3D感测持续大火，“老炮儿”Lumentum带你了解VCSEL

2021年，VCSEL和EEL在汽车上的新兴应用，如车内驾驶员监控和激光雷达，可能成为未来的“杀手级应用”；另外，应对围绕增强现实（AR）的消费电子产品，以及L3/L4/L5级自动驾驶乘用车、共享出租车的激光雷达产品应用，3D传感即将出现的新爆发点

随着5G的发展与普及，3D成像和传感技术将迎来新一轮高速成长，撬动增强现实和虚拟现实（AR/VR）、智能家居、智慧安防等多个领域发展，加速智慧互联时代的到来。垂直腔面发射激光器（VCSEL）因智能手机3D人脸识别应用而被市场高度认可。Lumentum是全球少数几家能够满足通讯行业采购商大批量需求的VCSEL和EEL制造商之一。

Lumentum表示，3D传感市场是超出行业想象的庞大。从消费电子产品到工业和医疗应用，作为走在3D传感技术前沿的Lumentum，对未来3D传感应用有何理解和预测？Lumentum又做了哪些布局？2020年12月，在上海举行的激光雷达前瞻技术展示交流会中，探索科技（Tecusgar）诚邀Lumentum对相关问题进行解答与探讨。

3D感测持续大火，背后是你不知道的VCSEL

VCSEL全称Vertical-cavity Surface-emitting Laser，是垂直腔面发射激光器，最初用于光通信领域，比如光模块中，后来开始应用于消费电子领域的3D感测方面。2017年苹果将其用在iPhone人脸识别模组，2020年3月苹果推出搭载Lumentum家激光雷达的新款iPad pro，3D人脸识别解锁/支付被称作智能手机前置3D传感系统的“杀手级应用”。以上种种，不难看出VCSEL在消费电子领域正火热起来。

在VCSEL领域，如今较为流行的两种3D传感方案是结构光和飞行时间（ToF）。

iToF模式工作的单结VCSEL和三结VCSEL：芯片面积不变，单位功率密度大幅提升

微软 Kinect V1

从2012年微软公司推出的室内游戏机（微软 Kinect V1），到2015年的个人电脑，再到2017年之后具有划时代意义的3D传感手机应用中，都有Lumentum公司提供的激光器产品和技术。Lumentum利用其光电专业优势，生产高性能商用激光器，应用领域涵盖通讯传输、数据中心、工业激光和3D传感等。随着3D传感市场的快速成长，3D传感已经成为Lumentum仅次于光通信的第二大业务板块。在产品方案设计过程中，Lumentum根据实际应用场景来选择适合的3D传感方案；举例而言，若需求为短距离、高精度的Face ID、工业应用，Lumentum建议采用结构光方案；而若场景用于较长距离（大于2米）、平面分辨率较高的场景，Lumentum则建议采用ToF方案。

可替换EEL，依照不同功率、不同激光排布

2020年12月，在上海举行的激光雷达前瞻技术展示交流会中，Lumentum特别提出了整套舱内（Automotive In-cabin）解决方案，让客户能缩短开发时程，直接走到导入产品的阶段。

面向车用Lidar部份, Lumentum依照不同功率、不同激光排布，从50W的单区芯片，扩展到400W的分区芯片，满足各式3D感测所需。由于激光结构趋复杂，光功能跟转换效率也愈来愈高，多结多区的设计经验将是Lumentum现阶段引以为傲的产品亮点。Lumentum VCSEL的光功率密度已大幅提升到1000 W/mm²，可替换EEL，已经成为激光雷达系统设计的首选光源。

对于半导体激光器重点考虑的可靠性问题，Lumentum VCSEL（芯片及封装）已经通过了AEC-Q102认证，并批量出货，是目前全球唯一通过AEC-Q102认证的VCSEL封装，可为车内驾驶员监控/乘员监控（DMS/OMS）应用提供现货产品。Lumentum的VCSEL阵列制造过程采取晶圆级测试（Wafer Level Testing），以实现晶圆生产过程的严格产品质量管控。

Lumentum自2010年开始布局3D传感市场，至今已累计发货超8.5亿颗3D传感激光器，其中边发射激光器（EEL）5千万颗，VCSEL超8亿颗。Lumentum面向iToF（间接飞行时间）、dToF（直接飞行时间）、结构光、汽车座舱及汽车激光雷达等多种应用的VCSEL和EEL产品，均处于量产状态，2018年至今在中国市场3D传感VCSEL发货量已经超过6千万颗。目前Lumentum不仅可以提供车规级可靠性的VCSEL标品，也可以与客户进行汽车VCSEL的深度定制开发。

应对晶圆制造工艺实现量产、成本控制等多项挑战

Lumentum致力在技术领域上做到更精准、耗电量小的模块化发光产品，以应对如手机这类需求量大、开发周期短、价格非常敏感的市场。

Lumentum追求对VCSEL产品性能持续不断的提升，同时努力降低成本，因此要在解决方案的设计层面进行优化，由此催生“多结VCSEL”。多结VCSEL能提供更高的功率密度，对光学系统设计更加友好；其次，多结VCSEL增加了斜率效率。

另外，消费领域对成本比较敏感。除了前面提过的缩小整个芯片面积可降低成本之外，从生产开始的EPI（外延）设计跟选用（会影响产品良率），加上芯片尺寸优化（如缩小打线焊盘尺寸）和严控制程参数变异，让测试数据都能集中在规格上下限的中间等等，这都是未来Lumentum为实现成本降低的努力方向。

Lumentum的VCSEL产品旨在提升性能的同时降低

成本VCSEL作为发光元件，而后续设计将会愈来愈复杂。从芯片结构上而言，高效能、高可靠性的设计方向不变之外，高温下维持较小的功率衰退、高电流下的功率转换，都将是Lumentum技术开发方向。

加深VCSEL技术在车用及AR市场中的渗透

2021年，Lumentum认为VCSEL和EEL在汽车上的新兴应用，如车内驾驶员监控和激光雷达，可能成为未来的“杀手级应用”；另外，应对围绕增强现实（AR）的消费电子产品，以及L3/L4/L5级自动驾驶乘用车、共享出租车的激光雷达产品应用，3D传感即将出现的新爆发点。

近年欧洲将车内驾驶员监控用于所有新车，短时间内各式各样的车内应用很快成熟，并于2020年为Lumentum带来明显的营业额。针对车用市场，Lumentum布局已久，同时为不同的车载应用需求提供VCSEL和EEL，目前恰逢时机。Lumentum还表示，除了上文提到的多结、多区的芯片设计，配合感光元件的演进，不同的发射器间距（emitter pitch）、多层结构、甚至未来的倒装芯片、高度封装整合都会是市场未来3~5年的趋势。

Lumentum还表示，AR将会是人们之后生活不可或缺的帮手，透过机器的3D视觉，提供更多样性的互动体验。另一方面, 自驾车中车载雷达已经是必备的主动关键元件，为了实现不同等级的自主驾驶, Lumentum将对芯片、封装、系统做通盘的规划。除了实物量测、3D建模、AR互动之外，Lumentum期待有后置3D传感系统。5G时代，Lumentum的激光器在光通讯领域确实是不可或缺的关键元器件，会越来越普及地用于设备中。

着力推进本土化战略

近年已经有不少中国VCSEL初创公司成功进入智能手机供应链并实现批量供货。Lumentum扎根中国20年，非常重视本地化和客户服务，其中国销售团队一直与中国智能手机厂家紧密配合。除了苹果公司，Lumentum也与中国智能手机厂商开展了合作，例如OPPO的Find X，以及华为的多款手机都用到了Lumentum的产品。作为一家芯片供应商，Lumentum为客户提供的服务已经远超芯片本身，通过深厚的技术积累与研发能力，在解决方案和产品生态等方面，提供全方位技术支持，保证项目高效顺利推进和按时投放市场。

Lumentum和VCSEL技术领先开发商TriLumina近日宣布，Lumentum已收购TriLumina的部分技术资产，包括后者的专利和其它知识产权。此次的IP收购，将有助于Lumentum在下一代的芯片封装上取得先机，Lumentum期望双边研发团队可以把开发周期有效缩短，在短时间内提供给国内客户最好的服务。同时，Lumentum认为，上下游产业链需要同心协助扩大市场应用，将原有的2D成像增加景深维度，变成3D成像，让手机成为人人都拥有的“移动载具”，实现量测、建模、AR（增强现实）等应用的普及。