VCSEL激光器应用及主要厂商梳理｜半导体行业观察

来源：内容由 微信公众号 半导体行业观察 （ID：icbank） 综合自「SIMIT战略研究室」，谢谢。

随着3D传感的爆发，VCSEL激光器从光通信领域进入消费电子领域。VCSEL进入苹果产业链，是以VCSEL技术为代表的半导体激光技术在消费领域的重大突破，光器件也从工业领域走向消费领域。

一、VCSEL激光器简介

VCSEL，垂直共振腔表面放射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)，基本结构是由上下两个DBR（Distributed Bragg Reflector）反射镜和有源区这三部分组成。上下两个DBR反射镜与有源区构成谐振腔。有源区由几个量子阱组成，作为VCSEL的核心部分，决定着器件的阈值增益、激射波长等重要参数。VCSEL常用的原材料有砷化镓、磷化铟或氮化镓等发光化合物半导体，具有体积小、圆形输出光斑、单纵模输出、阈值电流小、价格低廉、易集成为大面积阵列等优点。

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。

二、VCSEL应用领域

在应用领域方面，VCSEL从诞生起就作为新一代光存储和光通信应用的核心器件，应用在光并行处理、光识别、光互联系统、光存储等领域。随着工艺、材料技术改进，VCSEL器件在功耗、制造成本、集成、散热等领域的优势开始显现，逐渐应用于工业加热、环境监测、医疗设备等商业级应用以及3D感知等消费级应用。

未来，随着智能化信息世界的不断发展，VCSEL将广泛应用在消费电子3D成像、物联网、数据中心/云计算、自动驾驶等领域。其中，VCSEL在消费电子领域发挥越来越重要的作用，VCSEL可用来进行智能手机人脸识别、无人机避障、VR/AR、扫地机器人、家用摄像头等。

（1）消费电子3D成像：VCSEL是消费电子视觉成像、三维感应的基础元器件，预计2020年，仅智能手机为VCSEL市场贡献超过20亿美元的收入。

（2）物联网：VCSEL是物联网的重要传感器件，预计2025年，全球将有数十亿设备接入物联网，全球物联网市场有望超过30万亿美元。

（3）数据中心/云计算：VCSEL用于数据中心，预计2020年，全球VCSEL数据通讯的市场规模将达到100亿美元。

（4）自动驾驶：VCSEL应用于自动驾驶中的车身通讯、传感器等，预计到2030年，激光雷达的使用数量将超过3亿枚。

三、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. Broadcom

Broadcom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.Lumentum

Lumentum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.Finisar

Finisar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-VI

II-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 Photonics

Philips 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.ams

ams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，是目前国内唯一一家能够自主完成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。

华芯半导体提供真正可靠的国产VCSEL芯片

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。

光迅科技光芯片平台能力

四、总结

VCSEL激光器最大的应用在光通信、3D传感器，应用领域包括消费电子、工业、医疗、5G、汽车电子、AR/VR等，全球已经出现老牌光电子企业扩张/并购、初创企业涌现的潮流，VCSEL的市场热度、未来应用将会受到更多的重视。

好消息，国产VCSEL芯片再获进展

近日，早先研制出原子钟专用高温VCSEL芯片的中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，在量子陀螺专用芯片研发又上取得进展，研制出了795纳米的垂直腔面发射激光器芯片，具有实际应用价值，这是该所坚持多年在此领域深研的最新成果。

VCSEL全称Vertical-cavity Surface-emitting Laser，是垂直腔面发射激光器，其本质上是一种半导体激光器。激光器是用来发射激光的装置，而半导体激光器则是以半导体材料为工作物质发射激光的器件。

最初VCSEL芯片是一代光存储和光通信应用的核心器件，应用在光并行处理、光识别、光互联系统、光存储等领域，常见于光模块，吸收光谱学，激光打印机，电脑的光电鼠标等产品之中。近些年，智能手机等消费电子的需求爆发式发展，VCSEL开始广泛应用于智能设备的3D感测，3D成像、物联网、数据中心/云计算、自动驾驶领域，比如人脸识别，人脸支付等。尤其是在苹果将其用在iPhone人脸识别模组，更是将VCSEL芯片在消费电子领域应用变为普及。

目前在VCSEL芯片的研发和生产方面国外企业还是较为领先。主要的企业有博通（Broadcom）、Lumentum、菲尼萨（Finisar）等。

博通（Broadcom）是全球领先的有线和无线通信半导体公司，也是VCSEL芯片的主要供应商之一。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。博通凭借它巨大的VCSEL芯片傲视群雄。

Lumentum也是行业内先进光学和光子产品提供商，凭借其在VCSEL芯片上的先进技术，成为苹果公司的首家VCSEL供应商。

菲尼萨（Finisar）是全球最大、技术最先进的光通讯器件供应商，也是世界VCSEL芯片的主要供应商之一。苹果公司为更好参与研发和生产VCSEL芯片，对菲尼萨（Finisar）进行了战略投资。

与VCSEL芯片领域的这些世界巨头相比，我们国内的VCSEL企业就显得弱小不少。不过背靠国内巨大的消费需求和芯片的自主可控大潮的来临，国产VCSEL芯片近年发展也还是非常迅速。江苏华芯、武汉光迅科技就是其中的标志性企业。

江苏华芯是目前国内唯一一家能够自主完成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。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。后期将形成5000万颗3D传感VCSEL芯片的年产能。

武汉光迅科技是国内光通信光模块器件最大的公司，也是一家国内VCSEL芯片的龙头企业。近几年，光迅科技积极开展波长为850nm/940nm VCSEL 芯片的研发，应用于光通信、3D传感等领域。

随着物联网、AI、5G技术的发展，3D成像和传感等技术的需求仍然还在继续高速成长，而VCSEL芯片作为3D成像和传感系统的核心器件，将变得更加炙手可热。我国科学家和企业的不断研发和进步，将VCSEL芯片生产逐步掌握在中国人自己手中，仍将是必须走的路。

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