傳感應(yīng)用重塑VCSEL產(chǎn)業(yè)

垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL，Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser）的激光發(fā)射方向垂直于半導(dǎo)體襯底表面，激光束呈圓形對稱。VCSEL主要結(jié)構(gòu)由p型和n型兩個分布式布拉格反射鏡（DBR）及中間的有源區(qū)構(gòu)成。VCSEL腔長量級與波長相近，容易實現(xiàn)單縱模激射，并具有出色的光束質(zhì)量，適用于數(shù)據(jù)通信及各種傳感領(lǐng)域。

傳感應(yīng)用重塑VCSEL產(chǎn)業(yè)

2004年，VCSEL首次進(jìn)入消費電子產(chǎn)品：羅技（Logitech）MX1000激光無線鼠標(biāo)，成為激光導(dǎo)航（定位）傳感器的光源。2016年，VCSEL借助ToF接近/測距傳感器進(jìn)入蘋果（Apple）iPhone 7系列手機，實現(xiàn)人臉接近感測、自動對焦等功能。與此同時，VCSEL也借助接近/測距傳感器進(jìn)入蘋果AirPods耳機，實現(xiàn)佩戴監(jiān)測功能。至此，蘋果多款產(chǎn)品的應(yīng)用推動VCSEL市場規(guī)模邁上新臺階。

2017年，VCSEL陣列首次進(jìn)入蘋果iPhone X，成為3D人臉識別的光源。這也帶火了整個VCSEL產(chǎn)業(yè)，市場規(guī)模迅速擴大，創(chuàng)業(yè)公司層出不窮。2018~2019年，安卓（Android）陣營跟隨蘋果也推出多款集成3D傳感技術(shù)的手機，但是并沒有讓3D人臉識別成為剛需，2020年被屏下指紋識別擠占市場份額。2020年，可尋址VCSEL陣列首次進(jìn)入蘋果新款iPad Pro平板電腦和iPhone 12 Pro系列智能手機，成為消費類激光雷達(dá)的光源。這也促使安卓陣營布局直接飛行時間（dToF）技術(shù)，積極為增強現(xiàn)實（AR）應(yīng)用做好準(zhǔn)備。

廣泛的VCSEL傳感應(yīng)用（來源：麥姆斯咨詢）

由于各種傳感應(yīng)用驅(qū)動發(fā)展，2020年全球VCSEL市場規(guī)模達(dá)到11.5億美元，可謂“傳感應(yīng)用重塑VCSEL產(chǎn)業(yè)”——占據(jù)最大市場份額：75%；通信應(yīng)用占據(jù)第二大市場份額：24%。其他應(yīng)用還包括制造領(lǐng)域的工業(yè)熱處理、激光打印，以及計時領(lǐng)域的原子鐘。傳感應(yīng)用的VCSEL供應(yīng)商主要有Lumentum、II-VI、ams & Osram、縱慧芯光、TRUMPF、華立捷等。

各種應(yīng)用的VCSEL市場份額及主要VCSEL供應(yīng)商

展望未來，在手機和汽車兩大終端產(chǎn)品的智能化需求之下，VCSEL市場規(guī)模將繼續(xù)保持高速增長勢頭。我們期待安卓智能手機后置3D攝像頭，以及車外激光雷達(dá)和車內(nèi)人員監(jiān)控（例如駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)）能夠加速推進(jìn)。據(jù)麥姆斯咨詢預(yù)測，全球傳感應(yīng)用的VCSEL市場將從2020年的8.62億美元增長到2024年的17.28億美元，在此期間的復(fù)合年增長率（CAGR）為19%。

傳感應(yīng)用的VCSEL市場規(guī)模（來源：麥姆斯咨詢）

多結(jié)、可尋址成為VCSEL發(fā)展方向

2020年蘋果公司發(fā)布的新款iPad Pro和iPhone 12 Pro系列手機都搭載了基于dToF技術(shù)的激光雷達(dá)，其中集成的可尋址VCSEL陣列由Lumentum提供，該VCSEL陣列采用共陰極設(shè)計，陽極有四個區(qū)域，驅(qū)動信號可以分別控制陽極四個區(qū)域中的一個，實現(xiàn)分區(qū)點亮?？蓪ぶ稸CSEL陣列具有以下優(yōu)點：（1）有效控制出光區(qū)域，可提升峰值功率；（2）通過合適的系統(tǒng)設(shè)計，可實現(xiàn)系統(tǒng)級抗干擾能力；（3）具有更好的發(fā)光效率，可節(jié)約系統(tǒng)功耗；（4）散熱性能更好。

蘋果iPad Pro 2020中的激光雷達(dá)集成Lumentum可尋址VCSEL陣列

隨著汽車激光雷達(dá)的市場需求增長，多結(jié)VCSEL陣列成為全球領(lǐng)先廠商的重點布局產(chǎn)品。相比單結(jié)VCSEL，多結(jié)VCSEL可以：（1）提升PCE（電光轉(zhuǎn)換效率），降低功耗；（2）提供更高的功率密度，對光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計更加友好；（3）提高斜率效率，對激光驅(qū)動器更加友好；（4）提供更高的峰值功率，擴大測距工作范圍；（5）降低激光器的“每瓦成本（Cost per Watt）”。2020~2021年，全球主要廠商陸續(xù)發(fā)布了雙結(jié)和三結(jié)VCSEL產(chǎn)品，而領(lǐng)頭羊Lumentum則在2021年3月首發(fā)五結(jié)和六結(jié)VCSEL陣列，每個發(fā)射孔的光功率超過2W，從而使得1平方毫米VCSEL陣列的峰值功率超過800W。綜上所述，多結(jié)、可尋址VCSEL陣列是實現(xiàn)高性能全固態(tài)中遠(yuǎn)程激光雷達(dá)的關(guān)鍵底層技術(shù)。

傳感應(yīng)用的VCSEL發(fā)展趨勢（來源：麥姆斯咨詢）

除了研究產(chǎn)業(yè)動態(tài)，麥姆斯咨詢還檢索和分析了VCSEL及其陣列設(shè)計和制造相關(guān)的中國發(fā)明專利，透視中國VCSEL領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展趨勢，挖掘中國VCSEL領(lǐng)域的優(yōu)勢企業(yè)、研究機構(gòu)及技術(shù)專家。本報告提供一份Excel專利數(shù)據(jù)庫，其中包含了本研究所涉及的690多個專利族近1000件授權(quán)發(fā)明專利和發(fā)明專利申請。這份高價值專利數(shù)據(jù)庫支持多字段檢索，包括專利標(biāo)題、摘要、申請人、公開號、申請?zhí)枴⑸暾埲?、發(fā)明人、IPC分類號、當(dāng)前法律狀態(tài)以及摘要附圖。

VCSEL中國發(fā)明專利申請趨勢（來源：麥姆斯咨詢）

中國VCSEL產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展

作為蘋果VCSEL的主要供應(yīng)商，Lumentum和II-VI占據(jù)了市場主要份額。但是，近些年，中國VCSEL供應(yīng)商層出不窮——眾多國際大廠海歸專家與本土人才共同掀起創(chuàng)業(yè)熱潮，造出自主可控的“中國芯”。這種蓬勃發(fā)展的趨勢吸引眾多資本方對VCSEL產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)進(jìn)行投資，涉及芯片設(shè)計和制造公司、外延和晶圓制造代工廠、設(shè)備和材料供應(yīng)商、傳感模組/系統(tǒng)廠商等。

傳感應(yīng)用的VCSEL產(chǎn)業(yè)鏈（來源：麥姆斯咨詢）

在傳感應(yīng)用的VCSEL芯片方面，中國廠商以創(chuàng)業(yè)型為主，主要集中在長三角和珠三角地區(qū)。長三角地區(qū)包括縱慧芯光、睿熙科技、長光華芯、華芯半導(dǎo)體、度亙激光、老鷹半導(dǎo)體；珠三角地區(qū)包括博升光電、檸檬光子、瑞識科技、新亮智能；此外還有總部位于武漢的仟目激光，以及總部位于廈門的上市公司——乾照光電。在上述廠商之中，縱慧芯光VCSEL出貨量最大，已成功進(jìn)入華為智能手機，并在國內(nèi)快速布局大量專利，因此獲得華為旗下哈勃資金、小米長江基金等投資方青睞。

傳感應(yīng)用的VCSEL芯片代表廠商（來源：麥姆斯咨詢）

由于以VCSEL、射頻器件為代表的III-V族化合物半導(dǎo)體市場的強勁需求和蓬勃發(fā)展，因此越來越多的中國GaAs外延及晶圓制造廠應(yīng)運而生，既包括純外延及晶圓代工廠（例如唐晶量子、中科芯電、三安集成電路、全磊光電、海威華芯），又包括內(nèi)部擁有外延及晶圓制造廠的IDM廠商（例如長光華芯、華芯半導(dǎo)體）。我們期待中國VCSEL產(chǎn)業(yè)鏈日臻成熟，為廣闊的傳感應(yīng)用市場奠定堅實的基礎(chǔ)！

報告大綱：

1. 光源及VCSEL概念

內(nèi)容包括光源概念，以及典型光源（例如LED、VCSEL、EEL）概念、原理及差異，重點介紹VCSEL相關(guān)知識，最后分析智能手機3D攝像頭和汽車激光雷達(dá)選擇光源波長的思路。

2. VCSEL核心技術(shù)

內(nèi)容包括VCSEL核心技術(shù)流程：設(shè)計、外延、制造、封測、應(yīng)用，介紹影響VCSEL波長、性能、良率、可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，闡述各種VCSEL設(shè)計及VCSEL發(fā)展趨勢，比較VCSEL發(fā)射模組：iToF vs. dToF，最后展示VCSEL模組封裝損壞檢測及VCSEL測試方法。

3. VCSEL市場綜述

內(nèi)容包括VCSEL傳感應(yīng)用及市場進(jìn)展，介紹各種采用VCSEL的3D傳感系統(tǒng)（例如結(jié)構(gòu)光、ToF、雙目立體視覺），尤其是在消費電子及汽車電子領(lǐng)域的典型應(yīng)用，最后展示傳感應(yīng)用的VCSEL市場規(guī)模及主要供應(yīng)商。

4. VCSEL產(chǎn)業(yè)鏈之外延及制造廠商

從智能手機ToF產(chǎn)業(yè)鏈及汽車激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)鏈入手，分析傳感應(yīng)用的VCSEL產(chǎn)業(yè)鏈，重點介紹新興的外延及晶圓制造廠情況，既包括純外延及晶圓代工廠，又包括內(nèi)部擁有外延及晶圓制造廠的IDM廠商。

5. VCSEL產(chǎn)業(yè)鏈之芯片廠商及產(chǎn)品

內(nèi)容包括傳感應(yīng)用的VCSEL芯片廠商，既有國際知名大廠（例如Lumentum、II-VI、ams & Osram、TRUMPF），又有中國創(chuàng)業(yè)公司（例如縱慧芯光、睿熙科技、博升光電、檸檬光子、仟目激光、長光華芯、華芯半導(dǎo)體、瑞識科技、新亮智能）。

6. VCSEL標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范

從《半導(dǎo)體激光器總規(guī)范》開始，介紹VCSEL在激光安全、車規(guī)、環(huán)境保護(hù)、測試等方面的標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范，例如《激光產(chǎn)品的安全 第1部分：設(shè)備分類、要求》、AEC-Q102、《半導(dǎo)體激光器測試方法》等。

7. VCSEL中國專利分析

通過對VCSEL設(shè)計及制造技術(shù)相關(guān)的中國發(fā)明專利進(jìn)行檢索與分析，透視VCSEL技術(shù)的發(fā)展趨勢，基于專利分析發(fā)現(xiàn)中國VCSEL行業(yè)的優(yōu)勢企業(yè)、研究機構(gòu)及技術(shù)專家。

8. VCSEL典型傳感應(yīng)用

內(nèi)容包括VCSEL在智能手機和平板電腦中的應(yīng)用（例如iPhone X、iPad Pro 2020、OPPO RX17 Pro、vivo NEX雙屏版、華為P30 Pro、LG G8 ThinQ、三星Galaxy S20 Ultra 5G），以及VCSEL在車內(nèi)傳感和汽車激光雷達(dá)中的應(yīng)用。

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