《传感应用的VCSEL技术及市场-2021版》
2021-05-25 21:13:00   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

VCSEL Technology and Market for Sensing Applications

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垂直腔面发射激光器（VCSEL，Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser）的激光发射方向垂直于半导体衬底表面，激光束呈圆形对称。VCSEL主要结构由p型和n型两个分布式布拉格反射镜（DBR）及中间的有源区构成。VCSEL腔长量级与波长相近，容易实现单纵模激射，并具有出色的光束质量，适用于数据通信及各种传感领域。

传感应用重塑VCSEL产业

2004年，VCSEL首次进入消费电子产品：罗技（Logitech）MX1000激光无线鼠标，成为激光导航（定位）传感器的光源。2016年，VCSEL借助ToF接近/测距传感器进入苹果（Apple）iPhone 7系列手机，实现人脸接近感测、自动对焦等功能。与此同时，VCSEL也借助接近/测距传感器进入苹果AirPods耳机，实现佩戴监测功能。至此，苹果多款产品的应用推动VCSEL市场规模迈上新台阶。

2017年，VCSEL阵列首次进入苹果iPhone X，成为3D人脸识别的光源。这也带火了整个VCSEL产业，市场规模迅速扩大，创业公司层出不穷。2018~2019年，安卓（Android）阵营跟随苹果也推出多款集成3D传感技术的手机，但是并没有让3D人脸识别成为刚需，2020年被屏下指纹识别挤占市场份额。2020年，可寻址VCSEL阵列首次进入苹果新款iPad Pro平板电脑和iPhone 12 Pro系列智能手机，成为消费类激光雷达的光源。这也促使安卓阵营布局直接飞行时间（dToF）技术，积极为增强现实（AR）应用做好准备。

广泛的VCSEL传感应用（来源：麦姆斯咨询）

由于各种传感应用驱动发展，2020年全球VCSEL市场规模达到11.5亿美元，可谓“传感应用重塑VCSEL产业”——占据最大市场份额：75%；通信应用占据第二大市场份额：24%。其他应用还包括制造领域的工业热处理、激光打印，以及计时领域的原子钟。传感应用的VCSEL供应商主要有Lumentum、II-VI、ams & Osram、纵慧芯光、TRUMPF、华立捷等。

各种应用的VCSEL市场份额及主要VCSEL供应商

展望未来，在手机和汽车两大终端产品的智能化需求之下，VCSEL市场规模将继续保持高速增长势头。我们期待安卓智能手机后置3D摄像头，以及车外激光雷达和车内人员监控（例如驾驶员监控系统）能够加速推进。据麦姆斯咨询预测，全球传感应用的VCSEL市场将从2020年的8.62亿美元增长到2024年的17.28亿美元，在此期间的复合年增长率（CAGR）为19%。

传感应用的VCSEL市场规模（来源：麦姆斯咨询）

多结、可寻址成为VCSEL发展方向

2020年苹果公司发布的新款iPad Pro和iPhone 12 Pro系列手机都搭载了基于dToF技术的激光雷达，其中集成的可寻址VCSEL阵列由Lumentum提供，该VCSEL阵列采用共阴极设计，阳极有四个区域，驱动信号可以分别控制阳极四个区域中的一个，实现分区点亮。可寻址VCSEL阵列具有以下优点：（1）有效控制出光区域，可提升峰值功率；（2）通过合适的系统设计，可实现系统级抗干扰能力；（3）具有更好的发光效率，可节约系统功耗；（4）散热性能更好。

苹果iPad Pro 2020中的激光雷达集成Lumentum可寻址VCSEL阵列

随着汽车激光雷达的市场需求增长，多结VCSEL阵列成为全球领先厂商的重点布局产品。相比单结VCSEL，多结VCSEL可以：（1）提升PCE（电光转换效率），降低功耗；（2）提供更高的功率密度，对光学系统设计更加友好；（3）提高斜率效率，对激光驱动器更加友好；（4）提供更高的峰值功率，扩大测距工作范围；（5）降低激光器的“每瓦成本（Cost per Watt）”。2020~2021年，全球主要厂商陆续发布了双结和三结VCSEL产品，而领头羊Lumentum则在2021年3月首发五结和六结VCSEL阵列，每个发射孔的光功率超过2W，从而使得1平方毫米VCSEL阵列的峰值功率超过800W。综上所述，多结、可寻址VCSEL阵列是实现高性能全固态中远程激光雷达的关键底层技术。

传感应用的VCSEL发展趋势（来源：麦姆斯咨询）

除了研究产业动态，麦姆斯咨询还检索和分析了VCSEL及其阵列设计和制造相关的中国发明专利，透视中国VCSEL领域的技术发展趋势，挖掘中国VCSEL领域的优势企业、研究机构及技术专家。本报告提供一份Excel专利数据库，其中包含了本研究所涉及的690多个专利族近1000件授权发明专利和发明专利申请。这份高价值专利数据库支持多字段检索，包括专利标题、摘要、申请人、公开号、申请号、申请日、发明人、IPC分类号、当前法律状态以及摘要附图。

VCSEL中国发明专利申请趋势（来源：麦姆斯咨询）

中国VCSEL产业蓬勃发展

作为苹果VCSEL的主要供应商，Lumentum和II-VI占据了市场主要份额。但是，近些年，中国VCSEL供应商层出不穷——众多国际大厂海归专家与本土人才共同掀起创业热潮，造出自主可控的“中国芯”。这种蓬勃发展的趋势吸引众多资本方对VCSEL产业链各个环节进行投资，涉及芯片设计和制造公司、外延和晶圆制造代工厂、设备和材料供应商、传感模组/系统厂商等。

传感应用的VCSEL产业链（来源：麦姆斯咨询）

在传感应用的VCSEL芯片方面，中国厂商以创业型为主，主要集中在长三角和珠三角地区。长三角地区包括纵慧芯光、睿熙科技、长光华芯、华芯半导体、度亘激光、老鹰半导体；珠三角地区包括博升光电、柠檬光子、瑞识科技、新亮智能；此外还有总部位于武汉的仟目激光，以及总部位于厦门的上市公司——乾照光电。在上述厂商之中，纵慧芯光VCSEL出货量最大，已成功进入华为智能手机，并在国内快速布局大量专利，因此获得华为旗下哈勃科技投资、小米长江基金等投资方青睐。

传感应用的VCSEL芯片代表厂商（来源：麦姆斯咨询）

由于以VCSEL、射频器件为代表的III-V族化合物半导体市场的强劲需求和蓬勃发展，因此越来越多的中国GaAs外延及晶圆制造厂应运而生，既包括纯外延及晶圆代工厂（例如唐晶量子、中科芯电、三安集成电路、全磊光电、海威华芯），又包括内部拥有外延及晶圆制造厂的IDM厂商（例如长光华芯、华芯半导体）。我们期待中国VCSEL产业链日臻成熟，为广阔的传感应用市场奠定坚实的基础！

报告大纲：

1. 光源及VCSEL概念

内容包括光源概念，以及典型光源（例如LED、VCSEL、EEL）概念、原理及差异，重点介绍VCSEL相关知识，最后分析智能手机3D摄像头和汽车激光雷达选择光源波长的思路。

2. VCSEL核心技术

内容包括VCSEL核心技术流程：设计、外延、制造、封测、应用，介绍影响VCSEL波长、性能、良率、可靠性的关键环节，阐述各种VCSEL设计及VCSEL发展趋势，比较VCSEL发射模组：iToF vs. dToF，最后展示VCSEL模组封装损坏检测及VCSEL测试方法。

3. VCSEL市场综述

内容包括VCSEL传感应用及市场进展，介绍各种采用VCSEL的3D传感系统（例如结构光、ToF、双目立体视觉），尤其是在消费电子及汽车电子领域的典型应用，最后展示传感应用的VCSEL市场规模及主要供应商。

4. VCSEL产业链之外延及制造厂商

从智能手机ToF产业链及汽车激光雷达产业链入手，分析传感应用的VCSEL产业链，重点介绍新兴的外延及晶圆制造厂情况，既包括纯外延及晶圆代工厂，又包括内部拥有外延及晶圆制造厂的IDM厂商。

5. VCSEL产业链之芯片厂商及产品

内容包括传感应用的VCSEL芯片厂商，既有国际知名大厂（例如Lumentum、II-VI、ams & Osram、TRUMPF），又有中国创业公司（例如纵慧芯光、睿熙科技、博升光电、柠檬光子、仟目激光、长光华芯、华芯半导体、瑞识科技、新亮智能）。

6. VCSEL标准/规范

从《半导体激光器总规范》开始，介绍VCSEL在激光安全、车规、环境保护、测试等方面的标准/规范，例如《激光产品的安全 第1部分：设备分类、要求》、AEC-Q102、《半导体激光器测试方法》等。

7. VCSEL中国专利分析

通过对VCSEL设计及制造技术相关的中国发明专利进行检索与分析，透视VCSEL技术的发展趋势，基于专利分析发现中国VCSEL行业的优势企业、研究机构及技术专家。

8. VCSEL典型传感应用

内容包括VCSEL在智能手机和平板电脑中的应用（例如iPhone X、iPad Pro 2020、OPPO RX17 Pro、vivo NEX双屏版、华为P30 Pro、LG G8 ThinQ、三星Galaxy S20 Ultra 5G），以及VCSEL在车内传感和汽车激光雷达中的应用。

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