簡介:讓人變得越來越懶的世界里,智能化技術早已融入每一個生活細節處,VCSEL芯片則是其中的“關鍵先生”。
2009年,一位微軟公司員工花費35000美元,在當時地球首富比爾·蓋茨的慈善晚宴上,拍下了一張專屬“游覽券”。
此次游覽的目的地不是名山大川,也不是風景名勝,而是蓋茨耗費7年時間和9700萬美元打造的地球上最智能的豪宅“世外桃源2.0”,但這趟行程注定會讓他難忘終生。
在比爾·蓋茨的豪宅里,當他走入房間,門便自動打開了,房間里不但開始播放他喜歡的音樂,在離開時還會自動暫停,而每一個房間都會識別出他是誰并自動調整空調溫度,甚至當他把手放進泳池中,水溫開始慢慢調節到最適合的程度。
能夠提前預知未來總是令人興奮的,當時的這一切看似科幻,但在13年后的今天,卻成為我們每天都在使用的現實——TWS耳機可以根據使用與否自動暫停,掃地機會在清掃時主動避讓周圍物體,智能門鎖不用鑰匙只用“刷臉”自動開門,只靠“刷臉”就能搞定衣食住行各種支付,激光雷達正在讓汽車走向完全自動駕駛的科幻未來......
這些過去普通人想都不敢想的事情,在短短13年后居然普及到千家萬戶,你不用花費9700萬美金,甚至也不需要35000美金的“門票”。而讓這一切實現,將耳機、門鎖、汽車等消費品都“卷”起來的技術,都離不開一顆小小的、不太起眼的芯片——VCSEL芯片。
這是一顆能讓電子產品變得更智能的芯片,在它的加持下,許多產品的體驗跨越式提升。由于它的出現,機器進一步讓我們的生活更便捷。但這一切究竟是如何實現的?VCSEL芯片如何改變了我們的整個世界?中國企業在這顆芯片上是否又會被“卡脖子”?
一張臉引發革命:“懶人”技術背后的秘密
VCSEL芯片全稱是垂直腔面發射激光(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL),是一種微型的半導體激光器,最初由日本科學家伊賀健一和內山誠治在上世紀七十年代末提出。一開始,科學家們將VCSEL(面發射激光)和EEL(邊發射激光)兩種芯片都應用于光通訊領域,但二者卻有顯著不同的特性。
VCSEL相較于EEL具備體積小、光特性好、低功耗、易于與芯片集成等諸多特性,但它的激光發射功率較低,導致它偵測的距離不夠遠,因此誕生之后的二三十年時間里,VCSEL一直局限在光通訊領域里,無法在更多的應用場景中施展。但智能手機的出現,讓人們和設備距離拉近,終于讓VCSEL芯片找到了屬于自己的舞臺。
大家都有過這樣的使用體驗:當手機來電話時貼近耳朵,屏幕便自動熄滅,而當電話結束放下手機,屏幕又會自動亮起,這背后就有VCSEL芯片制成的近距感應模塊的支持——通過低功率的VCSEL芯片發射激光,當有物體靠近時會自動反射激光,手機就能偵測到物體接近,并判斷屏幕是熄滅還是點亮,這就讓手機日常使用時盡可能降低功耗并減少誤觸,方便了人們使用。
近距感應讓VCSEL從實驗室走向了千千萬萬普通人手中,但真正讓VCSEL一炮而紅的,還是2017年蘋果推出的十周年重磅產品——iPhone X,它的發布,讓VCSEL芯片產業迎來了爆發式擴張。
在iPhone X的“劉海”上,有著大大小小的各種傳感器,他們共同組成了名為TrueDepth的攝像系統,簡單來說,這塊“劉海”區域會在每一次解鎖手機、刷臉付款、驗證身份時打出許多激光到人臉上,然后利用反射回來的激光偵測人臉的立體結構,從而判斷這個人是不是手機的主人,并實現一系列的操作,這背后運用的結構光技術至關重要:
結構光(Structured Light),即通過點陣投影器打出不同的光線圖形,此時經由物體不同深度的位置反射回來便會造成光線或圖形扭曲,繪制出一個獨一無二的帶有深度信息的面譜。比如當你打出直線條紋的光線到手指上,由于手指是立體圓弧形的,此時反射回來的光線就會扭曲,并變成圓弧條紋,而此時紅外鏡頭就可以利用圓弧形條紋反推出手指的立體結構。而VCSEL芯片就是能讓點陣投影器投射出圖形的核心光源器件。
在iPhone X的“劉海”上,無論是泛光感應元件、距離傳感器還是點陣投影儀均依賴于VCSEL芯片支持。iPhone X的面部識別功能讓人們在解鎖手機、刷臉支付等方面變得更加無感。不僅如此,其安全性也極大提升:根據官方說法,過去的指紋解鎖,錯誤率是五萬分之一,而當時代進化到iPhone X的面部解鎖后,錯誤率僅有百萬分之一。
iPhone 12之后,蘋果為手機后置攝像頭加入了dToF(直接飛行時間)激光雷達,其中再次用到了VCSEL芯片。dToF屬于時間飛行(ToF,Time of Flight)的一種,時間飛行是利用激光發射器發出的光照射到物體表面發射回來,由于光速已知,可以利用一個紅外鏡頭測量物體不同深度的位置反射回來的時間,利用簡單的數學公式就可以計算出物體不同位置的距離深度。而dToF的原理就是利用VCSEL芯片直接發射一個激光脈沖,之后測量反射光脈沖和發射光脈沖之間的時間間隔,就可以得到光的飛行時間。
由于dToF技術的加入,蘋果設備不但擁有了更好地拍照對焦效果,不論對焦速度還是對焦精確度上都有了大幅度提升,更重要的是為手機等移動設備的AR應用場景提供了更栩栩如生的使用體驗,不僅定位更加精準,反饋也更迅速。
因此,如今的蘋果諸多產品線,如iPhone、iPad、AirPods等系列上,VCSEL芯片都發揮著重要作用,耳機中的VCSEL芯片用來識別用戶聽歌狀態,手機、iPad中的VCSEL芯片用來進行精準對焦拍照和“刷臉”解鎖等。并且,蘋果正不遺余力地布局VCSEL行業的未來——AR領域和自動駕駛汽車,傳聞中即將于年底發布的蘋果AR眼鏡,以及很可能擺脫方向盤的蘋果汽車,都將為人們展現VCSEL芯片帶來的更多可能,進一步讓人們感受到消費光子時代的科技魅力。而這一切,也對VCSEL芯片產業提出了更高要求,如今,相關領域成為國內外眾多芯片企業爭相競爭的重點。
半導體光芯片領域:從跟跑到走向世界
即將到來的消費光子時代,對VCSEL芯片提出了新的需求。在諸多消費類應用場景中,不但要求硬件產品體積更小,成本更低,且對產品能耗和散熱等指標有更苛刻的要求,但在早期,我國企業針對消費光子光發射模組方案尚無完美解決方案,總體水平處在“跟跑”狀態,和海外差距較大。
iPhone X發布后,海外大廠博通、Finisar、Lumentum、II-VI等開始加速VCSEL相關產業及解決方案的研發,通過一系列并購逐步形成由頭部IDM主導的局面。綜合來看,這些光通信巨頭通過并購布局VCSEL核心技術并橫向擴張賽道,通過整合降低運營研發成本,未來上游核心技術或呈寡頭競爭態勢。
行業研究報告顯示,VCSEL的制造難度高,包括外延工藝、氧化工藝、保護絕緣等工藝均需要深厚的技術積累,尤其外延生長技術為其生產的核心壁壘,該良率水平直接影響企業生產成本。
“很長一段時間,國內VCSEL行業走向高端化面臨各種困難,一方面芯片光電轉換效率低、成本高;另一方面,大部分VCSEL公司均是初創公司且僅是芯片設計公司,能夠設計產品但無法大規模量產,國產化良率低;即便實現量產,但芯片封裝體積大或成本高,無法實現大規模應用。“一位光芯片領域專家談道。
筆者注意到,國際廠商壟斷VCSEL芯片的情況在近期已開始轉變。目前國內已有多家有實力的VCSEL公司,致力于VCSEL芯片的全國產化。而這其中,瑞識科技以VCSEL芯片加光學集成封裝的路線更是獨具特色。據了解,瑞識科技已打通“芯片+光學+應用”的全產業鏈條,不僅有芯片設計能力,大規模交付能力,而且還有自建光學封裝工廠,突破行業瓶頸。其芯片級光學整型技術和高光密度芯片技術,可以有效提升光功率,降低芯片成本,具有較高技術壁壘并性能已與國際大廠一致。 其獨創的1.5次光學集成技術,還可以大幅縮小光學器件尺寸,突破了成本瓶頸,完全滿足正在尋找“國產替代”的企業用戶的需求。
據了解,2022年上半年,瑞識科技VCSEL芯片出貨量連續3個月超過百萬顆,逐漸實現了VCSEL芯片國產化良性循環。不僅如此,瑞識科技還積極布局智能汽車,公司順利通過IATF 16949國際汽車質量管理體系認證和AEC-Q102產品車規認證,已向國內新能源汽車頭部客戶量產出貨。同時還成為了國內首家進入日本和韓國世界500強供應鏈并量產出貨的VCSEL公司。
這是中國VCSEL芯片行業的一個縮影,近年來,伴隨VCSEL芯片逐步覆蓋人工智能、身份識別、3D視覺、智能駕駛、安防監控、AR/VR、健康監測等行業,更多國內企業逐步增強話語權,光電芯片企業技術迭代明顯加快并突破瓶頸,通過技術突破實現“國產替代”和“芯片出海”,并有望重構全球VCSEL芯片格局。
尾聲
有時候,科幻和現實的距離看似遙遠,但人類的智慧最終讓一切都展現在眼前。一枚小小的VCSEL芯片,讓許許多多看似不可能的事情變成可能,并讓人類社會走入消費光子時代。如今,不但是智能手機、TWS耳機、安防、汽車智能座艙等領域都讓人更加便利,元宇宙、自動駕駛、機器人等面向未來的前沿技術也離不開VCSEL芯片加持,讓人不得不感嘆,技術的發展遠遠超出大多數人的預料。
從光通訊領域起步,VCSEL芯片如今已在消費電子3D成像、激光雷達、物聯網、AR/VR、醫美等行業不斷成長,并帶火了圍繞我們生活的諸多智能產品。從小眾走向大眾的過程中,VCSEL芯片的火熱現狀與未來前景再次證明,一項技術在真正匹配的場景下將爆發出令人難以置信的力量,在中國企業的奮起直追中,由VCSEL芯片引發的產業變革,終將推動中國光電半導體芯片產業實現超越,這一天也許不會太遠。
