VCSEL激光器应用及主要厂商梳理

2018-09-28 14:00:27 来源: 半导体行业观察

随着3D传感的爆发,VCSEL激光器从光通信领域进入消费电子领域。VCSEL进入苹果产业链,是以VCSEL技术为代表的半导体激光技术在消费领域的重大突破,光器件也从工业领域走向消费领域。

一、VCSEL激光器简介

VCSEL,垂直共振腔表面放射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser),基本结构是由上下两个DBR(Distributed Bragg Reflector)反射镜和有源区这三部分组成。上下两个DBR反射镜与有源区构成谐振腔。有源区由几个量子阱组成,作为VCSEL的核心部分,决定着器件的阈值增益、激射波长等重要参数。VCSEL常用的原材料有砷化镓、磷化铟或氮化镓等发光化合物半导体,具有体积小、圆形输出光斑、单纵模输出、阈值电流小、价格低廉、易集成为大面积阵列等优点。

VCSEL结构图

VCSEL制造流程大致为::材料外延生长→外延结构的表征(X射线衍射、反射谱、光致荧光谱、电化学C-V特性等)→器件工艺(包括外延片清洗、晶片键合、刻蚀、金属膜溅射、光学镀膜等)→后段工艺(包括引线键合、划片、封装、光纤耦合等)→器件性能测试(包括I-V特性、I-P特性、发射光谱、频响特性等),最终完成从材料到器件的全过程。

二、VCSEL应用领域

在应用领域方面,VCSEL从诞生起就作为新一代光存储和光通信应用的核心器件,应用在光并行处理、光识别、光互联系统、光存储等领域。随着工艺、材料技术改进,VCSEL器件在功耗、制造成本、集成、散热等领域的优势开始显现,逐渐应用于工业加热、环境监测、医疗设备等商业级应用以及3D感知等消费级应用。

未来,随着智能化信息世界的不断发展,VCSEL将广泛应用在消费电子3D成像、物联网、数据中心/云计算、自动驾驶等领域。其中,VCSEL在消费电子领域发挥越来越重要的作用,VCSEL可用来进行智能手机人脸识别、无人机避障、VR/AR、扫地机器人、家用摄像头等。

(1)消费电子3D成像:VCSEL是消费电子视觉成像、三维感应的基础元器件,预计2020年,仅智能手机为VCSEL市场贡献超过20亿美元的收入。

(2)物联网:VCSEL是物联网的重要传感器件,预计2025年,全球将有数十亿设备接入物联网,全球物联网市场有望超过30万亿美元。

(3)数据中心/云计算:VCSEL用于数据中心,预计2020年,全球VCSEL数据通讯的市场规模将达到100亿美元。

(4)自动驾驶:VCSEL应用于自动驾驶中的车身通讯、传感器等,预计到2030年,激光雷达的使用数量将超过3亿枚。

三、VCSEL厂商情况

VCSEL国外厂商主要有Broadcom、Lumentum、Finisar、II-VI、Philips Photonics、ams、Osram等,国内主要有江苏华芯、武汉光迅科技,其他还有山东太平洋、深圳源国、国星光电、华工科技、三安光电、乾照光电、华灿光电以及睿熙科技等公司。可以看出,基本上都是来自于光通信芯片的龙头企业;也正是VCSEL有了在光通信领域的经验,消费级应用变得顺理成章,两者产品具备很强的技术延展性。

1.      Broadcom

Broadcom是VCSEL芯片的主要供应商之一。2016年2月,Avago收购了博通,成立了新博通。博通在光学数据通讯市场产品供应丰富,包括光纤接收器、嵌入式光学模组以及自适应光缆等。博通凭借近期VCSEL出货量的升级,该公司已经出货100万件25G VCSEL器件,使其市场领导领域扩展至光学网络市场。

2. Lumentum

Lumentum是2015年从JDSU分拆出来的公司,主要生产和销售光纤相关产品,销售给全球光纤网络及商用激光客户,公司分2个部门来运作:光通信、商用激光器。Lumentum是苹果公司的第一家VCSEL供应商,芯片代工在台湾稳懋。

2018年3月,Lumentum宣布溢价27%收购Oclaro,交易金额约18亿美元。通过收购,Lumentum将获得Oclaro的磷化铟、光电积体整合电路技术。

3. Finisar

Finisar是苹果公司的第二家VCSEL供应商。2017年12月,苹果对Finisar投资3.9亿美元,用于增加VCSEL的研发和生产。Finisar将使用这笔资金把德克萨斯州谢尔曼一家面积70万平方英尺的已关闭制造厂,改造成开发VCSEL芯片的工厂,未来将用于苹果产品。所有的苹果订单的加工将使用100%的可再生能源,预计新工厂将于2018年下半年投入运营。

4. II-VI

II-VI公司成立于1987年,业务主要分为红外光学、近红外光学、军事和材料、先进产品部四大部门。

II-VI公司重金投入2017年8月以8000万美元从Kaiam收购的6英寸VCSEL制造厂。Kaiam位于英国牛顿艾克利夫占地30万平方英尺的工厂拥有10万平方英尺的洁净室,专为大规模制造GaAs、SiC以及InP化合物半导体器件而设计。

2018年3月,II-VI公司宣布8500万美元收购波长选择开关(WSS)供应商CoAdna。2018年9月,交易完成。CoAdna将并入II-VI Photonics部门此项交易将强化II-VI公司ROADMs产品垂直整合能力。

5. Philips Photonics

Philips Photonics是飞利浦全资子公司,生产760nm-948nm VCSEL传感类用的单模激光管,VCSEL技术具有20多年研发经验,是原德国Ulm Photonics公司,2006年Philips收购Ulm Photonics。760nm-948nm VCSEL单模激光器主要应用于,激光吸收光谱TDLAS测量氧气和水分子、红外傅里叶变换光谱、原子钟、干涉仪、编码器以及运动控制等传感方面应用。

6. ams

ams通过收购快速转型,成为聚焦在光学传感器领域的主要供应商。在总部奥地利的工厂负责前端晶圆制造,新加坡厂则负责光学传感器生产和封装以及VCSEL制造,测试/传感器校准工作则在奥地利和菲律宾的厂内进行。2017年,ams对其位于新加坡的6吋晶圆厂(2000 wspm)产能(主要生产VCSEL芯片)进行扩充投资,针对最新具有人脸识别技术的高端手机所需器件进行投产,增加员工也大部分集中于此,以支持3D和光学传感领域的迅速增长,预计在2019年实现量产。

ams在成像和光学方面陆续收购了Heptagon、Princeton Optronics、CMOSIS、KeyLemon、Mazet这几家公司。其中,KeyLemon公司具备领先的3D人脸识别知识产权库。Princeton Optronics公司可以提供VCSEL光源发射器。

7. Osram

2018年5月,Osram收购美国Vixar公司。Osram是红外LED和红外激光二极管的技术领导者,通过引入Vixar在VCSEL方面的专业技术,Osram将在该领域拥有更强的技术能力和产品组合。

Vixar公司成立于 2005 年,为生物医学、工业、办公产品、汽车和消费品行业的传感器等应用制造波长在650~1000 nm 之间的 VCSEL。

8. 江苏华芯

江苏华芯成立于2015年底,是目前国内唯一一家能够自主完成VCSEL和蓝光半导体激光器芯片外延及芯片工艺制造,并实现量产的公司。2017年11月,10G VCSEL芯片量产并批量出货。2018年3月,940nm 100mW VCSEL产品定型。

目前年产能为5000万颗单管光通讯VCSEL芯片、2500万颗VCSEL面列阵芯片、500万颗蓝光芯片。预计到2018年底,将形成5000万颗3D传感VCSEL芯片的年产能。

华芯半导体提供真正可靠的国产VCSEL芯片

9. 武汉光迅科技

武汉光迅科技是国内光通信光模块器件最大的公司,公司牵头组建了“国家信息光电子创新中心”,短期来看可以帮助公司节约研发支出,长期来看有利于公司充分发挥产业协同优势,完善技术前瞻布局。光迅科技近年来积极开展波长为850nm/940nm VCSEL 芯片的研发,应用于光通信、3D传感等领域。

光迅科技光芯片平台能力

四、总结

VCSEL激光器最大的应用在光通信、3D传感器,应用领域包括消费电子、工业、医疗、5G、汽车电子、AR/VR等,全球已经出现老牌光电子企业扩张/并购、初创企业涌现的潮流,VCSEL的市场热度、未来应用将会受到更多的重视。

​​​​​​​

责任编辑:Sophie

相关文章

半导体行业观察
摩尔芯闻

热门评论