從手里“卷”到車里的懶人硬科技，離不開背后的“芯”實力

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(jié)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(xiàn)實——TWS耳機可以根據(jù)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(xiàn)，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(chǎn)品變得更智能的芯片，在它的加持下，許多產(chǎn)品的體驗跨越式提升。由于它的出現(xiàn)，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(xiàn)的？VCSEL芯片如何改變了我們的整個世界？中國企業(yè)在這顆芯片上是否又會被“卡脖子”？

一張臉引發(fā)革命：“懶人”技術背后的秘密
VCSEL芯片全稱是垂直腔面發(fā)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(fā)射激光）和EEL（邊發(fā)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(fā)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(xiàn)，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(fā)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(chǎn)品——iPhone X，它的發(fā)布，讓VCSEL芯片產(chǎn)業(yè)迎來了爆發(fā)式擴張。

在iPhone X的“劉?！鄙?，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(tǒng)，簡單來說，這塊“劉海”區(qū)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(xiàn)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(jīng)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?！鄙?，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(jù)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(fā)射器發(fā)出的光照射到物體表面發(fā)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(shù)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(fā)射一個激光脈沖，之后測量反射光脈沖和發(fā)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(chǎn)品線，如iPhone、iPad、AirPods等系列上，VCSEL芯片都發(fā)揮著重要作用，耳機中的VCSEL芯片用來識別用戶聽歌狀態(tài)，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(yè)的未來——AR領域和自動駕駛汽車，傳聞中即將于年底發(fā)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(xiàn)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(chǎn)業(yè)提出了更高要求，如今，相關領域成為國內外眾多芯片企業(yè)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(chǎn)品體積更小，成本更低，且對產(chǎn)品能耗和散熱等指標有更苛刻的要求，但在早期，我國企業(yè)針對消費光子光發(fā)射模組方案尚無完美解決方案，總體水平處在“跟跑”狀態(tài)，和海外差距較大。

iPhone X發(fā)布后，海外大廠博通、Finisar、Lumentum、II-VI等開始加速VCSEL相關產(chǎn)業(yè)及解決方案的研發(fā)，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(fā)成本，未來上游核心技術或呈寡頭競爭態(tài)勢。

行業(yè)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(chǎn)的核心壁壘，該良率水平直接影響企業(yè)生產(chǎn)成本。

“很長一段時間，國內VCSEL行業(yè)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(chuàng)公司且僅是芯片設計公司，能夠設計產(chǎn)品但無法大規(guī)模量產(chǎn)，國產(chǎn)化良率低；即便實現(xiàn)量產(chǎn)，但芯片封裝體積大或成本高，無法實現(xiàn)大規(guī)模應用?！耙晃还庑酒I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(chǎn)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(jù)了解，瑞識科技已打通“芯片+光學+應用”的全產(chǎn)業(yè)鏈條，不僅有芯片設計能力，大規(guī)模交付能力，而且還有自建光學封裝工廠，突破行業(yè)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(chuàng)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(chǎn)替代”的企業(yè)用戶的需求。?

據(jù)了解，2022年上半年，瑞識科技VCSEL芯片出貨量連續(xù)3個月超過百萬顆，逐漸實現(xiàn)了VCSEL芯片國產(chǎn)化良性循環(huán)。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(chǎn)品車規(guī)認證，已向國內新能源汽車頭部客戶量產(chǎn)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(chǎn)出貨的VCSEL公司。

這是中國VCSEL芯片行業(yè)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(jiān)控、AR/VR、健康監(jiān)測等行業(yè)，更多國內企業(yè)逐步增強話語權，光電芯片企業(yè)技術迭代明顯加快并突破瓶頸，通過技術突破實現(xiàn)“國產(chǎn)替代”和“芯片出?！?，并有望重構全球VCSEL芯片格局。

尾聲
有時候，科幻和現(xiàn)實的距離看似遙遠，但人類的智慧最終讓一切都展現(xiàn)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(fā)展遠遠超出大多數(shù)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(lián)網(wǎng)、AR/VR、醫(yī)美等行業(yè)不斷成長，并帶火了圍繞我們生活的諸多智能產(chǎn)品。從小眾走向大眾的過程中，VCSEL芯片的火熱現(xiàn)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(fā)出令人難以置信的力量，在中國企業(yè)的奮起直追中，由VCSEL芯片引發(fā)的產(chǎn)業(yè)變革，終將推動中國光電半導體芯片產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)超越，這一天也許不會太遠。