的功率远高于1550,而且905波段有相对便宜的硅APD探测器，您认为未来自动驾驶上是否会因为人眼安全问题而放弃905波段，而采用1550波段呢？

 

仟目激光 ：1550波段确实是有从安全上来考虑的话，他确实是对人眼安全更好。但1550的波段的激光器，它一般采用光纤激光器，现在成本偏高，如果成本能够降低，未来的话有可能会采用1550的波段。905波段确实能够功率比较容易做高，比1550nm波段的功率提高要容易，而高功率是激光雷达满足测距的要求的必要条件。

 

CSC ：VCSEL对于固态雷达上的应用是有效的，如何使用在线式旋转机械结构的激光雷达，如何有效改善使用的稳定性

 

仟目激光：旋转机械式的雷达，由于具有机械结构，其稳定性需要考虑，在汽车上颠簸几万小时之后，机械部件失效的概率会比较大，所以大家才会想要做这种固态的雷达。然后要做纯固态的时候，发现VCSEL特别适合用于做纯固态，所以我们VCSEL整个发展的方向也是配合激光雷达往纯固态的方向去发展，如果要把VCSEL用在机械旋转式雷达时，由于其功率比起现有的边发射是有一定的劣势，所以说这一块考虑的不是主要的方向。

 

CSC ：目前国内应用或者探索VCSEL方案的车载激光雷达公司都有哪些呢？能麻烦您简单介绍一下吗

 

仟目激光 ：目前主流的禾赛、速腾聚创、大疆Livox、华为等都有在进行VCSEL的固态激光雷达方案探索。从机械式、转镜、MEMS、FLASH、OPA、FMCW等主流的方案都在研发和生产过程中。

 

传感与通信技术的进步为VCSEL带来巨大市场价值

 

CSC ：砷化镓和磷化铟作为第二代半导体的“老兵”，在可见光及红外光电及微波射频领域一直默默贡献重要力量，随着高速光通讯、智能感知等新兴应用的推广及普及，“老材料”又被再次引发诸多关注，请谈谈砷化镓和磷化铟相关技术和未来产业化的发展？

 

仟目激光 ：我们知道，在光通信中与光纤的窗口范围所匹配的光电器件的活性层材料只能是InGaAs或者InGaAsP等三、四元化合物；与之晶格匹配的衬底材料，只能是InP衬底晶体。高速通信也需要InP的HBT晶体管。但是目前InP的单晶衬底材料仍然昂贵， 是砷化镓的10倍， 是硅的40倍。

 

CSC：近年来，有研究在硅基上做出了磷化铟的外延， 采取了微通道技术。对于类似的异质外延， 请谈谈是否有前景？

 

仟目激光 ：我们现在所谓的第三代半导体，并不是说第三代是第二代的下一代，二者是平行的，所谓的第三代半导体是宽禁带，只是说它和第一、二代半导体相比带隙更宽，那么既然它们禁带宽度更宽的话，它就是有一些特定的应用，比如快速充电等一些高功率的应用。但是第三代很难用在光通信和雷达领域。

 

第二代半导体火起来的原因，还是因为这个市场一个是通信领域，一个是雷达领域，传感领域现在火起来了，所以说我们砷化镓、磷化铟才会越来越多，会受到一个大家的关注。

 

同时磷化铟材料比较脆，它的一般采用2寸3寸4寸工艺，砷化镓材料比磷化铟更坚固，可以上6寸的工艺，而且是现在的主流工艺。磷化铟主流是三寸。

 

CSC：请介绍一下贵公司的业务发展情况，以及对VCSEL未来重点发展方向的看法。

 

仟目激光 ：仟目激光目前可以为客户提供定制化设计，为智能手机的面部识别、虚拟现实、增强现实技术、自动驾驶等应用提供高效率的VCSEL，满足客户的不同需求。

 

VCSEL在体积、功耗、光束质量等特性方面具有无可比拟的独特优势，在其诞生四十余年间，不断推动着传感、通信等领域关键核心系统向着低功耗与小型化方向发展。

 

传感与通信技术的进步，对行业发展影响深远。作为这两大领域的核心元器件，VCSEL技术具有重要研究意义。目前消费电子3D传感、自动驾驶激光雷达等市场空间广阔，未来将带动高温高功率VCSEL激光列阵技术的发展，为高温VCSEL带来巨大的市场价值。

 

其实，除了VCSEL的布局以外，公司早在2018年就成功流片了基于砷化镓材料的DFB边发射激光芯片，如之前提到的，DFB在工业制造与激光雷达领域也有相应的优势。所以，在未来无论激光雷达还是工业类的客户，仟目都希望以完整的产品线、可靠的质量满足客户的各种场景下对于激光芯片的需求。

 

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