激光传感应用对VCSEL的要求有何主要差异

微访谈：长光华芯副董事长、常务副总经理兼CTO王俊博士

采访背景：苏州长光华芯光电技术股份有限公司（简称：长光华芯）是半导体激光行业领先的垂直整合产业链企业，成立于2012年3月，专注于半导体激光芯片、器件及模块等激光行业核心元器件的研发、制造及销售，已形成由半导体激光芯片、器件、模块及直接半导体激光器构成的四大类、多系列产品矩阵。长光华芯产品可广泛应用于光纤激光器、固体激光器及超快激光器等激光器泵浦源、激光智能制造装备、科学研究、医学美容、激光雷达（LiDAR）、3D传感、人工智能、高速光通信等领域。2022年4月1日，长光华芯正式登陆上交所科创板，成为A股市场半导体激光芯片第一股，2022年实现营业收入3.86亿元，净利润1.19亿元。为了深入了解长光华芯在激光传感方面的布局及进展情况，麦姆斯咨询近期采访了长光华芯副董事长、常务副总经理兼CTO王俊博士。

长光华芯副董事长、常务副总经理兼CTO王俊博士

麦姆斯咨询：2023年是长光华芯成立的第十一个年头，我们也见证着你们的快速成长。首先请您为大家介绍一下长光华芯的重要里程碑事件吧。

王俊博士：从2012年3月长光华芯成立，历经十一年时间，经过许多奋斗者的努力和奉献，从追赶到领跑，我们圆满完成了从“0到1”的创新积累，又实现了从“1到10”的量产跨越，在人才、工艺、技术储备方面逐一破局，聚集了一批包括多名国家级人才工程入选者、行业资深管理以及技术专家在内的高层次人才团队，建成了完全自主可控的从芯片设计、MOCVD（外延）、光刻流片、解理/镀膜、封装测试、光纤耦合、直接半导体激光器系统等完整的工艺平台和量产线，在芯片设计、关键设备、工艺技术和原材料方面实现了自主可控。

长光华芯在2014年就开始了VCSEL的工艺研发（3吋），当时就采购了量产氧化炉，2017年开始建设6吋量产线，6吋量产线为当时该行业内最大晶圆尺寸的产线，相当于是硅基半导体的12吋量产线。目前，长光华芯已拥有2吋、3吋、6吋三大半导体激光芯片晶圆垂直整合生产线，拥有边发射激光芯片（EEL）和面发射激光芯片（VCSEL）两大产品结构，GaN（氮化镓）、GaAs（砷化镓）和InP（磷化铟）三大材料体系，是全球少数研发和量产高功率半导体激光芯片的公司之一。

“十年磨一剑，砺得梅花香”。十一年科技攻关，长光华芯始终以科技为利刃，突破芯片关键核心技术，为中国激光芯闪耀世界而不懈奋斗。2022年，荣获江苏省科学技术一等奖；2023年继续百尺竿头，荣获江苏省企业技术创新奖。此外，长光华芯还获批“国家级-姑苏半导体激光创新中心”、“国家博士后科研工作站”、“江苏省研究生工作站”、“江苏省半导体激光工程技术研究中心”、“江苏省企业技术中心”等研发机构。先后获评国家高新技术企业、国家专精特新小巨人企业、江苏省智能制造示范车间、江苏省瞪羚企业等荣誉。

正如我们的企业愿景“心所往，光所至”。生命不息，追光不止，未来我们将继续秉承“专业、用心、服务、奋斗”的企业文化和核心价值观，砥砺前行，为实现“中国激光芯，光耀美好生活”的企业使命不懈奋斗。

麦姆斯咨询：2022年你们成功登陆科创板，如今一年多过去了，科创板上市对长光华芯的发展带来了哪些影响？

王俊博士：作为一家高新技术企业，科创板上市为我们提供了更好的融资渠道，让我们拥有了更雄厚的资本，全身心投入科技创新和产业创新工作，对半导体激光芯片及高效泵浦技术、光纤耦合半导体激光器泵浦源模块技术和大功率高可靠性半导体激光器封装技术等激光领域前沿技术进行研究，并持续突破，今年我们相继将高功率半导体激光芯片商用功率提升至50W，9XXnm光纤激光器泵浦源功率提升至1000W、8XXnm固体激光器泵浦源功率提升至500W，同时高效率激光雷达与3D传感芯片产品通过IATF16949质量管理体系认证及车规级AEC-Q102认证，批量供货，并发布了56GBd PAM4 EML光通信芯片，全面贯彻公司“一平台，一支点，横向扩展，纵向延伸”的发展战略，不断提升在国内和国际市场的核心竞争力。

我们立志成为强盛的具有可持续增长力的优质上市公司，最大限度地实现客户、员工、股东与社会的共赢！未来，我们也将持续秉持公司“一平台，一支点，横向扩展，纵向延伸”的发展战略，依托苏州半导体激光创新研究院平台，以高功率半导体激光芯片优势为支点，横向扩展3D传感VCSEL和激光雷达芯片、高速光通信芯片、激光照明、激光显示等方向和领域，纵向延伸器件、模块、直接半导体激光器系统，攻关关键核心技术，逐步实现半导体激光芯片的国产化及进口替代，助力实现自主可控、创新协同、供应链互通的新一代中国激光产业生态链。

麦姆斯咨询：入局激光芯片行业多年，给您的最深感受是什么？基于VCSEL的激光传感行业的发展进度符合您的预期吗？

王俊博士：最深的感受是中国激光芯片的技术和产业发展太快了。2010年前，全球激光器龙头企业已基本形成垂直产业链，实现激光芯片、激光器的自制，彼时我国工业市场100-1500W以上的光纤激光器进口依赖度仍高达85%，半导体泵浦源与高端半导体激光芯片的进口依赖度接近100%，我国跟国外在技术上存在巨大差距。十年追赶，今天中国的高功率半导体激光芯片已实现国产化替代，技术指标比肩国际一流水平，同时创建了器件、光纤耦合模块、激光器及光电系统完整的自主的激光产业链条，应用领域不断渗透，从单纯的激光制造，延伸到激光传感、激光医疗、激光显示、激光通信多个领域。

VCSEL作为3D传感和激光雷达系统的核心器件，主要的应用市场仍以数据通信链路和消费电子为主，预计未来5年价值将翻一番，到2027年价值接近40亿美元。现在，激光雷达争相上车，车顶、车头、车身侧面及机舱盖等不一而足，推动了激光雷达用VCSEL的发展。从激光雷达的发展来看，由于整体性价比还比较低，渗透率并不高。未来，要实现激光雷达的快速发展，达到更高的渗透率，需要跟随人工智能（AI）的发展和车载平台算力的提升，持续挖掘激光雷达本身的硬件能力，同时不断降低激光雷达成本。

麦姆斯咨询：从消费电子到汽车电子，不同的激光传感应用对VCSEL的要求有何主要差异？

王俊博士：从消费电子到汽车电子应用，对VCSEL的要求差异还是非常大的。消费电子VCSEL通常不会要求过高的功率，用于短距离测距、接近传感应用通常为毫瓦级别，用于常规深度相机的应用2~3W即可满足需求，而一些工业相机方面应用由于工作距离稍远，通常使用2结、3结的VCSEL芯片即可满足需求，而且为了减小“红暴现象”，通常会使用940nm波段的激光芯片；正常消费类电子对VCSEL的要求除了光效之外，不会有太多其他的苛刻要求。

汽车内部电子系统类似于DMS（驾驶员监控系统）和OMS（乘客检测系统）等，对VCSEL的要求与消费电子几乎没有太大的区别，不过要满足多项关于汽车产品相关标准的要求。

而在汽车外部电子系统也就是激光雷达这一方面，对于VCSEL的要求完全不同，除了严苛的车规体系要求之外，更多的是产品性能方面的需求，相比较于3D传感应用与汽车车内应用的VCSEL，汽车外部电子系统会要求VCSEL具有高短脉冲功率、更高的效率、更高的功率密度、更小的发散角等，以实现更远的探测距离和更高的探测精度。

如今国内各个VCSEL芯片厂商都已经取得了部分成果，但如何继续提升这三个指标和车规级可靠性仍然是目前业内各个激光雷达芯片厂商一直在努力的目标。

麦姆斯咨询：在消费电子3D传感方面，长光华芯主推飞行时间ToF系列VCSEL，请您详细介绍该系列产品特点，以及典型客户及应用案例。

王俊博士：长光华芯在3D消费电子传感方面主要推出了低功率毫瓦级的距离传感芯片、中功率2W、3W的ToF光源芯片以及定制化的结构光芯片，也在布局适应更多场景的3结VCSEL产品，这一系列的产品特点就是高效率，平均效率在42%~45%，以及更高的可靠性与产品寿命。

低功率距离传感芯片常规功率在10~15mW左右，常规用在TWS（True Wireless Stereo）耳机、智能避障、激光测距等应用领域。

中功率ToF光源芯片目前主要推2W、3W芯片，目前广泛应用在深度相机、智能识别、机器人应用领域，目前也在和一些封装企业以及算法企业进行深度合作产品验证中，逐步批量出货。

结构光系列芯片需要根据客户要求定制，通常应用在手机支付、智能门锁方面，目前部分机器人以及工业相机也有应用。

麦姆斯咨询：在汽车电子激光雷达方面，长光华芯主推激光雷达LR系列VCSEL，也请您详细介绍该系列产品特点。

王俊博士：随着激光雷达技术的发展，VCSEL阵列光源，由于其低制造成本、小温漂系数、易于二维集成的优势，越来越受到激光雷达应用市场的关注。激光雷达是一种利用激光成像技术进行精准距离量测的技术，被认为是智能驾驶、3D传感等领域最重要的探测技术之一。随着探测距离的增加，点云（Point Cloud）密度随之降低，分辨率也会受到限制。为了实现远距离3D扫屏的重建，就需要具有更高功率密度、更低发散角的高质量激光光束。多结VCSEL是获得高功率密度的关键技术。

在多结VCSEL技术自主可控方面，长光华芯开发了自有技术，提升了光场、量子耦合效率，提升了增益。这些技术已经申请了相关的国内和国际专利。在隧道结方面，长光华芯采用自研技术提高了隧道结的隧穿电流，并申请了独家技术专利。

目前长光华芯的VCSEL产品主要包含两大类：主激光雷达VCSEL芯片及补盲激光雷达VCSEL芯片。主激光雷达产品有三类，一类是100W以下低功率芯片，另一类是100W到1000W的905nm高功率激光雷达芯片，第三类是可寻址激光雷达芯片。在补盲激光雷达方面，VCSEL波长覆盖905-940nm，功率在30-60W之间。

事实上，VCSEL真正上车，产线要通过相关质量认证，产品也要通过AEC-Q认证。目前，长光华芯产品通过了AEC-Q102认证，其认证最高结温可达130°，在ESD方面也有比较明显的优势，人体充放电模型最高可承受6000V，充放电条件下可实现1500V静电防护。

此外，长光华芯可以随客户需求进行定制服务。VCSEL可根据不同项目做不同设计方案的灵活应用优势，给激光雷达方案商和终端应用带来了无穷的设计想象空间，将大大有益于激光雷达的百花齐放式落地。

麦姆斯咨询：基于“多结、可寻址VCSEL+远距离SPADIS”的纯固态激光雷达方案有望成为汽车自动驾驶领域新一代革命性技术，您的观点如何？在该方案的VCSEL方面，业界还需要解决哪些问题？

王俊博士：我也是这么认为的，未来更高峰值功率、可寻址性、热稳定性和窄波长范围的VCSEL为全固态短程、中程和远程激光雷达系统开辟了新的潜力。当然，这一应用趋势对配套的VCSEL芯片提出了更高的要求，即要求VCSEL芯片有更低的发散角、更高峰值功率、更高的可靠性。具体技术方面，VCSEL必须解决结数提升带来的外延生长良率降低、可寻址技术带来的晶圆工艺良率受损的问题。此外，在自主可控且高效快速的生产交付方面也是重中之重，早期海外公司实现了多结VCSEL的产业化应用，也布局了相关的一些专利，如何绕开专利限制，实现稳定可靠的国产化车规级VCSEL芯片的生产制造，一直是业内共同面临的难题。在成本方面，VCSEL的低成本优势依赖于良率的提升，要求在器件设计及工艺方面留有足够的空间，这也是一个新挑战。

麦姆斯咨询：对于自动驾驶来说，DMS（驾驶员监控系统）和OMS（乘客监控系统方案）也不可或缺，因为驾驶员在某些L3级状况下仍需要负责驾驶。请您介绍长光华芯在车内激光传感的布局情况。

王俊博士：DMS（Drive Monitoring System）属于早期座舱监控主要功能。乘客监控系统（OMS，Occupancy Monitoring System）是DMS系统的延伸，可以通过监测座舱内乘客的感知数据来进一步提升汽车的安全性能，此类应用对于VCSEL来说都是消费电子级别的应用，目前此系列长光华芯都有稳定的高性能产品并已经批量出货，持续推进产品在车内激光传感以及车外雷达传感应用方面的齐套建设。

麦姆斯咨询：长光华芯在VCSEL设计、外延、制造、封测等方面如何提升产品性能及可靠性，以及加快新产品研发？

王俊博士：长光华芯是国内首家具备VCSEL芯片量产化制造能力的IDM公司，一直致力于高性能VCSEL芯片的设计、研发、生产及销售，先后攻克器件设计、外延生长、芯片制造等多项技术，一以贯之对产品生产工艺制程保持高标准、严要求，实现了6吋VCSEL产线的高良率生产。我们的多结外延结构拥有美国专利，在Photonics West的一份报告显示：我们的多结VCSEL性能指标处于业内领先水平，在国际会议上，已报告超高效率（70%以上的）多结VCSEL。

在新产品研发方面，长光华芯很久之前，就已经实现微透镜工艺的研发，通过在芯片形成的微透镜结构，能极大地缩小芯片的发散角，以及与微透镜配套的其它技术工艺也将实现更好的贴装集成和散热，未来也要根据工艺的成熟度以及外部市场应用需求来决定此技术的产品市场化的后续安排。

麦姆斯咨询：目前，长光华芯的VCSEL整体产能状况如何？未来重点发展方向是什么？

王俊博士：长光华芯是全球少数几家具备器件设计、材料生长以及芯片制造、模组封装等完整的IDM产线的半导体激光器企业。在材料生长方面，公司具备MCVD和MBE相关能力，目前MCVD近二十余台，Fab产线能力为每月5000片6英吋晶圆。这是目前全球最先进的、规模最大的激光芯片产线之一。

长光华芯在6结平台上实现了多款VCSEL产品的开发，产线通过了16949认证，产品通过了AEC-Q认证，更高功率密度和效率的多结技术正在不断突破。

在VCSEL激光雷达芯片方面，长光华芯不仅具有基础优势，也拥有成本优势。其VCSEL产品主要覆盖4个方向：3D传感、激光雷达、医疗及机器视觉。在VCSEL领域，目前芯片出货量已达百万颗，主要是3D传感；激光雷达方面，已实现小批量出货。

未来，长光华芯将继续为成为一家领先的集成激光雷达光源方案提供商而不懈努力，以市场为导向，以客户为中心，充分发挥IDM公司优势，全面服务后端客户，向市场提供技术领先、品质可靠的产品。

麦姆斯咨询：请您介绍下苏州半导体激光创新研究院的定位及建设情况。

王俊博士：苏州半导体激光创新研究院由苏州高新区与长光华芯联合共建，是我们长光华芯“一平台、一支点、横向扩展、纵向延伸”发展战略非常重要的一部分，作为研究及创新平台，充分利用长光华芯公司现有的国际顶尖的芯片研发和制造工艺平台，设置了几大研究方向，包括高功率半导体激光芯片、激光雷达与3D传感芯片、光通讯芯片、激光显示与照明等。

2022年8月18日，作为苏州市重要的产业布局，太湖光子中心落地太湖科学城功能片区，向着全球知名光子创新中心目标进发，打造千亿级光子产业创新集群。苏州长光华芯半导体激光创新研究院是太湖光子中心的核心成员和重要载体，致力于培育和引进一批半导体激光相关高层次人才和产业化项目。一方面，研究院利用长光华芯半导体激光器芯片技术的领先性和辐射能力，吸引全球顶尖人才，汇聚相关高端产业，构建可持续发展的领先的研发平台，打造具有国际影响力的半导体激光器芯片及相关领域创新高地和产业基地。另一方面，长光华芯以研究院为平台，聚集内外部创新资源，围绕半导体激光芯片及应用，打造可持续领先的研发能力和新方向拓展能力，坚持践行“中国激光芯，光耀美好生活”的企业使命。两者相辅相成，全面推动中国光子产业链、创新链及应用领域链条健全。

 

麦姆斯咨询：有消息表明，国际领先VCSEL厂商正在研发短波红外VCSEL，以满足手机屏下3D传感的需求，请问您如何看待短波红外VCSEL市场？长光华芯是否有相关预研工作？

王俊博士：短波红外是为了能够完美解决目前为止大家都很头痛的手机屏“齐刘海”的问题，一旦此应用被普及，将会带来一波新的VCSEL热潮。这一个波长的改变将会对整个VCSEL产业链以及技术方面有很大的影响，目前短红外VCSEL的产品化技术路线还在探索中，既有基于砷化镓（GaAs）材料体系的创新，也有基于磷化铟（InP）的新技术研发。长光华芯一直以来对短波红外VCSEL领域保持关注，凭借公司砷化镓（GaAs）及磷化铟（InP）材料技术能力，开展了一定的预研工作。未来，随着技术及应用的成熟，我们也会第一时间加大投入，跟进市场趋势。

麦姆斯咨询：近期，意法半导体FlightSense系列ToF测距传感器VL53L8在发射和接收窗口中都采用了新型超构透镜（Metalens）。长光华芯是否在超构透镜方面进行了前沿探索？未来有望推出集成超构透镜的VCSEL发射模组吗？

王俊博士：首先，超构材料的概念是1999年由美国德州大学的Rodger M. Walser教授提出的，指的是通过人工结构实现超常特性的一类新型材料，具有天然材料中所没有的光学、声学、机械或射频特性。超构透镜的出现可以使手机、相机、监控等终端设备变得更小、更薄、更轻。

目前长光华芯也关注到了超构透镜的进展及在产业化方面的应用，也进行了一些前期的技术储备。未来，公司会紧密跟踪包含超构透镜在内的表面微结构技术，根据市场需求及自身战略需求，开展相关产品的开发。

麦姆斯咨询：请您介绍一下公司未来发展的战略？

王俊博士：长光华芯聚焦半导体激光行业，始终专注于半导体激光芯片、器件及模块等激光行业核心元器件的研发、制造及销售，紧跟下游市场发展趋势，不断创新生产工艺，布局产品线，形成了由半导体激光芯片、器件、模块及直接半导体激光器系统构成的四大类、多系列产品矩阵。

未来，长光华芯将持续加深与激光产业链上下游单位的合作，并始终坚持以应用为牵引，基础创新，集成（联合）创新，向着更强、更亮、更多颜色（波段）、更低成本的半导体激光芯片进阶，包括在高功率工业激光芯片、激光雷达和3D传感芯片、光通信芯片，以及部分第三代化合物半导体芯片如可见光芯片等。我们的目标是，在激光芯片领域综合实力和创新能力进入全球第一阵营，代表国家参与全球竞争，在国际舞台代表中国力量。

我们秉承“一平台、一支点、横向扩展、纵向延伸”发展战略原则不动摇，保持对半导体激光芯片的持续研发投入，不断强化技术创新，并且紧跟下游市场发展趋势，努力打造和强化自主研发的核心能力，担当引领行业发展的“先锋队”。

麦姆斯咨询：2023年9月“光博会”期间，您将首次登上“微言大义”研讨会的舞台，发表“面向激光雷达的半导体激光器的技术及产业化”主题演讲，在此您可以先给透露一些亮点给我们的读者吗？

王俊博士：长光华芯在高性能多结VCSEL、1D/2D可寻址VCSEL等技术方向开展了研发及产品开发，取得了众多突破。在多结VCSEL方面，公司实现6结及8结VCSEL的产品化量产准备（已通过16949车规体系和AECQ-102的产品质量认证），器件发散角达到了18°以下。我们的多结VCSEL的最高电光转化效率达70%以上，在1D及2D VCSEL方面，公司多款1D产品完成流片，实现向头部用户送样。同时更先进技术如前面交流提到的微透镜及更先进的VCSEL技术研究我们也在进行。

        审核编辑：彭菁