蘋果引領新一輪新風潮：VCSEL產(chǎn)業(yè)全景分析

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

　　Lumentum和IQE均來自VCSEL供應鏈。VCSEL全名為垂直共振腔表面放射激光(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL)，簡稱面射型激光，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市場按產(chǎn)品類型細分可分為單模VCSEL和多模VCSEL，未來多模VCSEL預計將占據(jù)主要的市場份額，它們正廣泛應用于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通常應用于打印、條形碼等其它傳感應用。

　　市場研究機構預測，2015年VCSEL(垂直腔面發(fā)射激光器)市場規(guī)模為9.546億美元，至2022年預計將增長至31.241億美元，2016~2022年期間的復合年增長率可達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用廣泛。而汽車產(chǎn)業(yè)電氣系統(tǒng)對VCSEL的應用增長，正推動整個VCSEL的市場增長。

　　2014-2022全球VCSEL市場空間預測(來源：莫尼塔研究)

　　3D深度視覺作為一個嶄新的技術，已經(jīng)出現(xiàn)在微軟Kinect、英特爾RealSense等消費級產(chǎn)品中。隨著硬件端技術的不斷進步，算法與軟件層面的不斷優(yōu)化，3D深度視覺的精度和實用性得到大幅提升，尤其是ToF方案與VCSEL的快速成熟，使得“深度相機+手勢/人臉識別”具備了大規(guī)模進入移動智能終端的基礎。而iPhone十周年機型擬應用以VCSEL激光器為核心關鍵器件的3D Sensing攝像頭，將會帶動相關的細分市場迎來一次井噴式的增長。

　　3D攝像頭結構

　　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攝像頭特點在于除了能夠獲取平面圖像以外，還可以獲得拍攝對象的深度信息，即三維的位置及尺寸信息，其通常由多個攝像頭+深度傳感器組成。3D攝像頭可實現(xiàn)實時三維信息采集，為消費電子終端加上了物體感知功能，從而引入人機交互、人臉識別、三維建模、AR、安防和輔助駕駛等多個應用場景。

　　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，這個圖像信息用來計算人手所處的位置(Z軸);同時，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)擴展到消費電子領域，從0到1打開新的市場。

　　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壁壘，對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體材料GaAs 或 InP(含有In、Al 等摻雜)，因此移動端VCSEL產(chǎn)業(yè)鏈與化合物半導體產(chǎn)業(yè)鏈結構類似。

　　VCSEL產(chǎn)業(yè)鏈

　　目前，全球范圍內(nèi)主要的設計者包括Finsar、Lumentum、Princeton Optronics、Heptagon、ⅡⅥ等公司，它們在移動端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)等公司進行晶圓制造，再經(jīng)過聯(lián)鈞、矽品等公司的封測，便變成了獨立的VCSEL 器件。然后由設計公司提供給意法半導體、德州儀器、英飛凌等綜合解決方案商，再提供給下游消費電子廠商。

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

　　移動端VCSEL 產(chǎn)業(yè)鏈結構(來源：臺灣工研院網(wǎng)站)

　　按照當前VCSEL成本1.5-3美金計算，移動端VCSEL市場空間將達到6.5-13.5億美金，給當前VCSEL市場帶來20%-30%的增長。

　　國內(nèi)VCSEL產(chǎn)業(yè)發(fā)情況

　　目前，致力于移動端設計的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，它們在移動端VCSEL處于前沿的研發(fā)角色。而據(jù)媒體報道，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)開始準備切入這一市場。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備。相比之下，光通訊領域中，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，但是在消費電子領域，國內(nèi)尚無一家擁有VCSEL芯片量產(chǎn)能力的企業(yè)。

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

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

　　目前結構光產(chǎn)業(yè)鏈一流供應商皆已被蘋果鎖定，國內(nèi)廠商在Fliter(水晶光電)、模組(歐菲光)方面具備較強實力，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，同時在上游原材料(基材和氣體)以及下游應用(汽車照明)進行全產(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商之一。

　　理工光科：光纖傳感方面具備豐富的技術能力，有望在Vcsel的應用中獲得機會。

　　華工科技：子公司華工正源是國內(nèi)領先的光模塊制造商。

　　新易盛：國內(nèi)光器件領域的后起之秀，體制機制靈活。

　　國內(nèi)VCSEL芯片開發(fā)的進展和未來相機應用VCSEL的技術難點

　　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)有應用，更高端的10G、25G預計也正在驗證拓展中，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計也有研發(fā)投入。

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

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

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