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1. 激光器半导体行业概述
1.1 激光器的定义与分类
激光器是一种能够产生高度单色、相干、方向性强的光束的设备。其核心原理是基于电激励源，通过半导体材料的增益介质实现电能到光能的转换。半导体激光芯片，作为激光器产业链上游的关键组件，其性能直接决定了激光设备输出光束的质量和功率。
从产业链角度来看，激光器的上游包括半导体原材料、高端装备及生产辅料，这些原材料和装备用于制造半导体芯片、光电器件、光学元件及模组等。中游环节则涵盖了利用上游产品制造的各类激光器，包括直接半导体激光器、二氧化碳激光器、固体激光器和光纤激光器等。这些激光器根据其工作原理和应用领域被进一步分类。下游应用领域广泛，包括但不限于工业加工、医疗、光通信、科研实验等。
在半导体激光器众多类型中，垂直腔面发射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL）以其独特的结构和应用优势脱颖而出。VCSEL的概念最早由日本东京工业大学的伊贺健一教授于1977年提出。尽管在70年代就有了VCSEL的概念，但当时主要停留在学术研究阶段，尚未实现产业化。到了90年代，VCSEL在短波长领域的研究取得了突破，特别是在数据通信领域，初创公司开始推动其产业化发展，尤其是在短距离光纤通信系统中得到了应用。然而，2000年至2017年期间，VCSEL技术进展相对缓慢，产业应用也没有显著扩展，投资热点逐渐转向其他领域，学校的研发重点也有所转移。直到近几年，随着苹果公司在iPhone中的应用，VCSEL在消费电子领域看到了新的机会，并且带动了技术的进一步进步。如今，VCSEL因其阈值电流低、工作波长稳定、光束质量好等特性，在光通信、激光显示、光存储、消费电子等领域得到了广泛应用。尤其是在传感领域，940nm波长的VCSEL发挥了重要作用。而随着ChatGPT等大规模人工智能应用的兴起，数据通信领域对VCSEL的需求大幅增长，特别是在短距离通信方面。此外，1310nm波长的VCSEL在高速长距离光纤通信、光识别系统及并行光互连系统中也占据重要地位，而808nm波长的VCSEL在医美行业的应用开始受到重视。VCSEL的原材料主要包括砷化镓、磷化铟或氮化镓等发光化合物半导体，其发光原理与其他半导体激光器相似，通过外加能量激发电子跃迁，并通过谐振腔实现共振放大，形成激光。
边缘发射激光器（Edge Emitting Laser，EEL）由于其发光方向与芯片表面平行，拥有较高的输出功率，且适合用于长距离光纤通信、工业加工等对功率要求较高的场景。但EEL结构复杂，制造过程较为精细，成本相对较高，同时其激光光束的质量不如VCSEL稳定。相比之下，VCSEL具有独特的垂直腔面发射结构，能够实现低阈值电流和高光束质量，在短距离光通信、消费电子以及3D传感等应用领域中表现尤为突出。此外，VCSEL的制造工艺相对简单，VCSEL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势，广泛应用于光通信、光互连、光存储等领域。可以通过标准的半导体工艺进行大规模生产，成本低且效率高。同时，VCSEL还能实现多模发射，适用于高数据传输速率的应用。
1.2 VCSEL激光器
VCSEL是一种垂直于衬底面射出激光的半导体激光器。基本结构是一个“三明治”结构，由上下两个 DBR 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。高反射率的 DBR 由多层介质薄膜组组成，实现对光的反馈。为得到较小的阈值电流，DBR 反射镜的反射率一般在 99.5%以上。
图1 VCSEL结构图
VCSEL的主要制造被分成两个主要的部分，一部分是实现“三明治”结构的MOCVD(metal organic chemical vapor deposition)金属有机物化学气相沉积技术，即外延生长过程；一部分是实现后端各种结构和需求的晶圆工艺，包括形成图形化掩膜、光刻，电极蒸发沉积及剥离，湿法台面蚀刻，侧向湿法氧化，BCB填充等。
VCSEL的应用领域根据其发射波长的不同而多样化。在400nm的紫外波段，VCSEL目前主要处于研发阶段，未来可能应用于增强现实（AR）、虚拟现实（VR）、抬头显示（HUD）以及汽车激光照明。商业常见的可见光VCSEL波长通常在可见光范围内，波长范围通常在400nm~700nm之间，它们在技术上更为成熟，应用也更为广泛，通常用于数据通信、传感和照明等领域，例如智能手机中的面部识别和光通信模块。对于大于700nm但小于780nm的近红外波段，VCSEL的应用较为有限，主要包括塑料光纤通信（POF）、激光打印、脉搏血氧仪和工业传感器。780至1400nm的近红外波段是VCSEL应用最为丰富的区域，涵盖了光通信、计算机鼠标、3D成像、工业加热、激光雷达（LiDAR）、脉搏血氧仪和原子钟等众多领域。1400至3000nm的短波红外（SWIR）波段虽然应用较少，但在环境传感（TDLS）和光通信领域发挥着作用，同时在硅光子学和3D成像方面展现出潜在的应用前景。
图2 VCSEL按波长分类
1.2.1 短波长波段 VCSEL
短波长波段VCSEL主要指工作在400~700nm范围内的激光器，该波长范围也称为可见光VCSEL。包括红、蓝、绿三种类型。红色VCSEL使用的是铝镓铟磷（AlGaInP）材料，已经广泛应用于各种场景，这类VCSEL以其体积小、功耗低、光束质量高的特点，成为新一代显示和传感设备中的理想光源。其独特的设计允许在高电流驱动下有效限制光输出，确保安全性，尤其适用于智能眼镜等需要直接投射到视网膜的显示设备。而蓝色、绿色VCSEL普遍使用氮化镓（GaN）材料，但目前没有制造商成功将蓝色和绿色VCSEL推向市场。
在移动显示设备领域，短波长VCSEL成为智能眼镜和可穿戴设备的理想光源，特别是在需要紧凑设计和长电池寿命的虚拟现实（VR）、增强现实（AR）和混合现实（MR）应用中。VCSEL的高集成能力允许在有限的空间内实现复杂的光学系统，同时，其高效率有助于减少热量产生，延长设备的使用时间。
在汽车照明领域，短波长VCSEL技术的应用提供了高亮度、高效率和紧凑尺寸的光源，这些光源能够实现快速响应和智能控制，如自适应前照灯系统，以适应不同的驾驶条件。VCSEL的精确光束控制能力允许定制光束模式，增强夜间驾驶的安全性，同时，其耐用性和可靠性减少了维护需求。
未来，短波长VCSEL技术的进步有望提高全球定位系统（GPS）等定位系统的精度。这是因为基于GaN的VCSEL能够在紫外线区域发光，并且可以使用它来创建高精度时钟。在GPS和其他定位系统中，地面站从卫星上的原子钟接收时间信息，并根据时间差计算与每颗卫星的距离以获取位置信息。如果基于GaN的VCSEL提高了地面站时钟的精度，未来就有可能将GPS定位精度从几米提高到几毫米。获得更精确的位置信息将为开发全新应用提供机会。
1.2.2 中波长波段 VCSEL
中波长波段VCSEL通常指发射波长在850nm至1550nm之间的半导体激光器。自1988年首次研制成功以来，850nm、980nm和780nm波长的VCSEL逐步实现商业化，并广泛应用于光通信、光学传感、3D传感等领域。基于砷化镓（GaAs）材料的中波长VCSEL技术相对成熟，尤其是在950nm和980nm波段上，由于成本低且产业链完善，成为主流选择。随着波长增加到1550nm，材料体系会转向锑化铟镓（InGaAs），这类材料虽然成本较高，但能够提供更长的波长和更好的视网膜安全性。
尽管基于GaAs的VCSEL技术已相当成熟，目前能实现的最长波长约为1100nm，但业界正在努力扩展至1380nm或更长波长，以应用于面部识别、底部发光（BOLED）和LiDAR技术等领域。2021年3月，IQE公司开发了一种基于稀散氮化物（InGaAsN）的技术，该技术每个发射器提供约1mW功率，仍采用GaAs材料，具备与短波长VCSEL相同的设备和工艺兼容性。此外，短波长红外（SWIR）技术在智能手机和AR/VR设备中显示出潜力，能够增强3D传感、深度感应和眼动追踪功能。
1.2.3 长波长波段 VCSEL
长波长VCSEL通常指工作波长在1300nm至1550nm范围内的激光器。1300nm和1550nm的长波长VCSEL由于处于光纤的低色散和低衰减窗口，还具有在中长距离高速传输方面的优越性.1300nm波长VCSEL是光并行处理、光识别系统及光互连系统中的关键器件。特别是在光信息处理、光互连、光交换、光计算和神经网络等应用领域，VCSEL能够充分发挥光子的并行操作能力和大规模集成面阵的优势，展现出巨大的应用潜力和发展前景。
最初，使用GaInAsP/InP材料作为有源区的红外VCSEL实现了1300nm的发射波长。波长为1300nm的VCSEL的有源区现在主要采用GaInAs/GaAs材料，这种材料的VCSEL具有低色散和高速率的特性，使其成为长距离光通信和并行光互连系统中的关键器件。当波长达到1550nm时，VCSEL的有源区材料则主要使用AlGaInAs/GaAs和GaInAsP/InP等，这些材料的VCSEL在1550nm波段损耗低，常与单模光纤配合使用，非常适合应用于高速长距离的光通信系统。
从2018年开始，智能手机中的3D传感、汽车应用的激光雷达开始大规模使用长波长VCSEL阵列，为了在显示屏下实现集成传感，使用的VCSEL波段从940nm逐步过渡到1380nm。为了实现这个目标，企业研发使用多种手段，包括使用稀氮化物材料，从GaAs转向InP，以及采用基于GaAs材料和InP材料融合的混合方法。苹果公司曾尝试在iPhone 14 Pro版本中使用基于InP-EEL的接近传感器，但其成本是使用GaAs-VCSEL接近传感器的十倍以上，且模块的制造和封装难度更大。因此，在iPhone 15中，苹果公司回归到了基于GaAs VCSEL的接近传感器。
另一方面，随着对长波长VCSEL需求的增加，相关晶圆的需求量也随之增长，这推动了从4英寸晶圆向6英寸晶圆的转变。4英寸晶圆每片可提供约4000个VCSEL，而6英寸晶圆的产量约为10,000个VCSEL阵列，足以满足每年数百万部智能手机的生产需求。然而，这一转变需要新的设备和可能的新衬底技术。目前，这样的应用场景尚未出现。
2. VCSEL激光器的应用领域及技术现状
2.1 汽车
VCSEL技术因其紧凑的尺寸、高效率和高可靠性，在汽车领域的应用正在迅速扩展，成为实现车内外多种传感器应用的关键技术。同时，随着自动驾驶技术的发展，VCSEL因其高人眼安全性，在汽车传感器领域的地位变得越来越重要。它在车舱内部监控、智能照明、激光雷达（LiDAR）、自动驾驶和高级驾驶辅助系统（ADAS）等多个方面发挥着重要作用。
传统的车舱内监控系统大多依赖于红外LED，但使用VCSEL替代LED的趋势日益明显。在LiDAR技术方案中，由于VCSEL的快速脉冲模式非常适合LiDAR应用，能够提供高峰值功率的超短脉冲实现3D环境感知的更高精度，VCSEL正在逐步取代传统的EEL。
VCSEL的小型封装显著减少了传感器的占用空间，与传统技术相比，其体积缩小了5到10倍。通过为VCSEL二极管添加智能功能，例如单片集成微光学元件，VCSEL不仅能够进一步减少占用空间，还为光学设计提供了更大的灵活性。这种设计灵活性使VCSEL能够支持车内外的不同应用，满足从短程到长程的照明需求。
在夜间驾驶时，VCSEL技术能够通过红外补光的方式，探测前方路况，并将图像清晰地显示在中控显示屏上。传统的夜视系统主要依赖红外光源和摄像机获取黑白图像，尽管这能够增加可视距离，但在雨雾等恶劣天气下，摄像机接收到的反射光容易饱和，难以捕捉远距离的微弱光信号。此外，传统激光器通常以连续或准连续模式工作，功耗较高，且需要复杂的散热设计，增加了设备体积。而最新的VCSEL技术引入了纳秒或微秒级的窄脉冲激光器进行补光。结合激光器和摄像机开关时机的精确控制以及延时扫描技术，可以在不增加功耗的前提下，对不同距离的目标实现清晰成像。这种技术不仅减小了设备体积，还提高了成像效果，尤其在复杂天气条件下表现出色。目前，VCSEL的这一应用已广泛应用于交通监控、汽车夜视以及高速运动目标的检测等多个领域。比亚迪仰望U8车头有一套远红外夜视系统即搭载了国内VCSEL厂家瑞识科技的车规级VCSEL芯片，在高速情况下仍能实现300m超长距离的高分辨率。
图3 VCSEL芯片夜间扫描工作示意图
从2020年开始，越来越多的汽车制造商开始将激光雷达技术集成到其汽车中的高级驾驶辅助系统（ADAS）中。ADAS通过传感器（如摄像头、雷达和激光雷达）收集车辆周围环境的数据，并结合软件算法，帮助驾驶员做出更安全的驾驶决策。固态激光雷达是自动驾驶汽车中的关键传感器，2D可寻址VCSEL作为其核心技术之一，以实现高精度、高效率的环境感知和测量，从而实现更高级别的夜间自动驾驶功能。在固态激光雷达中，2D可寻址VCSEL阵列允许对每个VCSEL单元进行单独控制，对外发射点阵多光束光源。这意味着可以精确控制哪些VCSEL单元发出激光，以及何时发出激光。同时，探测器可以开启与发射相对应的区域，接收目标反射光。最终，通过多个角度的电子扫描，完成整个视场范围内的激光雷达点云获取。这种灵活性使得固态激光雷达能够实现高密度的点云生成，从而更准确地感知周围环境。不仅可以帮助自动驾驶汽车准确感知周围环境中的行人、车辆和其他障碍物，也能在机器人导航可以自主规划路径、避开障碍物，并准确到达目标位置、无人机高精度的障碍物检测能力，使其能够在复杂环境中安全飞行（无人机避障）等领域展现出广泛的应用前景。
在全球VCSEL芯片市场中，国产厂商正逐步崛起，展现出强大的替代潜力。近年来，长光华芯、睿熙科技、瑞识科技、飞芯电子和纵慧芯光等国内企业在VCSEL技术的研发、生产和应用方面取得了显著进展。这些企业不仅攻克了多项关键技术难题，还建立了完整的工艺平台和量产线，实现了从芯片设计到封装测试的全链条生产能力。
表1 国内部分厂商在VCSEL汽车市场技术现状
2.2 消费电子应用
自2016年VCSEL技术首次被应用在苹果iPhone 7系列手机中以来，极大地推动了整个行业的快速发展。在消费电子领域，VCSEL激光器已经被广泛应用于多种消费类电子应用场景，包括手机/平板、TWS蓝牙耳机、AR/VR、健康监测、人脸识别、3D传感、美容医疗等。
图4 VCSEL在苹果系列产品上的应用
消费类应用的VCSEL芯片涵盖了单孔或多孔芯片，规则或随机发光孔阵列芯片，单结或多结芯片，可寻址芯片。光功率从毫瓦级低光功率（连续驱动）至数百瓦级的超高光功率（脉冲驱动）。波长范围包含红光可见光（650nm-680nm）和近红外光（808nm、850nm、905nm、940nm）
如今，VCSEL技术在手机中的重要作用不仅限于人脸识别，还扩展到表情捕捉和3D建模等功能，例如苹果的Animoji功能。为了实现高密度的3D结构光，iPhone采用了包括VCSEL在内的多种技术组件来增强3D成像和红外摄影能力。智能手机设计的发展对VCSEL技术提出了更高的要求，近年来，OEM厂商正致力于将近红外波段的VCSEL技术集成到OLED屏幕下方，这项技术能够降低电源消耗、改善热管理，并提升光学性能。市场对于更高屏占比的追求也促使传感器集成到显示屏下方，需要依赖更先进的材料和制造工艺。此外，短波红外波段的VCSEL有望成为屏下3D传感模块的核心技术，从而带动整个行业向更高集成度方向发展。
在智能家居领域，VCSEL激光传感器被广泛应用于智能扫地机器人、智能门锁、智能灯光、小型家庭美容仪器等设备中。VCSEL激光雷达由于其高精度和小型化的特点，尤其适用于长距离检测和室内导航。且由于大多数消费产品的内部空间都极为狭窄，终端家居客户在考虑接近传感的应用集成时，一般会要求模块尺寸最大限度紧凑。而当接近传感的发射端与接收端距离过于接近时，发射光与内部反射光会发生信号串扰，进而影响整体的测量精度。目前，已有相关企业推出品特有的超窄发散角可大幅降低传感器件信号串扰现象，确保发射和反射光具有清晰、不互相干扰的往返路径，可帮助缩小接近传感模块尺寸、简化器件设计并实现更精确的距离测量。在智能家居领域，VCSEL技术将成为智能家居设备如扫地机器人、智能电视、家用投影仪等产品的核心传感器。伴随着智能家居设备市场的扩展，VCSEL技术的市场需求也会进一步攀升。
图5 VCSEL在消费类电子产品上的实际应用
在可穿戴设备领域，目前主要的如智能手表、智能戒指等拥有心率检测、控制智能家电等功能，通常都包含了VCSEL激光器。例如，苹果手表利用VCSEL技术实现脉搏血氧检测，并在无线立体声（TWS）耳机中提高了佩戴检测的准确性。同时，小尺寸和超低功耗也使VCSEL成为便携式健康监测设备的理想选择。在智能戒指等新兴市场，VCSEL技术通过提高生理数据采集的准确性和降低功耗，进一步推动了设备的功能和市场应用。瑞识科技的高功率高光效红光VCSEL发射的光可以透过皮肤测量睡眠健康、心率和血氧饱和度，在运动监测和健康管理方面非常有用。
2018年，消费电子应用一跃成为VCSEL的最大细分市场，Yole预计2021年该应用领域的市场规模为7.97亿美元，到2026年增长至17亿美元，年复合增长率为16.4%。随着越来越多厂商进入消费电子市场，国外厂商和用户对数据通信、3D传感、激光雷达等方面的专利布局和竞争也在不断加剧，一定程度上增大了国内企业的进入门槛。
表2 国内厂商在VCSEL消费电子市场产品应用情况
2.3 数据通信
在过去的半个世纪里，移动技术几乎每十年都会实现一次创新的飞跃。从最初仅支持语音通话和短信，发展到现在能够承载超高清（UHD）视频和增强现实/虚拟现实（AR/VR）应用，移动带宽的需求持续增长。目前全球消费者和企业用户对网络和云服务的需求仍在持续上升。社交网络、商务会议、超高清视频流、电子商务和游戏等应用在这一过程中发挥了关键作用，进一步推动了数据通信市场的扩张。
在技术层面，VCSEL以其单片制造能力、卓越的波束质量、快速的调制带宽以及阵列形式的可扩展性，展现出在短距离互连领域的显著竞争力。特别是在850nm波长的VCSEL中，这些特性使其成为数据中心高速通信的理想选择。目前，随着市场对高速数据传输需求的不断增长，VCSEL不仅在现有架构中得到广泛应用，同时也激发了新材料和技术平台的开发，以满足5G网络、人工智能和机器学习等新兴技术的需求。
在数据通信领域，光收发模块市场增量显著，2019至2020年期间增长了23.8%，主要受到数据中心互连需求的增加、城域网和长途网络对额外容量需求的增长以及5G移动网络加速发展的推动。到2021年，光收发模块市场的收入继续增长21.3%，达到58.3亿美元。这一增长的主要因素包括工作、教育和娱乐领域对视频会议、流媒体视频、社交网络和云计算需求的激增，这些应用加速了数据和视频流量的增长。
随着数据中心和5G通信市场的扩展，数据量承载指数级增长，光模块等产品在数据通信行业的需求预计将持续上升。特别是VCSEL技术在这一领域的销售表现突出，大量数据消耗类型应用（如亚马逊）以及视频游戏、在线购物和丰富视频内容的社交网络（如Instagram和WhatsApp）推动了其快速增长的驱动力。这些应用场景不仅促进了光模块市场的发展，也进一步推动了光模块市场的发展奠定了VCSEL技术在未来数据通信中的重要地位。
2.4 工业激光
在工业应用中，VCSEL激光器在激光雷达系统中的应用已成为推动工业自动化和智能基础设施发展的关键因素。这些激光雷达系统能够实现精确的光探测和测距，广泛应用于工业自动化、交通控制、测距仪等领域。VCSEL的加入使得工业机器人能够识别并避开人类工人，同时清洁机器人也能在复杂环境中自主导航，显著提升了工业生产的安全性和效率。
工业激光雷达产品类型包括远程激光雷达和机器视觉等。随着技术进步，激光雷达系统已从早期的工厂自动化和自动门等少数应用，扩展到物流、智能基础设施和安全等新兴领域。3D激光雷达的快速发展和成本降低，正在挑战2D激光雷达的传统地位，为工业应用带来新的可能性。例如，2021年，Sick和Ibeo合作开发3D激光雷达，Hokuyo与SiLC也展开了类似合作，预示着3D激光雷达在工业领域将扮演更重要的角色。
物流自动化的加速推进，使得激光雷达在仓库、港口的自动引导车辆（AGV）和工业清洁机器人中的应用迅速增加。尽管许多自动化应用仍处于测试阶段，但其发展速度值得关注。同时，激光雷达在智能基础设施中的应用也在扩大，如交通控制、机场人群管理和公共安全等领域，激光雷达作为关键传感器的作用日益凸显。它们能够提供匿名的3D信息，并且可以在夜间操作，逐渐取代了电感回路、相机和雷达等传统技术。
目前，多模VCSEL在工业激光雷达和机器视觉应用中占据主导地位。然而，单模VCSEL因其更高的精度和稳定性，在传感和计量领域的新兴应用中迅速获得市场份额。单模VCSEL广泛应用于环境监测、医疗诊断和工业过程控制等领域，随着这些应用的发展，对精确传感解决方案的需求也在上升。
随着技术的持续进步和新应用的不断涌现，VCSEL激光器在工业领域的应用正变得越来越广泛。预计未来，随着对更高精度、更快响应和更低功耗需求的增长，VCSEL技术将在工业自动化和智能基础设施中扮演更加关键的角色。
3. VCSEL激光器的市场空间及预测
3.1 VCSEL市场分析
预计到2027年，VCSEL市场的总规模将增长至39亿美元，年均复合增长率为19.2%。这一增长主要受益于3D机器视觉需求的不断上升，推动了VCSEL在消费电子领域的快速扩展。特别是在手机、AR/VR设备和物联网等应用中，3D传感技术的需求日益增长，成为市场发展的重要动力。2023年，消费电子应用是VCSEL市场的主要驱动力，预计收入为10.22亿美元。同时，数据通信市场也表现强劲，预计收入为10.45亿美元。在消费电子市场中，智能手机是VCSEL的主要应用场景，苹果公司是目前唯一在智能手机中广泛集成3D传感模块的企业，应用于面部识别的双VCSEL模块和激光雷达的单VCSEL模块。在汽车应用领域，VCSEL技术也逐渐被更多汽车制造商采纳，尤其是在激光雷达领域。
图6 VCSEL整体市场预计营收（单位：万美元）
资料来源：Yole
随着VCSEL市场的成熟，未来的市场整合预计将集中在小型应用领域，特别是具有高增长潜力的汽车和工业市场。3D传感在这两个领域的应用将成为市场的新增长点。激光雷达制造商正在与汽车OEM合作，推动汽车级产品的开发，并与城市合作开展交通监控项目。这些新兴领域不仅为VCSEL市场带来了新的增长机会，也使其技术在更广泛的工业和公共基础设施中展示出应用潜力。
3.2 VCSEL市场竞争格局
近年来，VCSEL市场经历了快速整合，目前由II-VI和Lumentum两大厂商主导，它们共同占据了近80%的市场份额。这一集中度得益于两家公司向苹果供货，而安卓手机厂商则逐步停止在其智能手机中使用VCSEL技术。除了消费电子，Coherent和Lumentum还在数据通信和电信应用领域占据主导地位，提供VCSEL及其相关的收发器。然而，随着国产替代的加速，国内厂商正在逐步打破国外垄断。例如，长光华芯的VCSEL芯片转换效率达到60%以上，打破了国外技术封锁；纵慧芯光的VCSEL已在手机市场实现大批量量产交付，并进入汽车电子市场；瑞识科技也在深圳和合肥自建制造中心，具备先进的自动化生产能力，确保了稳定的量产交付。
图7 2021年VCSEL市场竞争格局
资料来源：Yole
汽车
在早期的2018至2019年，法雷奥公司曾是市场上的唯一供应商，然而到了2021年，行业竞争格局发生了显著变化。一方面法雷奥扩展了与本田和梅赛德斯等汽车制造商的合作，另一方面，更多的新兴供应商进入了市场。Livox、RoboSense、Continental、Denso和Innovusion等公司迅速崛起，并分别与小鹏汽车、Lucid、Arcfox、雷克萨斯、丰田和蔚来等汽车品牌达成合作。这些竞争对手的加入削弱了法雷奥的市场份额，并加剧了车用激光雷达市场的竞争。
图8 2021年ADAS市场份额
资料来源：Yole
此外，自动驾驶技术的进步也为VCSEL市场带来了新的增长机遇。随着自动驾驶量产车项目的加速推进，以及激光雷达成本的降低和满足车规级要求，VCSEL在汽车应用市场的需求预计将出现爆发式增长。Yole的研究报告预计，到2025年，全球乘用车新车市场中L3级自动驾驶的渗透率将达到6%，即每年约有600万辆新车将配备激光雷达，这将极大地推动VCSEL的市场需求。
消费电子
在全球范围内，VCSEL市场的竞争格局主要由消费电子应用驱动，特别是在智能手机的3D传感领域。Lumentum和II-VI两家公司主导了市场，占据了全球近80%的市场份额。这两家公司之所以能够保持领先地位，主要是因为它们向苹果供货，而其他Android厂商几乎完全停止了在其智能手机中使用VCSEL。
图9 2021年VCSEL消费市场
资料来源：Yole
数据通信
虽然Lumentum和Coherent等公司在消费电子领域占据主导地位，但在数据通信市场，竞争格局较为分散，通快、索尼、博通和首尔半导体等公司也在积极参与竞争。目前数据速率为10.1-25Gbps的VCSELs目前占据市场的最大份额。然而，随着数据通信需求的急剧增长，尤其是在下一代数据中心和大规模云计算环境中的应用，数据速率超过25Gbps的VCSEL市场正在以最快的速度扩张。这类VCSEL以其极高的调制速度和波长稳定性，能够在短距离和长距离上支持极高的数据传输速率，满足5G网络、人工智能（AI）和机器学习（ML）等新兴技术对快速可靠数据传输的需求。
在数据通信领域，光收发模块市场从2019年的38.8亿美元增长到2020年的48.1亿美元，增幅达到23.8%。这一增长主要得益于数据中心互连需求的增长、城域区域和长途网络对额外容量需求的不断上升，以及5G移动网络速度的显著提升。到了2021年，光收发模块的收入继续增长21.3%，达到了58.3亿美元。推动这一增长的主要因素包括工作、教育和娱乐领域对视频会议、流媒体视频、社交网络和云计算需求的增加，这些因素共同推动了数据和视频流量的快速增长。
图10 2021年数据通信市场竞争格局
资料来源：Yole
工业激光
在工业激光雷达市场中，市场竞争呈现出明显的层次分化。传统老牌公司如Sick AG、BEA、Pepperl+Fuchs和Hokuyo，主导了2D激光雷达技术市场。这些公司主要提供用于平面距离测量、物体检测和尺寸测量的2D激光雷达系统，其中VCSEL技术常用于激光发射部分。尽管这些企业长期以来专注于2D技术，但随着技术的进步，它们也开始进入3D激光雷达领域。例如，Sick AG与Ibeo合作，Hokuyo则与SiLC联手开发新产品。
与此同时，新兴公司如RoboSense、Hesai、Ouster、Velodyne、LeddarTech、Benewake和LeiShen，专注于3D激光雷达技术，逐渐在市场中占据一席之地。这些公司利用3D激光雷达的多角度和多维度数据获取能力，为自动引导车（AGV）、仓库自动叉车、港口大型AGV或自动卡车等自主驾驶设备提供了显著的附加价值。此外，3D激光雷达技术还被应用于智能基础设施领域，如人流监控、交通管理、公共安全和空间使用跟踪等。
图11 2021年工业激光雷达市场竞争格局（单位：万美元）
资料来源：Yole
尽管全球VCSEL市场正在迅速扩展，但中国的VCSEL行业起步较晚。过去，能够大规模生产VCSEL的厂家主要集中在欧美和日本。2017年iPhone X的发布和随后的中美贸易战促使中国将光芯片提升为国家战略，催生了一批初创企业和老牌厂商进入VCSEL市场。然而，国内企业大多专注于芯片设计，生产依赖于台湾公司的代工，较少拥有自己的工厂和生产线。
目前，中国的VCSEL厂商主要集中在长三角和珠三角地区。长三角地区的代表企业包括纵慧芯光、睿熙科技、长光华芯、华芯半导体、度亘激光和老鹰半导体；珠三角地区的代表企业有博升光电、柠檬光子、瑞识科技和新亮智能。总部位于武汉的仟目激光也在这一领域有所布局。此外，中国的LED上市公司，如三安光电、乾照光电和华灿光电，也在积极投入VCSEL市场。
总的来说，虽然短期内除智能手机外不会出现新的“杀手级”应用，但随着自动驾驶技术的发展，VCSEL有望在激光雷达等汽车应用中找到新的增长点。然而，汽车应用的普及预计还需要三到五年的时间。在此期间，VCSEL市场仍将由消费电子和数据通信应用所主导，特别是在3D传感和高带宽通信需求的推动下，市场将继续快速扩展。
4. VCSEL相关企业情况
4.1 Lumentum
Lumentum 是一家在光学产品领域具有领先地位的供应商，其前身为光通信行业的巨头 JDSU。2015 年，JDSU 拆分后，独立的 CCOP 业务部门被命名为 Lumentum，而 NE、SE 和 OSP 业务部门则改名为 Viavi。Lumentum 主要提供基于光学与光电子技术的解决方案，应用涵盖数据通信、电信网络、商用激光器以及消费电子领域中的 3D 传感技术。
近年来，随着数据中心的快速建立以及对 100G 数据通信产品的强劲需求，公司的营收呈现出稳定增长态势。2016 财年，公司实现营收 9.03 亿美元。由于高端光器件、光模块及商用激光器产品的开发，公司毛利率逐年上升，过去三年毛利率始终保持在 30% 以上。
Lumentum 的产品主要集中在光通信用的光器件及光模块、工业激光二极管和 3D Sensing 三大领域。公司凭借在光器件及光模块领域的深厚积累，近年来推行“纵向+横向”的发展战略：在纵向上，公司向垂直一体化方向发展，实现从晶圆设计与制造到光器件子部件、光模块集成的垂直整合生产；在横向上，公司积极扩展光通信领域以外的产品线和应用领域，利用强大的垂直一体化生产能力，向工业级应用如工业检测、测量，以及商业级应用如医疗成像、消费电子 3D 感知技术进行扩展，现已实现多种类型光器件应用的全面覆盖。
公司目前主要服务于电信、数据通信、工业用激光以及 3D Sensing 四大市场。其中，电信市场占公司收入的最大比例，数据通信、工业用激光和3D sensing依次递减。
图12 Lumentum 公司各市场营收占比
资料来源：Yole
Lumentum公司总裁兼CEO Alan Lowe表示，“本季度公司销售额和EPS都超过了预期中点，实现了数通芯片创纪录的订单，并在更广泛的传统网络市场上看到了积极的趋势。在扩大公司云和AI客户基础方面公司正在获得明显的进步，这些都将带来2025年更大的增长。”
图13 Lumentum2015年-2024年营业收入情况(单位：万美元）
资料来源：Yole
4.2 Coherent
Coherent是一家全球领先的材料、网络和激光技术供应商，服务于工业、通信、电子和仪器市场。公司成立于1971年，总部位于宾夕法尼亚州萨克森堡，最初专注于生产高品质的工业激光器材料和光学器件。如今，Coherent的业务遍布全球20多个国家，公司的VCSEL阵列被广泛应用于多个终端客户和市场。
在智能手机领域，Coherent的VCSEL阵列用于前置摄像头进行面部生物识别，支持解锁屏幕和安全金融交易验证；在汽车领域，公司为自动驾驶汽车的ADAS系统提供核心技术VCSEL组件，这些VCSEL阵列还用于提高汽车舱室的安全性，能够提供驾驶员警觉度和乘客位置的信息，从而准确部署安全气囊。在光通信领域，公司产品包括高速VCSEL、放大器和高功率泵浦激光器，应用于航空航天和国防领域，满足复杂设计和工程需求。在3D传感领域，公司是少数具备6英寸VCSEL垂直集成制造能力的企业之一，并实现了大规模生产专为3D传感设计的多发射极VCSEL模具。
Coherent在2024财年全年的收入为47.08亿美元，折合人民币约337.5亿元，同比下滑8.8%。主要受益于800G数据通信收发器在人工智能领域的强劲增长，公司通信领域收入环比增长10%。根据2024财年第四季度数据，数据通信市场为5.7亿美元，占比52％；工业为4.12亿美元，占比33％；电子1.06亿美元，占比8％；仪器1.17亿美元，占比8％。
图14 Coherent 2015年-2024年营业收入情况（单位：万美元）
图15 Coherent 2024财年第四季度市场占比
4.3 ams OSRAM AG
ams OSRAM AG 是一家总部位于奥地利Premstätten，并在德国慕尼黑设有联合总部的半导体制造商，专注于智能传感器和发射器组件的开发与生产，特别是在3D传感和车内传感领域表现突出。公司的VCSEL具有高灵活性和可靠性，能够在高温环境下保持稳定性，公司推出的VCSEL产品涵盖了从红光680nm到红外940nm的广泛波段，满足了多样化的应用场景需求。
ams OSRAM AG 的VCSEL产品广泛应用于3D传感、车内传感以及激光雷达等领域，其产品组合包括泛光照明器、3D传感应用点阵投影器和裸片VCSEL。泛光照明器VCSEL专为飞行时间传感（ToF）和红外视觉系统设计，适用于多种应用场景，支持从3W到6W的设备，覆盖850nm和940nm的红外波长，并提供多个照射场选项。3D传感应用点阵投影器则专为主动立体视觉和结构光3D传感应用设计，支持多种点阵分辨率选择和红外波长。该产品能够提供多个照射场选项，适用于各种应用场景，如增强现实设备、自动驾驶汽车的环境感知等。除了成品，ams OSRAM AG 还提供自由度更高的裸片VCSEL，允许在高度集成的系统中灵活使用光学元件。裸片VCSEL广泛应用于距离传感、飞行时间传感、红外照明和原子钟等领域，产品覆盖从680nm到940nm多个波长范围，功率输出从毫瓦级到数百瓦级不等，能够满足多种复杂的应用需求。
2023财年，ams OSRAM AG 的营收为35.9亿欧元（约合人民币278.48亿元），同比下降25%。这一业绩下滑主要归因于公司剥离了灯具和系统业务板块，以及半导体业务板块中智能手机组件应用的收缩。与此同时，公司在汽车领域继续推进其结构性增长计划，并正在逐步处置非核心业务，尤其是半导体业务中的无源光学元件部分。
4.4 长光华芯半导体
公司成立于2012年，专注于研发、设计和制造半导体激光芯片。其产品主要涵盖高功率单管系列、高功率巴条系列、高效率VCSEL系列及光通信芯片系列，广泛应用于光泵浦激光器泵浦源、激光智能制造装备、科研及特种场景、3D传感与摄像、激光雷达等领域。目前，该公司具备完全自主可控的芯片设计、MOCVD外延、FAB晶圆流片、解理/镀膜、封装、测试及光学耦合等工艺平台及量产能力，是全球少数几家拥有6吋线外延和晶圆制造等关键制程生产能力的IDM半导体激光器企业之一。
公司自成立以来，持续扩展其产品线与市场布局，专注于高功率半导体激光芯片及相关器件的开发。在GaAs高功率光芯片领域，公司已与锐科激光、创鑫激光、大族激光等行业龙头建立合作，覆盖激光加工、切割等工业应用。此外，公司在VCSEL领域布局了消费电子、光通信（25G、50G VCSEL）、车载激光雷达芯片等市场，部分产品已实现销售。公司还积极推动InP高速数通光芯片的研发，布局400G/800G传输速率方案，以满足下一代数据中心需求。通过优化外延晶体质量和FAB晶圆工艺技术，长光华芯不断提升产品性能，确保产品在国际先进水平上保持竞争力。
2024年一季度，长光华芯实现营收5249万元，同比下降41.91%，但与2023年四季度相比，亏损幅度有所收窄。2023年度，由于激光器市场竞争加剧，公司采取了下调单管芯片价格的策略，试图通过价格壁垒维护市场地位，这对营收和毛利率产生了负面影响。此外，公司新兴业务方向，如VCSEL和光通信，目前尚未形成规模，对营收贡献有限。尽管面临亏损，长光华芯依然坚持加大研发投入，2024年一季度的研发投入达到2929万元，占营收的55.80%，同比增长29.46%，这一研发投入占比在行业内处于较高水平。
随着公司技术和市场布局的不断深化，公司与中科院苏州纳米所合资成立的苏州镓锐芯光，已经研制出国内首颗氮化镓基蓝光和绿光激光器芯片，填补了国内空白，并计划在2024年建成国内最大的氮化镓激光器芯片量产线。此外，长光华芯与清纯半导体合作成立的苏州惟清半导体公司，未来的产品将主要用于车载主驱芯片，以抢抓电动汽车等新能源行业的快速发展机遇。
4.5 瑞识科技
瑞识科技是一家总部位于深圳南山的国家高新技术企业、国家级专精特新“小巨人”企业，承担了广东省和深圳市重大技术攻关项目，公司已经通过ISO9001和车规TS16949质量管理体系认证。瑞识科技专注于半导体光芯片领域，并在合肥、厦门、台湾和硅谷设有分部。公司团队具备顶尖的VCSEL芯片研发与量产经验，为智能驾驶、消费电子、工业制造和医疗美容等行业客户提供先进的VCSEL芯片和光学解决方案，拥有超过150项全球专利，月出货产能超过100万颗，VCSEL芯片量产出货总量超1亿颗。凭借傲人的成长潜力和资本表现，瑞识科技已获得由深创投、华润资本、中科创星等机构领投的数亿元人民币投资。
瑞识科技凭借其在光芯片设计、光学集成封装、算法研发和光电系统整合优化等领域的国际领先技术，成功构建了完整的“芯片+光学+应用”产业链，并推出了一系列高性能的自主研发VCSEL芯片和光学集成产品。这些产品被广泛应用于扫地机器人导航、汽车智能驾驶、激光雷达、投影仪智能化3D感知、家用美容仪和智能指环以及词典笔的激光扫描等领域。在可视波段VCSEL领域，瑞识积极推动红光VCSEL多领域创新应用并量产出货超千万颗。在汽车行业的应用方面，瑞识VCSEL产品上车比亚迪，助力其仰望系列汽车的夜间智能驾驶功能。2024年3月，瑞识推出新款二维可寻址激光雷达VCSEL芯片产品并已获得激光雷达大厂量产订单，瑞识也由此成为行业首家量产二维可寻址VCSEL产品的厂商。在消费电子的应用方面，瑞识科技已成功进入海外大厂，成为三星Galaxy Ring的独家VCSEL供应商。此外，瑞识科技的高性能光模组产品已被应用于小米新款家用投影仪，未来还将继续加大对新兴市场的投入，推动更多自主研发的VCSEL技术在各类智能设备中的应用，进一步巩固其行业领先地位。
4.6 纵慧芯光
纵慧芯光成立于2015年，是一家致力于研发和销售高功率、高速VCSEL及模块解决方案的创新型创业公司。是业内首家通过VCSEL芯片车规认证的企业，并于2021年实现了前装驾驶员监控系统（DMS）应用VCSEL芯片的量产。
纵慧芯光目前已完成多达11轮融资，先后吸引了来自华为、小米、比亚迪、大疆创新、禾赛科技、速腾聚创等多个领域的数亿元投资，逐步成为国产VCSEL领域的领先供应商。截止至2023年8月，纵慧芯光已交付超过1亿颗VCSEL芯片。根据Yole发布的2022年全球前10家领先激光雷达（LiDAR）公司名单显示，其中有6家企业与纵慧芯光合作开发了用于汽车激光雷达的定制VCSEL芯片，并有两家公司已开始量产交付。凭借这些合作，纵慧芯光成为亚洲首家、全球前二的汽车前装激光雷达用VCSEL芯片批量交付公司。目前，纵慧芯光在汽车电子市场已有4款VCSEL产品完成开发认证，并进入了持续批量交付阶段。
技术创新方面，公司在2019年成功突破半导体关键材料外延生长技术壁垒，成为国内首家实现VCSEL量产的企业。这一技术突破使得公司能够在汽车电子和光通信领域迅速拓展市场。相关VCSEL产品已被华为、荣耀、夏普、魅族等知名手机品牌采用，如荣耀Magic3 Pro和荣耀Magic3至臻版的3D TOF模块中就应用了纵慧芯光的VCSEL芯片。
此外，纵慧芯光还积极推动其VCSEL技术在汽车MEMS固态激光雷达领域的应用。2022年8月，纵慧芯光与SOSLAB合作，成功开发出具有180度广角和远距离测量性能的ML LiDAR，突破了固态LiDAR在距离和角度上的限制，进一步推动了VCSEL技术在汽车领域的广泛应用。
