蘋果引領(lǐng)新一輪新風(fēng)潮:VCSEL產(chǎn)業(yè)全景分析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(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。 市場研究機(jī)構(gòu)預(yù)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(yù)計(jì)將增長至31.241億美元,2016~2022年期間的復(fù)合年增長率可達(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VCSEL的應(yīng)用增長,正推動整個VCSEL的市場增長。 2014-2022全球VCSEL市場空間預(yù)測(來源:莫尼塔研究) 3D深度視覺作為一個嶄新的技術(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/人臉識別”具備了大規(guī)模進(jìn)入移動智能終端的基礎(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,將會帶動相關(guān)的細(xì)分市場迎來一次井噴式的增長。 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(shí)現(xiàn)實(shí)時三維信息采集,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、人臉識別、三維建模、AR、安防和輔助駕駛等多個應(yīng)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(jì)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(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。 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(jìn)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(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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)類似。 移動端VCSEL 產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)(來源:臺灣工研院網(wǎng)站) 按照當(dāng)前VCSEL成本1.5-3美金計(jì)算,移動端VCSEL市場空間將達(dá)到6.5-13.5億美金,給當(dāng)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(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,它們在移動端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。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,中科院長春光機(jī)所在VCSEL的研究處于世界前沿地位。2014年5月長春光機(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(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。 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,激光探測器實(shí)際上可以簡概為由兩個主要部分構(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、人臉識別應(yīng)用等多種應(yīng)用場景。 因此,未來除了解決芯片問題外,國內(nèi)廠商的機(jī)會更有可能體現(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。 |