行業(yè)動態(tài)
半導體激光器是用半導體材料作為工作介質的激光器。在各類激光器中，半導體激光器擁有最佳的能量轉化效率（直接應用的高功率半導體激光元器件的電光轉換效率最高可達到60-70%），可以作為光纖激光器、固體激光器等多種光泵浦激光器的核心泵浦源使用，并推動光纖激光及固體激光技術的迅速發(fā)展。
半導體激光器分類
半導體激光器又稱為激光二極管，是采用半導體材料作為工作介質而產(chǎn)生受激發(fā)射的一類激光器。常用材料有砷化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）、磷化銦（InP）、硫化鋅（ZnS）。激勵方式有電注入、電子束激勵和光泵浦激勵三種形式。
根據(jù)激光介質和工作原理的不同，半導體激光器可以分為以下幾類：
1.激光二極管
激光二極管的工作原理是，在PN結中注入電流，電子與空穴在結區(qū)域內復合，釋放出激光光子。由于PN結的結區(qū)域非常小，因此可以產(chǎn)生非常密集的激光束。激光二極管的波長通常在800nm至980nm之間，適合于光纖通信等應用。
2.垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)
垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)是一種在半導體芯片上制造的激光器。它的激光輸出垂直于芯片表面，可以實現(xiàn)高效耦合到光纖或其他光學元件中，因此在光通信、光存儲、光打印等領域有廣泛應用。
3.邊界發(fā)射激光器(EEL)
邊界發(fā)射激光器(EEL)是一種在PN結的邊界上發(fā)射激光的半導體激光器。它的結構類似于激光二極管，但是在PN結的一側增加了一層反射鏡，使激光在PN結邊界上振蕩，EEL的優(yōu)點是輸出功率高，波長可調，結構簡單等。
4.量子阱激光器
量子阱激光器是一種利用量子阱結構的電子束純效應產(chǎn)生激光的半導體激光器。量子阱激光器且有波長可調，輸出功率高，照聲低等優(yōu)點，適用于光纖通信，醫(yī)療和光譜分析等領域。
5.垂直外延激光器
垂直外延激光器(VLEC)是一種采用外延生長技術制造的半導體激光器。VIEC的結構復雜，制造工藝難度較大，但是具有波長范圍寬，輸出功率高等優(yōu)點，適用于高速光通信，光存儲和光打印等領域。
VSCEL VS EEL
根據(jù)激光投影的方向，半導體激光器可以分為兩類型：邊發(fā)射激光器（EEL）和垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）。
EEL有兩種主要類型：FP激光器和DFB激光器。在FP激光器中，激光二極管是激光器，其反射鏡只是激光芯片末端的平面裂開表面。FP激光器主要用于低數(shù)據(jù)速率短距離傳輸；傳輸距離一般在20km以內，速率一般在1.25G以內。DFB激光二極管是在腔內具有光柵結構的激光器，其在整個腔中產(chǎn)生多次反射。它們主要用于高數(shù)據(jù)速率的長距離傳輸。
VCSEL與EEL相比，VCSEL激光垂直于頂面射出，與激光由邊緣射出的邊發(fā)射型激光器（EEL）有所不同。因此相較于邊射型激光器，VCSEL激光器具有低閾值電流、穩(wěn)定單波長工作、可高頻調制、容易二維集成、沒有腔面閾值損傷等優(yōu)點，提供更好的激光束質量，更高的耦合效率和空腔反射率。此外，VCSEL能夠以二維陣列進行，使單個芯片可以包含數(shù)百個單獨的光源，以增加最大輸出功率和提升長遠的可靠性，EEL只能在簡單的一維陣列中進行。
1）垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)
VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)是一種主要以砷化鎵半導體材料為基礎研制的垂直表面出光的新型激光器，基本結構是由上下兩個DBR（Distributed Bragg Reflector）反射鏡和有源區(qū)這三部分組成。VCSEL具有體積小、圓形輸出光斑、單縱模輸出、閾值電流小、價格低廉、易集成為大面積陣列等優(yōu)點。
在應用領域方面，VCSEL從誕生起就作為新一代光存儲和光通信應用的核心器件，應用在光并行處理、光識別、光互聯(lián)系統(tǒng)、光存儲等領域。隨著工藝、材料技術改進，VCSEL器件在功耗、制造成本、集成、散熱等領域的優(yōu)勢開始顯現(xiàn)，逐漸應用于包括消費電子、工業(yè)、醫(yī)療、5G、汽車電子、AR/VR等領域。
VCSEL芯片的封裝方式比較多樣。常見的VCSEL芯片封裝包括：金屬TR組件封裝、塑料TR組件封裝以及陶瓷TD組件封裝等。其中，TR組件指VCSEL激光器芯片與信號轉換接口板（或器件）分開進行封裝，可以實現(xiàn)對光纖的直連；TD組件指采用有引腳的陶瓷基板封裝，可以直接和PCB板焊接。
2）邊發(fā)射激光器（EEL）
EEL激光器是一種速度快、高效能、低能耗和小型化的固態(tài)激光器。EEL激光器的原理是利用電子注入來實現(xiàn)放電反轉。EEL激光器有法布里珀羅 (FP)、分布式布拉格反射器(DBRs)、分布式反饋(DFB)和廣域激光二極管(BALDs)等產(chǎn)品類型。
在應用領域上，邊發(fā)射激光器傳統(tǒng)應用領域包括數(shù)據(jù)通信、光通信、3D打印、材料加工、顯示與照明等，新興應用場景包括激光雷達、人臉/手勢識別、醫(yī)療等。作為探測光源，邊緣發(fā)射激光器具有高可靠性、小型化、發(fā)光功率密度高等優(yōu)勢，在光通信、激光雷達、醫(yī)療等領域應用前景廣闊。但同時，邊緣發(fā)射激光器也存在一定不足，如工藝復雜繁瑣、難保障一致性、成本高等，未來邊緣發(fā)射激光器仍需在技術、工藝、性能等方面持續(xù)優(yōu)化。
由于邊發(fā)射激光器的出光在半導體激光芯片的側面邊緣，因此難以在很小的尺寸里對芯片做封裝，封裝形式包括TO、蝶形、C型(C-mount)、D型(D-mount)等。目前大多數(shù)有封裝的邊發(fā)射激光器采用的是to-can封裝、蝶形封裝的形式。
激光器產(chǎn)業(yè)鏈
激光器行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈上游包括芯片、泵浦管、耦合器等零部件生產(chǎn)環(huán)節(jié)；中游為激光器生產(chǎn)供應環(huán)節(jié)，主要包括氣體激光器、光纖激光器和半導體激光器、固體激光器與染料（液體）激光器；下游廣泛應用于機械、冶金、電子、汽車、航空、軍工等領域。
資料來源：網(wǎng)絡整理
半導體激光器產(chǎn)業(yè)鏈
半導體激光器產(chǎn)業(yè)鏈可以分為上、中、下游三個部分。上游主要為技術含量較高的半導體激光器外延材料生長和芯片制備；中游是不同形式的半導體激光器件封裝；下游是利用半導體激光器制備的各種激光應用模組和激光設備。
資料來源：網(wǎng)絡整理
資料來源：Yole
Vcsel
VCSEL國外廠商主要有Lumentum、Finisar（被II-VI收購）、II-VI（改名Coherent）、Broadcom、Trumpf、ams等。國內主要有三江蘇華興、武漢光迅科技、深圳源國、度亙激光、華工正源等公司。VCSEL企業(yè)基本都來自于光通信芯片的龍頭企業(yè)；也正是VCSEL有了在光通信領域的經(jīng)驗，消費級應用也更快滲透，兩者產(chǎn)品具備很強的技術延展性。
EEL
EEL市場是高度分散的。大多數(shù)EEL制造商都是垂直整合的，即在內部進行外延、前端線尾(FEOL)處理、包括與激光二極管組件的圖樣相關所有制程步驟，以及后端線尾(BEOL)制程，包括互連和封裝。邊發(fā)射激光器供應商有艾邁斯歐司朗、Coherent、Lumentum、Cisco、海信、長光華芯等企業(yè)，下游主要應用企業(yè)包括光學通訊、顯示照明、醫(yī)療、傳感、和材料加工四大領域。
激光器器件市場
國際激光器器件市場
全球激光器市場快速增長，高功率應用領域占比 59%。根據(jù)《2021 年中國激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告》，2020年全球激光器應用領域中，高功率半導體激光芯片的下游激光器市場包括：材料加工與光刻市場、科研與軍事市場、醫(yī)療與美容市場，合計占比為59.10%，2020年全球激光器規(guī)模為160.10億美元，高功率半導體激光器份額為94.62億美元，約615.03億元人民幣。
資料來源：2021 年中國激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告
國內激光器器件市場
近年來，中國激光器市場規(guī)模保持增長趨勢，2020年市場規(guī)模已達109.1億美元，同比增長7.16%，占全球激光器市場66.12%的份額。2022年中國激光器市場規(guī)模增速加快，達到147.4億美元，預計2023年將繼續(xù)保持增長，市場規(guī)模將達169.5億美元。
資料來源：中商情報網(wǎng)，材料深一度整理
中國激光器市場主要以光纖激光器為主導，由于光纖激光器性能優(yōu)異，適用性較強，近十年市場份額快速提升，占比達51%。半導體激光器、固體激光器、氣體激光器占比差距較小，占比分別為17%、16%和15%。
資料來源：材料深一度整理，中商情報網(wǎng)
激光器設備市場
國際激光器設備市場
激光設備是集合多種先進技術的高科技終端設備，該行業(yè)是目前各國最為關注和發(fā)展最為迅速的行業(yè)之一。近年來，全球激光產(chǎn)業(yè)市場發(fā)展迅猛，并帶動激光設備產(chǎn)業(yè)收入增長。據(jù)《2022中國激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告》，2021年全球激光設備市場銷售收入約為210.1億美元，2018-2021年年均復合增長率約為15.15%，預計2023年全球激光設備市場銷售收入將達到267.2億美元。
資料來源：材料深一度整理，2022中國激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告
國內激光器設備市場
激光加工技術憑借其精度高、速度快、加工效果好等優(yōu)勢正逐步實現(xiàn)對傳統(tǒng)加工技術的替代，并成為我國大力支持和推廣的高新技術之一。近年來，各行業(yè)對激光設備的需求不斷增長，我國激光設備市場規(guī)?？焖僭鲩L。數(shù)據(jù)顯示，2021年我國激光設備行業(yè)銷售收入達到821億元，預計2023年國內激光設備行業(yè)銷售收入將達到994億元。
資料來源：材料深一度整理，中商情報網(wǎng)
激光在工業(yè)上的應用主要體現(xiàn)在利用激光束與物質相互作用的特性對材料進行加工處理，激光加工按激光束對材料的作用效果可劃分為激光切割、激光焊接等。根據(jù)《2022年中國激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告》的調查數(shù)據(jù)顯示，2021年我國激光切割設備和激光焊接設備市場銷售收入分別為280.1億元和66.5億元，分別占中國激光設備市場總份額的34.12%和8.10%。
資料來源：材料深一度整理，2022年中國激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告
半導體激光器市場
國際半導體激光器市場
VCSEL
過去，VCSEL 市場是由數(shù)據(jù)通信驅動的，這是該技術的首次量產(chǎn)應用。2017年，隨著蘋果手機使用搭載VCSEL的人臉識別，移動和消費成為VCSEL最大的市場，達到4.4億美元。但在幾年后很多手機停止使用VSCEL，轉而使用屏下指紋傳感器。
到2022年，VCSEL市場與2018年相比幾乎翻了一番，yole預計將達到8.4億美元。期間的年復合增長率（CAGR 2022-2027）為19.2%。從2023年開始，數(shù)據(jù)通信依然是VCSEL最大的市場，并在接下來的五年內主導VCSEL市場。數(shù)據(jù)通信的VCSEL收入預計到2027年將達到21億美元，而移動和消費者的VCSEL收入可能達到17億美元。
資料來源：Yole
2017年以來，VCSEL市場是寡頭壟斷，Lumentum是當時蘋果唯一合格的供應商，主要由Lumentum主導。到2022年，Coherent（II-VI）收購了Finisar。Lumentum和II-VI這兩家公司是獲得蘋果3D傳感資格的企業(yè)。VCSEL變成了雙頭壟斷。Lumentum和Coherent現(xiàn)在是最大的市場擁有者，總計占有80%的VCSEL市場。
資料來源：Yole
EEL
據(jù)Yole預計，邊緣發(fā)射激光器(EEL)市場將從2021年的35億美元增長到2027年的74億美元，期間的年復合增長率（CAGR 2021-2027）為13%。增長將繼續(xù)受到光通信的推動，例如用于數(shù)據(jù)通信和電信的光模塊和放大器，以及3D傳感應用。
資料來源：Yole
國內半導體激光器市場
2021年中國半導體激光器市場規(guī)模超過40億元，較上年同期相比增長約15%，2022年市場繼續(xù)保持上升趨勢，市場總規(guī)模進一步提高至49億元，同比2021年增長約22.5%，在行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈中各環(huán)節(jié)的逐步成熟之下，國內半導體激光器市場規(guī)模將繼續(xù)增長。
當前中國半導體激光器市場主要以紅外激光產(chǎn)品為主導，相比其他類型的半導體激光器產(chǎn)品更受到下游市場的青睞，截至2021年末，紅外激光器占整體市場的比重超過一半，達55%左右，已經(jīng)成為最大的半導體激光器品類，此外紅色鐳射激光器占據(jù)的市場份額排在其后，2021年同期市場占比約為21%，其他種類的半導體激光器產(chǎn)品合計占有總市場的24%。
資料來源：材料深一度整理，2022中國激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告
在半導體激光器行業(yè)下游終端應用市場中，通信、醫(yī)療和軍事都是最主要的應用領域，經(jīng)過多年的發(fā)展，行業(yè)下游環(huán)節(jié)逐步形成了穩(wěn)定的發(fā)展格局，目前通信領域所占的需求量較其他終端應用市場高，2021年市場占比達40%；其次為醫(yī)療和軍事應用領域分別占比26%和15%，除此之外其他廣泛應用的領域合計占比19%。
資料來源：材料深一度整理，2022中國激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告
由于當前我國激光相關企業(yè)呈現(xiàn)區(qū)域聚集特點，位于各地區(qū)的企業(yè)大多集中分布，在國內各地區(qū)中，珠三角、長三角和華中等地區(qū)的激光企業(yè)數(shù)量相對較多，同時各區(qū)域的相關業(yè)務范圍都存在一定的差異，也為半導體激光器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了基礎，截止到2021年底，上述三個地區(qū)的半導體激光器企業(yè)數(shù)量占比分別達到16%、12%和10%，整體覆蓋范圍比較廣。
來源：材料深一度
