蘋果引領(lǐng)新一輪新風(fēng)潮：VCSEL產(chǎn)業(yè)全景分析

　　在蘋果備受關(guān)注的iPhone 8發(fā)布前夕，兩則新聞引起業(yè)界關(guān)注：Lumentum 3D傳感器打進(jìn)iPhone 8供應(yīng)鏈，股價(jià)暴漲14%;蘋果效應(yīng)：無名晶圓公司IQE股價(jià)今年以來狂漲300%?？梢哉f，每一代iPhone的創(chuàng)新點(diǎn)，都給產(chǎn)業(yè)鏈公司帶來了福利。

　　Lumentum和IQE均來自VCSEL供應(yīng)鏈。VCSEL全名為垂直共振腔表面放射激光(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL)，簡(jiǎn)稱面射型激光，是一種垂直表面出光的新型激光器，也是光纖通訊所采用的光源之一。VCSEL市場(chǎng)按產(chǎn)品類型細(xì)分可分為單模VCSEL和多模VCSEL，未來多模VCSEL預(yù)計(jì)將占據(jù)主要的市場(chǎng)份額，它們正廣泛應(yīng)用于3D成像和數(shù)據(jù)通訊。多模VCSEL可以提供更好的調(diào)制效果和更高的傳輸速率，使其相比單模VCSEL產(chǎn)品更受歡迎，而單模VCSEL通常應(yīng)用于打印、條形碼等其它傳感應(yīng)用。

　　市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，2015年VCSEL(垂直腔面發(fā)射激光器)市場(chǎng)規(guī)模為9.546億美元，至2022年預(yù)計(jì)將增長(zhǎng)至31.241億美元，2016~2022年期間的復(fù)合年增長(zhǎng)率可達(dá)17.3%。VCSEL憑借其緊湊的尺寸、高可靠性、低功耗以及較低的制造成本而應(yīng)用廣泛。而汽車產(chǎn)業(yè)電氣系統(tǒng)對(duì)VCSEL的應(yīng)用增長(zhǎng)，正推動(dòng)整個(gè)VCSEL的市場(chǎng)增長(zhǎng)。

　　2014-2022全球VCSEL市場(chǎng)空間預(yù)測(cè)(來源：莫尼塔研究)

　　3D深度視覺作為一個(gè)嶄新的技術(shù)，已經(jīng)出現(xiàn)在微軟Kinect、英特爾RealSense等消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品中。隨著硬件端技術(shù)的不斷進(jìn)步，算法與軟件層面的不斷優(yōu)化，3D深度視覺的精度和實(shí)用性得到大幅提升，尤其是ToF方案與VCSEL的快速成熟，使得“深度相機(jī)+手勢(shì)/人臉識(shí)別”具備了大規(guī)模進(jìn)入移動(dòng)智能終端的基礎(chǔ)。而iPhone十周年機(jī)型擬應(yīng)用以VCSEL激光器為核心關(guān)鍵器件的3D Sensing攝像頭，將會(huì)帶動(dòng)相關(guān)的細(xì)分市場(chǎng)迎來一次井噴式的增長(zhǎng)。

　　3D攝像頭結(jié)構(gòu)

　　3D攝像頭相比傳統(tǒng)攝像頭，在硬件上最大的不同是前端引入了VCSEL模組。3D攝像頭特點(diǎn)在于除了能夠獲取平面圖像以外，還可以獲得拍攝對(duì)象的深度信息，即三維的位置及尺寸信息，其通常由多個(gè)攝像頭+深度傳感器組成。3D攝像頭可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)三維信息采集，為消費(fèi)電子終端加上了物體感知功能，從而引入人機(jī)交互、人臉識(shí)別、三維建模、AR、安防和輔助駕駛等多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景。

　　3D攝像頭主要硬件包括四部分：紅外光發(fā)射器(IR LD或VCSEL)、紅外光攝像頭(IR CIS或者其他光電二極管)& 可見光攝像頭(Vis CIS)、圖像處理芯片。

　　整個(gè)三維視覺系統(tǒng)的工作原理為：首先紅外激光發(fā)射器發(fā)射出近紅外光，經(jīng)過人手或人臉的反射之后，被紅外圖像傳感器所接收，這個(gè)圖像信息用來計(jì)算人手所處的位置(Z軸);同時(shí)，可見光圖像傳感器采集二維平面(X與Y軸)的人手信息(Vis Light);兩顆圖像傳感器的信息匯總至專用的圖像處理芯片，從而得到人手或人臉的三維數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)空間定位。

　　3D攝像頭需配置雙攝像模組，組裝良率比一般模組低5%—15%，雙攝模組成本目前約在12-25美元，是單攝像頭的1.5—3倍;iPhone所使用的雙攝規(guī)模更為高端，成本預(yù)估超過30美元。

　　3D攝像頭產(chǎn)業(yè)鏈

　　iPhone 8將采用的3D攝像頭，使激光發(fā)射器產(chǎn)業(yè)鏈廠商的下游，從光器件行業(yè)擴(kuò)展到消費(fèi)電子領(lǐng)域，從0到1打開新的市場(chǎng)。

　　圖像處理芯片需要將紅外光CIS采集的位置信息與可見光CIS采集的物體平面信息處理成單像素含有深度信息的三維圖像。該芯片具有一定的技術(shù)壁壘，對(duì)于算法層面的要求較高，目前全球范圍內(nèi)可以提供該類產(chǎn)品的公司為少數(shù)幾家芯片巨頭。

　　VCSEL 的制造依賴于MBE(分子束外延)或MOCVD(金屬有機(jī)物氣相沉積)工藝，在GaAs(80%左右的份額)或InP(15%左右的份額)晶圓上生長(zhǎng)多層反射層與發(fā)射層。由于VCSEL 主要采用三五族化合物半導(dǎo)體材料GaAs 或 InP(含有In、Al 等摻雜)，因此移動(dòng)端VCSEL產(chǎn)業(yè)鏈與化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)類似。

　　VCSEL產(chǎn)業(yè)鏈

　　目前，全球范圍內(nèi)主要的設(shè)計(jì)者包括Finsar、Lumentum、Princeton Optronics、Heptagon、ⅡⅥ等公司，它們?cè)谝苿?dòng)端VCSEL處于前沿的研發(fā)角色。由IQE、全新、聯(lián)亞光電等公司提供三五族化合物EPI外延硅片，然后由宏捷科(Princeton Optronics合作方)、穩(wěn)懋(Heptagon 合作方)等公司進(jìn)行晶圓制造，再經(jīng)過聯(lián)鈞、矽品等公司的封測(cè)，便變成了獨(dú)立的VCSEL 器件。然后由設(shè)計(jì)公司提供給意法半導(dǎo)體、德州儀器、英飛凌等綜合解決方案商，再提供給下游消費(fèi)電子廠商。

　　VCSEL的制造依賴于MBE(分子束外延)或MOCVD(金屬有機(jī)物氣相沉積)工藝，在GaAs(80%左右的份額)或InP(15%左右的份額)晶圓上生長(zhǎng)多層反射層與發(fā)射層。移動(dòng)端VCSEL產(chǎn)業(yè)鏈與化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)類似。

　　移動(dòng)端VCSEL 產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)(來源：臺(tái)灣工研院網(wǎng)站)

　　按照當(dāng)前VCSEL成本1.5-3美金計(jì)算，移動(dòng)端VCSEL市場(chǎng)空間將達(dá)到6.5-13.5億美金，給當(dāng)前VCSEL市場(chǎng)帶來20%-30%的增長(zhǎng)。

　　國內(nèi)VCSEL產(chǎn)業(yè)發(fā)情況

　　目前，致力于移動(dòng)端設(shè)計(jì)的VCSEL芯片生產(chǎn)公司全球只有七八家，例如Finsar、Lumentum、Princeton Optronics、Heptagon(已被AMS收購)、ⅡⅥ等公司，且大部分在美國，它們?cè)谝苿?dòng)端VCSEL處于前沿的研發(fā)角色。而據(jù)媒體報(bào)道，為iPhone 8提供VCSEL激光器的生產(chǎn)商是Finsar公司、Lumentum公司和II-VI公司三家。

　　國內(nèi)蘋果產(chǎn)業(yè)鏈上也已經(jīng)開始準(zhǔn)備切入這一市場(chǎng)。而現(xiàn)有的VCSEL器件廠家包括武漢光迅，江蘇華芯，山東太平洋，深圳源國等也都在積極準(zhǔn)備。相比之下，光通訊領(lǐng)域中，國內(nèi)光通訊器件廠商光迅科技已有VCSEL商業(yè)化產(chǎn)品推出，但是在消費(fèi)電子領(lǐng)域，國內(nèi)尚無一家擁有VCSEL芯片量產(chǎn)能力的企業(yè)。

　　科研領(lǐng)域中，中科院長(zhǎng)春光機(jī)所在VCSEL的研究處于世界前沿地位。2014年5月長(zhǎng)春光機(jī)所在國內(nèi)首次研制出堿金屬原子光學(xué)傳感技術(shù)專用的795 nm和894 nm VCSEL激光器，可作為核心光源用于芯片級(jí)原子鐘、原子磁力計(jì)、原子陀螺儀等堿金屬原子傳感器。

　　除此之外，還有吉林大學(xué)、長(zhǎng)春理工大學(xué)、北京郵電大學(xué)、西南交通大學(xué)、廈門大學(xué)、華中科技大學(xué)、中科院半導(dǎo)體所、中科院物理所等高校及科研院所均對(duì)VCSEL開展了不同層次的研究。

　　目前結(jié)構(gòu)光產(chǎn)業(yè)鏈一流供應(yīng)商皆已被蘋果鎖定，國內(nèi)廠商在Fliter(水晶光電)、模組(歐菲光)方面具備較強(qiáng)實(shí)力，但在VCSEL、DOE、WLO、IR CIS、3D圖像處理芯片方面能力欠缺。綜合來看，

　　光迅科技：全面覆蓋光有源器件和無源器件，擁有大量生產(chǎn)1G和小批量10G VCSEL能力，年自制芯片產(chǎn)量超過四千萬片。具備工業(yè)級(jí)VCSEL激光器的生產(chǎn)能力。

　　三安光電：覆蓋芯片、微波集成電路代工、光通信。擁有從可見光到不可見光全系列產(chǎn)品，同時(shí)在上游原材料(基材和氣體)以及下游應(yīng)用(汽車照明)進(jìn)行全產(chǎn)業(yè)鏈布局。

　　華工科技(華工正源)：中國激光行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，子公司華工正源是中國最具影響力的光通信器件供應(yīng)商之一。

　　理工光科：光纖傳感方面具備豐富的技術(shù)能力，有望在Vcsel的應(yīng)用中獲得機(jī)會(huì)。

　　華工科技：子公司華工正源是國內(nèi)領(lǐng)先的光模塊制造商。

　　新易盛：國內(nèi)光器件領(lǐng)域的后起之秀，體制機(jī)制靈活。

　　國內(nèi)VCSEL芯片開發(fā)的進(jìn)展和未來相機(jī)應(yīng)用VCSEL的技術(shù)難點(diǎn)

　　國內(nèi)光芯片光迅是龍頭，正在逐步追趕并有望在近兩年實(shí)現(xiàn)跨越，特別如果100G芯片突破之后。從光迅的產(chǎn)品資料可以了解到，1G VCSEL芯片已經(jīng)有應(yīng)用，更高端的10G、25G預(yù)計(jì)也正在驗(yàn)證拓展中，芯片能力已經(jīng)初步具備。其他廠商目前并不明確是否具備能力，華工科技和華工正源預(yù)計(jì)也有研發(fā)投入。

　　光芯片之后，激光探測(cè)器實(shí)際上可以簡(jiǎn)概為由兩個(gè)主要部分構(gòu)成，光芯片+電控模塊，歷史上這兩部分都是要進(jìn)口的，國內(nèi)主要是封裝，這種光傳輸?shù)姆庋b難度遠(yuǎn)高于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的封裝，從旭創(chuàng)、光迅等公司的相關(guān)產(chǎn)品毛利率對(duì)照可以看出。目前電控模塊可能仍然要進(jìn)口，光芯片正在逐步國產(chǎn)化。

　　由于VCSEL模塊要應(yīng)用在手機(jī)相機(jī)中，在解決光模塊封裝后還要解決與相機(jī)組建的一體化封裝問題。在相機(jī)中，激光模塊功能類似于激光雷達(dá)，相機(jī)感光CCD只能解決平面成像，前段時(shí)間探討的雙目攝像頭受限于手機(jī)尺寸也很難真正形成3D效果，只有直接裝上激光雷達(dá)VCSEL可以直接解決問題，支撐未來3D玻璃顯示、VR應(yīng)用、人臉識(shí)別應(yīng)用等多種應(yīng)用場(chǎng)景。

　　因此，未來除了解決芯片問題外，國內(nèi)廠商的機(jī)會(huì)更有可能體現(xiàn)在封裝能力等方面，手機(jī)空間導(dǎo)致的極其苛刻的封裝條件、與相機(jī)CCD模塊集成封裝的特殊要求、與后端3D集成算法關(guān)聯(lián)的技術(shù)等才是未來VCSEL在手機(jī)上應(yīng)用所要優(yōu)先解決的技術(shù)難題。