在2017年首次進(jìn)入蘋果iPhone X成為3D人臉識(shí)別的光源之前,VCSEL還不知道這是自己人生改寫的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。
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低開高走的人生
1977年,日本東京工業(yè)大學(xué)Iga教授最早提出VCSEL的概念。
VCSEL,Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser,簡(jiǎn)稱垂直腔面發(fā)射激光器,是一種垂直于襯底面發(fā)射出激光的半導(dǎo)體激光器,因?yàn)榇怪鼻槐砻姘l(fā)射,因此也被稱為面射型激光器,其激光束呈圓形對(duì)稱。
VCSEL的結(jié)構(gòu)有點(diǎn)類似一個(gè)“三明治”,主要包括上、下底部的多層布拉格反射鏡(DBR)、導(dǎo)電限制區(qū)、有源區(qū)以及半導(dǎo)體襯底等,激光束沿著垂直于襯底方向出射,其典型結(jié)構(gòu)如下圖所示。上、下底部的DBR與有源區(qū)形成激光器的腔體,其中有源區(qū)是VCSEL的重要組成部分。
*圖源網(wǎng)絡(luò),“三明治”結(jié)構(gòu)的VCSEL
VCSEL具有調(diào)制響應(yīng)快、光束質(zhì)量好、效率高、低功耗、易于與芯片集成等諸多優(yōu)點(diǎn),但由于其單個(gè)芯片輸出功率較低,因此在誕生近40年的時(shí)間里,VCSEL一直局限在短距光通信領(lǐng)域。
后來(lái),智能手機(jī)的出現(xiàn)進(jìn)一步拉進(jìn)了人們和設(shè)備的距離,VCSEL才更多找到屬于自己的舞臺(tái)。
2016年,VCSEL替代LED應(yīng)用于手機(jī)中的接近傳感器。相信大家都有這樣的使用體驗(yàn):當(dāng)用手機(jī)接聽電話時(shí),屏幕會(huì)在貼近耳朵時(shí)自動(dòng)熄滅。
這背后就有VCSEL芯片制成的接近感應(yīng)模塊的支持——通過低功率的VCSEL芯片發(fā)射激光,當(dāng)有物體靠近時(shí)會(huì)自動(dòng)反射激光,手機(jī)就能偵測(cè)到物體接近,并判斷屏幕是熄滅還是點(diǎn)亮,這就讓手機(jī)日常使用時(shí)盡可能降低功耗并減少誤觸,方便人們使用。
接近感應(yīng)讓人們感受到了VCSEL的魅力,但真正讓VCSEL一炮而紅的現(xiàn)象級(jí)應(yīng)用,還是2017年蘋果推出的十周年重磅產(chǎn)品——iPhone X,它的發(fā)布讓VCSEL芯片產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了爆發(fā)式擴(kuò)張。
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大器晚成的VCSEL市場(chǎng)前景
被哪些應(yīng)用點(diǎn)亮?
伴隨VCSEL的功率隨技術(shù)發(fā)展逐步提高,其下游應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展,該市場(chǎng)具有結(jié)構(gòu)性特征,短期支撐與長(zhǎng)期想象空間并存。
根據(jù)Yole Intelligence發(fā)布的年度《2022年VCSEL市場(chǎng)和技術(shù)趨勢(shì)》報(bào)告顯示,預(yù)計(jì)2022年VCSEL市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到16億美元(約合人民幣113.7億元)左右,是2018年的2倍。
*圖源:Yole Intelligence
據(jù)報(bào)告顯示,未來(lái)5年,VCSEL整體市場(chǎng)還是將保持高速增長(zhǎng)趨勢(shì),或以19.2%的年均復(fù)合增長(zhǎng)率(CAGR)增長(zhǎng),到2027年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到39億美元(約人民幣277億元)。
而從上圖中也可以看出,除了消費(fèi)電子、通信等主流市場(chǎng),工業(yè)和汽車正成為VCSEL應(yīng)用更具憧憬的場(chǎng)景,可以說(shuō)VCSEL激光器是3D傳感、激光雷達(dá)市場(chǎng)快速發(fā)展的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。
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助力Jabil創(chuàng)新
電子商務(wù)和物流業(yè)的飛速增長(zhǎng)以及對(duì)工作場(chǎng)所安全性的關(guān)注度提高正在推動(dòng)自主移動(dòng)機(jī)器人(AMR)和自動(dòng)導(dǎo)向車(AGV)市場(chǎng)的大規(guī)模增長(zhǎng)。為了幫助AMR/AGV獲得更廣闊的視角,快速推進(jìn)自動(dòng)機(jī)器車導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展,精確且經(jīng)濟(jì)高效的3D傳感和激光雷達(dá)技術(shù)必不可少。
作為擁有超過26萬(wàn)名員工的制造解決方案供應(yīng)商,Jabil制造了世界上第一臺(tái)基于ToF的全向傳感器,可監(jiān)測(cè)自動(dòng)機(jī)器車四周360度。
在這款全向傳感器的設(shè)計(jì)中,Jabil想要探測(cè)地面和空中的所有障礙物,因此它需要使用高功率VCSEL來(lái)適當(dāng)?shù)卣樟林車沫h(huán)境,艾邁斯歐司朗的Bidos VCSEL產(chǎn)品正能滿足其需求。
納米級(jí)響應(yīng),可以在非常短的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到障礙物;
無(wú)需費(fèi)心校準(zhǔn),由于Bidos VCSEL產(chǎn)品提供了重復(fù)度非常高的圖案,所有孔徑之間沒有差異……
物流場(chǎng)景之外,在智能家居和樓宇自動(dòng)化中,為了確保樓宇和敏感工作環(huán)境的安全性,先進(jìn)的門禁和可靠的監(jiān)測(cè)解決方案至關(guān)重要,艾邁斯歐司朗的VCSEL技術(shù)支持通過面部識(shí)別進(jìn)行身份驗(yàn)證,確保人們能夠安全地進(jìn)入樓宇或公司停車場(chǎng)。 事實(shí)上,3D人臉識(shí)別身份驗(yàn)證不僅可顯著提高門禁的便利性,同時(shí)還確保了高水平的安全性,用戶本人即使丟失了鑰匙、工卡或PIN碼,但有了3D人臉識(shí)別身份驗(yàn)證,自身就是可靠的鑰匙,這種方式為住宅和商業(yè)場(chǎng)所的門禁帶來(lái)無(wú)與倫比額的便利性。 4
汽車行業(yè)帶來(lái)新憧憬
隨著3D傳感技術(shù)的應(yīng)用不斷增加,汽車激光雷達(dá)、以及艙內(nèi)傳感等新興應(yīng)用也成為VCSEL技術(shù)發(fā)展的新陣地。
去年底,補(bǔ)盲激光雷達(dá)進(jìn)一步帶火了VCSEL,多款基于VCSEL技術(shù)的短距固態(tài)激光雷達(dá)發(fā)布,讓VCSEL再次置于聚光燈下。
除了車載激光雷達(dá)市場(chǎng),艙內(nèi)傳感也是VCSEL應(yīng)用的重頭戲,其中以DMS(駕駛員狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng))、OMS(乘客狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng))最為產(chǎn)業(yè)關(guān)注。
*圖源:Yole Intelligence
近幾年, DMS迅速興起,可保障道路安全并提升駕駛體驗(yàn)。安全性和自動(dòng)駕駛是移動(dòng)出行領(lǐng)域的兩大趨勢(shì),受到歐盟和美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局(NHTSA)等監(jiān)管機(jī)構(gòu)的支持,這些機(jī)構(gòu)要求汽車制造商使用駕駛員狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。自2023年起,歐洲新車安全評(píng)鑒協(xié)會(huì)(Euro NCAP)還將要求直接DMS的安全評(píng)級(jí)達(dá)到5星。
而且除提升安全性之外,DMS還可滿足舒適度相關(guān)的需求,如駕駛員身份識(shí)別和驗(yàn)證,或調(diào)整增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)抬頭顯示(HUD),從而實(shí)現(xiàn)更好的駕駛體驗(yàn)。此外,隨著L2+以上的自動(dòng)駕駛功能投入使用,方向盤離手檢測(cè)功能也愈顯重要。
隨著與車內(nèi)乘員相關(guān)的新的安全標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)出臺(tái),以及車輛自主性的提高,乘員監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(OMS)也變得不可或缺。
值得注意的是,NCAP(新車碰撞測(cè)試)路線圖中除了涉及DMS駕駛員狀態(tài)監(jiān)測(cè)、還包括了乘員監(jiān)測(cè)和兒童位置監(jiān)測(cè)功能,可用于安全帶狀態(tài)提醒、自適應(yīng)安全氣囊部置,或提醒父母兒童遺留在車內(nèi)的情況。
一系列采用VCSEL技術(shù)的應(yīng)用正在不斷增加。
而在VCSEL方面,艾邁斯歐司朗可以提供廣泛的VCSEL激光芯片、封裝和模塊等VCSEL垂直腔面發(fā)射激光器產(chǎn)品組合,以滿足汽車激光雷達(dá)、機(jī)器人周圍環(huán)境檢測(cè)和智能手機(jī)人臉識(shí)別解鎖等各種應(yīng)用需求。
比如去年5月份,全球領(lǐng)先的汽車半導(dǎo)體供應(yīng)商Melexis宣布全球領(lǐng)先的光學(xué)解決方案供應(yīng)商艾邁斯歐司朗為其最新的汽車iToF產(chǎn)品提供了高性能紅外激光泛光照明器——TARA2000-AUT系列的VCSEL。
這款VCSEL不僅具有集成的人眼安全聯(lián)鎖功能,同時(shí)與業(yè)界其他VCSEL泛光照明器相比,在尺寸上更緊湊,也能實(shí)現(xiàn)更可靠、更快的系統(tǒng)響應(yīng)。
而就在前不久的6月初,艾邁斯歐司朗宣布升級(jí)了這一產(chǎn)品,全新推出TARA2000-AUT-SAFE系列VCSEL產(chǎn)品,在提供比現(xiàn)有汽車VCSEL模塊更可靠、更強(qiáng)的人眼安全功能的同時(shí),強(qiáng)化了用于汽車艙內(nèi)傳感的紅外激光模塊組合。
新推出的TARA2000-AUT-SAFE可在940nm的峰值波長(zhǎng)下產(chǎn)生一束嚴(yán)格控制的紅外光,適用于與現(xiàn)有TARA2000-AUT系列相同的應(yīng)用場(chǎng)景:駕駛員監(jiān)測(cè)、手勢(shì)傳感和艙內(nèi)監(jiān)測(cè),由于采用了新的內(nèi)置互鎖回路方法來(lái)保護(hù)人眼安全,為汽車制造商提高了可靠性并簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。
據(jù)悉,TARA2000-AUT-SAFE系列將于2024年起向一家全球排名前十的汽車制造商批量供應(yīng)。 這,才僅是開始。
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原文標(biāo)題:艾邁斯歐司朗:“晚熟”的VCSEL
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