从手里“卷”到车里的懒人硬科技，离不开背后的“芯”实力

简介:让人变得越来越懒的世界里,智能化技术早已融入每一个生活细节处,VCSEL芯片则是其中的“关键先生”。

2009年,一位微软公司员工花费35000美元,在当时地球首富比尔·盖茨的慈善晚宴上,拍下了一张专属“游览券”。

此次游览的目的地不是名山大川,也不是风景名胜,而是盖茨耗费7年时间和9700万美元打造的地球上最智能的豪宅“世外桃源2.0”,但这趟行程注定会让他难忘终生。

在比尔·盖茨的豪宅里,当他走入房间,门便自动打开了,房间里不但开始播放他喜欢的音乐,在离开时还会自动暂停,而每一个房间都会识别出他是谁并自动调整空调温度,甚至当他把手放进泳池中,水温开始慢慢调节到最适合的程度。

能够提前预知未来总是令人兴奋的,当时的这一切看似科幻,但在13年后的今天,却成为我们每天都在使用的现实——TWS耳机可以根据使用与否自动暂停,扫地机会在清扫时主动避让周围物体,智能门锁不用钥匙只用“刷脸”自动开门,只靠“刷脸”就能搞定衣食住行各种支付,激光雷达正在让 汽车 走向完全自动驾驶的科幻未来......

这些过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万户,你不用花费9700万美金,甚至也不需要35000美金的“门票”。而让这一切实现,将耳机、门锁、汽车等消费品都“卷”起来的技术,都离不开一颗小小的、不太起眼的芯片——VCSEL芯片。

这是一颗能让电子产品变得更智能的芯片,在它的加持下,许多产品的体验跨越式提升。由于它的出现,机器进一步让我们的生活更便捷。但这一切究竟是如何实现的?VCSEL芯片如何改变了我们的整个世界?中国企业在这颗芯片上是否又会被“卡脖子”?

一张脸引发革命:“懒人”技术背后的秘密

VCSEL芯片全称是垂直腔面发射激光(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL),是一种微型的半导体激光器,最初由日本科学家伊贺健一和内山诚治在上世纪七十年代末提出。一开始,科学家们将VCSEL(面发射激光)和EEL(边发射激光)两种芯片都应用于光通讯领域,但二者却有显著不同的特性。

VCSEL相较于EEL具备体积小、光特性好、低功耗、易于与芯片集成等诸多特性,但它的激光发射功率较低,导致它侦测的距离不够远,因此诞生之后的二三十年时间里,VCSEL一直局限在光通讯领域里,无法在更多的应用场景中施展。但智能 手机 的出现,让人们和设备距离拉近,终于让VCSEL芯片找到了属于自己的舞台。

大家都有过这样的使用体验:当手机来电话时贴近耳朵,屏幕便自动熄灭,而当电话结束放下手机,屏幕又会自动亮起,这背后就有VCSEL芯片制成的近距感应模块的支持——通过低功率的VCSEL芯片发射激光,当有物体靠近时会自动反射激光,手机就能侦测到物体接近,并判断屏幕是熄灭还是点亮,这就让手机日常使用时尽可能降低功耗并减少误触,方便了人们使用。

近距感应让VCSEL从实验室走向了千千万万普通人手中,但真正让VCSEL一炮而红的,还是2017年 苹果 推出的十周年重磅产品——iPhone X,它的发布,让VCSEL芯片产业迎来了爆发式扩张。

在iPhone X的“刘海”上,有着大大小小的各种传感器,他们共同组成了名为TrueDepth的摄像系统,简单来说,这块“刘海”区域会在每一次解锁手机、刷脸付款、验证身份时打出许多激光到人脸上,然后利用反射回来的激光侦测人脸的立体结构,从而判断这个人是不是手机的主人,并实现一系列的操作,这背后运用的结构光技术至关重要:

结构光(Structured Light),即通过点阵投影器打出不同的光线图形,此时经由物体不同深度的位置反射回来便会造成光线或图形扭曲,绘制出一个独一无二的带有深度信息的面谱。比如当你打出直线条纹的光线到手指上,由于手指是立体圆弧形的,此时反射回来的光线就会扭曲,并变成圆弧条纹,而此时红外镜头就可以利用圆弧形条纹反推出手指的立体结构。而VCSEL芯片就是能让点阵投影器投射出图形的核心光源器件。

在iPhone X的“刘海”上, 无论是泛光感应元件、距离传感器还是点阵投影仪均依赖于VCSEL芯片支持。 iPhone X的面部识别功能让人们在解锁手机、刷脸支付等方面变得更加无感。不仅如此,其安全性也极大提升:根据官方说法,过去的指纹解锁,错误率是五万分之一,而当时代进化到iPhone X的面部解锁后,错误率仅有百万分之一。

iPhone 12之后,苹果为手机后置摄像头加入了dToF(直接飞行时间)激光雷达,其中再次用到了VCSEL芯片。dToF属于时间飞行(ToF,Time of Flight)的一种,时间飞行是利用激光发射器发出的光照射到物体表面发射回来,由于光速已知,可以利用一个红外镜头测量物体不同深度的位置反射回来的时间,利用简单的数学公式就可以计算出物体不同位置的距离深度。而dToF的原理就是利用VCSEL芯片直接发射一个激光脉冲,之后测量反射光脉冲和发射光脉冲之间的时间间隔,就可以得到光的飞行时间。

由于dToF技术的加入,苹果设备不但拥有了更好地拍照对焦效果,不论对焦速度还是对焦精确度上都有了大幅度提升,更重要的是为手机等移动设备的AR应用场景提供了更栩栩如生的使用体验,不仅定位更加精准,反馈也更迅速。

因此,如今的苹果诸多产品线,如iPhone、iPad、AirPods等系列上,VCSEL芯片都发挥着重要作用,耳机中的VCSEL芯片用来识别用户听歌状态,手机、iPad中的VCSEL芯片用来进行精准对焦拍照和“刷脸”解锁等。并且,苹果正不遗余力地布局VCSEL行业的未来——AR领域和自动驾驶汽车,传闻中即将于年底发布的苹果AR眼镜,以及很可能摆脱方向盘的苹果汽车,都将为人们展现VCSEL芯片带来的更多可能,进一步让人们感受到消费光子时代的 科技 魅力。而这一切,也对VCSEL芯片产业提出了更高要求,如今,相关领域成为国内外众多芯片企业争相竞争的重点。

半导体光芯片领域:从跟跑到走向世界

即将到来的消费光子时代,对VCSEL芯片提出了新的需求。在诸多消费类应用场景中,不但要求硬件产品体积更小,成本更低,且对产品能耗和散热等指标有更苛刻的要求, 但在早期,我国企业针对消费光子光发射模组方案尚无完美解决方案,总体水平处在“跟跑”状态,和海外差距较大。

iPhone X发布后,海外大厂博通、Finisar、Lumentum、II-VI等开始加速VCSEL相关产业及解决方案的研发,通过一系列并购逐步形成由头部IDM主导的局面。综合来看,这些光通信巨头通过并购布局VCSEL核心技术并横向扩张赛道,通过整合降低运营研发成本,未来上游核心技术或呈寡头竞争态势。

行业研究报告显示,VCSEL的制造难度高,包括外延工艺、氧化工艺、保护绝缘等工艺均需要深厚的技术积累,尤其外延生长技术为其生产的核心壁垒,该良率水平直接影响企业生产成本。

“很长一段时间,国内VCSEL行业走向高端化面临各种困难,一方面芯片光电转换效率低、成本高;另一方面,大部分VCSEL公司均是初创公司且仅是芯片设计公司,能够设计产品但无法大规模量产,国产化良率低;即便实现量产,但芯片封装体积大或成本高,无法实现大规模应用。“一位光芯片领域专家谈道。

笔者注意到,国际厂商垄断VCSEL芯片的情况在近期已开始转变。目前国内已有多家有实力的VCSEL公司,致力于VCSEL芯片的全国产化。而这其中,瑞识科技以VCSEL芯片加光学集成封装的路线更是独具特色。据了解,瑞识科技已打通“芯片+光学+应用”的全产业链条,不仅有芯片设计能力,大规模交付能力,而且还有自建光学封装工厂,突破行业瓶颈。其芯片级光学整型技术和高光密度芯片技术,可以有效提升光功率,降低芯片成本,具有较高技术壁垒并性能已与国际大厂一致。 其独创的1.5次光学集成技术,还可以大幅缩小光学器件尺寸,突破了成本瓶颈,完全满足正在寻找“国产替代”的企业用户的需求。

据了解,2022年上半年,瑞识科技VCSEL芯片出货量连续3个月超过百万颗,逐渐实现了VCSEL芯片国产化良性循环。 不仅如此,瑞识科技还积极布局智能汽车,公司顺利通过 IATF 16949国际汽车质量管理体系认证和AEC-Q102产品车规认证, 已向国内新能源汽车头部客户量产出货。同时还成为了国内首家进入日本和韩国世界500强供应链并量产出货的VCSEL公司。

这是中国VCSEL芯片行业的一个缩影,近年来,伴随VCSEL芯片逐步覆盖人工智能、身份识别、3D视觉、智能驾驶、安防监控、AR/ VR 、健康监测等行业,更多国内企业逐步增强话语权,光电芯片企业技术迭代明显加快并突破瓶颈,通过技术突破实现“国产替代”和“芯片出海”,并有望重构全球VCSEL芯片格局。

尾声

有时候,科幻和现实的距离看似遥远,但人类的智慧最终让一切都展现在眼前。一枚小小的VCSEL芯片,让许许多多看似不可能的事情变成可能,并让人类社会走入消费光子时代。如今,不但是智能手机、TWS耳机、安防、汽车智能座舱等领域都让人更加便利,元宇宙、自动驾驶、机器人等面向未来的前沿技术也离不开VCSEL芯片加持,让人不得不感叹,技术的发展远远超出大多数人的预料。

从光通讯领域起步,VCSEL芯片如今已在消费电子3D成像、激光雷达、物联网、AR/VR、医美等行业不断成长,并带火了围绕我们生活的诸多智能产品。从小众走向大众的过程中,VCSEL芯片的火热现状与未来前景再次证明, 一项技术在真正匹配的场景下将爆发出令人难以置信的力量, 在中国企业的奋起直追中,由VCSEL芯片引发的产业变革,终将推动中国光电半导体芯片产业实现超越,这一天也许不会太远。