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VCSEL(Vertical-cavity surface-emitting laser)，即垂直腔面发射激光器，是集高输出功率和高转换效率和高质量光束等优点于一身，相比于LED和边发射激光器EEL，在精确度、小型化、低功耗、可靠性等角度全方面占优。
随着VCSEL芯片技术的成熟，以其作为核心元件的3D Sensing走入应用，在活体检测，虹膜识别，AR/VR技术以及机器人识别和机器人避险、自动驾驶辅助等领域得到发展。近期，3D Sensing的主要应用以手机为主，iPhone X首次搭载3D结构光模组，引领3D Sensing消费市场。目前，全球3D Sensing供应链趋于完善，VCSEL设计厂商Lumentum、II-VI、Finisar、AMS，VCSEL外延片供应商IQE、全新光电以及台湾晶圆代工厂稳懋、晶电等均纷纷布局3D Sensing领域。
据预测，未来几年3D Sensing市场规模将呈几何式增长，到2020年3D Sensing市场规模可达到108.49亿美元，2023年3D传感的市场空间达到180亿美元，2018年-2023年复合增速达到44%。其中，3D Sensing在智能手机市场上的渗透率不断提高，3D Sensing渗透率有望从2017年的2.1%提高至2020年的28.6%。
VCSEL基本结构与工作原理
VCSEL器件有两种基本结构，一种是顶发射结构：采用MOCVD技术在n型GaAs衬底上生长而成，以DBR作为激光腔镜，量子阱有源区夹在n-DBR和p-DBR之间。由于量子阱厚度小，单程增益小，因此反射镜的反射率较高，一般全返腔镜反射率>99.9%，输出腔镜反射率通过理论计算设定最佳的耦合输出率(一般也大于99%)，然后在衬底和p-DBR外表面制作金属接触层。并在p-DBR或n-DBR上制作一个圆形出光窗口，获得圆形光束，窗口直径从几微米可到百微米量级，最后在和导热性好的热沉键合，提高芯片的散热性能。
另一种是底发射结构，一般用于产生976-1064nm波段，通常将衬底减薄到150μm以下以减少衬底吸收损耗，再生长一层增透膜以提高激光光束质量，最后将增益芯片安装在热沉上。
VCSEL结构简图
VCSEL作为一种半导体激光器，形成激光发光需要完成能量激发和共振放大两个步骤。首先要实现能量激发，通过外加能量(光能或电能)激发半导体的电子由价带跳到导带，当电子由导带跳回价带时，将能量以光能的形式释放出来。然后在发光区外加一对激光腔镜，使光束在左右两片镜片之间反复来回反射，不停地通过发光区吸收光能，最后产生谐振效应，使光的能量放大最终形成激光。
VCSEL发光原理
半导体激光器主要分为边发射半导体激光器EEL(edge-emitting laser)和垂直腔面发射半导体激光器VCSEL两种类型。边发射半导体激光器具有高的光电转换效率和高的输出功率。但是边发射半导体激光器发散角较大，并且平行和垂直于pn结的两个方向发射角相差较大，这一缺陷极大的限制了边发射半导体激光器的应用范围。
垂直腔面发射半导体激光器具有较好的光束质量和圆对称的光斑分布，发散角较小。KUZNETSOV等研究人员制备得到的光泵浦垂直腔面发射半导体激光器，其集高输出功率和高转换效率和高质量光束等优点于一身。
EEL和VCSEL参数对比
VCSEL具有完美的光束质量、小的发散角和圆对称光场分布使其与光纤的耦合效率较高，其与多模光纤的耦合效率可大于90%。其较小的有源层体积，使其产生激光的阈值电流较低。极短的谐振腔长度，使得纵模间距变大，易于实现单纵模激光运转。具有垂直于衬底表面光出射方向，易于通过高密度集成实现高功率激光输出。高的传输速率和调制频率，也有利于高速光纤网路传输通信。
VCSEL在传感器应用方面也展现出优异的性能，相比于早期3D摄像头系统使用的LED红外光源，结构更加简单、体积更小、功耗更低、距离检测更加精确。
850nm LED VS 850nm VCSEL
三种不同的光源效果
VCSEL广泛的应用范围，3D Sensing市场可期
随着VCSEL研究的不断发展，以其作为核心元件的3D摄像头可以更快、更好的走入应用，产品进入市场。3D成像对比传统的2D成像技术有着更好的技术特性，全面的三维信息可以更好的应用在智能化设备中，如活体检测，虹膜识别，AR/VR技术以及机器人识别和机器人避险、自动驾驶辅助等领域，随着时间演进，到2023年3D传感的市场空间达到180亿美金，2018年-2023年复合增速达到44%。
3D Sensing市场规模快速增长($M)
据Trend Force统计，到2017年年底，全球3D Sensing市场规模仅为8.19亿美元。但受益于消费电子市场可预见的爆发式增长，全球3D Sensing市场规模将不断扩大。Trend Force预测，未来几年3D Sensing市场规模将呈几何式增长，到2020年，3D Sensing市场规模可达到108.49亿美元。其中，3DSensing在智能手机市场上的渗透率不断提高，3D Sensing渗透率有望从2017年的2.1%提高至2020年的28.6%。
据Deutsche Bank统计，2017年搭载3D Sensing模组的智能手机(仅iPhone)数量为3800万台，在智能手机上搭载率仅为3%。2018年随着3D Sensing模组在Android手机上进行使用，智能手机市场3D Sensing模组需求扩大。据预测，2020年搭载3D Sensing模组的iPhone手机数量将达4.4亿台，搭载3DSensing的Android手机数量将达4.65亿台，3D Sensing在智能手机上搭载率将达到38%。
全球3D sensing市场规模预测及智能手机市场占比
智能手机市场3D Sensing模组搭载情况预测
3D Sensing产业链
iPhone X红外点阵投影器封装结构图
自苹果手机iPhone X搭载3D Sensing摄像头引爆市场后，国内各手机品牌在新推出的智能手机上也纷纷搭载3D结构光组件。据估计，2018年全球手机镜头颗数总量可达约37亿颗，YoY达11.5%，2020年达45亿颗，摄像头总量增加高于智能手机增速。这主要由于双或多摄像头普及率越来越高，且每台手机搭载不同功能的镜头数量越来越多。三星和华为出产的手机预计有90%以上将搭载双或多摄像模块。预计2020年每台手机将搭载2.94颗，到2021年每台手机搭载颗数将超过3颗。
3D Sensing产业的良好前景，已引起了国内厂商注意，晶电、三安等厂商积极进入该市场。
3D Sensing产业链相关零部件对应市场规模
VCSEL产业链主要厂商
