4246
1. 激光器半導(dǎo)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(chǎn)生高度單色、相干、方向性強(qiáng)的光束的設(shè)備。其核心原理是基于電激勵(lì)源，通過(guò)半導(dǎo)體材料的增益介質(zhì)實(shí)現(xiàn)電能到光能的轉(zhuǎn)換。半導(dǎo)體激光芯片，作為激光器產(chǎn)業(yè)鏈上游的關(guān)鍵組件，其性能直接決定了激光設(shè)備輸出光束的質(zhì)量和功率。
從產(chǎn)業(yè)鏈角度來(lái)看，激光器的上游包括半導(dǎo)體原材料、高端裝備及生產(chǎn)輔料，這些原材料和裝備用于制造半導(dǎo)體芯片、光電器件、光學(xué)元件及模組等。中游環(huán)節(jié)則涵蓋了利用上游產(chǎn)品制造的各類激光器，包括直接半導(dǎo)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(jù)其工作原理和應(yīng)用領(lǐng)域被進(jìn)一步分類。下游應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，包括但不限于工業(yè)加工、醫(yī)療、光通信、科研實(shí)驗(yàn)等。
在半導(dǎo)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(dú)特的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)脫穎而出。VCSEL的概念最早由日本東京工業(yè)大學(xué)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(dāng)時(shí)主要停留在學(xué)術(shù)研究階段，尚未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。到了90年代，VCSEL在短波長(zhǎng)領(lǐng)域的研究取得了突破，特別是在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域，初創(chuàng)公司開(kāi)始推動(dòng)其產(chǎn)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(yīng)用。然而，2000年至2017年期間，VCSEL技術(shù)進(jìn)展相對(duì)緩慢，產(chǎn)業(yè)應(yīng)用也沒(méi)有顯著擴(kuò)展，投資熱點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向其他領(lǐng)域，學(xué)校的研發(fā)重點(diǎn)也有所轉(zhuǎn)移。直到近幾年，隨著蘋(píng)果公司在iPhone中的應(yīng)用，VCSEL在消費(fèi)電子領(lǐng)域看到了新的機(jī)會(huì)，并且?guī)?dòng)了技術(shù)的進(jìn)一步進(jìn)步。如今，VCSEL因其閾值電流低、工作波長(zhǎng)穩(wěn)定、光束質(zhì)量好等特性，在光通信、激光顯示、光存儲(chǔ)、消費(fèi)電子等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。尤其是在傳感領(lǐng)域，940nm波長(zhǎng)的VCSEL發(fā)揮了重要作用。而隨著ChatGPT等大規(guī)模人工智能應(yīng)用的興起，數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域?qū)CSEL的需求大幅增長(zhǎng)，特別是在短距離通信方面。此外，1310nm波長(zhǎng)的VCSEL在高速長(zhǎng)距離光纖通信、光識(shí)別系統(tǒng)及并行光互連系統(tǒng)中也占據(jù)重要地位，而808nm波長(zhǎng)的VCSEL在醫(yī)美行業(yè)的應(yīng)用開(kāi)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(dǎo)體，其發(fā)光原理與其他半導(dǎo)體激光器相似，通過(guò)外加能量激發(fā)電子躍遷，并通過(guò)諧振腔實(shí)現(xiàn)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(zhǎng)距離光纖通信、工業(yè)加工等對(duì)功率要求較高的場(chǎng)景。但EEL結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造過(guò)程較為精細(xì)，成本相對(duì)較高，同時(shí)其激光光束的質(zhì)量不如VCSEL穩(wěn)定。相比之下，VCSEL具有獨(dú)特的垂直腔面發(fā)射結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)低閾值電流和高光束質(zhì)量，在短距離光通信、消費(fèi)電子以及3D傳感等應(yīng)用領(lǐng)域中表現(xiàn)尤為突出。此外，VCSEL的制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，VCSEL具有體積小、圓形輸出光斑、單縱模輸出、閾值電流小、價(jià)格低廉、易集成為大面積陣列等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于光通信、光互連、光存儲(chǔ)等領(lǐng)域?？梢酝ㄟ^(guò)標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體工藝進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，成本低且效率高。同時(shí)，VCSEL還能實(shí)現(xiàn)多模發(fā)射，適用于高數(shù)據(jù)傳輸速率的應(yīng)用。
1.2 ?VCSEL激光器
VCSEL是一種垂直于襯底面射出激光的半導(dǎo)體激光器?；窘Y(jié)構(gòu)是一個(gè)“三明治”結(jié)構(gòu)，由上下兩個(gè) DBR 反射鏡和有源區(qū)這三部分組成。上下兩個(gè) DBR 反射鏡與有源區(qū)構(gòu)成諧振腔。有源區(qū)由幾個(gè)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(zhǎng)等重要參數(shù)。高反射率的 DBR 由多層介質(zhì)薄膜組組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jié)構(gòu)圖
VCSEL的主要制造被分成兩個(gè)主要的部分，一部分是實(shí)現(xiàn)“三明治”結(jié)構(gòu)的MOCVD(metal organic chemical vapor deposition)金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積技術(shù)，即外延生長(zhǎng)過(guò)程；一部分是實(shí)現(xiàn)后端各種結(jié)構(gòu)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(tái)面蝕刻，側(cè)向濕法氧化，BCB填充等。
VCSEL的應(yīng)用領(lǐng)域根據(jù)其發(fā)射波長(zhǎng)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(lái)可能應(yīng)用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、抬頭顯示（HUD）以及汽車(chē)激光照明。商業(yè)常見(jiàn)的可見(jiàn)光VCSEL波長(zhǎng)通常在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，波長(zhǎng)范圍通常在400nm~700nm之間，它們?cè)诩夹g(shù)上更為成熟，應(yīng)用也更為廣泛，通常用于數(shù)據(jù)通信、傳感和照明等領(lǐng)域，例如智能手機(jī)中的面部識(shí)別和光通信模塊。對(duì)于大于700nm但小于780nm的近紅外波段，VCSEL的應(yīng)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(yīng)用最為豐富的區(qū)域，涵蓋了光通信、計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)、3D成像、工業(yè)加熱、激光雷達(dá)（LiDAR）、脈搏血氧儀和原子鐘等眾多領(lǐng)域。1400至3000nm的短波紅外（SWIR）波段雖然應(yīng)用較少，但在環(huán)境傳感（TDLS）和光通信領(lǐng)域發(fā)揮著作用，同時(shí)在硅光子學(xué)和3D成像方面展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用前景。
圖2 VCSEL按波長(zhǎng)分類
1.2.1 短波長(zhǎng)波段 VCSEL
短波長(zhǎng)波段VCSEL主要指工作在400~700nm范圍內(nèi)的激光器，該波長(zhǎng)范圍也稱為可見(jiàn)光VCSEL。包括紅、藍(lán)、綠三種類型。紅色VCSEL使用的是鋁鎵銦磷（AlGaInP）材料，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)景，這類VCSEL以其體積小、功耗低、光束質(zhì)量高的特點(diǎn)，成為新一代顯示和傳感設(shè)備中的理想光源。其獨(dú)特的設(shè)計(jì)允許在高電流驅(qū)動(dòng)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(wǎng)膜的顯示設(shè)備。而藍(lán)色、綠色VCSEL普遍使用氮化鎵（GaN）材料，但目前沒(méi)有制造商成功將藍(lán)色和綠色VCSEL推向市場(chǎng)。
在移動(dòng)顯示設(shè)備領(lǐng)域，短波長(zhǎng)VCSEL成為智能眼鏡和可穿戴設(shè)備的理想光源，特別是在需要緊湊設(shè)計(jì)和長(zhǎng)電池壽命的虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和混合現(xiàn)實(shí)（MR）應(yīng)用中。VCSEL的高集成能力允許在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，同時(shí)，其高效率有助于減少熱量產(chǎn)生，延長(zhǎng)設(shè)備的使用時(shí)間。
在汽車(chē)照明領(lǐng)域，短波長(zhǎng)VCSEL技術(shù)的應(yīng)用提供了高亮度、高效率和緊湊尺寸的光源，這些光源能夠?qū)崿F(xiàn)快速響應(yīng)和智能控制，如自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)，以適應(yīng)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(qiáng)夜間駕駛的安全性，同時(shí)，其耐用性和可靠性減少了維護(hù)需求。
未來(lái)，短波長(zhǎng)VCSEL技術(shù)的進(jìn)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?yàn)榛贕aN的VCSEL能夠在紫外線區(qū)域發(fā)光，并且可以使用它來(lái)創(chuàng)建高精度時(shí)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(shí)間信息，并根據(jù)時(shí)間差計(jì)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(shí)鐘的精度，未來(lái)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(kāi)發(fā)全新應(yīng)用提供機(jī)會(huì)。
1.2.2 中波長(zhǎng)波段 VCSEL
中波長(zhǎng)波段VCSEL通常指發(fā)射波長(zhǎng)在850nm至1550nm之間的半導(dǎo)體激光器。自1988年首次研制成功以來(lái)，850nm、980nm和780nm波長(zhǎng)的VCSEL逐步實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，并廣泛應(yīng)用于光通信、光學(xué)傳感、3D傳感等領(lǐng)域。基于砷化鎵（GaAs）材料的中波長(zhǎng)VCSEL技術(shù)相對(duì)成熟，尤其是在950nm和980nm波段上，由于成本低且產(chǎn)業(yè)鏈完善，成為主流選擇。隨著波長(zhǎng)增加到1550nm，材料體系會(huì)轉(zhuǎn)向銻化銦鎵（InGaAs），這類材料雖然成本較高，但能夠提供更長(zhǎng)的波長(zhǎng)和更好的視網(wǎng)膜安全性。
盡管基于GaAs的VCSEL技術(shù)已相當(dāng)成熟，目前能實(shí)現(xiàn)的最長(zhǎng)波長(zhǎng)約為1100nm，但業(yè)界正在努力擴(kuò)展至1380nm或更長(zhǎng)波長(zhǎng)，以應(yīng)用于面部識(shí)別、底部發(fā)光（BOLED）和LiDAR技術(shù)等領(lǐng)域。2021年3月，IQE公司開(kāi)發(fā)了一種基于稀散氮化物（InGaAsN）的技術(shù)，該技術(shù)每個(gè)發(fā)射器提供約1mW功率，仍采用GaAs材料，具備與短波長(zhǎng)VCSEL相同的設(shè)備和工藝兼容性。此外，短波長(zhǎng)紅外（SWIR）技術(shù)在智能手機(jī)和AR/VR設(shè)備中顯示出潛力，能夠增強(qiáng)3D傳感、深度感應(yīng)和眼動(dòng)追蹤功能。
1.2.3 長(zhǎng)波長(zhǎng)波段 VCSEL
長(zhǎng)波長(zhǎng)VCSEL通常指工作波長(zhǎng)在1300nm至1550nm范圍內(nèi)的激光器。1300nm和1550nm的長(zhǎng)波長(zhǎng)VCSEL由于處于光纖的低色散和低衰減窗口，還具有在中長(zhǎng)距離高速傳輸方面的優(yōu)越性.1300nm波長(zhǎng)VCSEL是光并行處理、光識(shí)別系統(tǒng)及光互連系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件。特別是在光信息處理、光互連、光交換、光計(jì)算和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用領(lǐng)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(shì)，展現(xiàn)出巨大的應(yīng)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(shí)現(xiàn)了1300nm的發(fā)射波長(zhǎng)。波長(zhǎng)為1300nm的VCSEL的有源區(qū)現(xiàn)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(zhǎng)距離光通信和并行光互連系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件。當(dāng)波長(zhǎng)達(dá)到1550nm時(shí)，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(yīng)用于高速長(zhǎng)距離的光通信系統(tǒng)。
從2018年開(kāi)始，智能手機(jī)中的3D傳感、汽車(chē)應(yīng)用的激光雷達(dá)開(kāi)始大規(guī)模使用長(zhǎng)波長(zhǎng)VCSEL陣列，為了在顯示屏下實(shí)現(xiàn)集成傳感，使用的VCSEL波段從940nm逐步過(guò)渡到1380nm。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，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(zhuǎn)向InP，以及采用基于GaAs材料和InP材料融合的混合方法。蘋(píng)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(píng)果公司回歸到了基于GaAs VCSEL的接近傳感器。
另一方面，隨著對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)VCSEL需求的增加，相關(guān)晶圓的需求量也隨之增長(zhǎng)，這推動(dòng)了從4英寸晶圓向6英寸晶圓的轉(zhuǎn)變。4英寸晶圓每片可提供約4000個(gè)VCSEL，而6英寸晶圓的產(chǎn)量約為10,000個(gè)VCSEL陣列，足以滿足每年數(shù)百萬(wàn)部智能手機(jī)的生產(chǎn)需求。然而，這一轉(zhuǎn)變需要新的設(shè)備和可能的新襯底技術(shù)。目前，這樣的應(yīng)用場(chǎng)景尚未出現(xiàn)。
2. VCSEL激光器的應(yīng)用領(lǐng)域及技術(shù)現(xiàn)狀
2.1 汽車(chē)
VCSEL技術(shù)因其緊湊的尺寸、高效率和高可靠性，在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用正在迅速擴(kuò)展，成為實(shí)現(xiàn)車(chē)內(nèi)外多種傳感器應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí)，隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展，VCSEL因其高人眼安全性，在汽車(chē)傳感器領(lǐng)域的地位變得越來(lái)越重要。它在車(chē)艙內(nèi)部監(jiān)控、智能照明、激光雷達(dá)（LiDAR）、自動(dòng)駕駛和高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）等多個(gè)方面發(fā)揮著重要作用。
傳統(tǒng)的車(chē)艙內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)大多依賴于紅外LED，但使用VCSEL替代LED的趨勢(shì)日益明顯。在LiDAR技術(shù)方案中，由于VCSEL的快速脈沖模式非常適合LiDAR應(yīng)用，能夠提供高峰值功率的超短脈沖實(shí)現(xiàn)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(shù)相比，其體積縮小了5到10倍。通過(guò)為VCSEL二極管添加智能功能，例如單片集成微光學(xué)元件，VCSEL不僅能夠進(jìn)一步減少占用空間，還為光學(xué)設(shè)計(jì)提供了更大的靈活性。這種設(shè)計(jì)靈活性使VCSEL能夠支持車(chē)內(nèi)外的不同應(yīng)用，滿足從短程到長(zhǎng)程的照明需求。
在夜間駕駛時(shí)，VCSEL技術(shù)能夠通過(guò)紅外補(bǔ)光的方式，探測(cè)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(jī)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(jī)接收到的反射光容易飽和，難以捕捉遠(yuǎn)距離的微弱光信號(hào)。此外，傳統(tǒng)激光器通常以連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)模式工作，功耗較高，且需要復(fù)雜的散熱設(shè)計(jì)，增加了設(shè)備體積。而最新的VCSEL技術(shù)引入了納秒或微秒級(jí)的窄脈沖激光器進(jìn)行補(bǔ)光。結(jié)合激光器和攝像機(jī)開(kāi)關(guān)時(shí)機(jī)的精確控制以及延時(shí)掃描技術(shù)，可以在不增加功耗的前提下，對(duì)不同距離的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)清晰成像。這種技術(shù)不僅減小了設(shè)備體積，還提高了成像效果，尤其在復(fù)雜天氣條件下表現(xiàn)出色。目前，VCSEL的這一應(yīng)用已廣泛應(yīng)用于交通監(jiān)控、汽車(chē)夜視以及高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域。比亞迪仰望U8車(chē)頭有一套遠(yuǎn)紅外夜視系統(tǒng)即搭載了國(guó)內(nèi)VCSEL廠家瑞識(shí)科技的車(chē)規(guī)級(jí)VCSEL芯片，在高速情況下仍能實(shí)現(xiàn)300m超長(zhǎng)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(kāi)始，越來(lái)越多的汽車(chē)制造商開(kāi)始將激光雷達(dá)技術(shù)集成到其汽車(chē)中的高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）中。ADAS通過(guò)傳感器（如攝像頭、雷達(dá)和激光雷達(dá)）收集車(chē)輛周?chē)h(huán)境的數(shù)據(jù)，并結(jié)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(dá)是自動(dòng)駕駛汽車(chē)中的關(guān)鍵傳感器，2D可尋址VCSEL作為其核心技術(shù)之一，以實(shí)現(xiàn)高精度、高效率的環(huán)境感知和測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的夜間自動(dòng)駕駛功能。在固態(tài)激光雷達(dá)中，2D可尋址VCSEL陣列允許對(duì)每個(gè)VCSEL單元進(jìn)行單獨(dú)控制，對(duì)外發(fā)射點(diǎn)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(shí)發(fā)出激光。同時(shí)，探測(cè)器可以開(kāi)啟與發(fā)射相對(duì)應(yīng)的區(qū)域，接收目標(biāo)反射光。最終，通過(guò)多個(gè)角度的電子掃描，完成整個(gè)視場(chǎng)范圍內(nèi)的激光雷達(dá)點(diǎn)云獲取。這種靈活性使得固態(tài)激光雷達(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)高密度的點(diǎn)云生成，從而更準(zhǔn)確地感知周?chē)h(huán)境。不僅可以幫助自動(dòng)駕駛汽車(chē)準(zhǔn)確感知周?chē)h(huán)境中的行人、車(chē)輛和其他障礙物，也能在機(jī)器人導(dǎo)航可以自主規(guī)劃路徑、避開(kāi)障礙物，并準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)位置、無(wú)人機(jī)高精度的障礙物檢測(cè)能力，使其能夠在復(fù)雜環(huán)境中安全飛行（無(wú)人機(jī)避障）等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。
在全球VCSEL芯片市場(chǎng)中，國(guó)產(chǎn)廠商正逐步崛起，展現(xiàn)出強(qiáng)大的替代潛力。近年來(lái)，長(zhǎng)光華芯、睿熙科技、瑞識(shí)科技、飛芯電子和縱慧芯光等國(guó)內(nèi)企業(yè)在VCSEL技術(shù)的研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用方面取得了顯著進(jìn)展。這些企業(yè)不僅攻克了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)難題，還建立了完整的工藝平臺(tái)和量產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了從芯片設(shè)計(jì)到封裝測(cè)試的全鏈條生產(chǎn)能力。
表1 國(guó)內(nèi)部分廠商在VCSEL汽車(chē)市場(chǎng)技術(shù)現(xiàn)狀
2.2 消費(fèi)電子應(yīng)用
自2016年VCSEL技術(shù)首次被應(yīng)用在蘋(píng)果iPhone 7系列手機(jī)中以來(lái)，極大地推動(dòng)了整個(gè)行業(yè)的快速發(fā)展。在消費(fèi)電子領(lǐng)域，VCSEL激光器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多種消費(fèi)類電子應(yīng)用場(chǎng)景，包括手機(jī)/平板、TWS藍(lán)牙耳機(jī)、AR/VR、健康監(jiān)測(cè)、人臉識(shí)別、3D傳感、美容醫(yī)療等。
圖4 VCSEL在蘋(píng)果系列產(chǎn)品上的應(yīng)用
消費(fèi)類應(yīng)用的VCSEL芯片涵蓋了單孔或多孔芯片，規(guī)則或隨機(jī)發(fā)光孔陣列芯片，單結(jié)或多結(jié)芯片，可尋址芯片。光功率從毫瓦級(jí)低光功率（連續(xù)驅(qū)動(dòng)）至數(shù)百瓦級(jí)的超高光功率（脈沖驅(qū)動(dòng)）。波長(zhǎng)范圍包含紅光可見(jiàn)光（650nm-680nm）和近紅外光（808nm、850nm、905nm、940nm）
如今，VCSEL技術(shù)在手機(jī)中的重要作用不僅限于人臉識(shí)別，還擴(kuò)展到表情捕捉和3D建模等功能，例如蘋(píng)果的Animoji功能。為了實(shí)現(xiàn)高密度的3D結(jié)構(gòu)光，iPhone采用了包括VCSEL在內(nèi)的多種技術(shù)組件來(lái)增強(qiáng)3D成像和紅外攝影能力。智能手機(jī)設(shè)計(jì)的發(fā)展對(duì)VCSEL技術(shù)提出了更高的要求，近年來(lái)，OEM廠商正致力于將近紅外波段的VCSEL技術(shù)集成到OLED屏幕下方，這項(xiàng)技術(shù)能夠降低電源消耗、改善熱管理，并提升光學(xué)性能。市場(chǎng)對(duì)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(jìn)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(shù)，從而帶動(dòng)整個(gè)行業(yè)向更高集成度方向發(fā)展。
在智能家居領(lǐng)域，VCSEL激光傳感器被廣泛應(yīng)用于智能掃地機(jī)器人、智能門(mén)鎖、智能燈光、小型家庭美容儀器等設(shè)備中。VCSEL激光雷達(dá)由于其高精度和小型化的特點(diǎn)，尤其適用于長(zhǎng)距離檢測(cè)和室內(nèi)導(dǎo)航。且由于大多數(shù)消費(fèi)產(chǎn)品的內(nèi)部空間都極為狹窄，終端家居客戶在考慮接近傳感的應(yīng)用集成時(shí)，一般會(huì)要求模塊尺寸最大限度緊湊。而當(dāng)接近傳感的發(fā)射端與接收端距離過(guò)于接近時(shí)，發(fā)射光與內(nèi)部反射光會(huì)發(fā)生信號(hào)串?dāng)_，進(jìn)而影響整體的測(cè)量精度。目前，已有相關(guān)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(hào)串?dāng)_現(xiàn)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(jiǎn)化器件設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)更精確的距離測(cè)量。在智能家居領(lǐng)域，VCSEL技術(shù)將成為智能家居設(shè)備如掃地機(jī)器人、智能電視、家用投影儀等產(chǎn)品的核心傳感器。伴隨著智能家居設(shè)備市場(chǎng)的擴(kuò)展，VCSEL技術(shù)的市場(chǎng)需求也會(huì)進(jìn)一步攀升。
圖5 VCSEL在消費(fèi)類電子產(chǎn)品上的實(shí)際應(yīng)用
在可穿戴設(shè)備領(lǐng)域，目前主要的如智能手表、智能戒指等擁有心率檢測(cè)、控制智能家電等功能，通常都包含了VCSEL激光器。例如，蘋(píng)果手表利用VCSEL技術(shù)實(shí)現(xiàn)脈搏血氧檢測(cè)，并在無(wú)線立體聲（TWS）耳機(jī)中提高了佩戴檢測(cè)的準(zhǔn)確性。同時(shí)，小尺寸和超低功耗也使VCSEL成為便攜式健康監(jiān)測(cè)設(shè)備的理想選擇。在智能戒指等新興市場(chǎng)，VCSEL技術(shù)通過(guò)提高生理數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和降低功耗，進(jìn)一步推動(dòng)了設(shè)備的功能和市場(chǎng)應(yīng)用。瑞識(shí)科技的高功率高光效紅光VCSEL發(fā)射的光可以透過(guò)皮膚測(cè)量睡眠健康、心率和血氧飽和度，在運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和健康管理方面非常有用。
2018年，消費(fèi)電子應(yīng)用一躍成為VCSEL的最大細(xì)分市場(chǎng)，Yole預(yù)計(jì)2021年該應(yīng)用領(lǐng)域的市場(chǎng)規(guī)模為7.97億美元，到2026年增長(zhǎng)至17億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為16.4%。隨著越來(lái)越多廠商進(jìn)入消費(fèi)電子市場(chǎng)，國(guó)外廠商和用戶對(duì)數(shù)據(jù)通信、3D傳感、激光雷達(dá)等方面的專利布局和競(jìng)爭(zhēng)也在不斷加劇，一定程度上增大了國(guó)內(nèi)企業(yè)的進(jìn)入門(mén)檻。
表2 國(guó)內(nèi)廠商在VCSEL消費(fèi)電子市場(chǎng)產(chǎn)品應(yīng)用情況
2.3 數(shù)據(jù)通信
在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)里，移動(dòng)技術(shù)幾乎每十年都會(huì)實(shí)現(xiàn)一次創(chuàng)新的飛躍。從最初僅支持語(yǔ)音通話和短信，發(fā)展到現(xiàn)在能夠承載超高清（UHD）視頻和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)（AR/VR）應(yīng)用，移動(dòng)帶寬的需求持續(xù)增長(zhǎng)。目前全球消費(fèi)者和企業(yè)用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)和云服務(wù)的需求仍在持續(xù)上升。社交網(wǎng)絡(luò)、商務(wù)會(huì)議、超高清視頻流、電子商務(wù)和游戲等應(yīng)用在這一過(guò)程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，進(jìn)一步推動(dòng)了數(shù)據(jù)通信市場(chǎng)的擴(kuò)張。
在技術(shù)層面，VCSEL以其單片制造能力、卓越的波束質(zhì)量、快速的調(diào)制帶寬以及陣列形式的可擴(kuò)展性，展現(xiàn)出在短距離互連領(lǐng)域的顯著競(jìng)爭(zhēng)力。特別是在850nm波長(zhǎng)的VCSEL中，這些特性使其成為數(shù)據(jù)中心高速通信的理想選擇。目前，隨著市場(chǎng)對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸需求的不斷增長(zhǎng)，VCSEL不僅在現(xiàn)有架構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用，同時(shí)也激發(fā)了新材料和技術(shù)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，以滿足5G網(wǎng)絡(luò)、人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等新興技術(shù)的需求。
在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域，光收發(fā)模塊市場(chǎng)增量顯著，2019至2020年期間增長(zhǎng)了23.8%，主要受到數(shù)據(jù)中心互連需求的增加、城域網(wǎng)和長(zhǎng)途網(wǎng)絡(luò)對(duì)額外容量需求的增長(zhǎng)以及5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)加速發(fā)展的推動(dòng)。到2021年，光收發(fā)模塊市場(chǎng)的收入繼續(xù)增長(zhǎng)21.3%，達(dá)到58.3億美元。這一增長(zhǎng)的主要因素包括工作、教育和娛樂(lè)領(lǐng)域?qū)σ曨l會(huì)議、流媒體視頻、社交網(wǎng)絡(luò)和云計(jì)算需求的激增，這些應(yīng)用加速了數(shù)據(jù)和視頻流量的增長(zhǎng)。
隨著數(shù)據(jù)中心和5G通信市場(chǎng)的擴(kuò)展，數(shù)據(jù)量承載指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，光模塊等產(chǎn)品在數(shù)據(jù)通信行業(yè)的需求預(yù)計(jì)將持續(xù)上升。特別是VCSEL技術(shù)在這一領(lǐng)域的銷售表現(xiàn)突出，大量數(shù)據(jù)消耗類型應(yīng)用（如亞馬遜）以及視頻游戲、在線購(gòu)物和豐富視頻內(nèi)容的社交網(wǎng)絡(luò)（如Instagram和WhatsApp）推動(dòng)了其快速增長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力。這些應(yīng)用場(chǎng)景不僅促進(jìn)了光模塊市場(chǎng)的發(fā)展，也進(jìn)一步推動(dòng)了光模塊市場(chǎng)的發(fā)展奠定了VCSEL技術(shù)在未來(lái)數(shù)據(jù)通信中的重要地位。
2.4 工業(yè)激光
在工業(yè)應(yīng)用中，VCSEL激光器在激光雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用已成為推動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化和智能基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的關(guān)鍵因素。這些激光雷達(dá)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精確的光探測(cè)和測(cè)距，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、交通控制、測(cè)距儀等領(lǐng)域。VCSEL的加入使得工業(yè)機(jī)器人能夠識(shí)別并避開(kāi)人類工人，同時(shí)清潔機(jī)器人也能在復(fù)雜環(huán)境中自主導(dǎo)航，顯著提升了工業(yè)生產(chǎn)的安全性和效率。
工業(yè)激光雷達(dá)產(chǎn)品類型包括遠(yuǎn)程激光雷達(dá)和機(jī)器視覺(jué)等。隨著技術(shù)進(jìn)步，激光雷達(dá)系統(tǒng)已從早期的工廠自動(dòng)化和自動(dòng)門(mén)等少數(shù)應(yīng)用，擴(kuò)展到物流、智能基礎(chǔ)設(shè)施和安全等新興領(lǐng)域。3D激光雷達(dá)的快速發(fā)展和成本降低，正在挑戰(zhàn)2D激光雷達(dá)的傳統(tǒng)地位，為工業(yè)應(yīng)用帶來(lái)新的可能性。例如，2021年，Sick和Ibeo合作開(kāi)發(fā)3D激光雷達(dá)，Hokuyo與SiLC也展開(kāi)了類似合作，預(yù)示著3D激光雷達(dá)在工業(yè)領(lǐng)域?qū)缪莞匾慕巧?/p>
物流自動(dòng)化的加速推進(jìn)，使得激光雷達(dá)在倉(cāng)庫(kù)、港口的自動(dòng)引導(dǎo)車(chē)輛（AGV）和工業(yè)清潔機(jī)器人中的應(yīng)用迅速增加。盡管許多自動(dòng)化應(yīng)用仍處于測(cè)試階段，但其發(fā)展速度值得關(guān)注。同時(shí)，激光雷達(dá)在智能基礎(chǔ)設(shè)施中的應(yīng)用也在擴(kuò)大，如交通控制、機(jī)場(chǎng)人群管理和公共安全等領(lǐng)域，激光雷達(dá)作為關(guān)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(jī)和雷達(dá)等傳統(tǒng)技術(shù)。
目前，多模VCSEL在工業(yè)激光雷達(dá)和機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位。然而，單模VCSEL因其更高的精度和穩(wěn)定性，在傳感和計(jì)量領(lǐng)域的新興應(yīng)用中迅速獲得市場(chǎng)份額。單模VCSEL廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療診斷和工業(yè)過(guò)程控制等領(lǐng)域，隨著這些應(yīng)用的發(fā)展，對(duì)精確傳感解決方案的需求也在上升。
隨著技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步和新應(yīng)用的不斷涌現(xiàn)，VCSEL激光器在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用正變得越來(lái)越廣泛。預(yù)計(jì)未來(lái)，隨著對(duì)更高精度、更快響應(yīng)和更低功耗需求的增長(zhǎng)，VCSEL技術(shù)將在工業(yè)自動(dòng)化和智能基礎(chǔ)設(shè)施中扮演更加關(guān)鍵的角色。
3. VCSEL激光器的市場(chǎng)空間及預(yù)測(cè)
3.1 VCSEL市場(chǎng)分析
預(yù)計(jì)到2027年，VCSEL市場(chǎng)的總規(guī)模將增長(zhǎng)至39億美元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率為19.2%。這一增長(zhǎng)主要受益于3D機(jī)器視覺(jué)需求的不斷上升，推動(dòng)了VCSEL在消費(fèi)電子領(lǐng)域的快速擴(kuò)展。特別是在手機(jī)、AR/VR設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用中，3D傳感技術(shù)的需求日益增長(zhǎng)，成為市場(chǎng)發(fā)展的重要?jiǎng)恿Α?023年，消費(fèi)電子應(yīng)用是VCSEL市場(chǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力，預(yù)計(jì)收入為10.22億美元。同時(shí)，數(shù)據(jù)通信市場(chǎng)也表現(xiàn)強(qiáng)勁，預(yù)計(jì)收入為10.45億美元。在消費(fèi)電子市場(chǎng)中，智能手機(jī)是VCSEL的主要應(yīng)用場(chǎng)景，蘋(píng)果公司是目前唯一在智能手機(jī)中廣泛集成3D傳感模塊的企業(yè)，應(yīng)用于面部識(shí)別的雙VCSEL模塊和激光雷達(dá)的單VCSEL模塊。在汽車(chē)應(yīng)用領(lǐng)域，VCSEL技術(shù)也逐漸被更多汽車(chē)制造商采納，尤其是在激光雷達(dá)領(lǐng)域。
圖6 VCSEL整體市場(chǎng)預(yù)計(jì)營(yíng)收（單位：萬(wàn)美元）
資料來(lái)源：Yole
隨著VCSEL市場(chǎng)的成熟，未來(lái)的市場(chǎng)整合預(yù)計(jì)將集中在小型應(yīng)用領(lǐng)域，特別是具有高增長(zhǎng)潛力的汽車(chē)和工業(yè)市場(chǎng)。3D傳感在這兩個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用將成為市場(chǎng)的新增長(zhǎng)點(diǎn)。激光雷達(dá)制造商正在與汽車(chē)OEM合作，推動(dòng)汽車(chē)級(jí)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，并與城市合作開(kāi)展交通監(jiān)控項(xiàng)目。這些新興領(lǐng)域不僅為VCSEL市場(chǎng)帶來(lái)了新的增長(zhǎng)機(jī)會(huì)，也使其技術(shù)在更廣泛的工業(yè)和公共基礎(chǔ)設(shè)施中展示出應(yīng)用潛力。
3.2 VCSEL市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局
近年來(lái)，VCSEL市場(chǎng)經(jīng)歷了快速整合，目前由II-VI和Lumentum兩大廠商主導(dǎo)，它們共同占據(jù)了近80%的市場(chǎng)份額。這一集中度得益于兩家公司向蘋(píng)果供貨，而安卓手機(jī)廠商則逐步停止在其智能手機(jī)中使用VCSEL技術(shù)。除了消費(fèi)電子，Coherent和Lumentum還在數(shù)據(jù)通信和電信應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，提供VCSEL及其相關(guān)的收發(fā)器。然而，隨著國(guó)產(chǎn)替代的加速，國(guó)內(nèi)廠商正在逐步打破國(guó)外壟斷。例如，長(zhǎng)光華芯的VCSEL芯片轉(zhuǎn)換效率達(dá)到60%以上，打破了國(guó)外技術(shù)封鎖；縱慧芯光的VCSEL已在手機(jī)市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)大批量量產(chǎn)交付，并進(jìn)入汽車(chē)電子市場(chǎng)；瑞識(shí)科技也在深圳和合肥自建制造中心，具備先進(jìn)的自動(dòng)化生產(chǎn)能力，確保了穩(wěn)定的量產(chǎn)交付。
圖7 2021年VCSEL市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局
資料來(lái)源：Yole
汽車(chē)
在早期的2018至2019年，法雷奧公司曾是市場(chǎng)上的唯一供應(yīng)商，然而到了2021年，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局發(fā)生了顯著變化。一方面法雷奧擴(kuò)展了與本田和梅賽德斯等汽車(chē)制造商的合作，另一方面，更多的新興供應(yīng)商進(jìn)入了市場(chǎng)。Livox、RoboSense、Continental、Denso和Innovusion等公司迅速崛起，并分別與小鵬汽車(chē)、Lucid、Arcfox、雷克薩斯、豐田和蔚來(lái)等汽車(chē)品牌達(dá)成合作。這些競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的加入削弱了法雷奧的市場(chǎng)份額，并加劇了車(chē)用激光雷達(dá)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)。
圖8 2021年ADAS市場(chǎng)份額
資料來(lái)源：Yole
此外，自動(dòng)駕駛技術(shù)的進(jìn)步也為VCSEL市場(chǎng)帶來(lái)了新的增長(zhǎng)機(jī)遇。隨著自動(dòng)駕駛量產(chǎn)車(chē)項(xiàng)目的加速推進(jìn)，以及激光雷達(dá)成本的降低和滿足車(chē)規(guī)級(jí)要求，VCSEL在汽車(chē)應(yīng)用市場(chǎng)的需求預(yù)計(jì)將出現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。Yole的研究報(bào)告預(yù)計(jì)，到2025年，全球乘用車(chē)新車(chē)市場(chǎng)中L3級(jí)自動(dòng)駕駛的滲透率將達(dá)到6%，即每年約有600萬(wàn)輛新車(chē)將配備激光雷達(dá)，這將極大地推動(dòng)VCSEL的市場(chǎng)需求。
消費(fèi)電子
在全球范圍內(nèi)，VCSEL市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)格局主要由消費(fèi)電子應(yīng)用驅(qū)動(dòng)，特別是在智能手機(jī)的3D傳感領(lǐng)域。Lumentum和II-VI兩家公司主導(dǎo)了市場(chǎng)，占據(jù)了全球近80%的市場(chǎng)份額。這兩家公司之所以能夠保持領(lǐng)先地位，主要是因?yàn)樗鼈兿蛱O(píng)果供貨，而其他Android廠商幾乎完全停止了在其智能手機(jī)中使用VCSEL。
圖9 ?2021年VCSEL消費(fèi)市場(chǎng)
資料來(lái)源：Yole
數(shù)據(jù)通信
雖然Lumentum和Coherent等公司在消費(fèi)電子領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，但在數(shù)據(jù)通信市場(chǎng)，競(jìng)爭(zhēng)格局較為分散，通快、索尼、博通和首爾半導(dǎo)體等公司也在積極參與競(jìng)爭(zhēng)。目前數(shù)據(jù)速率為10.1-25Gbps的VCSELs目前占據(jù)市場(chǎng)的最大份額。然而，隨著數(shù)據(jù)通信需求的急劇增長(zhǎng)，尤其是在下一代數(shù)據(jù)中心和大規(guī)模云計(jì)算環(huán)境中的應(yīng)用，數(shù)據(jù)速率超過(guò)25Gbps的VCSEL市場(chǎng)正在以最快的速度擴(kuò)張。這類VCSEL以其極高的調(diào)制速度和波長(zhǎng)穩(wěn)定性，能夠在短距離和長(zhǎng)距離上支持極高的數(shù)據(jù)傳輸速率，滿足5G網(wǎng)絡(luò)、人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）等新興技術(shù)對(duì)快速可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>
在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域，光收發(fā)模塊市場(chǎng)從2019年的38.8億美元增長(zhǎng)到2020年的48.1億美元，增幅達(dá)到23.8%。這一增長(zhǎng)主要得益于數(shù)據(jù)中心互連需求的增長(zhǎng)、城域區(qū)域和長(zhǎng)途網(wǎng)絡(luò)對(duì)額外容量需求的不斷上升，以及5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)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(zhǎng)21.3%，達(dá)到了58.3億美元。推動(dòng)這一增長(zhǎng)的主要因素包括工作、教育和娛樂(lè)領(lǐng)域?qū)σ曨l會(huì)議、流媒體視頻、社交網(wǎng)絡(luò)和云計(jì)算需求的增加，這些因素共同推動(dòng)了數(shù)據(jù)和視頻流量的快速增長(zhǎng)。
圖10 2021年數(shù)據(jù)通信市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局
資料來(lái)源：Yole
工業(yè)激光
在工業(yè)激光雷達(dá)市場(chǎng)中，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)呈現(xiàn)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(dǎo)了2D激光雷達(dá)技術(shù)市場(chǎng)。這些公司主要提供用于平面距離測(cè)量、物體檢測(cè)和尺寸測(cè)量的2D激光雷達(dá)系統(tǒng)，其中VCSEL技術(shù)常用于激光發(fā)射部分。盡管這些企業(yè)長(zhǎng)期以來(lái)專注于2D技術(shù)，但隨著技術(shù)的進(jìn)步，它們也開(kāi)始進(jìn)入3D激光雷達(dá)領(lǐng)域。例如，Sick AG與Ibeo合作，Hokuyo則與SiLC聯(lián)手開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品。
與此同時(shí)，新興公司如RoboSense、Hesai、Ouster、Velodyne、LeddarTech、Benewake和LeiShen，專注于3D激光雷達(dá)技術(shù)，逐漸在市場(chǎng)中占據(jù)一席之地。這些公司利用3D激光雷達(dá)的多角度和多維度數(shù)據(jù)獲取能力，為自動(dòng)引導(dǎo)車(chē)（AGV）、倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)叉車(chē)、港口大型AGV或自動(dòng)卡車(chē)等自主駕駛設(shè)備提供了顯著的附加價(jià)值。此外，3D激光雷達(dá)技術(shù)還被應(yīng)用于智能基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)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(dá)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局（單位：萬(wàn)美元）
資料來(lái)源：Yole
盡管全球VCSEL市場(chǎng)正在迅速擴(kuò)展，但中國(guó)的VCSEL行業(yè)起步較晚。過(guò)去，能夠大規(guī)模生產(chǎn)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(mào)易戰(zhàn)促使中國(guó)將光芯片提升為國(guó)家戰(zhàn)略，催生了一批初創(chuàng)企業(yè)和老牌廠商進(jìn)入VCSEL市場(chǎng)。然而，國(guó)內(nèi)企業(yè)大多專注于芯片設(shè)計(jì)，生產(chǎn)依賴于臺(tái)灣公司的代工，較少擁有自己的工廠和生產(chǎn)線。
目前，中國(guó)的VCSEL廠商主要集中在長(zhǎng)三角和珠三角地區(qū)。長(zhǎng)三角地區(qū)的代表企業(yè)包括縱慧芯光、睿熙科技、長(zhǎng)光華芯、華芯半導(dǎo)體、度亙激光和老鷹半導(dǎo)體；珠三角地區(qū)的代表企業(yè)有博升光電、檸檬光子、瑞識(shí)科技和新亮智能?？偛课挥谖錆h的仟目激光也在這一領(lǐng)域有所布局。此外，中國(guó)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(chǎng)。
總的來(lái)說(shuō)，雖然短期內(nèi)除智能手機(jī)外不會(huì)出現(xiàn)新的“殺手級(jí)”應(yīng)用，但隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展，VCSEL有望在激光雷達(dá)等汽車(chē)應(yīng)用中找到新的增長(zhǎng)點(diǎn)。然而，汽車(chē)應(yīng)用的普及預(yù)計(jì)還需要三到五年的時(shí)間。在此期間，VCSEL市場(chǎng)仍將由消費(fèi)電子和數(shù)據(jù)通信應(yīng)用所主導(dǎo)，特別是在3D傳感和高帶寬通信需求的推動(dòng)下，市場(chǎng)將繼續(xù)快速擴(kuò)展。
4. VCSEL相關(guān)企業(yè)情況
4.1 Lumentum
Lumentum 是一家在光學(xué)產(chǎn)品領(lǐng)域具有領(lǐng)先地位的供應(yīng)商，其前身為光通信行業(yè)的巨頭 JDSU。2015 年，JDSU 拆分后，獨(dú)立的 CCOP 業(yè)務(wù)部門(mén)被命名為 Lumentum，而 NE、SE 和 OSP 業(yè)務(wù)部門(mén)則改名為 Viavi。Lumentum 主要提供基于光學(xué)與光電子技術(shù)的解決方案，應(yīng)用涵蓋數(shù)據(jù)通信、電信網(wǎng)絡(luò)、商用激光器以及消費(fèi)電子領(lǐng)域中的 3D 傳感技術(shù)。
近年來(lái)，隨著數(shù)據(jù)中心的快速建立以及對(duì) 100G 數(shù)據(jù)通信產(chǎn)品的強(qiáng)勁需求，公司的營(yíng)收呈現(xiàn)出穩(wěn)定增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。2016 財(cái)年，公司實(shí)現(xiàn)營(yíng)收 9.03 億美元。由于高端光器件、光模塊及商用激光器產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，公司毛利率逐年上升，過(guò)去三年毛利率始終保持在 30% 以上。
Lumentum 的產(chǎn)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(lǐng)域。公司憑借在光器件及光模塊領(lǐng)域的深厚積累，近年來(lái)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(shí)現(xiàn)從晶圓設(shè)計(jì)與制造到光器件子部件、光模塊集成的垂直整合生產(chǎn)；在橫向上，公司積極擴(kuò)展光通信領(lǐng)域以外的產(chǎn)品線和應(yīng)用領(lǐng)域，利用強(qiáng)大的垂直一體化生產(chǎn)能力，向工業(yè)級(jí)應(yīng)用如工業(yè)檢測(cè)、測(cè)量，以及商業(yè)級(jí)應(yīng)用如醫(yī)療成像、消費(fèi)電子 3D 感知技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)展，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)多種類型光器件應(yīng)用的全面覆蓋。
公司目前主要服務(wù)于電信、數(shù)據(jù)通信、工業(yè)用激光以及 3D Sensing 四大市場(chǎng)。其中，電信市場(chǎng)占公司收入的最大比例，數(shù)據(jù)通信、工業(yè)用激光和3D sensing依次遞減。
圖12 Lumentum 公司各市場(chǎng)營(yíng)收占比
資料來(lái)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(guò)了預(yù)期中點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)通芯片創(chuàng)紀(jì)錄的訂單，并在更廣泛的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)上看到了積極的趨勢(shì)。在擴(kuò)大公司云和AI客戶基礎(chǔ)方面公司正在獲得明顯的進(jìn)步，這些都將帶來(lái)2025年更大的增長(zhǎng)?！?/p>
圖13 Lumentum2015年-2024年?duì)I業(yè)收入情況(單位：萬(wàn)美元）
資料來(lái)源：Yole
4.2 Coherent
Coherent是一家全球領(lǐng)先的材料、網(wǎng)絡(luò)和激光技術(shù)供應(yīng)商，服務(wù)于工業(yè)、通信、電子和儀器市場(chǎng)。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(chǎn)高品質(zhì)的工業(yè)激光器材料和光學(xué)器件。如今，Coherent的業(yè)務(wù)遍布全球20多個(gè)國(guó)家，公司的VCSEL陣列被廣泛應(yīng)用于多個(gè)終端客戶和市場(chǎng)。
在智能手機(jī)領(lǐng)域，Coherent的VCSEL陣列用于前置攝像頭進(jìn)行面部生物識(shí)別，支持解鎖屏幕和安全金融交易驗(yàn)證；在汽車(chē)領(lǐng)域，公司為自動(dòng)駕駛汽車(chē)的ADAS系統(tǒng)提供核心技術(shù)VCSEL組件，這些VCSEL陣列還用于提高汽車(chē)艙室的安全性，能夠提供駕駛員警覺(jué)度和乘客位置的信息，從而準(zhǔn)確部署安全氣囊。在光通信領(lǐng)域，公司產(chǎn)品包括高速VCSEL、放大器和高功率泵浦激光器，應(yīng)用于航空航天和國(guó)防領(lǐng)域，滿足復(fù)雜設(shè)計(jì)和工程需求。在3D傳感領(lǐng)域，公司是少數(shù)具備6英寸VCSEL垂直集成制造能力的企業(yè)之一，并實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模生產(chǎn)專為3D傳感設(shè)計(jì)的多發(fā)射極VCSEL模具。
Coherent在2024財(cái)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(shù)據(jù)通信收發(fā)器在人工智能領(lǐng)域的強(qiáng)勁增長(zhǎng)，公司通信領(lǐng)域收入環(huán)比增長(zhǎng)10%。根據(jù)2024財(cái)年第四季度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通信市場(chǎng)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?duì)I業(yè)收入情況（單位：萬(wàn)美元）
圖15 Coherent 2024財(cái)年第四季度市場(chǎng)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(guó)慕尼黑設(shè)有聯(lián)合總部的半導(dǎo)體制造商，專注于智能傳感器和發(fā)射器組件的開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)，特別是在3D傳感和車(chē)內(nèi)傳感領(lǐng)域表現(xiàn)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(chǎn)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(yīng)用場(chǎng)景需求。
ams OSRAM AG 的VCSEL產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于3D傳感、車(chē)內(nèi)傳感以及激光雷達(dá)等領(lǐng)域，其產(chǎn)品組合包括泛光照明器、3D傳感應(yīng)用點(diǎn)陣投影器和裸片VCSEL。泛光照明器VCSEL專為飛行時(shí)間傳感（ToF）和紅外視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景，支持從3W到6W的設(shè)備，覆蓋850nm和940nm的紅外波長(zhǎng)，并提供多個(gè)照射場(chǎng)選項(xiàng)。3D傳感應(yīng)用點(diǎn)陣投影器則專為主動(dòng)立體視覺(jué)和結(jié)構(gòu)光3D傳感應(yīng)用設(shè)計(jì)，支持多種點(diǎn)陣分辨率選擇和紅外波長(zhǎng)。該產(chǎn)品能夠提供多個(gè)照射場(chǎng)選項(xiàng)，適用于各種應(yīng)用場(chǎng)景，如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備、自動(dòng)駕駛汽車(chē)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(xué)元件。裸片VCSEL廣泛應(yīng)用于距離傳感、飛行時(shí)間傳感、紅外照明和原子鐘等領(lǐng)域，產(chǎn)品覆蓋從680nm到940nm多個(gè)波長(zhǎng)范圍，功率輸出從毫瓦級(jí)到數(shù)百瓦級(jí)不等，能夠滿足多種復(fù)雜的應(yīng)用需求。
2023財(cái)年，ams OSRAM AG 的營(yíng)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(jī)下滑主要?dú)w因于公司剝離了燈具和系統(tǒng)業(yè)務(wù)板塊，以及半導(dǎo)體業(yè)務(wù)板塊中智能手機(jī)組件應(yīng)用的收縮。與此同時(shí)，公司在汽車(chē)領(lǐng)域繼續(xù)推進(jìn)其結(jié)構(gòu)性增長(zhǎng)計(jì)劃，并正在逐步處置非核心業(yè)務(wù)，尤其是半導(dǎo)體業(yè)務(wù)中的無(wú)源光學(xué)元件部分。
4.4 長(zhǎng)光華芯半導(dǎo)體
公司成立于2012年，專注于研發(fā)、設(shè)計(jì)和制造半導(dǎo)體激光芯片。其產(chǎn)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(yīng)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(chǎng)景、3D傳感與攝像、激光雷達(dá)等領(lǐng)域。目前，該公司具備完全自主可控的芯片設(shè)計(jì)、MOCVD外延、FAB晶圓流片、解理/鍍膜、封裝、測(cè)試及光學(xué)耦合等工藝平臺(tái)及量產(chǎn)能力，是全球少數(shù)幾家擁有6吋線外延和晶圓制造等關(guān)鍵制程生產(chǎn)能力的IDM半導(dǎo)體激光器企業(yè)之一。
公司自成立以來(lái)，持續(xù)擴(kuò)展其產(chǎn)品線與市場(chǎng)布局，專注于高功率半導(dǎo)體激光芯片及相關(guān)器件的開(kāi)發(fā)。在GaAs高功率光芯片領(lǐng)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(yīng)用。此外，公司在VCSEL領(lǐng)域布局了消費(fèi)電子、光通信（25G、50G VCSEL）、車(chē)載激光雷達(dá)芯片等市場(chǎng)，部分產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)銷售。公司還積極推動(dòng)InP高速數(shù)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(shù)據(jù)中心需求。通過(guò)優(yōu)化外延晶體質(zhì)量和FAB晶圓工藝技術(shù)，長(zhǎng)光華芯不斷提升產(chǎn)品性能，確保產(chǎn)品在國(guó)際先進(jìn)水平上保持競(jìng)爭(zhēng)力。
2024年一季度，長(zhǎng)光華芯實(shí)現(xiàn)營(yíng)收5249萬(wàn)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇，公司采取了下調(diào)單管芯片價(jià)格的策略，試圖通過(guò)價(jià)格壁壘維護(hù)市場(chǎng)地位，這對(duì)營(yíng)收和毛利率產(chǎn)生了負(fù)面影響。此外，公司新興業(yè)務(wù)方向，如VCSEL和光通信，目前尚未形成規(guī)模，對(duì)營(yíng)收貢獻(xiàn)有限。盡管面臨虧損，長(zhǎng)光華芯依然堅(jiān)持加大研發(fā)投入，2024年一季度的研發(fā)投入達(dá)到2929萬(wàn)元，占營(yíng)收的55.80%，同比增長(zhǎng)29.46%，這一研發(fā)投入占比在行業(yè)內(nèi)處于較高水平。
隨著公司技術(shù)和市場(chǎng)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(jīng)研制出國(guó)內(nèi)首顆氮化鎵基藍(lán)光和綠光激光器芯片，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，并計(jì)劃在2024年建成國(guó)內(nèi)最大的氮化鎵激光器芯片量產(chǎn)線。此外，長(zhǎng)光華芯與清純半導(dǎo)體合作成立的蘇州惟清半導(dǎo)體公司，未來(lái)的產(chǎn)品將主要用于車(chē)載主驅(qū)芯片，以搶抓電動(dòng)汽車(chē)等新能源行業(yè)的快速發(fā)展機(jī)遇。
4.5 瑞識(shí)科技
瑞識(shí)科技是一家總部位于深圳南山的國(guó)家高新技術(shù)企業(yè)、國(guó)家級(jí)專精特新“小巨人”企業(yè)，承擔(dān)了廣東省和深圳市重大技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目，公司已經(jīng)通過(guò)ISO9001和車(chē)規(guī)TS16949質(zhì)量管理體系認(rèn)證。瑞識(shí)科技專注于半導(dǎo)體光芯片領(lǐng)域，并在合肥、廈門(mén)、臺(tái)灣和硅谷設(shè)有分部。公司團(tuán)隊(duì)具備頂尖的VCSEL芯片研發(fā)與量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，為智能駕駛、消費(fèi)電子、工業(yè)制造和醫(yī)療美容等行業(yè)客戶提供先進(jìn)的VCSEL芯片和光學(xué)解決方案，擁有超過(guò)150項(xiàng)全球?qū)＠?，月出貨產(chǎn)能超過(guò)100萬(wàn)顆，VCSEL芯片量產(chǎn)出貨總量超1億顆。憑借傲人的成長(zhǎng)潛力和資本表現(xiàn)，瑞識(shí)科技已獲得由深創(chuàng)投、華潤(rùn)資本、中科創(chuàng)星等機(jī)構(gòu)領(lǐng)投的數(shù)億元人民幣投資。
瑞識(shí)科技憑借其在光芯片設(shè)計(jì)、光學(xué)集成封裝、算法研發(fā)和光電系統(tǒng)整合優(yōu)化等領(lǐng)域的國(guó)際領(lǐng)先技術(shù)，成功構(gòu)建了完整的“芯片+光學(xué)+應(yīng)用”產(chǎn)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(xué)集成產(chǎn)品。這些產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于掃地機(jī)器人導(dǎo)航、汽車(chē)智能駕駛、激光雷達(dá)、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(lǐng)域。在可視波段VCSEL領(lǐng)域，瑞識(shí)積極推動(dòng)紅光VCSEL多領(lǐng)域創(chuàng)新應(yīng)用并量產(chǎn)出貨超千萬(wàn)顆。在汽車(chē)行業(yè)的應(yīng)用方面，瑞識(shí)VCSEL產(chǎn)品上車(chē)比亞迪，助力其仰望系列汽車(chē)的夜間智能駕駛功能。2024年3月，瑞識(shí)推出新款二維可尋址激光雷達(dá)VCSEL芯片產(chǎn)品并已獲得激光雷達(dá)大廠量產(chǎn)訂單，瑞識(shí)也由此成為行業(yè)首家量產(chǎn)二維可尋址VCSEL產(chǎn)品的廠商。在消費(fèi)電子的應(yīng)用方面，瑞識(shí)科技已成功進(jìn)入海外大廠，成為三星Galaxy Ring的獨(dú)家VCSEL供應(yīng)商。此外，瑞識(shí)科技的高性能光模組產(chǎn)品已被應(yīng)用于小米新款家用投影儀，未來(lái)還將繼續(xù)加大對(duì)新興市場(chǎng)的投入，推動(dòng)更多自主研發(fā)的VCSEL技術(shù)在各類智能設(shè)備中的應(yīng)用，進(jìn)一步鞏固其行業(yè)領(lǐng)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(nèi)首家通過(guò)VCSEL芯片車(chē)規(guī)認(rèn)證的企業(yè)，并于2021年實(shí)現(xiàn)了前裝駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)（DMS）應(yīng)用VCSEL芯片的量產(chǎn)。
縱慧芯光目前已完成多達(dá)11輪融資，先后吸引了來(lái)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(gè)領(lǐng)域的數(shù)億元投資，逐步成為國(guó)產(chǎn)VCSEL領(lǐng)域的領(lǐng)先供應(yīng)商。截止至2023年8月，縱慧芯光已交付超過(guò)1億顆VCSEL芯片。根據(jù)Yole發(fā)布的2022年全球前10家領(lǐng)先激光雷達(dá)（LiDAR）公司名單顯示，其中有6家企業(yè)與縱慧芯光合作開(kāi)發(fā)了用于汽車(chē)激光雷達(dá)的定制VCSEL芯片，并有兩家公司已開(kāi)始量產(chǎn)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(chē)前裝激光雷達(dá)用VCSEL芯片批量交付公司。目前，縱慧芯光在汽車(chē)電子市場(chǎng)已有4款VCSEL產(chǎn)品完成開(kāi)發(fā)認(rèn)證，并進(jìn)入了持續(xù)批量交付階段。
技術(shù)創(chuàng)新方面，公司在2019年成功突破半導(dǎo)體關(guān)鍵材料外延生長(zhǎng)技術(shù)壁壘，成為國(guó)內(nèi)首家實(shí)現(xiàn)VCSEL量產(chǎn)的企業(yè)。這一技術(shù)突破使得公司能夠在汽車(chē)電子和光通信領(lǐng)域迅速拓展市場(chǎng)。相關(guān)VCSEL產(chǎn)品已被華為、榮耀、夏普、魅族等知名手機(jī)品牌采用，如榮耀Magic3 Pro和榮耀Magic3至臻版的3D TOF模塊中就應(yīng)用了縱慧芯光的VCSEL芯片。
此外，縱慧芯光還積極推動(dòng)其VCSEL技術(shù)在汽車(chē)MEMS固態(tài)激光雷達(dá)領(lǐng)域的應(yīng)用。2022年8月，縱慧芯光與SOSLAB合作，成功開(kāi)發(fā)出具有180度廣角和遠(yuǎn)距離測(cè)量性能的ML LiDAR，突破了固態(tài)LiDAR在距離和角度上的限制，進(jìn)一步推動(dòng)了VCSEL技術(shù)在汽車(chē)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
