集微網消息（文/樂川）在蘋果備受關注的iPhone 8發布前夕，兩則新聞引起業界關注：Lumentum 3D傳感器打進iPhone 8供應鏈，股價暴漲14%；蘋果效應：無名晶圓公司IQE股價今年以來狂漲300%。可以說，每一代iPhone的創新點，都給產業鏈公司帶來了福利。
Lumentum和IQE均來自VCSEL供應鏈。VCSEL全名為垂直共振腔表面放射激光(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL)，簡稱面射型激光，是一種垂直表面出光的新型激光器，也是光纖通訊所采用的光源之一。VCSEL市場按產品類型細分可分為單模VCSEL和多模VCSEL，未來多模VCSEL預計將占據主要的市場份額，它們正廣泛應用于3D成像和數據通訊。多模VCSEL可以提供更好的調制效果和更高的傳輸速率，使其相比單模VCSEL產品更受歡迎，而單模VCSEL通常應用于打印、條形碼等其它傳感應用。
市場研究機構預測，2015年VCSEL（垂直腔面發射激光器）市場規模為9.546億美元，至2022年預計將增長至31.241億美元，2016~2022年期間的復合年增長率可達17.3%。VCSEL憑借其緊湊的尺寸、高可靠性、低功耗以及較低的制造成本而應用廣泛。而汽車產業電氣系統對VCSEL的應用增長，正推動整個VCSEL的市場增長。
2014-2022全球VCSEL市場空間預測（來源：莫尼塔研究）
3D深度視覺作為一個嶄新的技術，已經出現在微軟Kinect、英特爾RealSense等消費級產品中。隨著硬件端技術的不斷進步，算法與軟件層面的不斷優化，3D深度視覺的精度和實用性得到大幅提升，尤其是ToF方案與VCSEL的快速成熟，使得“深度相機+手勢/人臉識別”具備了大規模進入移動智能終端的基礎。而iPhone十周年機型擬應用以VCSEL激光器為核心關鍵器件的3D Sensing攝像頭，將會帶動相關的細分市場迎來一次井噴式的增長。
3D攝像頭結構
3D攝像頭相比傳統攝像頭，在硬件上最大的不同是前端引入了VCSEL模組。3D攝像頭特點在于除了能夠獲取平面圖像以外，還可以獲得拍攝對象的深度信息，即三維的位置及尺寸信息，其通常由多個攝像頭+深度傳感器組成。3D攝像頭可實現實時三維信息采集，為消費電子終端加上了物體感知功能，從而引入人機交互、人臉識別、三維建模、AR、安防和輔助駕駛等多個應用場景。
3D攝像頭主要硬件包括四部分：紅外光發射器（IR LD或VCSEL）、紅外光攝像頭（IR CIS或者其他光電二極管）& 可見光攝像頭（Vis CIS）、圖像處理芯片。
整個三維視覺系統的工作原理為：首先紅外激光發射器發射出近紅外光，經過人手或人臉的反射之后，被紅外圖像傳感器所接收，這個圖像信息用來計算人手所處的位置（Z軸）；同時，可見光圖像傳感器采集二維平面（X與Y軸）的人手信息（Vis Light）；兩顆圖像傳感器的信息匯總至專用的圖像處理芯片，從而得到人手或人臉的三維數據，實現空間定位。
3D攝像頭需配置雙攝像模組，組裝良率比一般模組低5%—15%，雙攝模組成本目前約在12-25美元，是單攝像頭的1.5—3倍；iPhone所使用的雙攝規模更為高端，成本預估超過30美元。
3D攝像頭產業鏈
iPhone 8將采用的3D攝像頭，使激光發射器產業鏈廠商的下游，從光器件行業擴展到消費電子領域，從0到1打開新的市場。
圖像處理芯片需要將紅外光CIS采集的位置信息與可見光CIS采集的物體平面信息處理成單像素含有深度信息的三維圖像。該芯片具有一定的技術壁壘，對于算法層面的要求較高，目前全球范圍內可以提供該類產品的公司為少數幾家芯片巨頭。
VCSEL 的制造依賴于MBE（分子束外延）或MOCVD（金屬有機物氣相沉積）工藝，在GaAs（80%左右的份額）或InP（15%左右的份額）晶圓上生長多層反射層與發射層。由于VCSEL 主要采用三五族化合物半導體材料GaAs 或 InP（含有In、Al 等摻雜），因此移動端VCSEL產業鏈與化合物半導體產業鏈結構類似。
VCSEL產業鏈
目前，全球范圍內主要的設計者包括Finsar、Lumentum、Princeton Optronics、Heptagon、ⅡⅥ等公司，它們在移動端VCSEL處于前沿的研發角色。由IQE、全新、聯亞光電等公司提供三五族化合物EPI外延硅片，然后由宏捷科（Princeton Optronics合作方）、穩懋（Heptagon 合作方）等公司進行晶圓制造，再經過聯鈞、矽品等公司的封測，便變成了獨立的VCSEL 器件。然后由設計公司提供給意法半導體、德州儀器、英飛凌等綜合解決方案商，再提供給下游消費電子廠商。
VCSEL的制造依賴于MBE（分子束外延）或MOCVD（金屬有機物氣相沉積）工藝，在GaAs（80%左右的份額）或InP（15%左右的份額）晶圓上生長多層反射層與發射層。移動端VCSEL產業鏈與化合物半導體產業鏈結構類似。
移動端VCSEL 產業鏈結構（來源：臺灣工研院網站）
按照當前VCSEL成本1.5-3美金計算，移動端VCSEL市場空間將達到6.5-13.5億美金，給當前VCSEL市場帶來20%-30%的增長。
國內VCSEL產業發情況
目前，致力于移動端設計的VCSEL芯片生產公司全球只有七八家，例如Finsar、Lumentum、Princeton Optronics、Heptagon（已被AMS收購）、ⅡⅥ等公司，且大部分在美國，它們在移動端VCSEL處于前沿的研發角色。而據媒體報道，為iPhone 8提供VCSEL激光器的生產商是Finsar公司、Lumentum公司和II-VI公司三家。
國內蘋果產業鏈上也已經開始準備切入這一市場。而現有的VCSEL器件廠家包括武漢光迅，江蘇華芯，山東太平洋，深圳源國等也都在積極準備。相比之下，光通訊領域中，國內光通訊器件廠商光迅科技已有VCSEL商業化產品推出，但是在消費電子領域，國內尚無一家擁有VCSEL芯片量產能力的企業。
科研領域中，中科院長春光機所在VCSEL的研究處于世界前沿地位。2014年5月長春光機所在國內首次研制出堿金屬原子光學傳感技術專用的795 nm和894 nm VCSEL激光器，可作為核心光源用于芯片級原子鐘、原子磁力計、原子陀螺儀等堿金屬原子傳感器。
除此之外，還有吉林大學、長春理工大學、北京郵電大學、西南交通大學、廈門大學、華中科技大學、中科院半導體所、中科院物理所等高校及科研院所均對VCSEL開展了不同層次的研究。
目前結構光產業鏈一流供應商皆已被蘋果鎖定，國內廠商在Fliter（水晶光電）、模組（歐菲光）方面具備較強實力，但在VCSEL、DOE、WLO、IR CIS、3D圖像處理芯片方面能力欠缺。綜合來看，
光迅科技：全面覆蓋光有源器件和無源器件，擁有大量生產1G和小批量10G VCSEL能力，年自制芯片產量超過四千萬片。具備工業級VCSEL激光器的生產能力。
三安光電：覆蓋芯片、微波集成電路代工、光通信。擁有從可見光到不可見光全系列產品，同時在上游原材料（基材和氣體）以及下游應用（汽車照明）進行全產業鏈布局。
華工科技（華工正源）：中國激光行業的領軍企業，子公司華工正源是中國最具影響力的光通信器件供應商之一。
理工光科：光纖傳感方面具備豐富的技術能力，有望在Vcsel的應用中獲得機會。
華工科技：子公司華工正源是國內領先的光模塊制造商。
新易盛：國內光器件領域的后起之秀，體制機制靈活。
國內VCSEL芯片開發的進展和未來相機應用VCSEL的技術難點
國內光芯片光迅是龍頭，正在逐步追趕并有望在近兩年實現跨越，特別如果100G芯片突破之后。從光迅的產品資料可以了解到，1G VCSEL芯片已經有應用，更高端的10G、25G預計也正在驗證拓展中，芯片能力已經初步具備。其他廠商目前并不明確是否具備能力，華工科技和華工正源預計也有研發投入。
光芯片之后，激光探測器實際上可以簡概為由兩個主要部分構成，光芯片+電控模塊，歷史上這兩部分都是要進口的，國內主要是封裝，這種光傳輸的封裝難度遠高于半導體產業的封裝，從旭創、光迅等公司的相關產品毛利率對照可以看出。目前電控模塊可能仍然要進口，光芯片正在逐步國產化。
由于VCSEL模塊要應用在手機相機中，在解決光模塊封裝后還要解決與相機組建的一體化封裝問題。在相機中，激光模塊功能類似于激光雷達，相機感光CCD只能解決平面成像，前段時間探討的雙目攝像頭受限于手機尺寸也很難真正形成3D效果，只有直接裝上激光雷達VCSEL可以直接解決問題，支撐未來3D玻璃顯示、VR應用、人臉識別應用等多種應用場景。
因此，未來除了解決芯片問題外，國內廠商的機會更有可能體現在封裝能力等方面，手機空間導致的極其苛刻的封裝條件、與相機CCD模塊集成封裝的特殊要求、與后端3D集成算法關聯的技術等才是未來VCSEL在手機上應用所要優先解決的技術難題。
文/集微網
圖源/網絡
