636
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。
