目前,可以提供800-1000nm波段的近红外光源主要有三种:红外LED、红外LD-EEL(边发射激光二极管)和VCSEL(垂直腔面发射激光器)。
VCSEL可以说是红外激光LD的一种,全名为垂直共振腔表面放射激光器,顾名思义,它采用垂直发射模式,与其他红外LD的边发射模式不同。VCSEL的垂直结构更加适合进行晶圆级制造和封测,规模量产之后的成本相比于边发射LD有优势,可靠性高,没有传统的激光器结构如暗线缺陷的失效模式。相比于LED,VCSEL的光谱质量高,中心波长温漂小,响应速度快,优势明显。
综合分析三种方案,LED虽然成本低,但是发射光角度大,必须输出更多的功率以克服损失。此外,LED不能快速调制,限制了分辨率,需要增加闪光持续时间;边发射LD也是手势识别的可选方案,但是输出功率固定,边缘发射的模式在制造工艺方面兼容性不好;VCSEL比LD-EEL的优势在于所需的驱动电压和电流小,功耗低,光源可调变频率更高(可达数GHz),与化合物半导体工艺兼容,适合大规模集成制造。尤其是VCSEL功耗低、可调频率高、垂直发射的优点,使其比LD-EEL更加适合消费电子智能终端。
VCSEL由于其制造工艺难度较大,产品的成本相对较高,随着各大厂商的重视,尤其是高速光通信的快速发展,VCSEL工艺逐步成熟。近年来VCSEL已经大规模用于高速光网络传输领域作为激光光源,目前的产品价格已经非常接近LD-EEL。
参考中国报告网发布《2018-2023年中国激光器行业市场产销态势分析与发展商机分析研究报告》
VCSEL的制造依赖于MBE(分子束外延)或MOCVD(金属有机物气相沉积)工艺。在GaAs(80%左右的份额)或InP(15%左右的份额)晶圆上生长多层反射层与发射层。典型的VCSEL结构包括:激光腔(lasercavity),顶部和底部分布式布拉格反射器(DBR),电极等部分,其中激光腔的主要部分是量子阱(quantumwells)和光限制层(confinementstructure)。由于VCSEL主要采用三五族化合物半导体材料GaAs或InP(含有In、Al等掺杂),因此移动端VCSEL产业链与化合物半导体产业链结构类似。目前,全球范围内主要的VCSEL供应商包括Finsar、Lumentum、PrincetonOptronics、ⅡⅥ等公司,它们在移动端VCSEL处于前沿的研发角色。具体的生产分为IDM和代工两种方式,在代工模式下,由IQE、全新、联亚光电等公司提供三五族化合物EPI外延片,然后由宏捷科、稳懋等公司进行晶圆制造,再经过联钧、矽品、同欣(基板)等公司的封测,便变成了独立的VCSEL器件。
目前,致力于移动端小型化VCSEL方案设计的公司主要包括Finsar、Lumentum、PrincetonOptronics(已被AMS收购)、ⅡⅥ等国外光通信器件公司。国内方面光迅科技、华芯半导体具备中低端VCSEL的设计和生产能力,长春光机所在VCSEL技术研发方面有一定竞争力。但是整体而言,国内公司与海外巨头相比差距较大。
近年来,国内在VCSEL方面开始出现优秀的创业型公司,比如2016年1月创立于美国硅谷的纵慧光电,已经做出了具备高效率、高性能的VCSEL芯片产品,涵盖了850纳米和940纳米这两个波段,有望应用于3D视觉消费级市场。
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