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出货超过2亿颗，纵慧芯光的VCSEL激光芯片量产之路

      材料来源：常州纵慧芯光半导体科技有限公司

当一束光从芯片垂直射出，穿过层层外延结构，变为可以精准感知距离、连接数字世界和现实世界的桥梁。

随着3D感知、自动驾驶、人工智能等领域的快速发展，VCSEL（垂直腔面发射激光器）作为一种半导体光源，近年来被广泛应用于消费电子和汽车电子领域。在手机、AR/VR头显、扫地机器人以及汽车激光雷达中，都随处可见VCSEL的身影。

纵慧芯光作为一家中国本土公司，在VCSEL激光芯片行业稳居国际第一梯队。创立以来，不仅在核心技术上实现突破，也极为可贵地实现了芯片产品的量产——用7年时间完成第一个1亿颗芯片出货，又用7个月时间完成第二个1亿颗芯片出货。

以下是纵慧芯光联合创始人、总经理陈晓迟博士参加高榕创投举办的“资本加速闭门会暨泛科技赛道Demo Day”上的演讲

 

在2017年之前，VCSEL是一种非常小众的光电芯片，直到2017年苹果手机将其引入到“齐刘海”、即Face ID功能，VCSEL才开始出现在大众视野中。

VCSEL作为一种半导体光源，光是垂直于芯片的表面发射出来的。作用原理是激光器将一束光打到目标物体上，通过测量激光发射和反射光被捕获之间的时间差，就可以计算出与目标物体的距离；当打出很多束光，就可以构建出空间的3D模型。

对比LED、EEL（边发射激光器）等其他常见的半导体光源，VCSEL非常适合应用在3D传感领域，并拥有几点核心优势。首先是成本低，可以在6英寸晶圆级别进行测试，即直接用探针做出货前的检测，而不是先解理再从边缘测光电性能；其次，光束质量高，随着温度变化波长温漂是非常小的，对于提升3D传感器的信噪比非常有帮助。

以往VCSEL的玩家比较少，是因为技术壁垒高。从外延角度看，LED通常有十几层，EEL可能有20~40层，而VCSEL有250~300层。

近年来，凭借成本低、温度稳定性、光束质量高等优势，VCSEL在消费电子、汽车电子等领域的市场应用范围不断扩大。

消费电子领域，VCSEL已经被广泛应用在智能手机中。如苹果手机的Face ID功能，每次识别人脸解锁手机的时候，都有VCSEL发出的3万个红外光斑打到人脸上，创建用户脸部的3D地图，以实现安全的身份验证。

手机后置摄像头中也开始融入VCSEL，例如苹果手机的LiDAR Scanner功能、荣耀Magic系列的激光雷达阵列对焦系统，能够为手机提供快速、精确的距离感知能力，实现空间的建模，未来更有机会与AR/VR做结合。

除了手机，扫地机器人里如今也搭载了大量的VCSEL实现避障或SLAM功能（同时定位与建图），让机器人在未知环境中也能自主导航和清洁。AR/VR头显里也广泛应用VCSEL，如苹果Vision Pro至少用到四颗VCSEL，分布在用于空间建模的LiDAR Scanner、做人脸识别的TrueDepth Camera，以及做红外补光的IR Illuminators之中。

近年来，随着新能源汽车进入智能化下半场，VCSEL顺势而起应用于汽车电子领域。大家最熟悉的是车载激光雷达，当越来越多的车型搭载高阶辅助驾驶（ADAS），利用激光雷达去实现距离和障碍物的感知是主流的方式。

第二类应用场景是DMS（驾驶员监控）和OMS（乘员监控）。DMS系统可以对驾驶员的疲劳状态和驾驶行为进行识别，并及时预警，而且3D摄像头只采集3D数据、不存在隐私问题。我们相信未来DMS和OMS会与驾驶安全绑定，例如可以实时监测司机或乘客的坐姿，在事故碰撞的瞬间，安全气囊可以根据坐姿实时控制弹出方向或力度。
第三类应用是车载夜视补光。在夜间驾驶的时候，可以利用红外补光探测前方路况，并显示在中控显示屏上。
可以说，VCSEL在消费电子、汽车电子领域的应用是必然的趋势。因为图像是从2D发展到3D的，因为3D才能给人和机器更多的信息；只有Z轴有深度信息，才能实现更多的应用。而一旦涉及3D传感，VCSEL就是发射器的最佳选择。
纵慧芯光起源于斯坦福大学，6位联合创始人毕业后在硅谷顶尖光电公司从事VCSEL的研发、量产工作。后面我们萌生了创业想法，希望结合硅谷的科研力量、量产经验以及国内市场优势，去研发和制造高端光电芯片，填补国内在高端光电芯片领域的空白。
2017年我们开始了在国内的发展。此后直至2020年间，我们重点布局消费电子领域，并用几年的时间在这一领域彻底突破、站稳脚跟。

2018年，当团队还只有30多人的时候，我们凭借技术和产品的全球稀缺性进入了大客户供应链，这是非常不容易的，并且在客户旗舰手机上实现了完美交付。2019年是纵慧真正的量产元年，全年实现了1000万颗以上的交付。
目前在消费电子领域，纵慧芯光的市场份额位居国内第一、全球前列。国内安卓手机只要用到VCSEL，纵慧基本是独供或者一供；扫地机器人头部品牌，我们也基本是一供；纵慧也开始和国内AR/VR头显客户合作，今年预计进入量产。
从2020年起，纵慧重点布局汽车电子领域。当年我们拿到了AEC-Q102车规级认证，2021年通过IATF16949车规级认证，并且从2021年底开始汽车领域产品的量产出货。从最早DMS VCSEL批量交付，到红外夜视VCSEL批量交付，直至2023年开始激光雷达项目的量产。截至目前，纵慧芯光已经拿到全球前十大激光雷达厂商里超过六家的定点，逐渐开花结果，在汽车领域市场份额位居全球前二。
对比消费电子，激光雷达对VCSEL有全新的要求。包括可靠性要好；光速质量高；成本低；光功率密度足够高，才能看得足够远。我们也基于激光雷达不同的技术方案——半固态、全固态1D/2D扫描、Flash等，去提供相应的VCSEL产品。
实际上，在2020年之前，激光雷达中使用的光源有EEL、光纤激光器、VCSEL等，此后头部激光雷达玩家才陆续将技术路线往VCSEL方向切换。原因在于此前VCSEL有一个很大的短板，即光功率密度不够高，只能应用于消费电子领域这种10米以内的感知。
2020到2022年，经过3年的努力，纵慧芯光在激光雷达领域做出了自己的贡献，开发了多结VCSEL、小角度VCSEL技术，使得VCSEL可以应用在激光雷达里去实现200米到300米的长距离感知。
多结VCSEL本质上就是把多个PN节在外延的层面串联起来，从而实现在同样的芯片面积下光功率密度是过去的3、5倍，甚至现在基本提高到了几百倍的水平，从而实现长距离感知。这在激光雷达行业是非常大的突破，也因此使得VCSEL有机会在激光雷达里有大量应用。

截至目前，纵慧是国内唯一同时在智能手机和车载激光雷达领域量产的VCSEL供应商，累计芯片出货2亿颗以上，是国内其他所有VCSEL厂商之和，预计今年底出货量超3亿颗。

更重要的是我们保持现场零失效。VCSEL真正的难度不是做出1、2颗芯片出来，而是如何重复地做出百万、千万、上亿颗芯片，并且保持性能的一致性、高的可靠性和寿命。目前真正能够做到这一点的全球玩家不超过5家。
如何实现？底层源于我们始终由量产和工业化的思维牵引，并且建立起成熟的供应链，实现核心环节自主设计、自有产线，保障研发迭代速度和量产供应连续性。
设计层面，我们坚持从上游到下游自主设计；自有6寸外延产线，可以实现每月2000片6寸砷化镓外延片的量产产能；芯片制造FAB环节，目前委外的Fab代工厂产能充足，同时建有自己完整的封装产线。

其中自有6寸外延产线和封测产线非常关键。对于VCSEL这种光电芯片的制程来说，更重要的是材料，所以外延基本决定了VCSEL性能可靠性的70%到80%。

此外，我们也配合客户做模组、算法的适配，在量产前期导入的时候就积累了大量的经验。
从2017年回国创业到现在，填补空白已经实现；今天我们的使命更多是和自己竞争，希望让VCSEL在成本、性能、可靠性方面有更多突破，在更多领域实现应用。
面对市场的竞争，一方面我们要在技术上做到绝对领先；长期也要降本增效，即通过良率的提升以及在研发设计上的降本，让我们在成本上有足够的优势。
值得一提的是，VCSEL在光通讯市场的应用正在快速爆发。随着这一波AI大模型的爆发，对计算、数据和宽带的需求指数级上升，催生对多模光�？榈暮Ａ啃枨�。据市场预测，2024年800G光�？樽苄枨笤ぜ苹嵊�500到600万颗。
光通讯领域也是纵慧未来3-5年计划重点布局的市场领域，并致力凭借技术、工程和产品方面的经验，“一击命中”占领市场。
纵慧芯光已于2023年实现50G PAM4 VCSEL芯片销售。目前100G PAM4 VCSEL样品指标与国际头部厂商对齐，在谱宽指标方面优于国际头部厂商，有利于更远距离的信号传输，也正快速推进量产，以满足快速增长的AI市场需求。

长远来看，我们希望让纵慧发展成为一家拥有众多光电芯片产品线的平台型公司，除了基于砷化镓材料的VCSEL芯片，还计划打造基于磷化铟材料的DFB（分布反馈激光器）、EML（电吸收调制激光器）等光电芯片，相信我们有机会也有实力在国际市场上展开竞争、取得更长足的进步。

 
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