VCSEL正当红，国内市场大有作为【星特写】

随着5G的发展与普及，3D成像和传感技术将迎来新一轮高速成长，撬动增强现实和虚拟现实（AR/VR）、智能家居、智慧安防、智慧金融等多个领域发展，加速万物互联、智慧互联时代的到来。垂直腔面发射激光器（VCSEL）芯片作为3D成像和传感系统核心器件，处于5G产业金字塔尖。近年来，中国已涌现出多家VCSEL初创企业。

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“当红炸子鸡”VCSEL是什么？

传统的光电转换技术一般采用LED等发光器件。这种发光器件多采用边缘发射，体积大，因此较难和半导体技术结合。20世纪90年代垂直腔表面发射激光VCSEL技术成熟后，解决了发光器件和半导体技术结合的问题，因此迅速得到普及。

垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，简称VCSEL，又译垂直共振腔面射型雷射）是一种半导体，其激光垂直于顶面射出，与一般用切开的独立芯片制成，激光由边缘射出的边射型激光有所不同。

顾名思义，边发射激光器是沿平行于衬底表面、垂直于解理面的方向出射，而面发射激光器其出光方向垂直于衬底表面，如下图：

边发射激光器（a）与面发射激光器（b）示意图

传感器技术指出，VCSEL是颇具发展前景的新型光电器件，也是光通信中革命性的光发射器件。

它优于边发射激光器的表现在于：易于实现二维平面和光电集成；圆形光束易于实现与光纤的有效耦合；可以实现高速调制，能够应用于长距离、高速率的光纤通信系统；有源区尺寸极小，可实现高封装密度和低阈值电流；芯片生长后无须解理，封装后即可进行在片实验；在很宽的温度和电流范围内都以单纵模工作；价格低。

VCSEL的优异性能已引起广泛关注，成为国际上研究的热点。近十多年来，VCSEL在结构、材料、波长和应用领域都得到飞速发展，部分产品已进入市场。

半导体行业观察介绍，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。

根据麦姆斯咨询的估计，2022年VCSEL 的市场规模有望达到31.2亿美元，年复合增长率可达17.3%。

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，有的智能手机已经采用多颗VCSEL芯片，例如使用集成VCSEL的泛光照明器和红外点阵投影器进行3D人脸识别；利用集成VCSEL的飞行时间（ToF）测距传感器检测人脸与手机屏幕的距离。

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。

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全产业链整合将成国内VCSEL产业趋势

2017年，苹果推出十周年力作iPhone X，其最大卖点是取消了苹果标志性的Touch ID，转而采用了人脸解锁技术Face ID。

与当时主流的平面影像识别技术不同，Face ID实现了3D感测。当用户看向iPhone X屏幕，会触发ToF接近传感器，感测到用户面部靠近手机。泛光照明器接收到信息后，利用红外光照亮用户面部，确定用户面部的位置。继而由点阵投影器在用户面部投射3万个红外光点，再由红外摄像头捕捉这些光点并计算立体结构，生成用户的面部3D立体图像，与过往图像匹配后实现解锁。

值得注意的是，iPhone X的ToF接近传感器、泛光照明器、点阵投射器，都用到了同一个核心器件——VCSEL。安卓机阵营也在加速跟进，VCSEL在智能终端的应用预计在未来几年将出现爆发式增长。

华强微电子指出，在3D传感应用火爆之前，VCSEL最主要的应用还是在光通讯领域，比如数据中心内部的数据交换。但正式商用已有十多年，VCSEL技术却一直进展缓慢，究其原因，一方面是本身VCSEL的制造难度高，包括外延工艺、氧化工艺、保护绝缘等工艺等需要深厚的技术积累；另一方面是市场规模并不算大，相关的应用也没有提供到足够的推动力，而这种情况直到2017年开始才开始迎来了转折点。

国内VCSEL行业的起步较晚，此前能够大规模生产VCSEL的厂家大部分集中于欧美日等国家。近年来，面对巨大的市场，加之国家扶持半导体产业发展政策的推动，在国内一些老牌厂商纷纷开始进军VCSEL芯片市场的同时，还催生了一大批初创企业。

国内VCSEL产业在崛起的同时，竞争愈演愈烈。对于各家初创企业而言是一个不小的挑战。比如以芯片设计为主的公司，受到代工厂产能上的限制，可能难以满足大批量需求。但对于一些完成全产业链整合的公司，他们能够在产能上掌握完全的主动权，这对于客户而言也是供货的保证。因此，全产业链的整合将是国内VCSEL产业趋势之一，拥有自己的产线与生产工艺，才是保持自己低成本、开发响应速度快、产品把控度高等优势的保证。

目前国内VCSEL行业关注度最高的领域在于消费电子领域，特别是智能手机上的3D感测应用。早在iPhone搭载3D结构光面部识别之前，就有手机厂商将ToF技术带到智能手机上，但当时主要用于辅助摄像。随着5G的到来，手机厂商似乎越来越看好AR/VR在手机上的应用。

VCSEL厂商普遍看好ToF技术在智能手机上的应用前景。但事实上，5G为VCSEL行业带来的远远不止这些。除了在消费电子领域外，VCSEL在传统的光通讯领域和未来智能家居、无人零售、自动驾驶等领域的应用也受到各大VCSEL厂商的重点关注。毫无疑问，VCSEL伴随着5G的普及，将会开发出更多应用场景，需求量也会随之水涨船高。而新应用的诞生，也必然推动着技术的发展。

随着5G时代的到来，VCSEL的用武之地将越来越多。这些新应用的诞生，则是推动VCSEL往大功率、高集成等方向发展的源动力。近年初创公司的遍地开花，极大地促进了国内VCSEL产业链的发展，但对于这些初创公司而言，竞争的日趋激烈可能会加剧淘汰的进程。目前从行业趋势来看，要想在未来的VCSEL市场中笑到最后，如何更好地满足终端需求、优化整合产业链，是国内VCSEL厂商需要着重关注的问题。

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持续创新，拓展增量市场

国内VCSEL行业目前还处于拓展增量的阶段，初创企业通过持续创新，仍有较大机会。国内涌现出一批颇具实力的新兴企业。

博升光电成立于2018年12月，由世界著名科学家和企业家创办，是技术领先的光电半导体科技企业， 致力于为消费电子、智能物联网、辅助/自动驾驶、光通信、云计算等企业，提供下一代高性能VCSEL光芯片解决方案。公司目前产品主要包括：应用于消费电子、智能物联网3D传感的940nm结构光/iToF/dToF VCSEL芯片，应用于辅助/自动驾驶的940nm激光雷达VCSEL芯片，应用于光通信、云计算 的850nm10Gbps/20Gbps/25Gbps/50Gbps VCSEL芯片。

博升光电总经理沈志强博士认为，从产业发展角度，VCSEL在消费电子领域的应用才刚刚开始。这里面有两层含义：一是市场渗透刚刚开始，很多手机型号尚未开始使用VCSEL，此外智能门锁、智能安防等新市场也刚刚开始采用VCSEL方案，所以潜在市场很大，不是存量竞争，广阔天地大有作为。另一层含义是，技术刚刚起步，还在不断迭代，所以dTof等新方案不断推出，未来还会有不断的技术演进和优化。

因此，当前的竞争格局，不是一个静态的零和竞争，而是动态的增量竞争。在现有产品上有先行者和后行者的区分，但在新技术方案上大家处于同一条起跑线，这就是创业企业的机会。

从成立到现在，博升光电的产品已经通过国内知名企业及国际权威机构的认证、测试，实现批量出货。博升光电的目标是推广下一代高性能HCG-VCSEL技术，引领光芯片产业的革新，促进HCG-VCSEL在消费电子、智能物联网、辅助/自动驾驶、光通信、云计算等领域内的广泛应用和快速发展。

博升光电拥有丰富的VCSEL光芯片技术积累和储备、以及下一代核心专利技术—高对比度光栅（HCG）。HCG从底层结构上对现有DBR结构的VCSEL带来革命性的改进，通过单层HCG光栅替换现有100多层的DBR反射镜，大幅简化了VCSEL外延结构，缩短了外延生长时间，提高了生产效率。

dToF是3D传感产业最受关注的技术方向之一。博升光电很早就对dToF技术进行了研究，公司成立不久就已经开始设计dToF VCSEL芯片，目前已有支持dToF的分区点亮的VCSEL产品实物送样。在国内，博升光电是业界很早具备实物产品送样能力的公司。目前支持dToF的VCSEL已经有分区点亮、多PN结等不同种类的芯片产品，并且正在和合作伙伴进行定制化开发以提升系统性能。

博升光电同样关注激光雷达市场。车用VCSEL不仅用于车外的激光雷达，也有车内应用，比如DMS（疲劳驾驶预警系统），根据不同场景应用，VCSEL芯片的性能指标有很多不同。博升光电的核心竞争力在于芯片的高功率、窄光束的特质，而且乐于与下游客户密切合作做定制化开发。

沈志强表示，创业企业必须保持持续创新能力，不断推出更好满足客户需求的新产品，永远维持在技术领先的第一梯队，而不是跟别人去做红海竞争，这一点非常关键。博升光电非常重视持续的技术创新能力，做客户想要的差异化产品。只有通过针对具体场景的定制化，才能最好地满足客户需求，也才能最好地优化系统成本。多年的技术积累可以帮助公司不断保持创新能力，同时不断成长优化，找不足补短板，快速发展迭代。

博升光电从创立之初就希望为全球带来最好的VCSEL芯片产品，用新技术推动产业发展。未来三到五年，公司将主要加速推进HCG VCSEL芯片的量产和产业化应用，在智能手机、移动支付、AIoT和数据中心等领域加速推广。希望在未来三到五年内，HCG VCSEL产品可以在诸多领域得到普及化的应用，成为广泛使用的VCSEL新光源。

参考来源：

https://mp.weixin.qq.com/s/cswNhaAMrinD6hplPMuVZg

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1648787432711815549&wfr=spider&for=pc

https://mp.weixin.qq.com/s/_qzh96jKxLR7NGiDdiiY5w

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