走近Lumentum，探寻世界一流VCSEL厂商的成功之道
2019-07-13 10:04:13   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

微访谈：Lumentum亚太区产品线资深经理黄友谦

采访背景：Lumentum（纳斯达克代码：LITE）是一家总部位于美国加州米尔皮塔斯市（Milpitas）的专业激光器厂商，拥有全球领先的垂直腔面发射激光器（VCSEL）和边缘发射激光器（EEL）技术，已为工业、通讯、数据传输、3D传感等领域的客户提供批量产品。在消费电子领域，Lumentum从2010年开始将半导体激光器用于游戏和体感操控应用（微软公司推出的Kinect V1）。2017年，Lumentum半导体激光器扩展到苹果智能手机3D人脸识别解锁（Face ID）应用（参考报告：《苹果iPhone X红外点阵投影器》）。针对3D传感应用，Lumentum可以提供从光源到3D传感模块的一站式服务，协助终端客户完成“发射端+接收端+驱动电路”的完整方案设计。

麦姆斯咨询有幸邀请到Lumentum出席今年9月3日~4日在上海举办的『第二十六届“微言大义”系列活动：3D视觉技术与应用（消费领域）』。在此之前，麦姆斯咨询与Lumentum亚太区产品线资深经理黄友谦先生进行了深入交谈，让我们提前与这家全球激光器巨头零距离接触吧！

Lumentum亚太区产品线资深经理黄友谦

麦姆斯咨询：首先，感谢Lumentum接受麦姆斯咨询的采访。请您向我们的读者做下自我介绍，谈谈您如何与激光器结缘，谢谢！

Lumentum：很高兴与麦姆斯咨询进行此次采访。若从3DS（编者注：3D Sensing缩写，意为：3D传感）谈起，可追溯到2010年微软Kinect的生产工作，当时我在富士康龙华基地负责带领整机生产的PM（编者注：Project Management缩写，意为：项目管理），配合以色列PrimeSense公司的先进身体骨骼扫描套件，生产出第一台体感操控的室内游戏机。当时的消费电子产品主要使用825nm波长的半导体激光器。随后我负责生产华硕（Asus）Xtion 2、乐视电视（LeTV）的运动遥控器等3D传感应用产品，因而与各种半导体激光器及其封装技术有很多的接触与学习机会。

麦姆斯咨询：请您分享一下Lumentum的发展历程、主要产品及应用。

Lumentum：公司前身Uniphase成立于1979年，另一前身JDS于1982年成立，1999年JDS与Uniphase合并为JDSU。2015年8月，JDSU拆分为两家独立上市公司，分别为Lumentum（继承商业光学产品业务）和Viavi Solutions（继承JDSU通讯业务）。Lumentum利用其光电专业优势，生产高性能商用激光器，应用领域涵盖Telecom Transmission and Transport（通讯传输）、Datacom（数据中心）、Commercial Laser（工业激光）和3D Sensing（3D传感）等。Lumentum为智能手机、游戏机和计算机的3D传感应用提供940nm VCSEL产品，是3D传感业界的领导者；现在正拓展该技术在移动设备和其它下一代应用中的渗透。

麦姆斯咨询：VCSEL因智能手机3D人脸识别（Face ID）应用而被市场高度认可，并广受投资界追捧。作为全球首款3D人脸识别智能手机iPhone X的VCSEL供应商，Lumentum树立了该领域的行业标杆。请您谈谈Lumentum吸引苹果公司的原因，并向大家分享下你们和苹果公司之间的合作故事！

Lumentum：我们不针对某一客户进行评论与说明。但对于每一项开发计划，我们都给予客户最快的响应速度，并且把产品可靠性放在最高优先级。针对终端产品的实际应用需求，我们会协助客户寻找最佳的硬件配套方案。除了VCSEL光源之外，我们会与客户讨论从“驱动芯片和感光元件”到“发射与接收模块的电路设计”，甚至包括“系统测试技术”。在开发过程中，我们随时与客户站在同一角度解决所有问题，这是获得每家客户对Lumentum技术肯定与商务信任的最关键要点。

麦姆斯咨询：Lumentum半导体激光器已经广泛用于通讯、工业、汽车和消费电子领域。请您谈谈与通讯、工业、汽车领域相比，消费电子领域对激光器的性能、尺寸、价格等要求有哪些特殊之处？

Lumentum：在消费电子领域，半导体激光器最先考虑到的就是尺寸，器件及模块必须能轻松地集成于所有便携式/小型产品中，而且需求量级别较大，因此在设计时需要兼顾性能与价格需求。消费类产品研发周期相较于工业、通讯、汽车领域的产品更短，因此VCSEL的设计必须建立RnD模型。要求每次设计一次到位，并且良率需管控到90%以上，这样才能达到消费类客户的要求，尤其是面对手机市场的激烈竞争。

麦姆斯咨询：VCSEL在基于结构光原理的3D人脸识别系统中涉及红外点阵投影器、泛光照明器、ToF测距传感器等模组。您能向大家介绍下这三者对VCSEL要求的异同吗？

Lumentum：三者功能皆有不同。从对VCSEL的要求来看，在功率、Emitter Layout（发光点分布）都有所差异。现有红外点阵投影器包含DOE（光学衍射元件），VCSEL功率不需太大，但每一个发光点的失效机率必须很小，才不会影响到景深计算，再者对应的VCSEL发光点分布也与算法相关。而泛光照明器与ToF测距传感器较为类似，其中光学组件中的Diffuser（扩散片）将VCSEL输出光型做角度的改变，依距离远近可选用不同功率的VCSEL产品，其中发光点可允许少量失效，但更加注重输出光型的均匀性。

另外，光源驱动条件也有所差异。红外点阵投影器和泛光照明器基于结构光原理，操作开关时间在ms（毫秒）级。而ToF测距传感器基于飞行时间原理，需搭配感光元件的频率，对开关时间的要求最快达ns（纳秒）级。

麦姆斯咨询：请您介绍一下VCSEL阵列在结构光和飞行时间（ToF）两种3D传感方案中的异同？在3D人脸识别应用方面，您如何看待两者之间的竞争？

Lumentum：结构光和飞行时间（ToF）为目前较为流行的两种3D传感方案，它们的基础理论完全不同，因此对芯片的设计要求也不同。就结构光方案而言，通过VCSEL阵列以及光学元件的准直、复制而达成3D空间物体上的斑点图形，因此VCSEL阵列的布局设计为第一优先设计元素——也就是通过算法的分析，反推到VCSEL阵列的发光点组合，进而发挥结构光方案在近距离测量的高精度优势。而在ToF方案中，VCSEL需设计在某一操作电流下达到最大功率，因此PCE（光电转换效率）的设计以及高温效能的维持便是关键。

两种方案各有优劣，结构光方案的发光模块结构非常复杂，但接收模组简单，一般为基于近红外图像传感器的摄像头；而ToF方案反之，发光模块简单，而接收模组中ToF图像传感器则非常难以制造。用户需要根据实际应用场景来选择适合的3D传感方案；举例而言，若需求为短距离、高精度的Face ID（人脸识别）、工业应用，我们则建议采用结构光方案；而若场景用于较长距离（大于2米）、平面分辨率较高的场景，我们则建议采用ToF方案。

麦姆斯咨询：苹果AirPods无线蓝牙耳机也采用了VCSEL，请您谈谈该款VCSEL的规格、性能，以及实现功能。

Lumentum：此款无线蓝牙耳机采用了三颗VCSEL做为使用者操作的反馈信号。由于此规格VCSEL产品专供于单一客户，我们不便对此深入探讨。

麦姆斯咨询：我们看到智能手机前置3D传感系统的“杀手级应用”是3D人脸识别解锁/支付，您认为智能手机后置3D传感系统的“杀手级应用”是什么？预计何时爆发？

Lumentum：目前，我们仍在与感光元件厂商合作优化其系统性能。实际应用取决于景深感测的距离。除了实物量测、3D建模、AR（增强现实）互动之外，我们期待有后置3D传感系统的更多硬件需求。

麦姆斯咨询：晶圆制造工艺是VCSEL量产的难点，请您讲解Lumentum如何控制与优化工艺流程，以提高生产良率。

Lumentum：其实能做到VCSEL产品性能一致性高、良率高，大量的生产测试数据必不可少，每步工艺站点都需有专人PE（编者注：Process Engineer，意为工艺工程师）负责监控。在生产过程中，初期我们对每批物料都进行各种DOE（试验设计），找出设计与制造的最佳优化点，建立完善的工艺数据库。

稳定的工艺管控（Cpk值高于2.0）确保Lumentum的VCSEL产品性能

麦姆斯咨询：Lumentum的VCSEL阵列制造过程采取晶圆级测试（Wafer Level Testing），以实现晶圆生产过程的严格产品质量管控。请您具体介绍Lumentum的晶圆级测试项目？也请您展示下你们实施这套管控方式的成果，谢谢！

Lumentum：正如大家所知，我们所有测试项目皆可在晶圆级完成。除了规格书中定义的LIV（光功率-电流-电压)、功率、电压之外，VCSEL的近远场分布都能在机台上进行测量。此外，在质量管控中，大家熟知的OA（Oxide Aperture，意为：发光孔径）是VCSEL出光功率的重要参数，而最难控制的是整片6英寸晶圆从中间到外围的发光孔径变异量（也就是出光功率），不仅要符合规格，还需要确保工艺稳定，数值分布才会收敛。依现有经验累积，我们能实现整片6英寸GaAs（砷化镓）晶圆上的最大变异量小于0.2μm。

麦姆斯咨询：在VCSEL可靠性测试方面，Lumentum做了哪些工作？在实际应用中，有无现场故障出现？

Lumentum：一般而言，用于消费电子产品的VCSEL可靠性测试项目包含了Damp Heat（耐湿性测试）、HAST（Highly Accelerated Stress Test，意为：高加速老化测试）、Temperature and Humidity cycle（温湿度循环试验）、ESD（静电释放）等测试。在实际的结构光方案应用中，我们同时还会考虑相邻两点的失效机率，以及每一个发光点的稳定性（blinking），除了规格必须符合条件之外，我们也很重视数据分布范围。至今为止，我们尚未收到过因为VCSEL产品本身功能性失效而导致的客户投诉。

麦姆斯咨询：您认为未来用于3D传感的VCSEL阵列的技术趋势是什么？这会带来怎样的挑战？

Lumentum：VCSEL作为发光元件，而后续设计将会愈来愈复杂。从芯片结构上而言，高效能、高可靠性的设计方向不变之外，高温下维持较小的功率衰退、高电流下的功率转换，都是我们技术开发方向。通过晶圆工艺的改进，多层驱动（multi layers）、分区发光（multi sections）、串接发光（series connection）、底层发光（bottom emitting）也都能达成。而从封装的角度来看VCSEL，未来无金线连接（wireless）、与光学元件的结合、与驱动芯片（driver-IC）的整合，都能将系统端的效能发挥到最高水平。

麦姆斯咨询：接下来，我们详细谈谈VCSEL阵列的发光点间距（pitch）缩小的技术问题。请您分享下减小pitch对VCSEL阵列的制造、封装和应用带来的难点以及Lumentum的解决方案，谢谢！

Lumentum：VCSEL设计会根据不同的应用场景，针对每个重要参数做优化。举例而言，若产品用于通讯领域，其可靠性就是最主要优化参数，此时我们则把PCE（光电转换效率）和芯片尺寸作为次要需求。而在消费电子产品中，现有3D传感方案主要为散斑结构光和ToF方案。在散斑结构光方案中，部分客户会要求将发光点的相对间距缩小，让整个芯片尺寸缩小（也是出于成本降低的需求）。目前发光点间距的最佳方案约在18um~22um范围内，就VCSEL制造而言并不困难。但因为间距的缩小，VCSEL阵列容易在高电流下出现散热方面的问题，同时对其他光学元件的设计也造成诸多的额外困难。总结此现象，在3D传感应用方面，并非一味地针对单一参数（如PCE）做提升或是发光点间距缩小，而是要从产品的整体效能来计算。现有VCSEL的技术瓶颈并非在缩小发光点间距上，而是系统面的封装优化跟产品应用面的开发。

麦姆斯咨询：消费领域对成本比较敏感，请您讲解Lumentum从哪些方面降低成本？未来是否有计划将6英寸晶圆制造平台拓展到8英寸？

Lumentum：除了前面提到的发光点间距缩小，整个芯片面积变小可降低成本之外，当然每年Lumentum针对VCSEL的电光转换效能也制定了提升目标。成本的降低关乎许多因素，从生产开始的EPI（外延）设计跟选用（会影响产品良率），加上芯片尺寸优化（如缩小打线焊盘尺寸）和严控制程参数变异，让测试数据都能集中在规格上下限的中间等等，这都是未来Lumentum的努力方向。

为改善VCSEL产品性能，Lumentum对外延质量持续改进

在消费类产品中，手机需求量最大。Lumentum在两年前采用6英寸GaAs晶圆实现大规模出货（>10M/week，即每周出货量大于一千万颗）；而现有产能在有效的良率管控下，每月产出最高可超过五千万颗芯片（以芯片面积为0.9mm²计算），足以应付快速发展的3D传感市场需求。经对现有市场评估，我们尚无计划往8英寸晶圆方向发展。

麦姆斯咨询：2019年，Lumentum对VCSEL的性能和可靠性提升体现在哪些方面？

Lumentum：我们在设计每一款VCSEL之前，会将相应的性能参数输入于可靠性仿真模型（Reliability Simulation Model）中，通过大数据的比对和分布，精准地预测出性能的提升比例与其寿命曲线（依不同测试条件可做模拟计算），因此该流程大大提高了Lumentum产品开发成功率。2019年，我们的VCSEL在高温达125℃的操作温度下也有优异表现，对于驾驶舱内（In-Cabin）、高级驾驶辅助系统（ADAS）等汽车应用都能提供可靠的发光模块。2019年，我们会持续地将多款整合的模组解决方案提供给客户，并期待客户有美好的感受。

麦姆斯咨询：除了苹果公司，Lumentum也与中国智能手机厂商开展了合作，例如OPPO的Find X，以及华为的多款手机。请评价下贵司和中国智能手机厂商之间的合作情况，谢谢！

Lumentum：我们的中国销售团队一直与中国智能手机厂家紧密配合，共同成长。在技术领域上做到更精准、耗电量小的模块化发光产品，以应对如手机这类需求量大、开发周期短、价格非常敏感的市场。同时，上下游产业链需要同心协助扩大市场应用，将原有的2D成像增加景深维度，变成3D成像，让手机成为人人都拥有的“移动载具”，实现量测、建模、AR（增强现实）等意想不到的应用。

麦姆斯咨询：这几年，中国出现了不少VCSEL初创企业，技术背景深厚，在资本助力下迅速成长起来，已经有中国VCSEL初创公司成功进入智能手机供应链并实现批量供货。面对竞争，Lumentum如何应对？另外，在中美贸易战的背景下，是否影响向华为供货？请您谈谈对中美贸易战对Lumentum的影响。

Lumentum：我们非常欢迎VCSEL开发同好一起投入此3D传感市场，经过彼此的竞争合作将产业链做得更健全。3D传感市场是超出我们想象中的庞大，从消费电子产品到工业和医疗应用，我们来开创出更多利于人民便利生活的产品。关于政治上带来的冲击，我们并不乐见，也并非我们公司原先策略。我们专注于技术持续进步，希望与中国各厂家及人才不断开发，互相学习，开展商务合作，避开无法控制的政治因素。而单一客户的信息，我们不便评论。

麦姆斯咨询：Lumentum是全球少数几家能够满足通讯行业采购商大批量需求的VCSEL和EEL制造商之一。5G时代的到来，会为Lumentum的激光器业务带来哪些改变？

Lumentum：如今，我们的激光器在光通讯领域确实是不可或缺的关键元器件。在5G时代会愈来愈普及地用于设备中。而5G时代的消费电子产品的3D传感也会产生图像，我们可想象手机的数据传输愈来愈快时，数据计算都可放到云端上进行，而不需由本地芯片处理，3D传感的应用将愈来愈广。举例而言，大家可以想象未来人们可通过搭载着3D传感的手机（或一体式AR眼镜）进行所在位置的场景扫描建模，经过5G信号传输到云端，经过景深计算并重建对象，最后在地球的另一角落，由其他人接收到如同虚拟现实（VR）的真实感受。此类模式可用于实时对战游戏、实时工业AR教学，或是汽车防撞或是场景建模等大数据信息的获取，这些都将是5G（通过激光传输信息）带给3D传感（激光器作为发射模块）的优势。

麦姆斯咨询：VCSEL和EEL在汽车上的新兴应用，如车内驾驶员监控和激光雷达，被视为未来的“杀手级应用”。Lumentum如何看待 VCSEL和EEL在汽车上的应用前景？同时，请谈谈Lumentum在汽车应用的战略布局。

Lumentum：针对车用市场，Lumentum布局已久，同时为不同的车载应用需求提供VCSEL和EEL。的确如麦姆斯咨询所提，欧洲将于2021年将车内驾驶员监控用于所有新车。短时间内各式各样的车内应用很快就会成熟，并于2020年为Lumentum带来明显的营业额。我们的各类车规级VCSEL产品正在布局和推广中，目前恰逢时机。

麦姆斯咨询：感谢一直以来Lumentum对“微言大义”研讨会的关注与支持。今年麦姆斯咨询将于9月在上海举办『第二十六届“微言大义”系列活动：3D视觉技术与应用（消费领域）』，Lumentum也将发表主题演讲。大家对您的演讲非常期待，可以预先透露一些精彩内容吗？

Lumentum：谢谢麦姆斯咨询的邀请！届时，除了半导体激光器本身技术发展，我们还会拓展到模块层面，并针对消费电子和车舱（In-Cabin）应用领域的3D传感趋势进行讲解。欢迎大家到会与我们进行深入的交流！

延伸阅读：

《VCSEL市场与技术趋势-2019版》

《边缘发射激光器（EEL）市场和技术趋势-2019版》

《3D成像和传感-2018版》

《苹果iPhone X的ToF接近传感器和泛光照明器》

《苹果iPhone X红外点阵投影器》

《苹果iPhone X近红外3D摄像头传感器》