解析VCSEL在汽车激光雷达、工业应用以及厂商分布

智圈l进“自动驾驶激光雷达行业交流群”，请加微18512119620，备注加群部分来源：基业常青研究院

引言

VCSEL是短距光通信市场唯一光源。国内数据流量占全球26.8%，但大型数据机房数量仅占全球8%，两者的不匹配正促进数据机房的加速建设，催生十亿级VCSEL新需求。

➢流量爆炸时代，25G/100G光模块必将取代10G/40G模块，带来存量更换的升级需求。10G VCSEL芯片已成红海市场，壁垒、价格双低；25G VCSEL的技术稀缺性可以保证毛利空间，带动价格上涨。

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VCSEL应用于消费电子传感和光通信，还将应用于激光雷达（汽车/工业）

VCSEL，即Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser垂直腔面发射激光器，是一种半导体光源。和其他半导体光源一样，VCSEL体积小、可简易封装，适用于各种对体积有要求的场景。

由于功率提升，在激光雷达、安防照明等中长距领域也逐步开始得到应用。

日前日本汽车电子厂家日本电装公布了对Trilumina公司的战略投资，该公司主要进行针对雷达设备的高功率VCSEL阵列开发，而这些雷达设备主要面向辅助驾驶和无人驾驶应用。

激光雷达感应周围车距、三维重建

Trilumina 公司之前展示了自己基于 VCSEL阵列的256像素3D激光雷达解决方案，如若进展顺利，公司开发的光源模块将高清和远距离传感器功能整合进小尺寸、稳定且具成本效益的包装中，可取代目前应用于自动驾驶汽车示范项目的大尺寸、高成本扫描激光雷达。

激光雷达感应周围车距、三维重建

VCSEL的迅速发展和固有优点已使其成为光电子应用中的关键器件，有强大的生命力。近年来，性能优异的VCSEL不断被研发，主要涉及其低阈值电流，高输出功率，高电光转换效率，低工作电压，高调制带宽和高产额。

VCSEL结构图VCSEL制造流程大致为：：材料外延生长→外延结构的表征（X射线衍射、反射谱、光致荧光谱、电化学C-V特性等）→器件工艺（包括外延片清洗、晶片键合、刻蚀、金属膜溅射、光学镀膜等）→后段工艺（包括引线键合、划片、封装、光纤耦合等）→器件性能测试（包括I-V特性、I-P特性、发射光谱、频响特性等），最终完成从材料到器件的全过程。

VCSEL与其他半导体光源相比是通信、传感光源的最优选择

　基于化合物半导体的VCSEL技术，已广泛应用在消费电子、工业控制、光通信等领域，目前已成为3D传感的主要光源技术，包括面部识别、车用激光雷达（LiDAR）等，可以取代LED或边缘发射激光二极管。

➢VCSEL的特性：•比LED（光电二极管）精度高、能效高（功耗低）；•比EEL（边发射激光器）响应快、易集成；•VCSEL最适用于集成性、精度、响应要求较高的场景。

❑VCSEL与其他半导体光源相比是通信、传感光源的最优选择➢VCSEL的短板在于制造成本高、单体功率低，因此限制了它在高功率场景的应用，如中长距离通信、激光切割焊接等。VCSEL主要应用场景是短距传递信号和照明。➢VCSEL的可集成性可一定程度弥补上述短板。随着目前VCSEL的集成度增加带来的总功率提升，已逐渐开始应用于中长距场景，如激光雷达、安防摄像头照明等。

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消费电子传感用VCSEL重在功率，光通信用VCSEL重在稳定性和客户验证

❑不同应用对VCSEL的性能要求不同，其中最重要的是功率。❑更高的功率需要更多的反射镜（见右图），对工艺提出挑战。❑随技术发展VCSEL功率不断提高，下游应用领域逐渐扩展，具有结构性特征，长期想象空间与短期落地需求并存。❑光通信领域的应用虽然对功率需求低，但是对调制信号稳定性要求高，客户验证周期较长。

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大型数据中心将使用脊叶式结构、25G光模块，催生数十亿级VCSEL新需求

❑10G光模块用VCSEL目前呈现红海格局。随着数据流量的增加，数据机房的光模块将从10G模块升级至25G模块，技术含量、利润空间都将显著提升。

我们测算，近三年应用于国内数据中心的VCSEL市场空间将达十亿量级，不容忽视；具体规模取决于脊叶式结构和25G模块的渗透率。

国内企业布局VCSEL芯片及器件的企业超过10家，其中产品技术较为成熟的主要有：武汉光迅科技、江苏华芯半导体、华工科技、三安光电等。

武汉光迅科技是国内光通信光模块行业最大的公司，公司牵头组建了“国家信息光电子创新中心”，并在25G VCSEL 芯片研发上取得突破性进展。

江苏华芯是目前能够自主完成VCSEL和蓝光半导体激光器芯片外延及芯片工艺制造，并实现量产的公司。

国内VCSEL技术实力仍然较弱

数据通信行业应用的VCSEL常采用3英寸或4英寸晶圆制造工艺，国内企业在这一尺寸上已经有较为成熟的生产线。

但难点在于光通信用VCSEL的寿命要求至少在4000小时以上，因此稳定性验证尤为重要。

稳定性验证周期在半年到一年之间，企业宣称量产到通过下游客户测试之间仍有很长距离。

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VCSEL厂商情况

VCSEL国外厂商主要有Broadcom、Lumentum、Finisar、II-VI、Philips Photonics、ams、Osram等，国内主要有江苏华芯、武汉光迅科技，其他还有山东太平洋、深圳源国、国星光电、华工科技、三安光电、乾照光电、华灿光电以及睿熙科技等公司。

可以看出，基本上都是来自于光通信芯片的龙头企业；也正是VCSEL有了在光通信领域的经验，消费级应用变得顺理成章，两者产品具备很强的技术延展性。

1. BroadcomBroadcom是VCSEL芯片的主要供应商之一。2016年2月，Avago收购了博通，成立了新博通。博通在光学数据通讯市场产品供应丰富，包括光纤接收器、嵌入式光学模组以及自适应光缆等。博通凭借近期VCSEL出货量的升级，该公司已经出货100万件25G VCSEL器件，使其市场领导领域扩展至光学网络市场。

2.LumentumLumentum是2015年从JDSU分拆出来的公司，主要生产和销售光纤相关产品，销售给全球光纤网络及商用激光客户，公司分2个部门来运作：光通信、商用激光器。Lumentum是苹果公司的第一家VCSEL供应商，芯片代工在台湾稳懋。

2018年3月，Lumentum宣布溢价27%收购Oclaro，交易金额约18亿美元。通过收购，Lumentum将获得Oclaro的磷化铟、光电积体整合电路技术。

3.FinisarFinisar是苹果公司的第二家VCSEL供应商。2017年12月，苹果对Finisar投资3.9亿美元，用于增加VCSEL的研发和生产。

Finisar将使用这笔资金把德克萨斯州谢尔曼一家面积70万平方英尺的已关闭制造厂，改造成开发VCSEL芯片的工厂，未来将用于苹果产品。所有的苹果订单的加工将使用100%的可再生能源，预计新工厂将于2018年下半年投入运营。

4.II-VIII-VI公司成立于1987年，业务主要分为红外光学、近红外光学、军事和材料、先进产品部四大部门。

II-VI公司重金投入2017年8月以8000万美元从Kaiam收购的6英寸VCSEL制造厂。Kaiam位于英国牛顿艾克利夫占地30万平方英尺的工厂拥有10万平方英尺的洁净室，专为大规模制造GaAs、SiC以及InP化合物半导体器件而设计。

2018年3月，II-VI公司宣布8500万美元收购波长选择开关(WSS)供应商CoAdna。2018年9月，交易完成。CoAdna将并入II-VI Photonics部门此项交易将强化II-VI公司ROADMs产品垂直整合能力。

5.Philips PhotonicsPhilips Photonics是飞利浦全资子公司，生产760nm-948nm VCSEL传感类用的单模激光管，VCSEL技术具有20多年研发经验，是原德国Ulm Photonics公司，2006年Philips收购Ulm Photonics。

760nm-948nm VCSEL单模激光器主要应用于，激光吸收光谱TDLAS测量氧气和水分子、红外傅里叶变换光谱、原子钟、干涉仪、编码器以及运动控制等传感方面应用。

6.amsams通过收购快速转型，成为聚焦在光学传感器领域的主要供应商。在总部奥地利的工厂负责前端晶圆制造，新加坡厂则负责光学传感器生产和封装以及VCSEL制造，测试/传感器校准工作则在奥地利和菲律宾的厂内进行。

2017年，ams对其位于新加坡的6吋晶圆厂(2000 wspm)产能（主要生产VCSEL芯片）进行扩充投资，针对最新具有人脸识别技术的高端手机所需器件进行投产，增加员工也大部分集中于此，以支持3D和光学传感领域的迅速增长，预计在2019年实现量产。

ams在成像和光学方面陆续收购了Heptagon、Princeton Optronics、CMOSIS、KeyLemon、Mazet这几家公司。其中，KeyLemon公司具备领先的3D人脸识别知识产权库。Princeton Optronics公司可以提供VCSEL光源发射器。

7.Osram

2018年5月，Osram收购美国Vixar公司。Osram是红外LED和红外激光二极管的技术领导者，通过引入Vixar在VCSEL方面的专业技术，Osram将在该领域拥有更强的技术能力和产品组合。

Vixar公司成立于 2005 年，为生物医学、工业、办公产品、汽车和消费品行业的传感器等应用制造波长在650~1000 nm 之间的 VCSEL。

8.江苏华芯

江苏华芯成立于2015年底，是目前能够自主完成VCSEL和蓝光半导体激光器芯片外延及芯片工艺制造，并实现量产的公司。

2017年11月，10G VCSEL芯片量产并批量出货。2018年3月，940nm 100mW VCSEL产品定型。

目前年产能为5000万颗单管光通讯VCSEL芯片、2500万颗VCSEL面列阵芯片、500万颗蓝光芯片。预计到2018年底，将形成5000万颗3D传感VCSEL芯片的年产能。

9.武汉光迅科技

武汉光迅科技是国内光通信光模块器件最大的公司，公司牵头组建了“国家信息光电子创新中心”，短期来看可以帮助公司节约研发支出，长期来看有利于公司充分发挥产业协同优势，完善技术前瞻布局。

光迅科技近年来积极开展波长为850nm/940nm VCSEL 芯片的研发，应用于光通信、3D传感等领域。

10、新亮智能具量产VCSEL芯片及核心传感器的能力

新亮智能2013年开始致力于VCSEL芯片的研发，迄今已经积累了VCSEL从设计到工艺乃至封装和应用端的核心技术，同时构建了专利池，完全自主知识产权逾七十余项。

对标国际顶尖对手，如Lumentum、Finisar等，量产的850nm 及940nm VCSEL芯片电光转换率均超过43%，其中940nm VCSEL已经达到 46%，领先于业界同类产品。

目前，公司提供各种光功率、不同发散角及封装形式的VCSEL裸芯片、VCSEL二极管及基于VCSEL的各种接近传感器、激光测距传感器、激光照明器、激光雷达等上百种产品。

自主设计生产的光电芯片应用广泛，包括3D感测、光通信、接近传感、工业控制、智能驾驶等。随着云计算技术的成熟，在数据传输需要的光通讯芯片领域，新亮智能自主研发850nmVCSEL芯片，传输速率10Gbps，适用于接入网和数据中心。新亮智能将进一步加大芯片研发领域的投入，致力成为全球范围内有竞争力的VCSEL供应商。

其中VCSEL芯片：激光波长分别为850nm，940nm；光功率涵盖范围从5mW~8W等连续工作输出光功率，到脉冲工作下从10W，25W，50W以上的脉冲峰值功率的产品；同时提供等多角度diffuser；多线脉冲激光模组等。核心传感器包括：接近传感器、激光雷达、激光照明、激光测距传感器等。

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