前不久，海内首款波长660nm VCSEL芯片已在重庆万州实现批量化生产，这款由威科赛乐微电子株式会社研发的激光芯片，更易于面内集成阵列和光学整形的技能，使得在相同输出功率下对人眼敏感度能达到同类产品的4.5倍。而在本钱方面，单颗芯片市场售价仅在一元旁边，本钱降落了60%，封装本钱也降落50%以上。长春光机所也宣告首次实现了人眼安全范围内的1550 nm VCSEL芯片。
从2017年至今，VCSEL技能不断打破，也让我们的体验更加舒适。
从光通信到消费电子，VCSEL芯片家当的崛起
自2017年iPhone X推出人脸识别功能之后，其背后的关键技能——垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL)一炮而红，成为了消费电子领域的新宠。
事实上，VCSEL并不是近些年研制出的新技能，早在1977年，日本科学家伊贺健一和内山诚治就提出了干系观点，并将其用于光通信领域，为科研界和通讯行业人士所熟知，至今已发展了四十余年[1]。
VCSEL芯片是一种微型的半导体激光器，相较于EEL（Edge Emitting Laser，边发射激光器），VCSEL具有效率高、光束质量好、精度高、功耗低、小型化、高可靠、调制速率快、可大量生产、制造本钱低等上风，易于实现大规模阵列及光电集成[2]。但由于其制作工艺繁芜，且激光发射功率较低、无法进行远间隔侦测等缘故原由，在出身后的很长一段韶光内，VCSEL都无法向光通讯领域以外的运用处景中进行拓展。
构造示意图[3]。（a）：VCSEL；（b）：EEL
直到20世纪90年代，智好手机的涌现让近距感应进入了人们的生活。随着苹果公司推出的iPhone X系列手机引入了面部识别（3D传感）功能，用于构造光光源的VCSEL进入了人们的视野；2020年，可寻址VCSEL阵列首次进入苹果新款iPad Pro平板电脑和iPhone 12 Pro系列智好手机，成为消费类激光雷达（LiDAR）的光源。
与此同时，苹果也在积极布局VCSEL行业的未来——AR领域和智能汽车领域，探索VCSEL芯片的更多可能。在消费电子的巨大市场之下，VCSEL芯片家当链就此崛起。2022年，研究机构 Yole Group预测称，2027年VCSEL市场规模将达到39亿美元体量，2022~2027复合年化增速可达19.2%。
奋起直追，国产VCSEL的“破壁”之路
除高增速发展之外，集中度高是VCSEL芯片市场的另一个特点。根据Yole Group报告，2017~2021年，Lumentum长期霸占VCSEL芯片市场紧张份额，2021年占比达到40.0％以上。2019年II-VI（现为Coherent）收购Finisar，受益于此，II-VI（现为Coherent）市场占比有所提升，成为仅次于Lumentum的第二大VCSEL芯片供应商，2021年其市占率约为37.2％。
VCSEL芯片制作难度较高，从技能层面看，VCSEL综合了半导体材料、激光物理、半导系统编制造工艺、高速射频电子和光学技能等学科。不仅芯片构造繁芜，而且须要在利用比硅材料薄弱及本征毛病度高两个数量级的砷化镓材料的情形下，知足高性能和高可靠性哀求。
从工艺层面看，VCSEL芯片工艺流程长，制造难度高，包括外延工艺、氧化工艺、保护绝缘等工艺均须要深厚的技能积累，尤其外延成长技能为其生产的核心壁垒，该良率水平直接影响企业生产本钱。
因此，在很长一段韶光，海内VCSEL行业难以走向高端化。一方面，芯片光电转换效率低、研发本钱高；另一方面，大部分VCSEL公司均是初创公司且仅是芯片设计公司，能够设计产品但无法大规模量产，国产化良率低；即便实现量产，但芯片封装体历年夜或本钱高，无法实现大规模运用，VCSEL芯片市场需求紧张依赖入口。
值得把稳的是，近年来，在国产替代的大趋势下，VCSEL芯片国产化加速，国外光通讯巨子垄断VCSEL芯片市场的情形有望被冲破。目前我国部分VCSEL芯片企业在技能、工艺、性能等方面已靠近国际前辈水平，并在车载雷达、3D传感、消费电子等新兴领域积累了丰富的量产履历。
如长光华芯VCSEL芯片最高转换效率60.0%以上，冲破国外技能封锁和芯片禁运，逐步实现了半导体激光芯片的国产化；纵慧芯片VCSEL已经在手机上持续多年大批量量产交付，从2021年开始进入汽车电子市场，在车载DMS，夜视补光和激光雷达运用上均已实现前装量产交付。并在海内快速布局大量专利，得到华为旗下哈勃资金、小米长江基金，比亚迪等投资方青睐。
此外还有度亘激光、华芯半导体、柠檬光子、瑞识科技、新亮智能等国产VCSEL厂商正在快速发展。
科研领域中，中科院长春光机所在VCSEL的研究处于天下前沿地位。近日，长春中科长光时空光电技能有限公司与中科院长春光机所联合发布了在人眼安全垂直腔面发射激光器（VCSEL）方面的最新成果。双方联合研究团队打破了高密度集成VCSEL阵列技能，在海内首次实现了1550 nm VCSEL芯片连续输出功率＞1 W，脉冲输出功率＞10 W。
竞争加剧，家当发展任重道远
随着消费电子、汽车电子、3D传感等家当发展，VCSEL市场规模将持续扩大。VCSEL芯片作为核心元器件之一，市场需求也将持续增长，并对VCSEL技能提出更高哀求[4]。
除了芯片性能以外，芯片的可靠性、寿命以及可量产性都是海内VCSEL发展面临的寻衅。
业内专家表示，只管在新兴领域我国部分厂商的量产化能力已经可以比肩国际水平，冲破了国外巨子对VCSEL芯片市场的垄断，但在传统的数据通信等行业高端运用中，国外厂商仍旧牢牢霸占着主导地位，我国在这一市场下的VCSEL芯片领域仍处于空缺状态。由于技能积累的不敷和市场验证的缺少，全面实现国产替代和“芯片出海”仍旧任重而道远。
与此同时，随着越来越多厂商进入这个市场，国外厂商和用户对数据通信、3D传感、激光雷达等方面的专利布局和竞争也在不断加剧，一定程度上增大了海内企业的进入门槛。
但凭借高性价比和完善家当链上风，海内企业仍有望破局。整体上看，海内企业要想发展VCSEL，除了须要打通材料、工艺、人才、工程技能等节点以外，还要不断加大研发投入，提高VCSEL芯片性能及转换效率，以巩固自身市场地位。
后记
海内家当的发展进程 ，一样平常会经历 “技能掉队期”、“技能追赶期”、“全面替代超越期”三个阶段[1]。而今，尚处于第一和第二阶段的VCSEL芯片家当仍是朝阳家当，拥有广阔的发展空间，相信在全行业的共同付出与拼搏之下，国产VCSEL芯片走向天下的这一天不会太远。
参考文献：
[1]童吉楚.垂直腔面发射激光器(VCSEL)简介及行业发展趋势[J].厦门科技,2022(01):31-35.
[2]张继业. 近红表面发射激光器高功率输出及其模式掌握的研究[D].中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机器与物理研究所),2021.DOI:10.27522/d.cnki.gkcgs.2021.000002.
[3]刘安金.单模直调垂直腔面发射激光器研究进展[J].中国激光,2020,47(07):63-78.
[4]张继业,李雪,张建伟,宁永强,王立军.垂直腔面发射激光器研究进展[J].发光学报,2020,41(12):1443-1459.
