可能大爆发的VCSEL概念，总是隐藏在背后，这到底是个什么鬼
金融情报站2019-12-29 10:35
近日，意法半导体官网宣布，自家ToF传感器出货量达到10亿颗，已经被150多款智能手机采用。近两年，ToF的发展速度也是十分惊人。对ToF镜头技术感兴趣的读者请参考《即将大爆发的“ToF镜头”新兴概念及A股相关投资机会分析》一文。
ToF镜头如果在2020年大爆发，那么ToF技术中发射端最核心的VCSEL（垂直腔面发射激光器）也势必会跟着火得一塌糊涂。从ToF技术深挖到VCSEL，那这个VCSEL到底是个神马东西？除了ToF摄像头，VCSEL还有什么其他方面的应用？A股中又有哪些上市公司与VCSEL有关系，这其中蕴藏着哪些投资机会？
一、VCSEL简介
VCSEL(Vertical-cavity surface-emitting laser)，全称垂直腔面发射激光器，又可译为垂直共振腔面射型激光。1996年，VCSEL首次被应用了到光通信中,尤其在短距离光通信领域，850 nm VCSEL成为了理想的光源之一。而后，3D人脸识别出现，为940 nm VCSEL的发展提供了契机。至此，由以光通信为主的850 nm慢慢转向以应用于消费级设备为主的940 nm。
它是一种半导体激光器，有别于传统的边发射激光器沿平行于衬底表面、垂直于解理面的方向出射激光，而面发射激光器其出光方向垂直于衬底表面。
由于VCSEL的激光是从垂直的衬底发出来的，LED也是从垂直的衬底发出来的，所以VCSEL激光器和LED的芯片结构、制程和封装工艺就比较接近。
它的基本结构是由上下两个DBR（Distributed Bragg Reflector）反射镜和有源区这三部分组成。上下两个DBR反射镜与有源区构成谐振腔。有源区由几个量子阱组成，作为VCSEL的核心部分，决定着器件的阈值增益、激射波长等重要参数。
VCSEL常用的原材料有砷化镓、磷化铟或氮化镓等发光化合物半导体。
VCSEL垂直发光，这使得构建垂直于芯片的VCSEL阵列变得很容易，而且它们在相当宽的温度范围内都非常稳定。它集高输出功率和高转换效率和高质量光束等优点于一身，与传统发射激光器相比优点具有较小的原场发散角，发射光束窄且圆，易与光纤进行耦合，同时VCSEL还具有阈值电流低、调制频率高、不必解理即可完成工艺制作和检测和成本低、易于实现大规模阵列及光电集成等优点。
二、应用领域
VCSEL从诞生起，是作为新一代光存储和光通信应用的核心器件，应用在光并行处理、光识别、光互联系统、光存储等领域。
随着工艺、材料技术改进和VCSEL技术的成熟，VCSEL元器件在功耗、制造成本、集成、散热等领域的优势开始显现，以其作为核心元件的光学感测技术进入了行业级应用，同时已在激光打印机、光学鼠标、汽车激光雷达（LiDAR）、辅助驾驶、气体传感器、活体检测、虹膜识别、AR/VR、机器人视觉、医疗美容等领域得以初探，并逐渐应用于工业加热、环境监测、医疗设备等商业级应用以及3D感知、ToF镜头等消费级应用。
VCSEL因其高速数据传输速率和低功耗的优点而备受青睐。它已经被纳入以太网络标准规范（IEEE 802.3 bs），是未来短距传输的主要光源，其低功耗、高效率及高速的特性，将能显著带动网络产业的效率及功能。VCSEL虽然非常的小，但它影响了数据交换中心的光纤速度。
VCSEL的应用领域主要集中在以下几个方面：
（1）消费电子3D成像：VCSEL是消费电子视觉成像、三维感应的基础元器件，预计2020年，仅智能手机为VCSEL市场贡献超过20亿美元的收入。
（2）物联网：VCSEL是物联网的重要传感器件，预计2025年，全球将有数十亿设备接入物联网，全球物联网市场有望超过30万亿美元。
（3）数据中心/云计算：VCSEL用于数据中心超级计算机内的连接。 预计2020年，全球VCSEL数据通讯的市场规模将达到100亿美元。
（4）自动驾驶：VCSEL应用于自动驾驶中的车身通讯、激光雷达、传感器等。预计到2030年，激光雷达的使用数量将超过3亿枚。
三、技术难点与壁垒
VCSEL可以做到几百瓦，但芯片转化效率很低，这就意味着散热方面必定会有问题，且芯片目前主要是垂直结构，那就和大功率LED一样，面临热电分离的难题，而陶瓷基板就是为解决热电分离诞生的。其次VCSEL的功率密度是非常高的，每平方厘米可以做到千瓦以上，所以只能采用真空封装，即基板要做三维腔室，把透镜架设到芯片上方。VCSEL这么高的高功率密度，芯片和基板热膨胀失配引起的应力问题会非常严重。
不同应用对VCSEL产品的性能和规格要求各异，主要体现在尺寸、输出功率和激光腔（laser cavity）等方面。对于数据通信和接近传感应用，VCSEL芯片或阵列的表面积可小于0.1m㎡；对于激光雷达应用，其表面积可超过70m㎡。VCSEL表面积随着所需输出功率的增加而增大，激光腔和制造工艺的复杂性也在提升。
当前，VCSEL从数据通信时代向3D传感时代的转变，可能会对相关制造产业产生强烈的影响。数据通信行业的VCSEL常采用3英寸或4英寸晶圆制造工艺，但是消费电子行业则需要6英寸晶圆制造工艺，才能实现降低成本的目的，以及更大的VCSEL阵列。这种演变对制造良率有直接影响，目前6英寸制造工艺的良率仍然偏低。这主要与外延片制造有关，与3英寸或4英寸晶圆外延相比，6英寸晶圆外延均匀性是目前的主要挑战。通常，外延层厚度的1％差异将导致10nm的波长偏差，并且外延良率会影响整体VCSEL制造良率。现在，外延是VCSEL产业亟需解决的关键工艺，金属有机化学气相沉积（MOCVD）和相关计量设备是投资核心！
尽管VCSEL的商业机会被各界一致看好，但国内能量产VCSEL的公司非常鲜有。该技术瓶颈较高，对芯片设计能力需求很高，同时受限于高昂成本、专利壁垒等因素，导致国内VCSEL发展速度远不及预期。部分国内芯片设计厂家虽有涉足，但良品率和可靠性不足，因而难以摆脱对国外成熟供应商的依赖。另外，在更多实际的应用中，客户需要的是简单易用、光电热整体优化好的光源方案（封装好的光芯片，并装配好光学透镜），而不是单独的VCSEL光芯片。
四、VCSEL相关A股上市公司
在VCSEL的丛林中，尽管很多核心技术可能还存在一些壁垒，但也少不了中国公司的身影。涉足VCSEL领域的公司很多，华为Mate30Pro的VCSEL供应商纵慧芯光就是一家优秀的创新型科技公司。
4.1 常州纵慧芯光半导体科技有限公司
纵慧芯光Vertilite是一家创新型的光电半导体高科技公司，公司致力于为全球客户提供高功率以及高频率VCSEL解决方案。
纵慧芯光公司产品很好，但很遗憾，公司的融资进程刚刚到B+轮，还没在A股上市。但公司背后的股东却不乏上市公司的身影。
欧菲光集团股份有限公司（欧菲光002456）出现在纵慧芯光的一级股东席位上，持股3.42%（查询日期2019年12月26日），此外，一村资本、武岳峰资本等知名投资基金也赫然在列。这个一村资本背后是华西股份000936.
4.2 其他上市公司
除了纵慧芯光以外，还有不少其他A股上市公司与VCSEL有关系，在上市公司公开公布的资料中进行搜索，截止2019年12月29日，查询到提及和VCSEL激光器相关公司就有20多家。对这些公司的列表我们进行了一些整理如下：
但是，这22家公司中，也有很多和VCSEL的关联度并不高，限于篇幅关系，本文无法全部一一进行分析。对于VCSEL相关的公司，网上有块自留地进行了单独的梳理。
有关VCSEL技术能否大爆发的观点，欢迎在留言区留言讨论。
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