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2017年我国VCSEL行业优势及产业链结构分析(图)

        VCSEL是近红外光源最佳方案

        目前,可以提供800-1000nm波段的近红外光源主要有三种:红外LED、红外LD-EEL(边发射激光二极管)和VCSEL(垂直腔面发射激光器)。

 
表:三种主流近红外光发射光源红外LED红

        VCSEL可以说是红外激光LD的一种,全名为垂直共振腔表面放射激光器,顾名思义,它采用垂直发射模式,与其他红外LD的边发射模式不同。VCSEL的垂直结构更加适合进行晶圆级制造和封测,规模量产之后的成本相比于边发射LD有优势,可靠性高,没有传统的激光器结构如暗线缺陷的失效模式。相比于LED,VCSEL的光谱质量高,中心波长温漂小,响应速度快,优势明显。

        综合分析三种方案,LED虽然成本低,但是发射光角度大,必须输出更多的功率以克服损失。此外,LED不能快速调制,限制了分辨率,需要增加闪光持续时间;边发射LD也是手势识别的可选方案,但是输出功率固定,边缘发射的模式在制造工艺方面兼容性不好;VCSEL比LD-EEL的优势在于所需的驱动电压和电流小,功耗低,光源可调变频率更高(可达数GHz),与化合物半导体工艺兼容,适合大规模集成制造。尤其是VCSEL功耗低、可调频率高、垂直发射的优点,使其比LD-EEL更加适合消费电子智能终端。

 
图:VCSEL相比于LED光谱质量高,温漂小

 
图:三种主流近红外光发射光源对比

        VCSEL由于其制造工艺难度较大,产品的成本相对较高,随着各大厂商的重视,尤其是高速光通信的快速发展,VCSEL工艺逐步成熟。近年来VCSEL已经大规模用于高速光网络传输领域作为激光光源,目前的产品价格已经非常接近LD-EEL。

 
图:典型的VCSEL材料结构

        参考中国报告网发布2018-2023年中国激光器行业市场产销态势分析与发展商机分析研究报告

        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。典型的VCSEL结构包括:激光腔(lasercavity),顶部和底部分布式布拉格反射器(DBR),电极等部分,其中激光腔的主要部分是量子阱(quantumwells)和光限制层(confinementstructure)。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。

 
图:VCSEL产业链结构

        目前,全球范围内主要的VCSEL供应商包括Finsar、Lumentum、PrincetonOptronics、ⅡⅥ等公司,它们在移动端VCSEL处于前沿的研发角色。具体的生产分为IDM和代工两种方式,在代工模式下,由IQE、全新、联亚光电等公司提供三五族化合物EPI外延片,然后由宏捷科、稳懋等公司进行晶圆制造,再经过联钧、矽品、同欣(基板)等公司的封测,便变成了独立的VCSEL器件。

 
图:Finsar的VCSEL应用于手机距离传感器

 
图:Finsar的VCSEL应用于手势识别

        目前,致力于移动端小型化VCSEL方案设计的公司主要包括Finsar、Lumentum、PrincetonOptronics(已被AMS收购)、ⅡⅥ等国外光通信器件公司。国内方面光迅科技、华芯半导体具备中低端VCSEL的设计和生产能力,长春光机所在VCSEL技术研发方面有一定竞争力。但是整体而言,国内公司与海外巨头相比差距较大。

 
图:光迅科技10G速率VCSEL收发合一光模块

 
图:长春光机所研发出795nm的VCSEL

        近年来,国内在VCSEL方面开始出现优秀的创业型公司,比如2016年1月创立于美国硅谷的纵慧光电,已经做出了具备高效率、高性能的VCSEL芯片产品,涵盖了850纳米和940纳米这两个波段,有望应用于3D视觉消费级市场。

 
图:纵慧光电生产的应用于3D深度传感的VCSEL芯片

 
图:纵慧光电生产的规则VCSEL阵列

        根据Lumentum在17年二季度的财报说明会,其消费级VCSEL产品订单从上季度的500万美元大幅跃升至2亿美元,根据美国和台湾产业链(如BI、科技时报等)的分析,订单主要来自于苹果公司。我们判断,Lumentum将为苹果新一代iPhone8提供3D相机中的VCSEL器件,而且是主力供应商。除了Lumentum之外,II-VI公司也在苹果供应链之列,同时菲尼萨也有望加入。

 
图:Lumentum针对3D视觉推出的VCSEL光源方案
资料来源:中国报告网整理,转载请注明出处(GQ)

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