激光器主流技術(shù)路線有哪些？

激光器主流技術(shù)路線包含 EEL（邊發(fā)射激光器）、VCSEL（垂直腔面發(fā)射器）和光纖激光器、

1.EEL：技術(shù)成熟，現(xiàn)有激光雷達(dá)的主流選擇

EEL 技術(shù)發(fā)展成熟，已應(yīng)用于多款激光雷達(dá)。EEL 是在芯片的兩側(cè)鍍光學(xué)膜形成諧振腔，沿平行于襯底表 面發(fā)射激光，具有較高的功率密度。邊發(fā)射激光芯片是最初的半導(dǎo)體激光器概念，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展已相當(dāng)成 熟。EEL 已經(jīng)應(yīng)用于多數(shù)機(jī)械式激光雷達(dá)，以及法雷奧 SCALA Gen.1、速騰聚創(chuàng) M1、大疆 Livox Horizon 在內(nèi) 的半固態(tài)激光雷達(dá)。Focuslight 對(duì) 50 多項(xiàng)激光雷達(dá)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，EEL 占比最高，達(dá)到 55%，其次是 VCSEL， 占比 18%。

常見的邊發(fā)射激光芯片相關(guān)產(chǎn)品有單管芯片、光纖耦合模塊、巴條芯片、陣列模塊等。單管芯片只有一個(gè) 發(fā)光單元，巴條芯片是由多個(gè)發(fā)光單元并成直線排列的激光二極管芯片，巴條芯片經(jīng)過(guò)鈍化、解膜后，可解理 為單個(gè)發(fā)光單元的單管芯片，單管和巴條芯片主要用于工業(yè)泵浦、科學(xué)研究、激光裝備等。光纖耦合模塊通常 是由單管芯片經(jīng)過(guò)光學(xué)整形合束耦合封裝而成，主要用于光纖激光器、固體激光器泵浦源等；陣列模塊通常是 由巴條芯片集成封裝而成，主要用于固體激光器泵浦源等。

激光雷達(dá)為 EEL 增速最快的細(xì)分市場(chǎng)之一，預(yù)計(jì) 2026 年市場(chǎng)規(guī)模超過(guò) 4 億美元。根據(jù) Yole 數(shù)據(jù)，EEL 整 體市場(chǎng)規(guī)模在 2020 年為 28.74 億美元，預(yù)計(jì) 2026 年達(dá)到 66.13 億美元，2020-2026 年 CAGR 為 15%。從市場(chǎng)構(gòu) 成來(lái)看，目前光通信領(lǐng)域是 EEL 主要應(yīng)用市場(chǎng)，2020 年占比 60%，未來(lái)仍將保持 15%的高復(fù)合增速。EEL 增 長(zhǎng)最快的領(lǐng)域包括傳感、醫(yī)療和照明，預(yù)計(jì) 2026 年市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到 7.78 億美元，CAGR 為 25%。EEL 在傳感領(lǐng) 域的增長(zhǎng)將主要由激光雷達(dá)需求驅(qū)動(dòng)，預(yù)計(jì)到 2026 年激光雷達(dá)領(lǐng)域的 EEL 出貨量接近 1 億個(gè)，市場(chǎng)規(guī)模將超 過(guò) 4 億美元，2020-2026 年市場(chǎng)規(guī)模 CAGR 約為 72%。

ams OSRAM 是行業(yè)領(lǐng)先的供應(yīng)商。目前激光雷達(dá) EEL 的供應(yīng)商主要為海外的 ams OSRAM（速騰聚創(chuàng) M1、Cepton）、日本濱松（Livox Horizon）、Excelitas（LeddarTech Vu8）、國(guó)內(nèi)的長(zhǎng)光華芯、瑞波光電子等。 ams OSRAM 是市場(chǎng)上少有的同時(shí)提供 EEL 和 VCSEL 解決方案的廠商，技術(shù)領(lǐng)先，其新開發(fā)的芯片設(shè)計(jì)收窄了 EEL 激光器的溫漂曲線，在汽車應(yīng)用的典型工作溫度高達(dá) 125°C 時(shí)可以媲美 VCSEL 的波長(zhǎng)穩(wěn)定性，已有十多 款汽車型號(hào)所采用的 LiDAR 輔助系統(tǒng)搭載了它的激光器。

2.VCSEL：易實(shí)現(xiàn)高度集成，未來(lái)有望逐步替代 EEL

VCSEL 起源于 1979 年，最初應(yīng)用于短距數(shù)據(jù)通信（光芯片），之后應(yīng)用于一些對(duì)小體積低功率光源有需 求的消費(fèi)電子，如鼠標(biāo)、激光打印機(jī)等。2014 年起，VCSEL 在傳感器中得到應(yīng)用，替代 LED 應(yīng)用于手機(jī)接近 傳感器、掃地機(jī)器人等短距測(cè)距場(chǎng)景。2017 年，VCSEL 被成功應(yīng)用于 iPhone 人臉識(shí)別模組，開始大規(guī)模受到 關(guān)注；同時(shí)由于功率提升，在激光雷達(dá)、安防照明等中長(zhǎng)距領(lǐng)域也逐步開始得到應(yīng)用。

VCSEL 芯片相比 EEL 芯片結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，工藝難度更高。典型的 VCSEL 結(jié)構(gòu)自上而下分別是：電流注 入所使用的歐姆接觸、P 型的頂部分布布拉格發(fā)射鏡（DBR），多量子阱有源區(qū)、N 型的底部分布布拉格發(fā)射 鏡以及最底部的 N 型基質(zhì)。頂部與底部的 DBR 構(gòu)成激光諧振腔，長(zhǎng)度為數(shù)微米，與激光波長(zhǎng)在同一數(shù)量級(jí)。 工作時(shí)載流子被注入有源區(qū)的量子阱中，產(chǎn)生輻射躍遷，經(jīng)過(guò)諧振腔的選模，在垂直于襯底的方向上輸出圓形 的激光光束。相比于 EEL 的結(jié)構(gòu)，VCSEL 顯然更為復(fù)雜，工藝難度也更高。其工藝高難度主要體現(xiàn)在 VCSEL 諧振腔短（僅幾微米長(zhǎng)），導(dǎo)致其單程增益長(zhǎng)度也極短，因此就要求制作的分布布拉格反射鏡（DBR）材料質(zhì)量必須良好，還要求 DBR 的發(fā)射率極高（一般要求 99%以上），目前如何獲得高質(zhì)量的 DBR 是 VCSEL 制作 過(guò)程最主要的難點(diǎn)。

隨著汽車激光雷達(dá)的市場(chǎng)需求增長(zhǎng)，多結(jié) VCSEL 陣列成為全球領(lǐng)先廠商的重點(diǎn)布局產(chǎn)品。相比單結(jié) VCSEL， 多結(jié) VCSEL 可以：①提升能量轉(zhuǎn)換效率（PCE），降低功耗；②提供更高的功率密度，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加友 好；③提高效率，對(duì)激光驅(qū)動(dòng)器更加友好；④提供更高的峰值功率，擴(kuò)大測(cè)距工作范圍；⑤降低激光器的“每 瓦成本（Cost per Watt）”。2020~2021 年，全球主要廠商陸續(xù)發(fā)布了雙結(jié)和三結(jié) VCSEL 產(chǎn)品，Lumentum 則在 2021 年 3 月首發(fā)五結(jié)和六結(jié) VCSEL 陣列，每個(gè)發(fā)射孔的光功率超過(guò) 2W，從而使得 1 平方毫米 VCSEL 陣列的 峰值功率超過(guò) 800W。

可尋址 VCSEL 實(shí)現(xiàn)高性能發(fā)射。可尋址 VCSEL 通過(guò)可控的多光束掃描技術(shù)，可控制 VCSEL 陣列特定區(qū) 域進(jìn)行發(fā)射；同時(shí)，探測(cè)器可以開啟與發(fā)射相對(duì)應(yīng)的區(qū)域，接收目標(biāo)反射光；最終通過(guò)電子掃描，完成整個(gè)視 場(chǎng)范圍內(nèi)的激光雷達(dá)點(diǎn)云獲取。Ibeo 的 Flash 激光雷達(dá)上所使用的 Sequential Flash 技術(shù)就在可尋址 VCSEL 上建 立。可尋址 VCSEL 陣列具有以下優(yōu)點(diǎn)：①有效控制出光區(qū)域，可提升峰值功率;②通過(guò)合適的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可實(shí) 現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)抗干擾能力;③具有更好的發(fā)光效率，可節(jié)約系統(tǒng)功耗;④散熱性能更好。綜上所述，多結(jié)、可尋址 VCSEL 陣列是實(shí)現(xiàn)高性能全固態(tài)中遠(yuǎn)程激光雷達(dá)的關(guān)鍵底層技術(shù)。

VCSEL 下游通信市場(chǎng)規(guī)模有望超越消費(fèi)電子，汽車市場(chǎng)增速最快。根據(jù) Yole 預(yù)測(cè)，VCSEL 整體市場(chǎng)規(guī)模 在 2022 年為 16 億美元，預(yù)計(jì) 2027 年達(dá)到 39 億美元，2022-2027 年 CAGR 為 19.2%。從市場(chǎng)構(gòu)成來(lái)看，消費(fèi) 電子和通信是 VCSEL 主要應(yīng)用市場(chǎng)，預(yù)計(jì) 2027 年市場(chǎng)規(guī)模分別達(dá)到 17 億美元和 21 億美元。2022 年 VCSEL 在汽車領(lǐng)域市場(chǎng)規(guī)模僅為 180 萬(wàn)美元，隨著激光雷達(dá)和 DMS 的應(yīng)用放量，預(yù)計(jì)市場(chǎng)規(guī)模將以 96.6%的高復(fù)合增 長(zhǎng)率增長(zhǎng)至 2027 年的 5300 萬(wàn)美元。

VCSEL 格局從一枝獨(dú)秀到雙頭壟斷，消費(fèi)電子領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)基本決定了市場(chǎng)整體格局。Lumentum 長(zhǎng)期位居 VCSEL 市場(chǎng)第一梯隊(duì)，II-VI 在 2018 年末與 Finisar 合并，此后逐步縮小與 Lumentum 的差距，2021 年市場(chǎng)份額 升至 37%。消費(fèi)電子是 VCSEL 當(dāng)前最大下游市場(chǎng)，Lumentum 和 II-VI 為蘋果 ToF Lidar 的一二供，并且在數(shù)據(jù) 通信領(lǐng)域占據(jù)優(yōu)勢(shì)，因而形成 VCSEL 市場(chǎng)份額雙頭壟斷，2021 年的合計(jì)市場(chǎng)份額達(dá)到 79%。國(guó)內(nèi) VCSEL 廠商相比海外龍頭起步較晚，營(yíng)收體量較小，縱慧芯光（Vertilite）市占率處于 1%-2%之間。

頻繁的并購(gòu)整合也促使 VCSEL 的市場(chǎng)份額集中。過(guò)去幾年，VCSEL 廠商之間多起并購(gòu)整合事件使頭部企 業(yè)不斷鞏固自身優(yōu)勢(shì)，包括：1）2017 年 ams 收購(gòu) Princeton Optronics，后者曾為聯(lián)想 Phab2Pro 供貨。2）2018 年 OSRAM 收購(gòu) Vixar，Vixar 后來(lái)成為 Mate30 Pro 的 VCSEL 供應(yīng)商之一。3）2019 年 Trumpf 完成對(duì) Philips Photonics 的收購(gòu)，后者曾是 iPhone 7 的 VCSEL 供應(yīng)商。4）2019 年 II-VI 完成對(duì) Finsar 的收購(gòu)。5）2020 年 ams 完成對(duì) OSRAM 的收購(gòu)。

激光雷達(dá)興起與國(guó)內(nèi)激光雷達(dá)廠商崛起為國(guó)產(chǎn) VCSEL 帶來(lái)發(fā)展機(jī)遇。Lumentum、ams OSRAM 等海外 VCSEL 廠商亦在拓展車載激光雷達(dá)產(chǎn)品，但目前激光雷達(dá)市場(chǎng)仍處于萌芽階段，VCSEL 的滲透率還很低，國(guó)際廠商尚未構(gòu)建市場(chǎng)格局，為國(guó)內(nèi)廠商帶來(lái)發(fā)展窗口。目前長(zhǎng)光華芯、炬光科技、縱慧芯光已布局激光雷達(dá)市 場(chǎng)，并開始與下游激光雷達(dá)廠商展開合作，甚至獲得頭部廠商的戰(zhàn)略投資。國(guó)內(nèi)激光雷達(dá)廠商的快速發(fā)展有利 于國(guó)產(chǎn) VCSEL 的導(dǎo)入與替代，國(guó)內(nèi) VCSEL 廠商有望在激光雷達(dá)市場(chǎng)獲得發(fā)展機(jī)遇。

3.光纖激光器：配套 1550nm 技術(shù)路線，尚未對(duì) 905nm 形成壓倒性優(yōu)勢(shì)

背景輻射分布與供應(yīng)鏈決定了當(dāng)前以 905nm 和 1550nm 為主的競(jìng)爭(zhēng)格局。激光雷達(dá)系統(tǒng)的目標(biāo)之一是發(fā)射 不會(huì)干擾其他傳感器（照相機(jī)、人眼）的光線。因此，激光雷達(dá)的波長(zhǎng)主要位于電磁波譜的近紅外部分（750nm 至 1.5μm）。

在車載激光雷達(dá)的發(fā)展中，光纖激光器與 1550nm 這兩種技術(shù)路線總是同步出現(xiàn)，一方面也是因?yàn)楫a(chǎn)業(yè)鏈 成熟度，另一方面則是為了滿足遠(yuǎn)距離探測(cè)的需要。

1550nm 相比 905nm 人眼安全性高，進(jìn)而能夠擴(kuò)大功率以提高探測(cè)距離。905nm 光波一般使用半導(dǎo)體激光 器產(chǎn)生，EEL 和 VCSEL（GaAS 基底）均可，整體實(shí)施成本低。905nm 相比 1550nm 更接近人眼可見光波段， 同時(shí)在水中衰減更弱，容易損害視網(wǎng)膜，因此功率受限，進(jìn)而影響到探測(cè)距離提升。1550nm 距離可見光波段遠(yuǎn)， 且容易被水吸收，在同樣的光斑大小和脈寬條件下，對(duì)視網(wǎng)膜危害低，功率限制小，可以通過(guò)加大功率來(lái)提高 探測(cè)范圍。

1550nm 光纖激光器提高功率解決衰減問題，但面臨高功耗、低能量轉(zhuǎn)換效率的問題。基于前文的分析， 由于 1550nm 有高人眼安全性，光纖激光器能以提高功率來(lái)解決衰減問題，并獲得超過(guò) 905nm 的探測(cè)距離。例 如圖達(dá)通 1550nm 激光雷達(dá)的最遠(yuǎn)探測(cè)距離達(dá)到 500m（905nm 典型值為 200m-300m），10%反射率條件下探測(cè) 距離達(dá)到 250m（905nm 典型值為 150m-200m）。但這也產(chǎn)生更高功耗的代價(jià)。905nm 激光雷達(dá)的典型功耗在 20W 左右，而 1550nm 的典型功耗則在 30W 以上。905nm 半導(dǎo)體激光器相對(duì)光纖激光器少了光纖耦合和放大的 過(guò)程，能量轉(zhuǎn)化效率更高。

1550nm 光纖激光器方案的系統(tǒng)成本仍較高。1550nm 光纖激光器系統(tǒng)成本較高主要來(lái)自激光器和探測(cè)器兩 方面，1）激光器：根據(jù) Innoviz 上市路演報(bào)告，1550nm 光纖激光器單位價(jià)格達(dá)到 5000 美元，援引某中國(guó)供應(yīng) 商的數(shù)據(jù)顯示百萬(wàn)臺(tái)供貨量時(shí)單位價(jià)格仍達(dá) 1000 美元；而 905nm 激光二極管的單位價(jià)格約為 10 美元，百萬(wàn)支 供應(yīng)量時(shí)單位價(jià)格為 4 美元。2）探測(cè)器：因?yàn)椴牧系墓饷粜圆煌?550nm 探測(cè)器需采用 InGaAs 制造，成本相 比 Si 基上升幅度大。目前 1550nm 激光雷達(dá)主要代表廠商為 Luminar 和圖達(dá)通，對(duì)應(yīng)的車型蔚來(lái) ET7、沃爾沃 EX90 均屬于中高端車型。

1550nm 與前沿 FMCW 技術(shù)綁定，發(fā)展?jié)摿θ跃薮蟆Ｄ壳八写笠?guī)模量產(chǎn)的車載激光雷達(dá)均使用 ToF 測(cè)距 原理，即通過(guò)出射脈沖光和回波的時(shí)間差乘以光速得到距離。FMCW 發(fā)射連續(xù)激光而非脈沖，通過(guò)回波信號(hào)與 參考光的頻率差，間接獲得飛行時(shí)間反推目標(biāo)物距。FMCW 能實(shí)時(shí)測(cè)量速度，信噪比高于 ToF，相同最大探測(cè) 距離下所需激光的峰值功率約為 ToF 的 1/10000，因此對(duì)人眼更加安全。根據(jù) Innoviz 路演說(shuō)明，F(xiàn)MCW 需用 1300nm-1550nm 波長(zhǎng)，這使得 1550nm 仍存在巨大發(fā)展?jié)摿Α５枳⒁饽壳?FMCW 激光雷達(dá)還處于概念機(jī)階段， Aeva 的 SOP 時(shí)間定在 2023Q4，Mobileye 預(yù)計(jì)等到 2025 年以后才能量產(chǎn)。

光纖激光器國(guó)產(chǎn)化率高，國(guó)內(nèi)企業(yè)持續(xù)蠶食海外龍頭市場(chǎng)份額。根據(jù)中國(guó)科學(xué)院武漢文獻(xiàn)情報(bào)中心的《中 國(guó)激光產(chǎn)業(yè)報(bào)告》，銳科激光、創(chuàng)鑫激光、杰普特等為代表的一批國(guó)產(chǎn)廠商崛起，不斷突破技術(shù)瓶頸，依托本 土市場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)，持續(xù)搶占 IPG 等海外廠商的市場(chǎng)份額，光纖激光器低功率段已完全實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)替代，正在不斷 實(shí)現(xiàn)中高端市場(chǎng)的國(guó)產(chǎn)替代。價(jià)格方面，以 1kW 激光器為例，2017 年進(jìn)口平均價(jià)格為 12-20 萬(wàn)元，國(guó)產(chǎn)平均價(jià) 格為 10-15 萬(wàn)元，比進(jìn)口價(jià)格低 20%-25%，而 2019 年進(jìn)口平均價(jià)格已下降至 5~6 萬(wàn)元，國(guó)內(nèi)價(jià)格已降至 3-5 萬(wàn) 元，下降了 50%-80%。