華為、比亞迪、小米爭相布局，國產(chǎn)VCSEL能否挑戰(zhàn)Lumentum？

導語：VCSEL芯片在消費電子產(chǎn)品中出貨量達到數(shù)十億顆，已成為人類歷史上使用最廣泛的激光器，超過了所有其他激光器類型的總使用量。基于VCSEL的激光雷達有望在未來幾年將其成本降低至100美元。

什么是VCSEL芯片？

VCSEL（垂直腔面發(fā)射激光器）是一種特殊的半導體激光器，其最大特點是激光垂直于芯片表面發(fā)射，而非傳統(tǒng)邊發(fā)射激光器（EEL）側(cè)向出光。VCSEL主要由多層布拉格反射鏡（DBR）、有源區(qū)（量子阱）和半導體襯底構(gòu)成，形成類似“三明治”結(jié)構(gòu)的垂直諧振腔。

相比EEL，VCSEL具備多項顯著優(yōu)勢，包括圓形光斑和低發(fā)散角，便于光學系統(tǒng)集成，高效低功耗，閾值電流低（1-2mA），部分型號電光轉(zhuǎn)換效率高達59.7%。此外，VCSEL支持二維陣列化生產(chǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)晶圓級測試和封裝，降低單顆芯片的成本，且具備更快的調(diào)制速率，使其廣泛應用于高速光通信和實時傳感等領(lǐng)域。同時，VCSEL的晶圓級制造工藝，使其無需單獨裝調(diào)，降低了人工調(diào)試成本，提高了產(chǎn)品的一致性和可靠性。相較于傳統(tǒng)EEL，VCSEL在LiDAR系統(tǒng)中的大規(guī)模應用能夠有效降低整體成本，并提升系統(tǒng)的耐用性。

盡管早期單芯片VCSEL的功率較低，主要用于短距離應用，但隨著多結(jié)技術(shù)的發(fā)展（如Lumentum的多結(jié)VCSEL陣列），通過增加多個有源層，功率密度可達1800W/mm2，突破了中遠距離探測的限制，使其在汽車激光雷達、長距離光通信等領(lǐng)域展現(xiàn)出更強的競爭力。

在光通信領(lǐng)域，850nm多模VCSEL已成為短距離（<300m）高速數(shù)據(jù)傳輸的核心器件，支持400Gbps的數(shù)據(jù)中心互連，并廣泛應用于超算、服務器和交換機等設備。近年來，長波長VCSEL（1310nm/1550nm）逐步突破單模功率瓶頸，相較于傳統(tǒng)的DFB激光器，長波長VCSEL在可靠性、低成本、低功耗等方面具備更大優(yōu)勢，有望逐步滲透長距離光通信市場。

在3D傳感及消費電子領(lǐng)域，VCSEL已成為智能手機3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)的核心器件，蘋果Face ID即采用AR-VCSEL方案，其940nm發(fā)射波長、發(fā)散角小于20°，并支持200米內(nèi)的高精度3D探測。AR/VR設備也廣泛采用VCSEL陣列，實現(xiàn)高分辨率的手勢交互和環(huán)境感知。

在新興的工業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域，高功率VCSEL已被廣泛用于精密工業(yè)加熱，如PCB焊接、半導體封裝、塑料加工等應用，具備精準溫控、高能量密度和均勻加熱等優(yōu)勢，提升了生產(chǎn)效率和良率。

VCSEL芯片應用領(lǐng)域，來源：與非研究院整理

在汽車激光雷達應用中，VCSEL的多結(jié)陣列技術(shù)突破了傳統(tǒng)單結(jié)VCSEL功率較低的瓶頸，使其在短距和長距激光雷達領(lǐng)域均具備競爭力。多結(jié)VCSEL陣列廣泛應用于短距LiDAR，如車艙監(jiān)控、DMS（駕駛員監(jiān)測系統(tǒng)）、手勢識別等，憑借高功率密度和低熱阻特性，能夠在車載環(huán)境下長期穩(wěn)定運行。同時，隨著功率的提升，VCSEL在長距LiDAR中的應用也逐步拓展，部分方案已可實現(xiàn)200米以上的探測能力。

規(guī)?；娲鶨EL，VCSEL如何成為激光雷達新趨勢？

VCSEL在激光雷達（LiDAR）系統(tǒng)中的應用日益廣泛，其作為核心光源承擔測距、成像及環(huán)境感知等關(guān)鍵功能。相較于傳統(tǒng)EEL，VCSEL具備二維可尋址特性，能夠動態(tài)調(diào)整出光區(qū)域，減少環(huán)境光干擾，提高測距精度。同時，VCSEL的陣列化設計與固態(tài)LiDAR架構(gòu)高度契合，摒棄了機械旋轉(zhuǎn)部件，使雷達系統(tǒng)更加可靠，實現(xiàn)高精度3D建模。因此，VCSEL的興起推動了LiDAR技術(shù)從“機械掃描”向“全固態(tài)”演進的核心變革。

早期的LiDAR系統(tǒng)主要依賴EEL作為光源，因其功率密度高（可達數(shù)千W/mm2），特別適用于遠距離探測（>200m），而單結(jié)VCSEL由于功率密度低（約100W/mm2）、發(fā)散角大，主要用于消費電子，如手機接近傳感，在車載LiDAR中應用受限。此外，EEL的封裝復雜，依賴精密切割與手工裝調(diào)，單價高達50美元以上，而彼時LiDAR市場尚處于早期，替代方案有限。

直到2017年至2020年，多結(jié)VCSEL技術(shù)突破，使其功率密度大幅提升，通過堆疊多個PN結(jié)（如5結(jié)、8結(jié)），功率密度達到800-1800W/mm2，接近EEL水平。例如，Lumentum的8結(jié)VCSEL陣列實現(xiàn)800W輸出，支持250m探測，同時光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）從單結(jié)的20%提升至35%以上，縮小了與EEL（約40%）的差距。

2020年起，縱慧芯光、Lumentum等廠商通過AEC-Q102認證，使VCSEL的工作溫度范圍擴展至-40℃~125℃，壽命超過1萬小時，滿足車規(guī)級要求。同時，由于VCSEL采用平面化結(jié)構(gòu)，可支持6英寸晶圓級制造，單顆成本降至EEL的1/3（約10-15美元）。例如，速騰聚創(chuàng)與Lumentum合作的AT128 LiDAR在采用VCSEL陣列替代EEL光源后，整體成本下降40%。2021年至2023年，VCSEL LiDAR進入前裝量產(chǎn)階段，消費電子的Face ID需求帶動VCSEL產(chǎn)業(yè)鏈成熟，產(chǎn)能開始向車載市場轉(zhuǎn)移。

縱慧芯光與速騰聚創(chuàng)合作的940nm VCSEL方案在2021年底通過Tier 1廠商驗證，進入前裝量產(chǎn)。同時，全固態(tài)LiDAR逐步取代傳統(tǒng)機械掃描方案，VCSEL的平面化特性便于集成至硅基微透鏡、SPAD探測器等，實現(xiàn)芯片級LiDAR解決方案。例如，Lumentum推出1D/2D可尋址VCSEL陣列，通過電控掃描替代機械旋轉(zhuǎn)，使系統(tǒng)體積縮小70%。歐司朗的PowerBoost技術(shù)進一步優(yōu)化VCSEL的光束質(zhì)量（M2因子<5），提升探測精度。在市場層面，VCSEL在<150m的中短距LiDAR（如城市導航、泊車輔助）市場中占比超過60%，EEL則逐漸退守遠程雷達市場。

進入2024年，VCSEL技術(shù)迎來新的突破，長光華芯發(fā)布10-12結(jié)VCSEL芯片，功率密度達2500W/mm2，探測距離突破300m，挑戰(zhàn)EEL在遠程探測的傳統(tǒng)優(yōu)勢。Lumentum則推出1380nm波長VCSEL，提升人眼安全性，進一步擴大應用場景。在供應鏈端，國產(chǎn)VCSEL產(chǎn)業(yè)鏈逐步成熟，長光華芯建成6英寸VCSEL產(chǎn)線，國產(chǎn)化率超過90%，良率從60%提升至80%。縱慧芯光、華芯半導體等廠商突破海外專利封鎖，開發(fā)了獨特的外延層結(jié)構(gòu)（如非對稱量子阱），在性能上對標Lumentum。與此同時，VCSEL的成本優(yōu)勢進一步顯現(xiàn)，單價降至5-8美元，而EEL因工藝復雜難以降價，車企更傾向于采用VCSEL方案。此外，地緣政治因素也加速了VCSEL的國產(chǎn)化進程，美國對EEL相關(guān)設備的出口管制促使中國LiDAR廠商加速本土供應鏈布局。

VCSEL發(fā)展歷程，來源：與非研究院

筆者認為，EL在車載LiDAR領(lǐng)域已經(jīng)占據(jù)主導地位，但在>500m遠程探測市場，仍受限于熱管理和光束質(zhì)量問題，因此EEL仍將在超遠程高端應用中發(fā)揮作用。

VCSEL主要供應商分析

根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，2024年全球VCSEL市場規(guī)模約20億美元，預計未來五年在車載與光通信領(lǐng)域的推動下，復合增長率超15%。國際市場呈雙寡頭格局，Lumentum和Coherent（原II-VI）憑借多結(jié)和可尋址技術(shù)，占據(jù)高端市場，合計市場份額超80%，尤其在消費電子（如蘋果供應鏈）領(lǐng)域主導市場。

預計到2027年，VCSEL市場的總規(guī)模將增長至39億美元，年均復合增長率為19.2%。這一增長主要受益于3D機器視覺需求的不斷上升，推動了VCSEL在消費電子領(lǐng)域的快速擴展。特別是在手機、AR/VR設備和物聯(lián)網(wǎng)等應用中，3D傳感技術(shù)的需求日益增長，成為市場發(fā)展的重要動力。

VCSEL市場由IDM模式主導，需要巨額設備投入（如MOCVD、光刻機），上市融資成為規(guī)?；P(guān)鍵。國際技術(shù)封鎖（如VCSEL外延片出口管制）加速了國產(chǎn)替代進程。中國本土企業(yè)如縱慧芯光、長光華芯、瑞識科技正加速突破。

VCSEL主要供應商（部分），來源：與非研究院整理

一、國際主要VCSEL芯片供應商

1. Lumentum

全球最大VCSEL供應商，2021年市占率42%（Yole數(shù)據(jù)）。核心技術(shù)包括高功率多結(jié)VCSEL陣列（如五結(jié)、六結(jié)陣列，單芯片功率超800W）。主要應用于蘋果Face ID、激光雷達，芯片代工由臺灣穩(wěn)懋負責，并通過收購Oclaro增強磷化銦和光電整合技術(shù)。

2. Coherent（原II-VI）

2019年收購Finisar后市占率達37%，成為全球第二大VCSEL供應商。技術(shù)聚焦消費電子（如iPhone）和光通信，整合Finisar產(chǎn)線后提升產(chǎn)能，覆蓋智能手機3D傳感、數(shù)據(jù)中心光模塊等領(lǐng)域。

3. ams-Osram

合并后重點布局汽車電子，VCSEL方案支持激光雷達、車內(nèi)傳感，最長探測距離達250m。收購Princeton Optronics（高功率脈沖VCSEL）和Heptagon（光學封裝）后，增強整體技術(shù)實力，在智能手機iToF（間接飛行時間）系統(tǒng)中占據(jù)重要市場份額。

4. Broadcom

深耕數(shù)據(jù)通信，25G VCSEL器件出貨量全球領(lǐng)先，適配光纖網(wǎng)絡和高速通信應用。其VCSEL技術(shù)同時拓展至消費電子領(lǐng)域。

5. Trumpf（原Philips Photonics）

全球首家VCSEL出貨量超10億顆的廠商，專注消費電子（智能手機接近傳感）和工業(yè)應用。VIDaP項目實現(xiàn)4英寸晶圓全自動化制造，提升產(chǎn)能。

其他廠商

Princeton Optronics：被ams收購前，以高功率808nm VCSEL陣列著稱，單芯片輸出功率達300W。

二、國產(chǎn)主要VCSEL芯片供應商

1. 長光華芯（Brightlaser）

國內(nèi)首家實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈IDM模式的VCSEL廠商，涵蓋外延生長、芯片制造、封裝測試。技術(shù)優(yōu)勢體現(xiàn)在定制化高功率VCSEL陣列，應用于激光雷達和工業(yè)加工，客戶包括華為。2022年登陸科創(chuàng)板，推出PS系列（接近式傳感）、TOF系列（飛行時間傳感）和SL系列（結(jié)構(gòu)光）產(chǎn)品線，功率密度達1800W/mm2。

2. 縱慧芯光

提供850nm/940nm多結(jié)VCSEL方案，華為戰(zhàn)略入股推動消費電子應用。與速騰聚創(chuàng)合作開發(fā)940nm VCSEL用于激光雷達，計劃上市，2023年完成數(shù)億元C3輪融資。

3. 江蘇華芯

國內(nèi)首家實現(xiàn)VCSEL自主量產(chǎn)，2018年年產(chǎn)能達5000萬顆，聚焦3D傳感和光通信。研發(fā)10G VCSEL芯片并批量出貨。

4. 武漢光迅科技

專注850nm/940nm VCSEL芯片研發(fā)，覆蓋光模塊和智能手機3D傳感領(lǐng)域。作為國內(nèi)光通信模塊龍頭，正在向消費電子領(lǐng)域擴展。

5. 睿熙科技

專注光通信和車載激光雷達，提供定制化VCSEL方案。2024年發(fā)布全固態(tài)激光雷達專用VCSEL芯片，計劃IPO。

其他廠商

山東太平洋、深圳源國：早期布局光通信VCSEL，逐步向消費電子滲透。

華工科技、三安光電：通過并購擴展VCSEL產(chǎn)線，聚焦中低端市場。

國產(chǎn)VCSEL芯片核心客戶，來源：各公司招股書、與非研究院整理

三、國產(chǎn)VCSEL芯片廠商上市與融資情況

1. 已上市廠商

長光華芯（688048.SH）：2022年4月科創(chuàng)板上市，擁有6英寸VCSEL產(chǎn)線，市場份額領(lǐng)先，客戶覆蓋華為、新能源汽車等。

2. 計劃上市廠商

縱慧芯光：計劃科創(chuàng)板上市，專注多結(jié)VCSEL芯片，華為哈勃戰(zhàn)略投資，2023年完成數(shù)億元C3輪融資。

華芯半導體：國內(nèi)首家量產(chǎn)25G/56G VCSEL芯片廠商，2023年56G PAM4 VCSEL芯片量產(chǎn)，全球市場份額第三，未來可能上市。

睿熙科技：2024年發(fā)布全固態(tài)激光雷達專用VCSEL芯片，目標車載市場，或加速IPO進程。

哪些廠商在布局VCSEL芯片，來源：與非研究院整理

近年來，終端廠商通過資本投入與供應鏈綁定，以強化技術(shù)優(yōu)勢、降低成本、確保供應鏈安全。

技術(shù)卡位：終端廠商直接投資VCSEL芯片企業(yè)，以獲得核心技術(shù)主導權(quán)。例如，小米入股縱慧芯光，確保自家3D傳感和AR/VR產(chǎn)品的VCSEL供應，減少對蘋果供應鏈的依賴。

供應鏈安全：受地緣政治和技術(shù)封鎖影響，中國廠商加速國產(chǎn)替代。華為哈勃投資縱慧芯光，減少對Lumentum等美國供應商的依賴，確保華為3D傳感和車載激光雷達業(yè)務的供應鏈安全。

生態(tài)協(xié)同：終端廠商不只是采購VCSEL芯片，而是將其與自身硬件、軟件和AI算法深度融合，以提升整體產(chǎn)品競爭力。例如，比亞迪利用VCSEL芯片優(yōu)化智能座艙交互，增強DMS（駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)）功能，提高L3級自動駕駛體驗。

成本優(yōu)化：車企和科技公司直接投資VCSEL企業(yè)，推動定制化開發(fā)和規(guī)?；a(chǎn)，從而降低采購成本。例如，上汽投資老鷹半導體后，其車載激光雷達成本下降約30%。

誰能挑戰(zhàn)Lumentum？

目前，國產(chǎn)廠商主要通過定制化方案（如車規(guī)級芯片、低發(fā)散角設計）搶占中端市場，預計到2025年國產(chǎn)化率將突破40%。尤其在激光雷達領(lǐng)域，VCSEL憑借量產(chǎn)成本低（約為EEL的1/3）、集成度高（陣列化減少分立器件數(shù)量）等優(yōu)勢，逐步成為發(fā)射端的首選。預計VCSEL芯片在收發(fā)模塊中的成本占比將進一步上升，特別是在半固態(tài)雷達方案中，可能占整體成本的21%-35%。

國產(chǎn)VCSEL與Lumentum技術(shù)對比，來源：與非研究院

面對挑戰(zhàn)，以Lumentum為代表的國際VCSEL廠商正在通過技術(shù)壁壘、客戶綁定和生態(tài)協(xié)同構(gòu)建競爭護城河：

技術(shù)壁壘：Lumentum已實現(xiàn)五結(jié)/六結(jié)VCSEL量產(chǎn)，功率密度超過1000W/mm2，而國內(nèi)廠商大多仍停留在三結(jié)技術(shù)（200-500W/mm2）。

車規(guī)認證：Lumentum已實現(xiàn)AEC-Q102車規(guī)級VCSEL的批量上車，而國產(chǎn)廠商仍在驗證階段。

專利壁壘：Lumentum、Coherent擁有超2000項VCSEL相關(guān)專利，涵蓋陣列設計、氧化限制層等核心技術(shù)，限制國產(chǎn)廠商進入國際市場。

客戶綁定：Lumentum獨家供應蘋果Face ID VCSEL芯片，并為特斯拉提供駕駛員監(jiān)測系統(tǒng)（DMS）解決方案，而國產(chǎn)廠商的客戶主要集中在安卓中低端市場及國內(nèi)新能源車企（如蔚來、小鵬）。

生態(tài)協(xié)同：Lumentum與ams、索尼等廠商聯(lián)合優(yōu)化3D傳感模組，而國內(nèi)在光學器件、SPAD探測器配套方面仍有短板。

在國際廠商的強勢主導下，國產(chǎn)VCSEL廠商正試圖通過以下方式突圍：

成本控制：國產(chǎn)VCSEL芯片價格比Lumentum低20%-40%，并依托本土供應鏈縮短交付周期（國產(chǎn)4-6周 vs. Lumentum 8-12周）。

差異化應用場景：

激光雷達：長光華芯、睿熙科技等國產(chǎn)廠商聚焦全固態(tài)方案，與禾賽、速騰等國內(nèi)LiDAR企業(yè)深度合作，規(guī)避Lumentum在Flash LiDAR的專利壁壘。

特定波長突破：瑞識科技推出1550nm VCSEL，避開Lumentum主導的905/940nm市場，針對FMCW激光雷達等新興需求。

資本助推：國家大基金二期投資長光華芯12億元建設8英寸VCSEL晶圓產(chǎn)線，地方政府也通過補貼（如蘇州對縱慧芯光研發(fā)投入補貼30%）支持本土企業(yè)發(fā)展。

最后，筆者認為，VCSEL芯片市場將呈現(xiàn)“國際寡頭壟斷+本土加速替代”的雙軌格局。預計2030年全球VCSEL市場規(guī)模將超50億美元，中國市場占比提升至30%以上。2025年國產(chǎn)VCSEL在短距補盲雷達領(lǐng)域的替代率可能達30%，但長距主雷達仍需依賴進口。近幾年來，國家政策和資本投入為國產(chǎn)VCSEL發(fā)展提供了重要支持，大基金二期已向長光華芯投資12億元建設8英寸VCSEL晶圓產(chǎn)線。同時，地方政府也在通過補貼降低研發(fā)成本，助力產(chǎn)業(yè)升級。未來競爭焦點將圍繞多結(jié)工藝突破、車規(guī)認證進度及供應鏈整合展開，若國產(chǎn)廠商能在2026年前實現(xiàn)四結(jié)VCSEL量產(chǎn)并通過車規(guī)認證，全球市場份額有望從目前的5%提升至15%，對國際廠商形成實質(zhì)性挑戰(zhàn)。