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VCSEL(Vertical-cavity surface-emitting laser)，即垂直腔面发射激光器，是集高输出功率和高转换效率和高质量光束等优点于一身，相比于LED 和边发射激光器EEL，在精确度、小型化、低功耗、可靠性等角度全方面占优。 随着VCSEL 芯片技术的成熟，以其作为核心元件的3D Sensing 走入应用，在活体检测，虹膜识别， AR/VR 技术以及机器人识别和机器人避险、自动驾驶辅助等领域得到发展。近期，3D Sensing 的主要应用以手机为主，iPhone X 首次搭载3D 结构光模组，引领3D Sensing 消费市场。目前，全球3D Sensing 供应链趋于完善，VCSEL 设计厂商Lumentum、II-VI 、Finisar、AMS，VCSEL 外延片供应商IQE、全新光电以及台湾晶圆代工厂稳懋、晶电等均纷纷布局3D Sensing 领域。 据预测，未来几年3D Sensing 市场规模将呈几何式增长，到2020 年3D Sensing 市场规模可达到108.49 亿美元2023 年3D 传感的市场空间达到180 亿美元，2018 年-2023 年复合增速达到44%。其中，3D Sensing 在智能手机市场上的渗透率不断提高， 3D Sensing 渗透率有望从2017 年的2.1%提高至2020 年的28.6%。 一、VCSEL 基本结构与工作原理 VCSEL 器件有两种基本结构，一种是顶发射结构：采用MOCVD 技术在n 型GaAs 衬底上生长而成，以DBR 作为激光腔镜，量子阱有源区夹在n-DBR 和p-DBR 之间。由于量子阱厚度小，单程增益小，因此反射镜的反射率较高，一般全返腔镜反射率>99.9%，输出腔镜反射率通过理论计算设定最佳的耦合输出率（一般也大于99%），然后在衬底和p-DBR 外表面制作金属接触层。并在p-DBR 或n-DBR 上制作一个圆形出光窗口，获得圆形光束，窗口直径从几微米可到百微米量级，最后在和导热性好的热沉键合，提高芯片的散热性能。 另一种是底发射结构，一般用于产生976-1064nm 波段，通常将衬底减薄到150μm 以下以减少衬底吸收损耗，再生长一层增透膜以提高激光光束质量，最后将增益芯片安装在热沉上。 VCSEL 结构简图 VCSEL 作为一种半导体激光器，形成激光发光需要完成能量激发和共振放大两个步骤。首先要实现能量激发，通过外加能量（光能或电能）激发半导体的电子由价带跳到导带，当电子由导带跳回价带时，将能量以光能的形式释放出来。然后在发光区外加一对激光腔镜，使光束在左右两片镜片之间反复来回反射，不停地通过发光区吸收光能，最后产生谐振效应，使光的能量放大最终形成激光。
半导体激光器主要分为边发射半导体激光器EEL（edge-emitting laser）和垂直腔面发射半导体激光器VCSEL 两种类型。边发射半导体激光器具有高的光电转换效率和高的输出功率。但是边发射半导体激光器发散角较大，并且平行和垂直于pn 结的两个方向发射角相差较大，这一缺陷极大的限制了边发射半导体激光器的应用范围。 垂直腔面发射半导体激光器具有较好的光束质量和圆对称的光斑分布，发散角较小。KUZNETSOV 等研究人员制备得到的光泵浦垂直腔面发射半导体激光器，其集高输出功率和高转换效率和高质量光束等优点于一身。 EEL 和VCSEL 参数对比 VCSEL 具有完美的光束质量、小的发散角和圆对称光场分布使其与光纤的耦合效率较高，其与多模光纤的耦合效率可大于90%。其较小的有源层体积，使其产生激光的阈值电流较低。极短的谐振腔长度，使得纵模间距变大，易于实现单纵模激光运转。具有垂直于衬底表面光出射方向，易于通过高密度集成实现高功率激光输出。高的传输速率和调制频率，也有利于高速光纤网路传输通信。 VCSEL 在传感器应用方面也展现出优异的性能，相比于早期3D 摄像头系统使用的LED 红外光源，结构更加简单、体积更小、功耗更低、距离检测更加精确。 850nm LED VS 850nm VCSEL 三种不同的光源效果 二、VCSEL 广泛的应用范围，3D Sensing 市场可期 随着VCSEL 研究的不断发展，以其作为核心元件的3D 摄像头可以更快、更好的走入应用，产品进入市场。3D 成像对比传统的 2D 成像技术有着更好的技术特性，全面的三维信息可以更好的应用在智能化设备中，如活体检测，虹膜识别， AR/VR 技术以及机器人识别和机器人避险、自动驾驶辅助等领域，随着时间演进，到2023 年3D 传感的市场空间达到180 亿美金，2018 年-2023 年复合增速达到44%。 3D Sensing 市场规模快速增长（$ M） 据Trend Force 统计，到2017 年年底，全球3D Sensing 市场规模仅为8.19 亿美元。但受益于消费电子市场可预见的爆发式增长，全球3D Sensing 市场规模将不断扩大。Trend Force 预测，未来几年3D Sensing 市场规模将呈几何式增长，到2020 年，3D Sensing 市场规模可达到108.49 亿美元。其中，3DSensing 在智能手机市场上的渗透率不断提高，3D Sensing 渗透率有望从2017 年的2.1%提高至2020 年的28.6%。 据Deutsche Bank 统计，2017 年搭载3D Sensing 模组的智能手机（仅iPhone）数量为3800 万台，在智能手机上搭载率仅为3%。2018 年随着3D Sensing 模组在Android 手机上进行使用，智能手机市场3D Sensing 模组需求扩大。据预测，2020 年搭载3D Sensing 模组的iPhone 手机数量将达4.4 亿台，搭载3DSensing 的Android 手机数量将达4.65亿台，3D Sensing 在智能手机上搭载率将达到38%。 全球3D sensing 市场规模预测及智能手机市场占比 智能手机市场3D Sensing 模组搭载情况预测 三、3D Sensing 产业链 iPhone X 红外点阵投影器封装结构图 自苹果手机iPhone X 搭载3D Sensing 摄像头引爆市场后，国内各手机品牌在新推出的智能手机上也纷纷搭载3D结构光组件。据估计，2018 年全球手机镜头颗数总量可达约37 亿颗，YoY 达11.5%，2020 年达45 亿颗，摄像头总量增加高于智能手机增速。这主要由于双或多摄像头普及率越来越高，且每台手机搭载不同功能的镜头数量越来越多。三星和华为出产的手机预计有90%以上将搭载双或多摄像模块。预计2020 年每台手机将搭载2.94 颗，到2021 年每台手机搭载颗数将超过3 颗。 3D Sensing 产业的良好前景，已引起了国内厂商注意，晶电、三安等厂商积极进入该市场。
3D Sensing 产业链相关零部件对应市场规模
VCSEL 产业链主要厂商 文章来源：浙商证券研究所 |
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