電子發(fā)燒友網(wǎng)綜合報(bào)道 在人工智能與5G通信深度融合的今天，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾逝c精度成為技術(shù)突破的關(guān)鍵瓶頸。作為光通信、3D傳感和激光雷達(dá)的核心器件，VCSEL芯片憑借其獨(dú)特的垂直發(fā)射結(jié)構(gòu)、低功耗與高集成度，正從消費(fèi)電子領(lǐng)域向AI算力基礎(chǔ)設(shè)施、自動(dòng)駕駛等新興場景加速滲透。

據(jù)QYR調(diào)研數(shù)據(jù)，2023年中國VCSEL芯片市場銷售收入達(dá)到了97.93百萬美元，預(yù)計(jì)2030年可以達(dá)到到238.35百萬美元，2024-2030期間年復(fù)合增長率(CAGR)為13.87%。從智能手機(jī)的人臉識(shí)別到數(shù)據(jù)中心的400G光模塊，從自動(dòng)駕駛的激光雷達(dá)到醫(yī)療領(lǐng)域的無創(chuàng)檢測，VCSEL芯片已成為連接物理世界與數(shù)字世界的“光橋梁”。

技術(shù)原理：垂直發(fā)射的精密設(shè)計(jì)

VCSEL芯片的核心結(jié)構(gòu)由上下分布式布拉格反射鏡（DBR）、有源區(qū)（量子阱）及電極層構(gòu)成。其工作原理基于半導(dǎo)體材料的能帶躍遷：當(dāng)電流注入有源區(qū)時(shí)，電子與空穴復(fù)合釋放光子，光子在上下DBR構(gòu)成的諧振腔內(nèi)多次反射，最終從芯片頂面垂直發(fā)射。這種結(jié)構(gòu)使其光斑呈對稱圓形，發(fā)散角低至10°以內(nèi)，可直接耦合至光纖，減少光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜度。

VCSEL的技術(shù)優(yōu)勢體現(xiàn)在三個(gè)方面。高效光耦合，垂直發(fā)射特性支持直接光纖耦合，850nm VCSEL在數(shù)據(jù)中心短距傳輸中損耗較邊發(fā)射激光器降低40%。低功耗與高速調(diào)制，短諧振腔設(shè)計(jì)使載流子壽命縮短至皮秒級(jí)，支持25Gbps以上調(diào)制速率，閾值電流僅0.1mA，功耗較EEL降低60%。二維集成能力，通過光刻工藝可密集排列為陣列，例如長光華芯開發(fā)的12通道VCSEL陣列，單芯片輸出功率達(dá)5W，滿足激光雷達(dá)分區(qū)點(diǎn)亮需求。

關(guān)鍵材料方面，砷化鎵（GaAs）襯底因其直接帶隙特性、高電子遷移率及與AlGaAs材料的晶格匹配性，成為VCSEL主流基材。砷化鎵基VCSEL可覆蓋800-980nm波段，滿足消費(fèi)電子與短距光通信需求。而InP材料則用于1310nm以上長波長器件，國內(nèi)威科賽樂已建成2-6英寸InP襯底產(chǎn)線，支撐硅基集成技術(shù)發(fā)展。

技術(shù)挑戰(zhàn)與創(chuàng)新突破

制造工藝復(fù)雜性是首要挑戰(zhàn)。外延生長需交替沉積數(shù)百層AlGaAs/GaAs，每層厚度誤差需控制在納米級(jí)，否則將導(dǎo)致反射率下降或波長偏移。例如，940nm VCSEL的DBR反射率需達(dá)99.99%，對工藝穩(wěn)定性要求極高。牛津儀器通過等離子蝕刻與自動(dòng)終點(diǎn)控制技術(shù)，將晶圓良率提升至95%以上，但設(shè)備成本較傳統(tǒng)工藝增加30%。

可靠性瓶頸同樣突出。早期VCSEL陣列因氧化應(yīng)力導(dǎo)致35%樣品失效，長光華芯通過引入應(yīng)力緩沖層，將失效率降至0.3%。熱管理難題方面，高功率密度下局部溫升可能導(dǎo)致波長漂移，縱慧芯光采用共晶焊接工藝，將溫度循環(huán)斷裂率從8%降至1.5%，并通過多結(jié)堆疊技術(shù)實(shí)現(xiàn)5W單芯片輸出。

長波長技術(shù)壁壘長期制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展。1310nm與1550nm VCSEL因DBR反射率不足、散熱困難等問題，長期依賴進(jìn)口。睿熙科技通過量子點(diǎn)材料與高對比光柵（HCG）技術(shù)，將1550nm VCSEL的電光轉(zhuǎn)換效率提升至15%，接近國際水平，但量產(chǎn)成本仍較850nm器件高出2倍。

車規(guī)級(jí)應(yīng)用爆發(fā)成為近三年最大亮點(diǎn)。二維可尋址VCSEL陣列支持固態(tài)激光雷達(dá)分區(qū)點(diǎn)亮，提升探測精度。禾賽科技AT128激光雷達(dá)采用縱慧芯光車規(guī)級(jí)VCSEL，實(shí)現(xiàn)200米外障礙物識(shí)別，已搭載于理想、蔚來等車企自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。在駕駛員監(jiān)測系統(tǒng)領(lǐng)域，縱慧芯光DMS芯片通過AEC-Q102認(rèn)證，出貨量超9000萬顆，支撐比亞迪、吉利等車企L2+級(jí)自動(dòng)駕駛功能落地。

光通信升級(jí)方面，400G/800G光模塊成為數(shù)據(jù)中心標(biāo)配。砷化鎵基VCSEL支持850nm波段高速傳輸，滿足機(jī)柜內(nèi)百米級(jí)互聯(lián)需求。光迅科技400G SR8模塊采用威科賽樂VCSEL，功耗較EEL降低40%，已進(jìn)入谷歌、亞馬遜數(shù)據(jù)中心供應(yīng)鏈。硅基集成領(lǐng)域，英特爾研發(fā)的硅光模塊將VCSEL陣列與驅(qū)動(dòng)芯片集成，成本降低30%，但國內(nèi)企業(yè)如華為仍在突破1550nm波段硅基VCSEL技術(shù)。

消費(fèi)電子革新持續(xù)深化。蘋果iPhone X率先采用VCSEL結(jié)構(gòu)光模組，實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)面部建模。國內(nèi)廠商如威科賽樂結(jié)構(gòu)光VCSEL市占率達(dá)行業(yè)第一，支撐華為、小米等安卓陣營3D傳感普及。在AR/VR領(lǐng)域，Meta Quest Pro頭顯采用VCSEL光源，結(jié)合衍射光波導(dǎo)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)0.1mm精度手勢追蹤，推動(dòng)消費(fèi)級(jí)AR設(shè)備出貨量年增45%。

從消費(fèi)電子到萬億AI生態(tài)

自動(dòng)駕駛與機(jī)器人領(lǐng)域，固態(tài)激光雷達(dá)成為核心增長點(diǎn)。VCSEL陣列化優(yōu)勢使其成為低成本、高可靠性的激光雷達(dá)光源。預(yù)計(jì)2025年車載VCSEL市場年增長率超30%，禾賽科技、速騰聚創(chuàng)等企業(yè)已啟動(dòng)量產(chǎn)，單車搭載量從1顆增至5顆，支撐L4級(jí)自動(dòng)駕駛感知需求。工業(yè)自動(dòng)化方面，長光華芯VCSEL模組已應(yīng)用于半導(dǎo)體晶圓檢測設(shè)備，通過飛秒激光加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)缺陷識(shí)別。

醫(yī)療與生物傳感領(lǐng)域，無創(chuàng)檢測成為新藍(lán)海。VCSEL可發(fā)射特定波長光，用于血氧監(jiān)測與皮膚治療。例如，1550nm VCSEL激光器已用于醫(yī)美抗衰設(shè)備，穿透深度達(dá)真皮層，較傳統(tǒng)設(shè)備效率提升3倍。在熒光傳感領(lǐng)域，復(fù)旦大學(xué)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的VCSEL生物傳感器，通過表面增強(qiáng)拉曼散射技術(shù)，實(shí)現(xiàn)單分子級(jí)別癌癥標(biāo)志物檢測，靈敏度較傳統(tǒng)方法提升10倍。

6G與空天通信領(lǐng)域，長波長VCSEL支撐太赫茲通信。1550nm VCSEL可適配光纖低損耗窗口，支持6G 100Gbps以上速率傳輸。華為與中科院聯(lián)合研發(fā)的量子點(diǎn)VCSEL，室溫下連續(xù)波輸出功率突破1W，為6G基站間光互聯(lián)提供可能。在衛(wèi)星激光通信領(lǐng)域，中國航天科技集團(tuán)采用VCSEL陣列實(shí)現(xiàn)星間100Gbps鏈路，較射頻通信延遲降低90%。

寫在最后

VCSEL芯片從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化的歷程，是半導(dǎo)體材料、精密制造與AI需求深度融合的縮影。面對自動(dòng)駕駛、6G通信與生物傳感的萬億級(jí)市場，國內(nèi)企業(yè)如長光華芯、威科賽樂已通過垂直整合與技術(shù)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代。長光華芯建成全球首條6英寸VCSEL外延產(chǎn)線，將單芯片成本降至0.1美元；威科賽樂累計(jì)出貨量突破1億顆，支撐消費(fèi)電子國產(chǎn)化率提升至65%。預(yù)計(jì)2025年國內(nèi)廠商全球市場份額將突破20%，在400G光模塊、車規(guī)級(jí)激光雷達(dá)等高端市場與Lumentum、II-VI等國際巨頭正面競爭。

未來，隨著量子點(diǎn)材料、硅基集成與長波長技術(shù)的突破，VCSEL將不僅是光電轉(zhuǎn)換的器件，更將成為AI算力網(wǎng)絡(luò)與智能感知系統(tǒng)的“神經(jīng)末梢”。在6G時(shí)代，VCSEL陣列或支撐太赫茲頻段通信；在生物醫(yī)療領(lǐng)域，其或推動(dòng)無創(chuàng)血糖監(jiān)測技術(shù)落地。從智能手機(jī)到星際通信，從工業(yè)檢測到生命科學(xué)，VCSEL芯片正以“光速”重塑人類社會(huì)的技術(shù)邊界，推動(dòng)全光互聯(lián)時(shí)代的加速到來。