VCSEL行业研究报告：消费电子传感和短距光通信的首选光源.pdf

VCSEL行 业 研 究 报 告 ：消 费 电 子 传 感 和 短 距 光 通 信 的 首 选 光 源2019年10月本报告版权归基业常青经济研究院所有，未经书面许可任何机构和个人不得以任何形式翻版、复制、刊登，公司保留追究法律责任的权利。谭潇刚博士 研究总监中国科学技术大学本硕博，无机化学专业，曾发表多篇高档次SCI论文；知名券商研究所、投行背景，兼备理工、金融复合背景和跨一、二级市场研究视角；深度研究新能源、新材料、精细化工等领域。电话：0755-83068383-8033Email: tanxiaogangjiyechangqing牛耀鼎清华大学工学学士，精密仪器专业光学工程方向；香港科技大学管理学硕士。廖智昊浙江大学理学学士；康奈尔大学材料系工学硕士，半导体方向。VCSEL行业投资逻辑（1/2）p VCSEL具有调制响应快、光束质量好、效率高、可集成等优点，由于其单个芯片输出功率较低，一般应用于短距场景，是消费电子传感和短距光通信的首选光源。p VCSEL是短距消费电子3D传感器最适光源，其功率随技术发展逐步提高，下游应用领域不断扩展。VCSEL市场具有结构性特征，短期支撑与长期想象空间并存。 当下的消费电子的3D传感（面部识别和后摄ToF）并非刚需，渗透能力有限。 手机3D传感的应用在于解锁、支付（前摄）和摄影辅助（后摄）。前摄与指纹竞争，特点是安全性有所提升，但由于手机支付场景是有人值守场景，对安全性的需求不如门锁、闸机等场景高。摄影辅助目前仅能用于少数虚化辅助、背景替换等应用。 目前使用面部识别的手机均为4000元以上级别，使用后摄ToF的手机只有极少数主打摄影的超高端机型。因为目前的应用均为“痒点需求”，且囿于成本限制，中低端机型没有搭载的意愿和预算，因此3D传感难以向下渗透。 在4000元以上级别机型中，由于面部识别模组是“刘海屏”的成因，3D传感模组受到屏下指纹识别模组的强势冲击。国产新机型多数使用的是屏下指纹方案。随着LCD屏下指纹的量产，屏下指纹方案甚至能抢先向下渗透。01本报告版权归基业常青经济研究院所有，未经书面许可任何机构和个人不得以任何形式翻版、复制、刊登，公司保留追究法律责任的权利。VCSEL行业投资逻辑（2/2）p VCSEL是短距光通信市场唯一光源。国内数据流量占全球26.8%，但大型数据机房数量仅占全球8%，两者的不匹配正促进数据机房的加速建设，催生十亿级VCSEL新需求。 大型数据机房中，内部流量增多，因此内部架构将从原来的三级式架构改为两级“叶脊式”架构。该架构通过大量短距叶脊间通信实现，拉动短距光源VCSEL需求。 流量爆炸时代，25G/100G光模块必将取代10G/40G模块，带来存量更换的升级需求。10G VCSEL芯片已成红海市场，壁垒、价格双低；25G VCSEL的技术稀缺性可以保证毛利空间，带动价格上涨。p 投资策略： 消费电子传感用VCSEL关注外延片工艺，外延片是VCSEL芯片制造的上游，也是整体工艺的瓶颈。目前全球超过90%的外销产能被英国公司IQE把控，且用于优先供应苹果3D传感模组。因此要关注能够掌握外延生产工艺、最好拥有自建产线的企业。 光通信用VCSEL关注稳定性和下游认证，光通信光源的寿命要求至少在4000小时以上，因此稳定性验证尤为重要。稳定性验证周期在半年到一年之间，企业宣称量产与通过下游测试之间仍有较大鸿沟。因此要关注能够率先通过下游验证的企业。谭潇刚博士 研究总监中国科学技术大学本硕博，无机化学专业，曾发表多篇高档次SCI论文；知名券商研究所、投行背景，兼备理工、金融复合背景和跨一、二级市场研究视角；深度研究新能源、新材料、精细化工等领域。电话：0755-83068383-8033Email: tanxiaogangjiyechangqing牛耀鼎清华大学工学学士，精密仪器专业光学工程方向；香港科技大学管理学硕士。廖智昊浙江大学理学学士；康奈尔大学材料系工学硕士，半导体方向。目 录CONTENTS一、VCSEL：高频高效可集成半导体光源，是消费电子传感和短距光通信的首选二、消费电子传感：3D传感器最适光源，短期需求难落地，长期发展看AR三、光通信：国内数据中心需求随5G爆发，叶脊结构、25G模块带来VCSEL增量需求四、消费电子传感用VCSEL关注外延片工艺，光通信用VCSEL关注稳定性及下游认证五、风险提示目 录CONTENTS一、VCSEL：高频高效可集成半导体光源，是消费电子传感和短距光通信的首选二、消费电子传感：3D传感器最适光源，短期需求难落地，长期发展看AR三、光通信：国内数据中心需求随5G爆发，叶脊结构、25G模块带来VCSEL增量需求四、消费电子传感用VCSEL关注外延片工艺，光通信用VCSEL关注稳定性及下游认证五、风险提示本报告版权归基业常青经济研究院所有，未经书面许可任何机构和个人不得以任何形式翻版、复制、刊登，公司保留追究法律责任的权利。VCSEL应用于消费电子传感和光通信，还将应用于激光雷达（汽车/工业）q VCSEL，即Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser垂直腔面发射激光器，是一种半导体光源。和其他半导体光源一样，VCSEL体积小、可简易封装，适用于各种对体积有要求的场景。q VCSEL起源于1979年，最初应用于短距数据通信（光芯片），之后应用于一些对小体积低功率光源有需求的消费电子，如鼠标、激光打印机等。q 2014年起，VCSEL在传感器中得到应用，替代LED 应用于手机接近传感器、扫地机器人等短距测距场景。q 2017年，VCSEL被成功应用于iPhone 人脸识别模组，开始大规模受 到关注；同时由于功率提升，在激光雷达、安防照明等中长距领域也逐步开始得到应用。资 料 来 源 ： Yole， 基 业 常 青04本报告版权归基业常青经济研究院所有，未经书面许可任何机构和个人不得以任何形式翻版、复制、刊登，公司保留追究法律责任的权利。q VCSEL与其他半导体光源相比是通信、传感光源的最优选择 VCSEL的特性： 比LED（光电二极管）精度高、能效高（功耗低）； 比EEL（边发射激光器）响应快、易集成； VCSEL最适用于集成性、精度、响应要求较高的场景。 同 时 ， 这 种 特 性 也 赋 予 VCSEL可 集 成 性 ， 可 以 成 阵 列 大 功 率 发 光 （ 如 下 图 ） 。资 料 来 源 ： Vixar， 基 业 常 青VCSEL应用于消费电子传感和光通信，还将应用于激光雷达（汽车/工业）如 下 图 所 示 ， VCSEL/LED发 光 方 向 与 芯 片 平 面 垂 直 ， 而 EEL发 光 方 向 与 芯 片 平面 垂 直 。 这 种 出 光 方 向 使 VCSEL在 制 造 出 来 后 可 以 在 晶 圆 上 无 需 切 割 直 接 检测 、 使 用 常 规 方 式 封 装 、 降 低 制 造 成 本 。 05本报告版权归基业常青经济研究院所有，未经书面许可任何机构和个人不得以任何形式翻版、复制、刊登，公司保留追究法律责任的权利。VCSEL主要应用是光通信和消费电子传感，未来将应用于激光雷达（汽车/工业）特 点 VCSEL EEL LED 备 注单 个 功 率 低 高 不 适 用 （ 过 于 发 散 ） 不 适 用 于 传 递 光 能 场 景 ， 如 激 光 切 割 、 焊 接发 光 效 率 33%-50% 约 5% 20%-33% 散 热 问 题 小 、 功 耗 低 ， 适 用 于 消 费 电 子 等 高 集 成 场 景光 束 质 量 最 佳 ， 集 中 性 好 一 般 ， 非 对 称 最 差 ， 光 斑 发 散 无 需 额 外 透 镜 校 正 ， 适 用 于 消 费 电 子 等 高 集 成 场 景可 调 制 速 度 最 快 快 慢 适 用 于 通 信 场 景 ， 由 于 功 率 限 制 ， 仅 适 用 于 短 距波 长 -温 度 稳 定 性 0.06nm/ C 0.25nm/ C 0.25nm/ C光 谱 宽 度 1nm 1-2nm 20-30nm资 料 来 源 ： Finisar， 基 业 常 青q VCSEL与其他半导体光源相比是通信、传感光源的最优选择 VCSEL的短板在于制造成本高、单体功率低，因此限制了它在高功率场景的应用，如中长距离通信、激光切割焊接等。VCSEL主要应用场景是短距传递信号和照明。 VCSEL的可集成性可一定程度弥补上述短板。随着目前VCSEL的集成度增加带来的总功率提升，已逐渐开始应用于中长距场景，如激光雷达、安防摄像头照明等。06本报告版权归基业常青经济研究院所有，未经书面许可任何机构和个人不得以任何形式翻版、复制、刊登，公司保留追究法律责任的权利。消费电子传感用VCSEL重在功率，光通信用VCSEL重在稳定性和客户验证q 不同应用对VCSEL的性能要求不同，其中最重要的是功率。q 更高的功率需要更多的反射镜（见右图），对工艺提出挑战。q 随技术发展VCSEL功率不断提高，下游应用领域逐渐扩展，具 有结构性特征，长期想象空间与短期落地需求并存。q 光通信领域的应用虽然对功率需求低，但是对调制信号稳定性 要求高，客户验证周期较长。资 料 来 源 ： Yole， Finisar， 基 业 常 青应 用 范 围 需 求 功 率 反 射 镜 个 数 封 装 大 小（ 平 方 毫 米 ）光 通 信 、 接 近 传 感 器 3-40毫 瓦 1-8 0.02-0.06手 势 识 别 、 激 光 对 焦 10-350毫 瓦 3-60 0.06-0.43D感 应 、 激 光 医 疗 200-1000毫 瓦 30-200 0.4-1.3激 光 雷 达 、 激 光 切 割 （ 潜 在 ） 5-40瓦 100-5000+ 10-40 上 图 中 绿 灰 相 间 的 即 为 反 射 镜 ，光 在 其 中 反 射 ， 集 聚 能 量 。 因 此 反 射镜 个 数 越 多 ， 单 个 VCSEL提 供 的 能 量 越高 。 为 了 减 少 光 在 反 射 中 的 能 量 损 失 ，每 层 反 射 镜 的 厚 度 要 求 精 确 控 制 在 发射 波 长 的 四 分 之 一 ， 约 200-300纳 米 。07本报告版权归基业常青经济研究院所有，未经书面许可任何机构和个人不得以任何形式翻版、复制、刊登，公司保留追究法律责任的权利。风险提示 技术进步不及预期风险：国内技术积累缺乏，研发与工艺人才稀缺，尚需大量技术突破与工艺改进，才能与进口产品的性能和稳定性相抗衡。 下游应用增速与VCSEL渗透率不及预期风险：由于宏观经济放缓、政策变动导致消费电子、光通信市场放缓，由于成本降低缓慢等因素，VCSEL在下游市场渗透可能不及预期。 客户认可及替换国产产品不及预期风险：如果VCSEL需求量不及预期，则囿于市场规模与转换成本，国内下游客户未必会大量使用国产VCSEL替代进口产品。20