3D传感向超长边缘发射激光器召唤

问：在3D传感中使用InP EEL而不是GaAs VCSEL背后的动机是什么？

答：智能手机向更大屏显发展的趋势，是促成GaAs VCSEL向InP EEL转变的关键因素。苹果公司的iPhone手机路线图证实了将屏幕扩大到手机总尺寸的承诺开发，通过将电流凹口（用于成像、接近传感器、泛光照明器和点投影仪功能）减小到较小的药丸形状的小孔，然后再减小到微小的冲孔。这意味着从940nm到透射OLED的13xxnm或15xxnm波长的转变，从GaAs到InP传感器的转变，其中传感器将在OLED屏幕下方。

问：还有哪些应用适用于这种方法？

答：基于InP的短波红外（SWIR）设备的发射波长为1380nm，因此也可以渗透到智能手机的后置激光雷达中，用于AR/VR应用。较长的红外波长提供了更好的对比度，并揭示了在较短波长照明下不可见的材料细节，尤其是在户外环境中。

通过设计一台在1380nm而不是940nm波长段工作的相机，可以以更高的亮度照亮场景，并且在眼睛安全要求的范围内。此外，大气在1380nm处比在940nm处吸收更多的阳光，这减少了背景光的干扰，大大提高了信噪比，使相机具有更长的射程和更好的图像分辨率。

问：您在演讲中提到了AirPod 3耳机，该产品中InP传感器的功能是什么？

答：对于这款耳塞式耳机，需要澄清的是，AirPod 3系列的光源是InP LED而不是EEL。AirPod 3系列包含一套基于皮肤检测传感器的改进型耳内检测机制，配备了4个具有两种不同波长的InP SWIR LED芯片，以及两个InGaAs光电二极管。

这些耳机中基于InP的设备被用作接近传感器，以区分皮肤和其他表面。人类皮肤的光谱响应以波峰和波谷为特征。人类皮肤的反射率在1065nm波长下相对较高（通常约50-60%），在1465nm波长处相对较低（仅5-10%）。因此，可以通过传感器监测皮肤的存在，该传感器发射1065nm和1465nm的光，并测量在这些波长下从目标物体反射的光量。

问：目前InP EEL在多大程度上被行业采用了？苹果会完全改用InP EELs吗？

答：到今天为止，在屏下3D传感中采用InP EEL还没有发生。然而，随着去年iPhone 14 Pro型号的发布，一个过渡阶段已经开始了。它结合了一个SWIR接近传感器和一个InP EEL，放置在屏幕下方，GaAs VCSEL被挤压到一个小药丸状的开口中。值得一提的是，InP接近传感器是用于深度感应，而GaAs VCSEL则用于3D感应。预计药丸形状的开口将在未来三四年内保留，用于下一个标准和专业的iPhone型号，然后在2025-2026年最终将整套传感器（接近和3D传感器）整合到屏幕下。

屏内指纹有两种技术方案，即In Display和Under Display，In Display是将指纹的红外发光二极管、红外接收传感器都植入到OLED像素矩阵中；Under Display则是把指纹的红外发光二极管、红外接收传感器做成一个独立的模组，贴合在屏幕下方。

关于屏下3D传感模块的材料平台，截至目前，我们只看到InP EEL和探测器，因为它们在SWIR波长下发射。但是，为了克服GaAs有限的带隙，业界正在进行新的开发。对于智能手机屏下的3D传感，IQE目前正在开发一种非常有前途的基于稀释氮化物GaAs的新型激光器技术，目标波长为13xxnm。

然而，这项技术可能需要几年时间才能进入市场，让InP有足够的时间在这个市场上站稳脚跟。我们不认为InP会蚕食GaAs VCSEL的现有业务，相反，这两种技术平台未来将在不同的智能手机型号中共存。

问：苹果以外的公司呢？他们也在采用这项技术吗？

答：安卓手机OEM厂商最初效仿了苹果公司，在出品的手机上实现了3D传感功能。然而，受限于AR/VR等终端应用程序，在2020-2022年期间，这些厂商在将这一功能纳入智能手机方面变得不再积极主动。

此外，华为是实施3D传感最活跃的手机厂商之一，受中美贸易战的影响，失去了在手机市场的份额。除了苹果公司，我们还看到荣耀公司在其高端智能手机中使用了3D传感模块，尽管他们的技术是基于飞行时间的方法，而不是苹果公司的结构光技术。

问：这一趋势将对GaAs VCSEL供应商的市场份额会产生什么影响？如Lumentum和Coherent的市场份额会受到什么影响？这些公司是否也提供InP EELs，或者是否需要不同的供应商？

答：在3D传感应用中采用基于InP的器件而不是GaAs VCSEL，可能会对光电子半导体行业产生深远的影响。事实上，即使InP不会完全取代GaAs在这些应用中的业务，InP在3D传感应用中的潜力，也会导致GaAs VCSEL市场份额的下降。

苹果公司是一家极具吸引力和创新性的手机制造商，每个人都希望参与其中，成为这家知名企业供应链上的一员。在已经参与苹果GaAs VCSEL供应链的公司中，如Lumentum和Coherent，这两家公司已经拥有用于数据通信和电信应用的InP功能。它们可以为消费者应用程序提供InP EEL。

2022年，InP在消费电子行业中的采用，在InP行业引起了很大的轰动。我们已经看到传统的GaAs制造商如Freiberger，将其产品组合扩展到InP，这主要是由消费电子行业所推动的。

问：InP VCSEL这项技术是否有可能在消费电子行业找到商业用途？

答：基于InP的VCSEL也是3D传感应用的潜在候选者。然而到目前为止，这里使用的主要技术是EEL。根据我们的理解，InP VCSEL代表了一个非常小的市场。这是通过我们与一些市场参与者讨论的结果。我们已经看到，InP在数据通信和电信应用中拥有强大的渗透力，EEL具有更高的数据速率和更长的覆盖范围的优势。在过去几年里，Vertilas和Bandwidth10正式成为生产InP VCSEL的极少数公司中的两家，用于气体传感和光通信。
然而，这种情况在未来几年可能会发生变化。最近，我们看到了通快发布了在4英寸InP晶片上以1380nm发射的InP VCSEL，在裸片水平下具有85%的产率。通快向InP业务的扩张主要是受消费市场采用InP的前景所驱动。

通快的成果

今年2月通快向外界透露，公司在波长超过1300nm的红外激光组件的效率方面取得了成果。

通快光电器件首席执行官Berthold Schmidt表示，“我们正努力让这一突破性的生产工艺趋于成熟并实施标准化流程，这将进一步使此项技术发展为具有成本吸引力的解决方案。我们的目标是在2025年将首批量产产品推向市场。”

与短波长VCSEL相比，SWIR VCSEL可用于具有更高输出功率的应用，同时保证人眼安全。长波长解决方案不易受到干扰光的影响，例如更宽波长范围内的阳光。正如大家所熟知的OLED屏下应用，它被广泛应用于智能手机和消费电子设备的大众市场。

InP VCSEL可以很容易地放置在OLED屏幕下方，它不会干扰其他功能，并具有更高的人眼安全标准。OLED显示器是长波长传感器解决方案的广阔应用领域。“未来，我们预计大批量的应用不仅在消费类传感领域，还将在汽车激光雷达、更远距离的数据通信应用、医疗应用、光子集成回路和量子光子集成回路等领域。这些相关需求将使SWIR VCSEL技术在量产方面取得突破。” Schmidt说道。

通快展示的结果表明，VCSEL激光器在约1390nm波长下的性能最高可达140°C。生产技术可适用于量产，发射波长可在1300nm至2000nm之间调节 ，因此具有广泛的应用范围。最近的结果显示了产品良好的可重复性和优异的温度性能。Schmidt谈到，“我们有信心可以大批量生产出高效的、长波长的VCSEL，使它成为更具成本效益的解决方案。”

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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