苹果引领新一轮新风潮：VCSEL产业全景分析

　　在苹果备受关注的iPhone 8发布前夕，两则新闻引起业界关注：Lumentum 3D传感器打进iPhone 8供应链，股价暴涨14%;苹果效应：无名晶圆公司IQE股价今年以来狂涨300%。可以说，每一代iPhone的创新点，都给产业链公司带来了福利。

　　Lumentum和IQE均来自VCSEL供应链。VCSEL全名为垂直共振腔表面放射激光(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL)，简称面射型激光，是一种垂直表面出光的新型激光器，也是光纤通讯所采用的光源之一。VCSEL市场按产品类型细分可分为单模VCSEL和多模VCSEL，未来多模VCSEL预计将占据主要的市场份额，它们正广泛应用于3D成像和数据通讯。多模VCSEL可以提供更好的调制效果和更高的传输速率，使其相比单模VCSEL产品更受欢迎，而单模VCSEL通常应用于打印、条形码等其它传感应用。

　　市场研究机构预测，2015年VCSEL(垂直腔面发射激光器)市场规模为9.546亿美元，至2022年预计将增长至31.241亿美元，2016~2022年期间的复合年增长率可达17.3%。VCSEL凭借其紧凑的尺寸、高可靠性、低功耗以及较低的制造成本而应用广泛。而汽车产业电气系统对VCSEL的应用增长，正推动整个VCSEL的市场增长。

　　2014-2022全球VCSEL市场空间预测(来源：莫尼塔研究)

　　3D深度视觉作为一个崭新的技术，已经出现在微软Kinect、英特尔RealSense等消费级产品中。随着硬件端技术的不断进步，算法与软件层面的不断优化，3D深度视觉的精度和实用性得到大幅提升，尤其是ToF方案与VCSEL的快速成熟，使得“深度相机+手势/人脸识别”具备了大规模进入移动智能终端的基础。而iPhone十周年机型拟应用以VCSEL激光器为核心关键器件的3D Sensing摄像头，将会带动相关的细分市场迎来一次井喷式的增长。

　　3D摄像头结构

　　3D摄像头相比传统摄像头，在硬件上最大的不同是前端引入了VCSEL模组。3D摄像头特点在于除了能够获取平面图像以外，还可以获得拍摄对象的深度信息，即三维的位置及尺寸信息，其通常由多个摄像头+深度传感器组成。3D摄像头可实现实时三维信息采集，为消费电子终端加上了物体感知功能，从而引入人机交互、人脸识别、三维建模、AR、安防和辅助驾驶等多个应用场景。

　　3D摄像头主要硬件包括四部分：红外光发射器(IR LD或VCSEL)、红外光摄像头(IR CIS或者其他光电二极管)& 可见光摄像头(Vis CIS)、图像处理芯片。

　　整个三维视觉系统的工作原理为：首先红外激光发射器发射出近红外光，经过人手或人脸的反射之后，被红外图像传感器所接收，这个图像信息用来计算人手所处的位置(Z轴);同时，可见光图像传感器采集二维平面(X与Y轴)的人手信息(Vis Light);两颗图像传感器的信息汇总至专用的图像处理芯片，从而得到人手或人脸的三维数据，实现空间定位。

　　3D摄像头需配置双摄像模组，组装良率比一般模组低5%—15%，双摄模组成本目前约在12-25美元，是单摄像头的1.5—3倍;iPhone所使用的双摄规模更为高端，成本预估超过30美元。

　　3D摄像头产业链

　　iPhone 8将采用的3D摄像头，使激光发射器产业链厂商的下游，从光器件行业扩展到消费电子领域，从0到1打开新的市场。

　　图像处理芯片需要将红外光CIS采集的位置信息与可见光CIS采集的物体平面信息处理成单像素含有深度信息的三维图像。该芯片具有一定的技术壁垒，对于算法层面的要求较高，目前全球范围内可以提供该类产品的公司为少数几家芯片巨头。

　　VCSEL 的制造依赖于MBE(分子束外延)或MOCVD(金属有机物气相沉积)工艺，在GaAs(80%左右的份额)或InP(15%左右的份额)晶圆上生长多层反射层与发射层。由于VCSEL 主要采用三五族化合物半导体材料GaAs 或 InP(含有In、Al 等掺杂)，因此移动端VCSEL产业链与化合物半导体产业链结构类似。

　　VCSEL产业链

　　目前，全球范围内主要的设计者包括Finsar、Lumentum、Princeton Optronics、Heptagon、ⅡⅥ等公司，它们在移动端VCSEL处于前沿的研发角色。由IQE、全新、联亚光电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)、稳懋(Heptagon 合作方)等公司进行晶圆制造，再经过联钧、矽品等公司的封测，便变成了独立的VCSEL 器件。然后由设计公司提供给意法半导体、德州仪器、英飞凌等综合解决方案商，再提供给下游消费电子厂商。

　　VCSEL的制造依赖于MBE(分子束外延)或MOCVD(金属有机物气相沉积)工艺，在GaAs(80%左右的份额)或InP(15%左右的份额)晶圆上生长多层反射层与发射层。移动端VCSEL产业链与化合物半导体产业链结构类似。

　　移动端VCSEL 产业链结构(来源：台湾工研院网站)

　　按照当前VCSEL成本1.5-3美金计算，移动端VCSEL市场空间将达到6.5-13.5亿美金，给当前VCSEL市场带来20%-30%的增长。

　　国内VCSEL产业发情况

　　目前，致力于移动端设计的VCSEL芯片生产公司全球只有七八家，例如Finsar、Lumentum、Princeton Optronics、Heptagon(已被AMS收购)、ⅡⅥ等公司，且大部分在美国，它们在移动端VCSEL处于前沿的研发角色。而据媒体报道，为iPhone 8提供VCSEL激光器的生产商是Finsar公司、Lumentum公司和II-VI公司三家。

　　国内苹果产业链上也已经开始准备切入这一市场。而现有的VCSEL器件厂家包括武汉光迅，江苏华芯，山东太平洋，深圳源国等也都在积极准备。相比之下，光通讯领域中，国内光通讯器件厂商光迅科技已有VCSEL商业化产品推出，但是在消费电子领域，国内尚无一家拥有VCSEL芯片量产能力的企业。

　　科研领域中，中科院长春光机所在VCSEL的研究处于世界前沿地位。2014年5月长春光机所在国内首次研制出碱金属原子光学传感技术专用的795 nm和894 nm VCSEL激光器，可作为核心光源用于芯片级原子钟、原子磁力计、原子陀螺仪等碱金属原子传感器。

　　除此之外，还有吉林大学、长春理工大学、北京邮电大学、西南交通大学、厦门大学、华中科技大学、中科院半导体所、中科院物理所等高校及科研院所均对VCSEL开展了不同层次的研究。

　　目前结构光产业链一流供应商皆已被苹果锁定，国内厂商在Fliter(水晶光电)、模组(欧菲光)方面具备较强实力，但在VCSEL、DOE、WLO、IR CIS、3D图像处理芯片方面能力欠缺。综合来看，

　　光迅科技：全面覆盖光有源器件和无源器件，拥有大量生产1G和小批量10G VCSEL能力，年自制芯片产量超过四千万片。具备工业级VCSEL激光器的生产能力。

　　三安光电：覆盖芯片、微波集成电路代工、光通信。拥有从可见光到不可见光全系列产品，同时在上游原材料(基材和气体)以及下游应用(汽车照明)进行全产业链布局。

　　华工科技(华工正源)：中国激光行业的领军企业，子公司华工正源是中国最具影响力的光通信器件供应商之一。

　　理工光科：光纤传感方面具备丰富的技术能力，有望在Vcsel的应用中获得机会。

　　华工科技：子公司华工正源是国内领先的光模块制造商。

　　新易盛：国内光器件领域的后起之秀，体制机制灵活。

　　国内VCSEL芯片开发的进展和未来相机应用VCSEL的技术难点

　　国内光芯片光迅是龙头，正在逐步追赶并有望在近两年实现跨越，特别如果100G芯片突破之后。从光迅的产品资料可以了解到，1G VCSEL芯片已经有应用，更高端的10G、25G预计也正在验证拓展中，芯片能力已经初步具备。其他厂商目前并不明确是否具备能力，华工科技和华工正源预计也有研发投入。

　　光芯片之后，激光探测器实际上可以简概为由两个主要部分构成，光芯片+电控模块，历史上这两部分都是要进口的，国内主要是封装，这种光传输的封装难度远高于半导体产业的封装，从旭创、光迅等公司的相关产品毛利率对照可以看出。目前电控模块可能仍然要进口，光芯片正在逐步国产化。

　　由于VCSEL模块要应用在手机相机中，在解决光模块封装后还要解决与相机组建的一体化封装问题。在相机中，激光模块功能类似于激光雷达，相机感光CCD只能解决平面成像，前段时间探讨的双目摄像头受限于手机尺寸也很难真正形成3D效果，只有直接装上激光雷达VCSEL可以直接解决问题，支撑未来3D玻璃显示、VR应用、人脸识别应用等多种应用场景。

　　因此，未来除了解决芯片问题外，国内厂商的机会更有可能体现在封装能力等方面，手机空间导致的极其苛刻的封装条件、与相机CCD模块集成封装的特殊要求、与后端3D集成算法关联的技术等才是未来VCSEL在手机上应用所要优先解决的技术难题。