電子發(fā)燒友網(wǎng)綜合報道 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精度成為技術突破的關鍵瓶頸。作為光通信、3D傳感和激光雷達的核心器件，VCSEL芯片憑借其獨特的垂直發(fā)射結構、低功耗與高集成度，正從消費電子領域向AI算力基礎設施、自動駕駛等新興場景加速滲透。

據(jù)QYR調研數(shù)據(jù)，2023年中國VCSEL芯片市場銷售收入達到了97.93百萬美元，預計2030年可以達到到238.35百萬美元，2024-2030期間年復合增長率(CAGR)為13.87%。從智能手機的人臉識別到數(shù)據(jù)中心的400G光模塊，從自動駕駛的激光雷達到醫(yī)療領域的無創(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”。

技術原理：垂直發(fā)射的精密設計

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

VCSEL的技術優(yōu)勢體現(xiàn)在三個方面。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%。低功耗與高速調制，短諧振腔設計使載流子壽命縮短至皮秒級，支持25Gbps以上調制速率，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5W，滿足激光雷達分區(qū)點亮需求。

關鍵材料方面，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，支撐硅基集成技術發(fā)展。

技術挑戰(zhàn)與創(chuàng)新突破

制造工藝復雜性是首要挑戰(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，否則將導致反射率下降或波長偏移。例如，940nm VCSEL的DBR反射率需達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終點控制技術，將晶圓良率提升至95%以上，但設備成本較傳統(tǒng)工藝增加30%。

可靠性瓶頸同樣突出。早期VCSEL陣列因氧化應力導致35%樣品失效，長光華芯通過引入應力緩沖層，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%，并通過多結堆疊技術實現(xiàn)5W單芯片輸出。

長波長技術壁壘長期制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展。1310nm與1550nm VCSEL因DBR反射率不足、散熱困難等問題，長期依賴進口。睿熙科技通過量子點材料與高對比光柵（HCG）技術，將1550nm VCSEL的電光轉換效率提升至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)級應用爆發(fā)成為近三年最大亮點。二維可尋址VCSEL陣列支持固態(tài)激光雷達分區(qū)點亮，提升探測精度。禾賽科技AT128激光雷達采用縱慧芯光車規(guī)級VCSEL，實現(xiàn)200米外障礙物識別，已搭載于理想、蔚來等車企自動駕駛系統(tǒng)。在駕駛員監(jiān)測系統(tǒng)領域，縱慧芯光DMS芯片通過AEC-Q102認證，出貨量超9000萬顆，支撐比亞迪、吉利等車企L2+級自動駕駛功能落地。

光通信升級方面，400G/800G光模塊成為數(shù)據(jù)中心標配。砷化鎵基VCSEL支持850nm波段高速傳輸，滿足機柜內百米級互聯(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%，已進入谷歌、亞馬遜數(shù)據(jù)中心供應鏈。硅基集成領域，英特爾研發(fā)的硅光模塊將VCSEL陣列與驅動芯片集成，成本降低30%，但國內企業(yè)如華為仍在突破1550nm波段硅基VCSEL技術。

消費電子革新持續(xù)深化。蘋果iPhone X率先采用VCSEL結構光模組，實現(xiàn)毫秒級面部建模。國內廠商如威科賽樂結構光VCSEL市占率達行業(yè)第一，支撐華為、小米等安卓陣營3D傳感普及。在AR/VR領域，Meta Quest Pro頭顯采用VCSEL光源，結合衍射光波導技術，實現(xiàn)0.1mm精度手勢追蹤，推動消費級AR設備出貨量年增45%。

從消費電子到萬億AI生態(tài)

自動駕駛與機器人領域，固態(tài)激光雷達成為核心增長點。VCSEL陣列化優(yōu)勢使其成為低成本、高可靠性的激光雷達光源。預計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)已啟動量產(chǎn)，單車搭載量從1顆增至5顆，支撐L4級自動駕駛感知需求。工業(yè)自動化方面，長光華芯VCSEL模組已應用于半導體晶圓檢測設備，通過飛秒激光加工技術，實現(xiàn)亞微米級缺陷識別。

醫(yī)療與生物傳感領域，無創(chuàng)檢測成為新藍海。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)美抗衰設備，穿透深度達真皮層，較傳統(tǒng)設備效率提升3倍。在熒光傳感領域，復旦大學團隊研發(fā)的VCSEL生物傳感器，通過表面增強拉曼散射技術，實現(xiàn)單分子級別癌癥標志物檢測，靈敏度較傳統(tǒng)方法提升10倍。

6G與空天通信領域，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)星激光通信領域，中國航天科技集團采用VCSEL陣列實現(xiàn)星間100Gbps鏈路，較射頻通信延遲降低90%。

寫在最后

VCSEL芯片從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化的歷程，是半導體材料、精密制造與AI需求深度融合的縮影。面對自動駕駛、6G通信與生物傳感的萬億級市場，國內企業(yè)如長光華芯、威科賽樂已通過垂直整合與技術創(chuàng)新實現(xiàn)進口替代。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；威科賽樂累計出貨量突破1億顆，支撐消費電子國產(chǎn)化率提升至65%。預計2025年國內廠商全球市場份額將突破20%，在400G光模塊、車規(guī)級激光雷達等高端市場與Lumentum、II-VI等國際巨頭正面競爭。

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