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1. 激光器半導體行業(yè)概述
1.1 激光器的定義與分類
激光器是一種能夠產生高度單色、相干、方向性強的光束的設備。其核心原理是基于電激勵源，通過半導體材料的增益介質實現電能到光能的轉換。半導體激光芯片，作為激光器產業(yè)鏈上游的關鍵組件，其性能直接決定了激光設備輸出光束的質量和功率。
從產業(yè)鏈角度來看，激光器的上游包括半導體原材料、高端裝備及生產輔料，這些原材料和裝備用于制造半導體芯片、光電器件、光學元件及模組等。中游環(huán)節(jié)則涵蓋了利用上游產品制造的各類激光器，包括直接半導體激光器、二氧化碳激光器、固體激光器和光纖激光器等。這些激光器根據其工作原理和應用領域被進一步分類。下游應用領域廣泛，包括但不限于工業(yè)加工、醫(yī)療、光通信、科研實驗等。
在半導體激光器眾多類型中，垂直腔面發(fā)射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL）以其獨特的結構和應用優(yōu)勢脫穎而出。VCSEL的概念最早由日本東京工業(yè)大學的伊賀健一教授于1977年提出。盡管在70年代就有了VCSEL的概念，但當時主要停留在學術研究階段，尚未實現產業(yè)化。到了90年代，VCSEL在短波長領域的研究取得了突破，特別是在數據通信領域，初創(chuàng)公司開始推動其產業(yè)化發(fā)展，尤其是在短距離光纖通信系統(tǒng)中得到了應用。然而，2000年至2017年期間，VCSEL技術進展相對緩慢，產業(yè)應用也沒有顯著擴展，投資熱點逐漸轉向其他領域，學校的研發(fā)重點也有所轉移。直到近幾年，隨著蘋果公司在iPhone中的應用，VCSEL在消費電子領域看到了新的機會，并且?guī)恿思夹g的進一步進步。如今，VCSEL因其閾值電流低、工作波長穩(wěn)定、光束質量好等特性，在光通信、激光顯示、光存儲、消費電子等領域得到了廣泛應用。尤其是在傳感領域，940nm波長的VCSEL發(fā)揮了重要作用。而隨著ChatGPT等大規(guī)模人工智能應用的興起，數據通信領域對VCSEL的需求大幅增長，特別是在短距離通信方面。此外，1310nm波長的VCSEL在高速長距離光纖通信、光識別系統(tǒng)及并行光互連系統(tǒng)中也占據重要地位，而808nm波長的VCSEL在醫(yī)美行業(yè)的應用開始受到重視。VCSEL的原材料主要包括砷化鎵、磷化銦或氮化鎵等發(fā)光化合物半導體，其發(fā)光原理與其他半導體激光器相似，通過外加能量激發(fā)電子躍遷，并通過諧振腔實現共振放大，形成激光。
邊緣發(fā)射激光器（Edge Emitting Laser，EEL）由于其發(fā)光方向與芯片表面平行，擁有較高的輸出功率，且適合用于長距離光纖通信、工業(yè)加工等對功率要求較高的場景。但EEL結構復雜，制造過程較為精細，成本相對較高，同時其激光光束的質量不如VCSEL穩(wěn)定。相比之下，VCSEL具有獨特的垂直腔面發(fā)射結構，能夠實現低閾值電流和高光束質量，在短距離光通信、消費電子以及3D傳感等應用領域中表現尤為突出。此外，VCSEL的制造工藝相對簡單，VCSEL具有體積小、圓形輸出光斑、單縱模輸出、閾值電流小、價格低廉、易集成為大面積陣列等優(yōu)勢，廣泛應用于光通信、光互連、光存儲等領域。可以通過標準的半導體工藝進行大規(guī)模生產，成本低且效率高。同時，VCSEL還能實現多模發(fā)射，適用于高數據傳輸速率的應用。
1.2 ?VCSEL激光器
VCSEL是一種垂直于襯底面射出激光的半導體激光器?；窘Y構是一個“三明治”結構，由上下兩個 DBR 反射鏡和有源區(qū)這三部分組成。上下兩個 DBR 反射鏡與有源區(qū)構成諧振腔。有源區(qū)由幾個量子阱組成，作為 VCSEL 的核心部分，決定著器件的閾值增益、激射波長等重要參數。高反射率的 DBR 由多層介質薄膜組組成，實現對光的反饋。為得到較小的閾值電流，DBR 反射鏡的反射率一般在 99.5%以上。
圖1 VCSEL結構圖
VCSEL的主要制造被分成兩個主要的部分，一部分是實現“三明治”結構的MOCVD(metal organic chemical vapor deposition)金屬有機物化學氣相沉積技術，即外延生長過程；一部分是實現后端各種結構和需求的晶圓工藝，包括形成圖形化掩膜、光刻，電極蒸發(fā)沉積及剝離，濕法臺面蝕刻，側向濕法氧化，BCB填充等。
VCSEL的應用領域根據其發(fā)射波長的不同而多樣化。在400nm的紫外波段，VCSEL目前主要處于研發(fā)階段，未來可能應用于增強現實（AR）、虛擬現實（VR）、抬頭顯示（HUD）以及汽車激光照明。商業(yè)常見的可見光VCSEL波長通常在可見光范圍內，波長范圍通常在400nm~700nm之間，它們在技術上更為成熟，應用也更為廣泛，通常用于數據通信、傳感和照明等領域，例如智能手機中的面部識別和光通信模塊。對于大于700nm但小于780nm的近紅外波段，VCSEL的應用較為有限，主要包括塑料光纖通信（POF）、激光打印、脈搏血氧儀和工業(yè)傳感器。780至1400nm的近紅外波段是VCSEL應用最為豐富的區(qū)域，涵蓋了光通信、計算機鼠標、3D成像、工業(yè)加熱、激光雷達（LiDAR）、脈搏血氧儀和原子鐘等眾多領域。1400至3000nm的短波紅外（SWIR）波段雖然應用較少，但在環(huán)境傳感（TDLS）和光通信領域發(fā)揮著作用，同時在硅光子學和3D成像方面展現出潛在的應用前景。
圖2 VCSEL按波長分類
1.2.1 短波長波段 VCSEL
短波長波段VCSEL主要指工作在400~700nm范圍內的激光器，該波長范圍也稱為可見光VCSEL。包括紅、藍、綠三種類型。紅色VCSEL使用的是鋁鎵銦磷（AlGaInP）材料，已經廣泛應用于各種場景，這類VCSEL以其體積小、功耗低、光束質量高的特點，成為新一代顯示和傳感設備中的理想光源。其獨特的設計允許在高電流驅動下有效限制光輸出，確保安全性，尤其適用于智能眼鏡等需要直接投射到視網膜的顯示設備。而藍色、綠色VCSEL普遍使用氮化鎵（GaN）材料，但目前沒有制造商成功將藍色和綠色VCSEL推向市場。
在移動顯示設備領域，短波長VCSEL成為智能眼鏡和可穿戴設備的理想光源，特別是在需要緊湊設計和長電池壽命的虛擬現實（VR）、增強現實（AR）和混合現實（MR）應用中。VCSEL的高集成能力允許在有限的空間內實現復雜的光學系統(tǒng)，同時，其高效率有助于減少熱量產生，延長設備的使用時間。
在汽車照明領域，短波長VCSEL技術的應用提供了高亮度、高效率和緊湊尺寸的光源，這些光源能夠實現快速響應和智能控制，如自適應前照燈系統(tǒng)，以適應不同的駕駛條件。VCSEL的精確光束控制能力允許定制光束模式，增強夜間駕駛的安全性，同時，其耐用性和可靠性減少了維護需求。
未來，短波長VCSEL技術的進步有望提高全球定位系統(tǒng)（GPS）等定位系統(tǒng)的精度。這是因為基于GaN的VCSEL能夠在紫外線區(qū)域發(fā)光，并且可以使用它來創(chuàng)建高精度時鐘。在GPS和其他定位系統(tǒng)中，地面站從衛(wèi)星上的原子鐘接收時間信息，并根據時間差計算與每顆衛(wèi)星的距離以獲取位置信息。如果基于GaN的VCSEL提高了地面站時鐘的精度，未來就有可能將GPS定位精度從幾米提高到幾毫米。獲得更精確的位置信息將為開發(fā)全新應用提供機會。
1.2.2 中波長波段 VCSEL
中波長波段VCSEL通常指發(fā)射波長在850nm至1550nm之間的半導體激光器。自1988年首次研制成功以來，850nm、980nm和780nm波長的VCSEL逐步實現商業(yè)化，并廣泛應用于光通信、光學傳感、3D傳感等領域?；谏榛墸℅aAs）材料的中波長VCSEL技術相對成熟，尤其是在950nm和980nm波段上，由于成本低且產業(yè)鏈完善，成為主流選擇。隨著波長增加到1550nm，材料體系會轉向銻化銦鎵（InGaAs），這類材料雖然成本較高，但能夠提供更長的波長和更好的視網膜安全性。
盡管基于GaAs的VCSEL技術已相當成熟，目前能實現的最長波長約為1100nm，但業(yè)界正在努力擴展至1380nm或更長波長，以應用于面部識別、底部發(fā)光（BOLED）和LiDAR技術等領域。2021年3月，IQE公司開發(fā)了一種基于稀散氮化物（InGaAsN）的技術，該技術每個發(fā)射器提供約1mW功率，仍采用GaAs材料，具備與短波長VCSEL相同的設備和工藝兼容性。此外，短波長紅外（SWIR）技術在智能手機和AR/VR設備中顯示出潛力，能夠增強3D傳感、深度感應和眼動追蹤功能。
1.2.3 長波長波段 VCSEL
長波長VCSEL通常指工作波長在1300nm至1550nm范圍內的激光器。1300nm和1550nm的長波長VCSEL由于處于光纖的低色散和低衰減窗口，還具有在中長距離高速傳輸方面的優(yōu)越性.1300nm波長VCSEL是光并行處理、光識別系統(tǒng)及光互連系統(tǒng)中的關鍵器件。特別是在光信息處理、光互連、光交換、光計算和神經網絡等應用領域，VCSEL能夠充分發(fā)揮光子的并行操作能力和大規(guī)模集成面陣的優(yōu)勢，展現出巨大的應用潛力和發(fā)展前景。
最初，使用GaInAsP/InP材料作為有源區(qū)的紅外VCSEL實現了1300nm的發(fā)射波長。波長為1300nm的VCSEL的有源區(qū)現在主要采用GaInAs/GaAs材料，這種材料的VCSEL具有低色散和高速率的特性，使其成為長距離光通信和并行光互連系統(tǒng)中的關鍵器件。當波長達到1550nm時，VCSEL的有源區(qū)材料則主要使用AlGaInAs/GaAs和GaInAsP/InP等，這些材料的VCSEL在1550nm波段損耗低，常與單模光纖配合使用，非常適合應用于高速長距離的光通信系統(tǒng)。
從2018年開始，智能手機中的3D傳感、汽車應用的激光雷達開始大規(guī)模使用長波長VCSEL陣列，為了在顯示屏下實現集成傳感，使用的VCSEL波段從940nm逐步過渡到1380nm。為了實現這個目標，企業(yè)研發(fā)使用多種手段，包括使用稀氮化物材料，從GaAs轉向InP，以及采用基于GaAs材料和InP材料融合的混合方法。蘋果公司曾嘗試在iPhone 14 Pro版本中使用基于InP-EEL的接近傳感器，但其成本是使用GaAs-VCSEL接近傳感器的十倍以上，且模塊的制造和封裝難度更大。因此，在iPhone 15中，蘋果公司回歸到了基于GaAs VCSEL的接近傳感器。
另一方面，隨著對長波長VCSEL需求的增加，相關晶圓的需求量也隨之增長，這推動了從4英寸晶圓向6英寸晶圓的轉變。4英寸晶圓每片可提供約4000個VCSEL，而6英寸晶圓的產量約為10,000個VCSEL陣列，足以滿足每年數百萬部智能手機的生產需求。然而，這一轉變需要新的設備和可能的新襯底技術。目前，這樣的應用場景尚未出現。
2. VCSEL激光器的應用領域及技術現狀
2.1 汽車
VCSEL技術因其緊湊的尺寸、高效率和高可靠性，在汽車領域的應用正在迅速擴展，成為實現車內外多種傳感器應用的關鍵技術。同時，隨著自動駕駛技術的發(fā)展，VCSEL因其高人眼安全性，在汽車傳感器領域的地位變得越來越重要。它在車艙內部監(jiān)控、智能照明、激光雷達（LiDAR）、自動駕駛和高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）等多個方面發(fā)揮著重要作用。
傳統(tǒng)的車艙內監(jiān)控系統(tǒng)大多依賴于紅外LED，但使用VCSEL替代LED的趨勢日益明顯。在LiDAR技術方案中，由于VCSEL的快速脈沖模式非常適合LiDAR應用，能夠提供高峰值功率的超短脈沖實現3D環(huán)境感知的更高精度，VCSEL正在逐步取代傳統(tǒng)的EEL。
VCSEL的小型封裝顯著減少了傳感器的占用空間，與傳統(tǒng)技術相比，其體積縮小了5到10倍。通過為VCSEL二極管添加智能功能，例如單片集成微光學元件，VCSEL不僅能夠進一步減少占用空間，還為光學設計提供了更大的靈活性。這種設計靈活性使VCSEL能夠支持車內外的不同應用，滿足從短程到長程的照明需求。
在夜間駕駛時，VCSEL技術能夠通過紅外補光的方式，探測前方路況，并將圖像清晰地顯示在中控顯示屏上。傳統(tǒng)的夜視系統(tǒng)主要依賴紅外光源和攝像機獲取黑白圖像，盡管這能夠增加可視距離，但在雨霧等惡劣天氣下，攝像機接收到的反射光容易飽和，難以捕捉遠距離的微弱光信號。此外，傳統(tǒng)激光器通常以連續(xù)或準連續(xù)模式工作，功耗較高，且需要復雜的散熱設計，增加了設備體積。而最新的VCSEL技術引入了納秒或微秒級的窄脈沖激光器進行補光。結合激光器和攝像機開關時機的精確控制以及延時掃描技術，可以在不增加功耗的前提下，對不同距離的目標實現清晰成像。這種技術不僅減小了設備體積，還提高了成像效果，尤其在復雜天氣條件下表現出色。目前，VCSEL的這一應用已廣泛應用于交通監(jiān)控、汽車夜視以及高速運動目標的檢測等多個領域。比亞迪仰望U8車頭有一套遠紅外夜視系統(tǒng)即搭載了國內VCSEL廠家瑞識科技的車規(guī)級VCSEL芯片，在高速情況下仍能實現300m超長距離的高分辨率。
圖3 VCSEL芯片夜間掃描工作示意圖
從2020年開始，越來越多的汽車制造商開始將激光雷達技術集成到其汽車中的高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）中。ADAS通過傳感器（如攝像頭、雷達和激光雷達）收集車輛周圍環(huán)境的數據，并結合軟件算法，幫助駕駛員做出更安全的駕駛決策。固態(tài)激光雷達是自動駕駛汽車中的關鍵傳感器，2D可尋址VCSEL作為其核心技術之一，以實現高精度、高效率的環(huán)境感知和測量，從而實現更高級別的夜間自動駕駛功能。在固態(tài)激光雷達中，2D可尋址VCSEL陣列允許對每個VCSEL單元進行單獨控制，對外發(fā)射點陣多光束光源。這意味著可以精確控制哪些VCSEL單元發(fā)出激光，以及何時發(fā)出激光。同時，探測器可以開啟與發(fā)射相對應的區(qū)域，接收目標反射光。最終，通過多個角度的電子掃描，完成整個視場范圍內的激光雷達點云獲取。這種靈活性使得固態(tài)激光雷達能夠實現高密度的點云生成，從而更準確地感知周圍環(huán)境。不僅可以幫助自動駕駛汽車準確感知周圍環(huán)境中的行人、車輛和其他障礙物，也能在機器人導航可以自主規(guī)劃路徑、避開障礙物，并準確到達目標位置、無人機高精度的障礙物檢測能力，使其能夠在復雜環(huán)境中安全飛行（無人機避障）等領域展現出廣泛的應用前景。
在全球VCSEL芯片市場中，國產廠商正逐步崛起，展現出強大的替代潛力。近年來，長光華芯、睿熙科技、瑞識科技、飛芯電子和縱慧芯光等國內企業(yè)在VCSEL技術的研發(fā)、生產和應用方面取得了顯著進展。這些企業(yè)不僅攻克了多項關鍵技術難題，還建立了完整的工藝平臺和量產線，實現了從芯片設計到封裝測試的全鏈條生產能力。
表1 國內部分廠商在VCSEL汽車市場技術現狀
2.2 消費電子應用
自2016年VCSEL技術首次被應用在蘋果iPhone 7系列手機中以來，極大地推動了整個行業(yè)的快速發(fā)展。在消費電子領域，VCSEL激光器已經被廣泛應用于多種消費類電子應用場景，包括手機/平板、TWS藍牙耳機、AR/VR、健康監(jiān)測、人臉識別、3D傳感、美容醫(yī)療等。
圖4 VCSEL在蘋果系列產品上的應用
消費類應用的VCSEL芯片涵蓋了單孔或多孔芯片，規(guī)則或隨機發(fā)光孔陣列芯片，單結或多結芯片，可尋址芯片。光功率從毫瓦級低光功率（連續(xù)驅動）至數百瓦級的超高光功率（脈沖驅動）。波長范圍包含紅光可見光（650nm-680nm）和近紅外光（808nm、850nm、905nm、940nm）
如今，VCSEL技術在手機中的重要作用不僅限于人臉識別，還擴展到表情捕捉和3D建模等功能，例如蘋果的Animoji功能。為了實現高密度的3D結構光，iPhone采用了包括VCSEL在內的多種技術組件來增強3D成像和紅外攝影能力。智能手機設計的發(fā)展對VCSEL技術提出了更高的要求，近年來，OEM廠商正致力于將近紅外波段的VCSEL技術集成到OLED屏幕下方，這項技術能夠降低電源消耗、改善熱管理，并提升光學性能。市場對于更高屏占比的追求也促使傳感器集成到顯示屏下方，需要依賴更先進的材料和制造工藝。此外，短波紅外波段的VCSEL有望成為屏下3D傳感模塊的核心技術，從而帶動整個行業(yè)向更高集成度方向發(fā)展。
在智能家居領域，VCSEL激光傳感器被廣泛應用于智能掃地機器人、智能門鎖、智能燈光、小型家庭美容儀器等設備中。VCSEL激光雷達由于其高精度和小型化的特點，尤其適用于長距離檢測和室內導航。且由于大多數消費產品的內部空間都極為狹窄，終端家居客戶在考慮接近傳感的應用集成時，一般會要求模塊尺寸最大限度緊湊。而當接近傳感的發(fā)射端與接收端距離過于接近時，發(fā)射光與內部反射光會發(fā)生信號串擾，進而影響整體的測量精度。目前，已有相關企業(yè)推出品特有的超窄發(fā)散角可大幅降低傳感器件信號串擾現象，確保發(fā)射和反射光具有清晰、不互相干擾的往返路徑，可幫助縮小接近傳感模塊尺寸、簡化器件設計并實現更精確的距離測量。在智能家居領域，VCSEL技術將成為智能家居設備如掃地機器人、智能電視、家用投影儀等產品的核心傳感器。伴隨著智能家居設備市場的擴展，VCSEL技術的市場需求也會進一步攀升。
圖5 VCSEL在消費類電子產品上的實際應用
在可穿戴設備領域，目前主要的如智能手表、智能戒指等擁有心率檢測、控制智能家電等功能，通常都包含了VCSEL激光器。例如，蘋果手表利用VCSEL技術實現脈搏血氧檢測，并在無線立體聲（TWS）耳機中提高了佩戴檢測的準確性。同時，小尺寸和超低功耗也使VCSEL成為便攜式健康監(jiān)測設備的理想選擇。在智能戒指等新興市場，VCSEL技術通過提高生理數據采集的準確性和降低功耗，進一步推動了設備的功能和市場應用。瑞識科技的高功率高光效紅光VCSEL發(fā)射的光可以透過皮膚測量睡眠健康、心率和血氧飽和度，在運動監(jiān)測和健康管理方面非常有用。
2018年，消費電子應用一躍成為VCSEL的最大細分市場，Yole預計2021年該應用領域的市場規(guī)模為7.97億美元，到2026年增長至17億美元，年復合增長率為16.4%。隨著越來越多廠商進入消費電子市場，國外廠商和用戶對數據通信、3D傳感、激光雷達等方面的專利布局和競爭也在不斷加劇，一定程度上增大了國內企業(yè)的進入門檻。
表2 國內廠商在VCSEL消費電子市場產品應用情況
2.3 數據通信
在過去的半個世紀里，移動技術幾乎每十年都會實現一次創(chuàng)新的飛躍。從最初僅支持語音通話和短信，發(fā)展到現在能夠承載超高清（UHD）視頻和增強現實/虛擬現實（AR/VR）應用，移動帶寬的需求持續(xù)增長。目前全球消費者和企業(yè)用戶對網絡和云服務的需求仍在持續(xù)上升。社交網絡、商務會議、超高清視頻流、電子商務和游戲等應用在這一過程中發(fā)揮了關鍵作用，進一步推動了數據通信市場的擴張。
在技術層面，VCSEL以其單片制造能力、卓越的波束質量、快速的調制帶寬以及陣列形式的可擴展性，展現出在短距離互連領域的顯著競爭力。特別是在850nm波長的VCSEL中，這些特性使其成為數據中心高速通信的理想選擇。目前，隨著市場對高速數據傳輸需求的不斷增長，VCSEL不僅在現有架構中得到廣泛應用，同時也激發(fā)了新材料和技術平臺的開發(fā)，以滿足5G網絡、人工智能和機器學習等新興技術的需求。
在數據通信領域，光收發(fā)模塊市場增量顯著，2019至2020年期間增長了23.8%，主要受到數據中心互連需求的增加、城域網和長途網絡對額外容量需求的增長以及5G移動網絡加速發(fā)展的推動。到2021年，光收發(fā)模塊市場的收入繼續(xù)增長21.3%，達到58.3億美元。這一增長的主要因素包括工作、教育和娛樂領域對視頻會議、流媒體視頻、社交網絡和云計算需求的激增，這些應用加速了數據和視頻流量的增長。
隨著數據中心和5G通信市場的擴展，數據量承載指數級增長，光模塊等產品在數據通信行業(yè)的需求預計將持續(xù)上升。特別是VCSEL技術在這一領域的銷售表現突出，大量數據消耗類型應用（如亞馬遜）以及視頻游戲、在線購物和豐富視頻內容的社交網絡（如Instagram和WhatsApp）推動了其快速增長的驅動力。這些應用場景不僅促進了光模塊市場的發(fā)展，也進一步推動了光模塊市場的發(fā)展奠定了VCSEL技術在未來數據通信中的重要地位。
2.4 工業(yè)激光
在工業(yè)應用中，VCSEL激光器在激光雷達系統(tǒng)中的應用已成為推動工業(yè)自動化和智能基礎設施發(fā)展的關鍵因素。這些激光雷達系統(tǒng)能夠實現精確的光探測和測距，廣泛應用于工業(yè)自動化、交通控制、測距儀等領域。VCSEL的加入使得工業(yè)機器人能夠識別并避開人類工人，同時清潔機器人也能在復雜環(huán)境中自主導航，顯著提升了工業(yè)生產的安全性和效率。
工業(yè)激光雷達產品類型包括遠程激光雷達和機器視覺等。隨著技術進步，激光雷達系統(tǒng)已從早期的工廠自動化和自動門等少數應用，擴展到物流、智能基礎設施和安全等新興領域。3D激光雷達的快速發(fā)展和成本降低，正在挑戰(zhàn)2D激光雷達的傳統(tǒng)地位，為工業(yè)應用帶來新的可能性。例如，2021年，Sick和Ibeo合作開發(fā)3D激光雷達，Hokuyo與SiLC也展開了類似合作，預示著3D激光雷達在工業(yè)領域將扮演更重要的角色。
物流自動化的加速推進，使得激光雷達在倉庫、港口的自動引導車輛（AGV）和工業(yè)清潔機器人中的應用迅速增加。盡管許多自動化應用仍處于測試階段，但其發(fā)展速度值得關注。同時，激光雷達在智能基礎設施中的應用也在擴大，如交通控制、機場人群管理和公共安全等領域，激光雷達作為關鍵傳感器的作用日益凸顯。它們能夠提供匿名的3D信息，并且可以在夜間操作，逐漸取代了電感回路、相機和雷達等傳統(tǒng)技術。
目前，多模VCSEL在工業(yè)激光雷達和機器視覺應用中占據主導地位。然而，單模VCSEL因其更高的精度和穩(wěn)定性，在傳感和計量領域的新興應用中迅速獲得市場份額。單模VCSEL廣泛應用于環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷和工業(yè)過程控制等領域，隨著這些應用的發(fā)展，對精確傳感解決方案的需求也在上升。
隨著技術的持續(xù)進步和新應用的不斷涌現，VCSEL激光器在工業(yè)領域的應用正變得越來越廣泛。預計未來，隨著對更高精度、更快響應和更低功耗需求的增長，VCSEL技術將在工業(yè)自動化和智能基礎設施中扮演更加關鍵的角色。
3. VCSEL激光器的市場空間及預測
3.1 VCSEL市場分析
預計到2027年，VCSEL市場的總規(guī)模將增長至39億美元，年均復合增長率為19.2%。這一增長主要受益于3D機器視覺需求的不斷上升，推動了VCSEL在消費電子領域的快速擴展。特別是在手機、AR/VR設備和物聯網等應用中，3D傳感技術的需求日益增長，成為市場發(fā)展的重要動力。2023年，消費電子應用是VCSEL市場的主要驅動力，預計收入為10.22億美元。同時，數據通信市場也表現強勁，預計收入為10.45億美元。在消費電子市場中，智能手機是VCSEL的主要應用場景，蘋果公司是目前唯一在智能手機中廣泛集成3D傳感模塊的企業(yè)，應用于面部識別的雙VCSEL模塊和激光雷達的單VCSEL模塊。在汽車應用領域，VCSEL技術也逐漸被更多汽車制造商采納，尤其是在激光雷達領域。
圖6 VCSEL整體市場預計營收（單位：萬美元）
資料來源：Yole
隨著VCSEL市場的成熟，未來的市場整合預計將集中在小型應用領域，特別是具有高增長潛力的汽車和工業(yè)市場。3D傳感在這兩個領域的應用將成為市場的新增長點。激光雷達制造商正在與汽車OEM合作，推動汽車級產品的開發(fā)，并與城市合作開展交通監(jiān)控項目。這些新興領域不僅為VCSEL市場帶來了新的增長機會，也使其技術在更廣泛的工業(yè)和公共基礎設施中展示出應用潛力。
3.2 VCSEL市場競爭格局
近年來，VCSEL市場經歷了快速整合，目前由II-VI和Lumentum兩大廠商主導，它們共同占據了近80%的市場份額。這一集中度得益于兩家公司向蘋果供貨，而安卓手機廠商則逐步停止在其智能手機中使用VCSEL技術。除了消費電子，Coherent和Lumentum還在數據通信和電信應用領域占據主導地位，提供VCSEL及其相關的收發(fā)器。然而，隨著國產替代的加速，國內廠商正在逐步打破國外壟斷。例如，長光華芯的VCSEL芯片轉換效率達到60%以上，打破了國外技術封鎖；縱慧芯光的VCSEL已在手機市場實現大批量量產交付，并進入汽車電子市場；瑞識科技也在深圳和合肥自建制造中心，具備先進的自動化生產能力，確保了穩(wěn)定的量產交付。
圖7 2021年VCSEL市場競爭格局
資料來源：Yole
汽車
在早期的2018至2019年，法雷奧公司曾是市場上的唯一供應商，然而到了2021年，行業(yè)競爭格局發(fā)生了顯著變化。一方面法雷奧擴展了與本田和梅賽德斯等汽車制造商的合作，另一方面，更多的新興供應商進入了市場。Livox、RoboSense、Continental、Denso和Innovusion等公司迅速崛起，并分別與小鵬汽車、Lucid、Arcfox、雷克薩斯、豐田和蔚來等汽車品牌達成合作。這些競爭對手的加入削弱了法雷奧的市場份額，并加劇了車用激光雷達市場的競爭。
圖8 2021年ADAS市場份額
資料來源：Yole
此外，自動駕駛技術的進步也為VCSEL市場帶來了新的增長機遇。隨著自動駕駛量產車項目的加速推進，以及激光雷達成本的降低和滿足車規(guī)級要求，VCSEL在汽車應用市場的需求預計將出現爆發(fā)式增長。Yole的研究報告預計，到2025年，全球乘用車新車市場中L3級自動駕駛的滲透率將達到6%，即每年約有600萬輛新車將配備激光雷達，這將極大地推動VCSEL的市場需求。
消費電子
在全球范圍內，VCSEL市場的競爭格局主要由消費電子應用驅動，特別是在智能手機的3D傳感領域。Lumentum和II-VI兩家公司主導了市場，占據了全球近80%的市場份額。這兩家公司之所以能夠保持領先地位，主要是因為它們向蘋果供貨，而其他Android廠商幾乎完全停止了在其智能手機中使用VCSEL。
圖9 ?2021年VCSEL消費市場
資料來源：Yole
數據通信
雖然Lumentum和Coherent等公司在消費電子領域占據主導地位，但在數據通信市場，競爭格局較為分散，通快、索尼、博通和首爾半導體等公司也在積極參與競爭。目前數據速率為10.1-25Gbps的VCSELs目前占據市場的最大份額。然而，隨著數據通信需求的急劇增長，尤其是在下一代數據中心和大規(guī)模云計算環(huán)境中的應用，數據速率超過25Gbps的VCSEL市場正在以最快的速度擴張。這類VCSEL以其極高的調制速度和波長穩(wěn)定性，能夠在短距離和長距離上支持極高的數據傳輸速率，滿足5G網絡、人工智能（AI）和機器學習（ML）等新興技術對快速可靠數據傳輸的需求。
在數據通信領域，光收發(fā)模塊市場從2019年的38.8億美元增長到2020年的48.1億美元，增幅達到23.8%。這一增長主要得益于數據中心互連需求的增長、城域區(qū)域和長途網絡對額外容量需求的不斷上升，以及5G移動網絡速度的顯著提升。到了2021年，光收發(fā)模塊的收入繼續(xù)增長21.3%，達到了58.3億美元。推動這一增長的主要因素包括工作、教育和娛樂領域對視頻會議、流媒體視頻、社交網絡和云計算需求的增加，這些因素共同推動了數據和視頻流量的快速增長。
圖10 2021年數據通信市場競爭格局
資料來源：Yole
工業(yè)激光
在工業(yè)激光雷達市場中，市場競爭呈現出明顯的層次分化。傳統(tǒng)老牌公司如Sick AG、BEA、Pepperl+Fuchs和Hokuyo，主導了2D激光雷達技術市場。這些公司主要提供用于平面距離測量、物體檢測和尺寸測量的2D激光雷達系統(tǒng)，其中VCSEL技術常用于激光發(fā)射部分。盡管這些企業(yè)長期以來專注于2D技術，但隨著技術的進步，它們也開始進入3D激光雷達領域。例如，Sick AG與Ibeo合作，Hokuyo則與SiLC聯手開發(fā)新產品。
與此同時，新興公司如RoboSense、Hesai、Ouster、Velodyne、LeddarTech、Benewake和LeiShen，專注于3D激光雷達技術，逐漸在市場中占據一席之地。這些公司利用3D激光雷達的多角度和多維度數據獲取能力，為自動引導車（AGV）、倉庫自動叉車、港口大型AGV或自動卡車等自主駕駛設備提供了顯著的附加價值。此外，3D激光雷達技術還被應用于智能基礎設施領域，如人流監(jiān)控、交通管理、公共安全和空間使用跟蹤等。
圖11 2021年工業(yè)激光雷達市場競爭格局（單位：萬美元）
資料來源：Yole
盡管全球VCSEL市場正在迅速擴展，但中國的VCSEL行業(yè)起步較晚。過去，能夠大規(guī)模生產VCSEL的廠家主要集中在歐美和日本。2017年iPhone X的發(fā)布和隨后的中美貿易戰(zhàn)促使中國將光芯片提升為國家戰(zhàn)略，催生了一批初創(chuàng)企業(yè)和老牌廠商進入VCSEL市場。然而，國內企業(yè)大多專注于芯片設計，生產依賴于臺灣公司的代工，較少擁有自己的工廠和生產線。
目前，中國的VCSEL廠商主要集中在長三角和珠三角地區(qū)。長三角地區(qū)的代表企業(yè)包括縱慧芯光、睿熙科技、長光華芯、華芯半導體、度亙激光和老鷹半導體；珠三角地區(qū)的代表企業(yè)有博升光電、檸檬光子、瑞識科技和新亮智能。總部位于武漢的仟目激光也在這一領域有所布局。此外，中國的LED上市公司，如三安光電、乾照光電和華燦光電，也在積極投入VCSEL市場。
總的來說，雖然短期內除智能手機外不會出現新的“殺手級”應用，但隨著自動駕駛技術的發(fā)展，VCSEL有望在激光雷達等汽車應用中找到新的增長點。然而，汽車應用的普及預計還需要三到五年的時間。在此期間，VCSEL市場仍將由消費電子和數據通信應用所主導，特別是在3D傳感和高帶寬通信需求的推動下，市場將繼續(xù)快速擴展。
4. VCSEL相關企業(yè)情況
4.1 Lumentum
Lumentum 是一家在光學產品領域具有領先地位的供應商，其前身為光通信行業(yè)的巨頭 JDSU。2015 年，JDSU 拆分后，獨立的 CCOP 業(yè)務部門被命名為 Lumentum，而 NE、SE 和 OSP 業(yè)務部門則改名為 Viavi。Lumentum 主要提供基于光學與光電子技術的解決方案，應用涵蓋數據通信、電信網絡、商用激光器以及消費電子領域中的 3D 傳感技術。
近年來，隨著數據中心的快速建立以及對 100G 數據通信產品的強勁需求，公司的營收呈現出穩(wěn)定增長態(tài)勢。2016 財年，公司實現營收 9.03 億美元。由于高端光器件、光模塊及商用激光器產品的開發(fā)，公司毛利率逐年上升，過去三年毛利率始終保持在 30% 以上。
Lumentum 的產品主要集中在光通信用的光器件及光模塊、工業(yè)激光二極管和 3D Sensing 三大領域。公司憑借在光器件及光模塊領域的深厚積累，近年來推行“縱向+橫向”的發(fā)展戰(zhàn)略：在縱向上，公司向垂直一體化方向發(fā)展，實現從晶圓設計與制造到光器件子部件、光模塊集成的垂直整合生產；在橫向上，公司積極擴展光通信領域以外的產品線和應用領域，利用強大的垂直一體化生產能力，向工業(yè)級應用如工業(yè)檢測、測量，以及商業(yè)級應用如醫(yī)療成像、消費電子 3D 感知技術進行擴展，現已實現多種類型光器件應用的全面覆蓋。
公司目前主要服務于電信、數據通信、工業(yè)用激光以及 3D Sensing 四大市場。其中，電信市場占公司收入的最大比例，數據通信、工業(yè)用激光和3D sensing依次遞減。
圖12 Lumentum 公司各市場營收占比
資料來源：Yole
Lumentum公司總裁兼CEO Alan Lowe表示，“本季度公司銷售額和EPS都超過了預期中點，實現了數通芯片創(chuàng)紀錄的訂單，并在更廣泛的傳統(tǒng)網絡市場上看到了積極的趨勢。在擴大公司云和AI客戶基礎方面公司正在獲得明顯的進步，這些都將帶來2025年更大的增長。”
圖13 Lumentum2015年-2024年營業(yè)收入情況(單位：萬美元）
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4.2 Coherent
Coherent是一家全球領先的材料、網絡和激光技術供應商，服務于工業(yè)、通信、電子和儀器市場。公司成立于1971年，總部位于賓夕法尼亞州薩克森堡，最初專注于生產高品質的工業(yè)激光器材料和光學器件。如今，Coherent的業(yè)務遍布全球20多個國家，公司的VCSEL陣列被廣泛應用于多個終端客戶和市場。
在智能手機領域，Coherent的VCSEL陣列用于前置攝像頭進行面部生物識別，支持解鎖屏幕和安全金融交易驗證；在汽車領域，公司為自動駕駛汽車的ADAS系統(tǒng)提供核心技術VCSEL組件，這些VCSEL陣列還用于提高汽車艙室的安全性，能夠提供駕駛員警覺度和乘客位置的信息，從而準確部署安全氣囊。在光通信領域，公司產品包括高速VCSEL、放大器和高功率泵浦激光器，應用于航空航天和國防領域，滿足復雜設計和工程需求。在3D傳感領域，公司是少數具備6英寸VCSEL垂直集成制造能力的企業(yè)之一，并實現了大規(guī)模生產專為3D傳感設計的多發(fā)射極VCSEL模具。
Coherent在2024財年全年的收入為47.08億美元，折合人民幣約337.5億元，同比下滑8.8%。主要受益于800G數據通信收發(fā)器在人工智能領域的強勁增長，公司通信領域收入環(huán)比增長10%。根據2024財年第四季度數據，數據通信市場為5.7億美元，占比52％；工業(yè)為4.12億美元，占比33％；電子1.06億美元，占比8％；儀器1.17億美元，占比8％。
圖14 Coherent 2015年-2024年營業(yè)收入情況（單位：萬美元）
圖15 Coherent 2024財年第四季度市場占比
4.3 ams OSRAM AG
ams OSRAM AG 是一家總部位于奧地利Premst?tten，并在德國慕尼黑設有聯合總部的半導體制造商，專注于智能傳感器和發(fā)射器組件的開發(fā)與生產，特別是在3D傳感和車內傳感領域表現突出。公司的VCSEL具有高靈活性和可靠性，能夠在高溫環(huán)境下保持穩(wěn)定性，公司推出的VCSEL產品涵蓋了從紅光680nm到紅外940nm的廣泛波段，滿足了多樣化的應用場景需求。
ams OSRAM AG 的VCSEL產品廣泛應用于3D傳感、車內傳感以及激光雷達等領域，其產品組合包括泛光照明器、3D傳感應用點陣投影器和裸片VCSEL。泛光照明器VCSEL專為飛行時間傳感（ToF）和紅外視覺系統(tǒng)設計，適用于多種應用場景，支持從3W到6W的設備，覆蓋850nm和940nm的紅外波長，并提供多個照射場選項。3D傳感應用點陣投影器則專為主動立體視覺和結構光3D傳感應用設計，支持多種點陣分辨率選擇和紅外波長。該產品能夠提供多個照射場選項，適用于各種應用場景，如增強現實設備、自動駕駛汽車的環(huán)境感知等。除了成品，ams OSRAM AG 還提供自由度更高的裸片VCSEL，允許在高度集成的系統(tǒng)中靈活使用光學元件。裸片VCSEL廣泛應用于距離傳感、飛行時間傳感、紅外照明和原子鐘等領域，產品覆蓋從680nm到940nm多個波長范圍，功率輸出從毫瓦級到數百瓦級不等，能夠滿足多種復雜的應用需求。
2023財年，ams OSRAM AG 的營收為35.9億歐元（約合人民幣278.48億元），同比下降25%。這一業(yè)績下滑主要歸因于公司剝離了燈具和系統(tǒng)業(yè)務板塊，以及半導體業(yè)務板塊中智能手機組件應用的收縮。與此同時，公司在汽車領域繼續(xù)推進其結構性增長計劃，并正在逐步處置非核心業(yè)務，尤其是半導體業(yè)務中的無源光學元件部分。
4.4 長光華芯半導體
公司成立于2012年，專注于研發(fā)、設計和制造半導體激光芯片。其產品主要涵蓋高功率單管系列、高功率巴條系列、高效率VCSEL系列及光通信芯片系列，廣泛應用于光泵浦激光器泵浦源、激光智能制造裝備、科研及特種場景、3D傳感與攝像、激光雷達等領域。目前，該公司具備完全自主可控的芯片設計、MOCVD外延、FAB晶圓流片、解理/鍍膜、封裝、測試及光學耦合等工藝平臺及量產能力，是全球少數幾家擁有6吋線外延和晶圓制造等關鍵制程生產能力的IDM半導體激光器企業(yè)之一。
公司自成立以來，持續(xù)擴展其產品線與市場布局，專注于高功率半導體激光芯片及相關器件的開發(fā)。在GaAs高功率光芯片領域，公司已與銳科激光、創(chuàng)鑫激光、大族激光等行業(yè)龍頭建立合作，覆蓋激光加工、切割等工業(yè)應用。此外，公司在VCSEL領域布局了消費電子、光通信（25G、50G VCSEL）、車載激光雷達芯片等市場，部分產品已實現銷售。公司還積極推動InP高速數通光芯片的研發(fā)，布局400G/800G傳輸速率方案，以滿足下一代數據中心需求。通過優(yōu)化外延晶體質量和FAB晶圓工藝技術，長光華芯不斷提升產品性能，確保產品在國際先進水平上保持競爭力。
2024年一季度，長光華芯實現營收5249萬元，同比下降41.91%，但與2023年四季度相比，虧損幅度有所收窄。2023年度，由于激光器市場競爭加劇，公司采取了下調單管芯片價格的策略，試圖通過價格壁壘維護市場地位，這對營收和毛利率產生了負面影響。此外，公司新興業(yè)務方向，如VCSEL和光通信，目前尚未形成規(guī)模，對營收貢獻有限。盡管面臨虧損，長光華芯依然堅持加大研發(fā)投入，2024年一季度的研發(fā)投入達到2929萬元，占營收的55.80%，同比增長29.46%，這一研發(fā)投入占比在行業(yè)內處于較高水平。
隨著公司技術和市場布局的不斷深化，公司與中科院蘇州納米所合資成立的蘇州鎵銳芯光，已經研制出國內首顆氮化鎵基藍光和綠光激光器芯片，填補了國內空白，并計劃在2024年建成國內最大的氮化鎵激光器芯片量產線。此外，長光華芯與清純半導體合作成立的蘇州惟清半導體公司，未來的產品將主要用于車載主驅芯片，以搶抓電動汽車等新能源行業(yè)的快速發(fā)展機遇。
4.5 瑞識科技
瑞識科技是一家總部位于深圳南山的國家高新技術企業(yè)、國家級專精特新“小巨人”企業(yè)，承擔了廣東省和深圳市重大技術攻關項目，公司已經通過ISO9001和車規(guī)TS16949質量管理體系認證。瑞識科技專注于半導體光芯片領域，并在合肥、廈門、臺灣和硅谷設有分部。公司團隊具備頂尖的VCSEL芯片研發(fā)與量產經驗，為智能駕駛、消費電子、工業(yè)制造和醫(yī)療美容等行業(yè)客戶提供先進的VCSEL芯片和光學解決方案，擁有超過150項全球專利，月出貨產能超過100萬顆，VCSEL芯片量產出貨總量超1億顆。憑借傲人的成長潛力和資本表現，瑞識科技已獲得由深創(chuàng)投、華潤資本、中科創(chuàng)星等機構領投的數億元人民幣投資。
瑞識科技憑借其在光芯片設計、光學集成封裝、算法研發(fā)和光電系統(tǒng)整合優(yōu)化等領域的國際領先技術，成功構建了完整的“芯片+光學+應用”產業(yè)鏈，并推出了一系列高性能的自主研發(fā)VCSEL芯片和光學集成產品。這些產品被廣泛應用于掃地機器人導航、汽車智能駕駛、激光雷達、投影儀智能化3D感知、家用美容儀和智能指環(huán)以及詞典筆的激光掃描等領域。在可視波段VCSEL領域，瑞識積極推動紅光VCSEL多領域創(chuàng)新應用并量產出貨超千萬顆。在汽車行業(yè)的應用方面，瑞識VCSEL產品上車比亞迪，助力其仰望系列汽車的夜間智能駕駛功能。2024年3月，瑞識推出新款二維可尋址激光雷達VCSEL芯片產品并已獲得激光雷達大廠量產訂單，瑞識也由此成為行業(yè)首家量產二維可尋址VCSEL產品的廠商。在消費電子的應用方面，瑞識科技已成功進入海外大廠，成為三星Galaxy Ring的獨家VCSEL供應商。此外，瑞識科技的高性能光模組產品已被應用于小米新款家用投影儀，未來還將繼續(xù)加大對新興市場的投入，推動更多自主研發(fā)的VCSEL技術在各類智能設備中的應用，進一步鞏固其行業(yè)領先地位。
4.6 縱慧芯光
縱慧芯光成立于2015年，是一家致力于研發(fā)和銷售高功率、高速VCSEL及模塊解決方案的創(chuàng)新型創(chuàng)業(yè)公司。是業(yè)內首家通過VCSEL芯片車規(guī)認證的企業(yè)，并于2021年實現了前裝駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)（DMS）應用VCSEL芯片的量產。
縱慧芯光目前已完成多達11輪融資，先后吸引了來自華為、小米、比亞迪、大疆創(chuàng)新、禾賽科技、速騰聚創(chuàng)等多個領域的數億元投資，逐步成為國產VCSEL領域的領先供應商。截止至2023年8月，縱慧芯光已交付超過1億顆VCSEL芯片。根據Yole發(fā)布的2022年全球前10家領先激光雷達（LiDAR）公司名單顯示，其中有6家企業(yè)與縱慧芯光合作開發(fā)了用于汽車激光雷達的定制VCSEL芯片，并有兩家公司已開始量產交付。憑借這些合作，縱慧芯光成為亞洲首家、全球前二的汽車前裝激光雷達用VCSEL芯片批量交付公司。目前，縱慧芯光在汽車電子市場已有4款VCSEL產品完成開發(fā)認證，并進入了持續(xù)批量交付階段。
技術創(chuàng)新方面，公司在2019年成功突破半導體關鍵材料外延生長技術壁壘，成為國內首家實現VCSEL量產的企業(yè)。這一技術突破使得公司能夠在汽車電子和光通信領域迅速拓展市場。相關VCSEL產品已被華為、榮耀、夏普、魅族等知名手機品牌采用，如榮耀Magic3 Pro和榮耀Magic3至臻版的3D TOF模塊中就應用了縱慧芯光的VCSEL芯片。
此外，縱慧芯光還積極推動其VCSEL技術在汽車MEMS固態(tài)激光雷達領域的應用。2022年8月，縱慧芯光與SOSLAB合作，成功開發(fā)出具有180度廣角和遠距離測量性能的ML LiDAR，突破了固態(tài)LiDAR在距離和角度上的限制，進一步推動了VCSEL技術在汽車領域的廣泛應用。
