光芯片按功能可以分為激光器芯片和探測器芯片，其中激光芯片主要用于發(fā)射信號，當(dāng)注入電流＞閾值電流時，就可以發(fā)射出特定波段的激光，從而將電信號轉(zhuǎn)化為光信號。

1.政策分析

1.1政策背景

激光芯片是決定激光器性能的關(guān)鍵因素，對激光應(yīng)用的精度、效率和可靠性有著直接的影響。其處于激光產(chǎn)業(yè)鏈上游的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，影響中下游的器件制造和系統(tǒng)集成，在工業(yè)制造、醫(yī)療科技、通信、國防等諸多領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。因此掌握激光芯片技術(shù)對于提升國家科技實力和產(chǎn)業(yè)競爭力具有重要意義，近年來政府對激光產(chǎn)業(yè)的政策支持傾斜力度不斷加大，國家對突破激光產(chǎn)業(yè)“卡脖子”技術(shù)瓶頸寄予厚望。

1.2政策概要

2016年12月，國務(wù)院發(fā)布《“十三五“國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提出“研制推廣使用激光、電子束、離子束及其他能源驅(qū)動的主流增材制造工藝裝備，加快研制高功率光纖激光器”。

2018年1月，國家知識產(chǎn)權(quán)局發(fā)布《知識產(chǎn)權(quán)重點支持產(chǎn)業(yè)目錄（2018年本）》提出“激光器核心功能部件、先進激光器及高端激光制造工藝裝備、先進激光制造應(yīng)用技術(shù)和裝備、大功率激光材料”。

2020年1月，科技部、發(fā)展改革委、教育部、中科院、自然科學(xué)基金委聯(lián)合發(fā)布《加強“從0到1”基礎(chǔ)研究工作方案》提出“國家科技計劃突出支持關(guān)鍵核心技術(shù)中的重大科學(xué)問題。面向國家重大需求，對關(guān)鍵核心技術(shù)中的重大科學(xué)問題給予長期支持。重點支持3D打印和激光制造、光電子器件及集成、集成電路和微波器件等重大領(lǐng)域，推動關(guān)鍵核心技術(shù)突破“。

2021年1月，工信部發(fā)布《基礎(chǔ)電子元器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃（2021-2023年）》提出“重點發(fā)展高速光通信芯片、高速高精度光探測器、高速直調(diào)和外調(diào)制激光器、高速調(diào)制器芯片、高功率激光器、光傳輸用數(shù)字信號處理器芯片、高速驅(qū)動器和跨阻抗放大器芯片”。

2023年7月，國家發(fā)改委發(fā)布《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（2023年本）》鼓勵類目錄提到“增材制造裝備及專用材料，激光器、電子槍、掃描振鏡等關(guān)鍵零部件”。

1.3政策解讀

2016年《“十三五“國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》正式將激光器及其上下游產(chǎn)業(yè)鏈納入重點關(guān)注扶持的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。作為國家重點發(fā)展和亟需知識產(chǎn)權(quán)支持的重點產(chǎn)業(yè)，激光制造產(chǎn)業(yè)正逐步實現(xiàn)核心元器件和材料的國產(chǎn)化，加快高功率激光器的進口替代進程。

2020年相關(guān)政策將激光制造列入要實現(xiàn)0到1的原創(chuàng)性突破的領(lǐng)域，著重關(guān)注激光器件核心技術(shù)中的重大科學(xué)問題。從整體政策趨勢來看，針對激光芯片行業(yè)的支持重點將更聚焦核心技術(shù)突破，突破制約行業(yè)發(fā)展的專利、技術(shù)壁壘，以打通產(chǎn)業(yè)鏈、保障激光產(chǎn)業(yè)安全穩(wěn)定發(fā)展。

2.行業(yè)概況

2.1行業(yè)市場規(guī)模

2.1.1中國激光器市場規(guī)模達(dá)876億元，占據(jù)全球市場過半份額

根據(jù)光電匯OESHOW的數(shù)據(jù)，以銷售收入為基準(zhǔn)的2021年全球激光器市場規(guī)模達(dá)210.1億美元，同比增長率為16.40%，2022年全球市場規(guī)模順勢繼續(xù)增長至232億美元。我國激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度略高于制造業(yè)的整體發(fā)展速率，以銷售收入為基準(zhǔn)的2021年中國激光器市場規(guī)模達(dá)821億元，同比增長17.85%，到2022年中國激光器市場規(guī)模進一步擴大至876億元，占據(jù)全球過半份額。

圖1 中國激光器市場規(guī)模發(fā)展態(tài)勢

2.1.2半導(dǎo)體激光器市場規(guī)模達(dá)140億元，占據(jù)激光器市場16%份額

根據(jù)增益介質(zhì)的不同，激光器可以分為固體激光器、半導(dǎo)體激光器、光纖激光器、氣體激光器等。根據(jù)LaserFocusWorld統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2021年不同介質(zhì)激光器市場占比分別為光纖53%、半導(dǎo)體16%、氣體16%、固體15%。根據(jù)激光器市場規(guī)?？赏频?022年我國半導(dǎo)體激光器市場規(guī)模約為140億元。

圖2 不同類型激光器市場占比格局

2.1.3光芯片市場規(guī)模達(dá)14.97億美元，VCSEL激光芯片占15%

光芯片與光通信和光模塊密不可分。根據(jù)億渡數(shù)據(jù)，2021年我國光芯片市場規(guī)模達(dá)14.97億美元，2015-2021年復(fù)合增長率達(dá)14.94%，預(yù)計2026年我國光芯片市場將增長至29.97億美元。其中VCSEL激光芯片的需求不斷擴大，2021年我國VCSEL芯片市場規(guī)模約為2.4億美元，占據(jù)光芯片市場的約15%，預(yù)計至2026年，我國VCSEL芯片市場規(guī)模將增長至4.3億美元。

圖3 通信光芯片市場規(guī)模發(fā)展態(tài)勢

2.1.4中國非光通信激光芯片市場規(guī)模達(dá)17.3億元，增長率高達(dá)33.3%

高端制造與醫(yī)療器械等領(lǐng)域?qū)す馄餍枨蟪掷m(xù)擴大，非光通信類激光芯片高速增長，根據(jù)華泰證券測算，中國非光通信類激光芯片市場規(guī)模由2021年的8.9億元增長至2023年的17.3億元，2021~2023年年復(fù)合增長率為33.3%[9]，行業(yè)處于成長期，未來仍將保持高速增長。

圖4 中國激光器市場規(guī)模發(fā)展態(tài)勢

 2.2行業(yè)市場前景

2.2.1產(chǎn)業(yè)升級催生大量下游應(yīng)用需求，激光芯片商業(yè)機遇龐大

半導(dǎo)體激光芯片制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級中扮演關(guān)鍵角色。從賦能高端制造角度來看，大功率加工和小功率精細(xì)加工均為產(chǎn)值相當(dāng)?shù)男袠I(yè)熱點，均對半導(dǎo)體激光芯片產(chǎn)生了巨大需求。從產(chǎn)品應(yīng)用角度觀察，除了高端制造領(lǐng)域的快速增長外，激光測距雷達(dá)、3D傳感、精準(zhǔn)醫(yī)療器械、高通量低延時通信、激光掃描等市場也在迅速發(fā)展，為激光產(chǎn)業(yè)鏈尤其是激光芯片制造商帶來了巨大的商業(yè)機遇。

2.2.2聚焦材料與結(jié)構(gòu)強化功率與效率，高集成定制功能形成趨勢

激光芯片技術(shù)發(fā)展路徑多樣，提高功率和效率是攻關(guān)升級的抓手之一，以滿足工業(yè)激光器對更高功率和更好光束質(zhì)量的需求，為此更短的波長和更快的頻率將是研發(fā)重點。提供研究新型半導(dǎo)體材料（如二維材料）和創(chuàng)新的芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計以提升激光芯片的性能，并且隨著系統(tǒng)集成度的提高，激光芯片將趨向更小的尺寸和更高的集成度，針對特定需定制特殊性能或功能的激光芯片將成為趨勢。

2.3行業(yè)市場份額    

2.3.1海外企業(yè)主導(dǎo)激光芯片市場，國產(chǎn)企業(yè)多點突破

根據(jù)2019年市場數(shù)據(jù)來看，包括Lumentum、Osram、II-VI、Jenoptik、NeoPhotonics等美國和德國廠商在高功率半導(dǎo)體激光芯片領(lǐng)域處于壟斷地位，占據(jù)90%以上市場份額；日本廠商在信息型半導(dǎo)體激光領(lǐng)域占據(jù)市場70%的份額。

近年來國內(nèi)密集組織相關(guān)產(chǎn)學(xué)研合作，重點突破高功率高亮度、特種半導(dǎo)體激光芯片等先進激光產(chǎn)品和合束技術(shù)等一系列卡脖子問題，諸如長光華芯、武漢銳晶、華光光電、縱慧芯光、炬光科技等國產(chǎn)激光芯片企業(yè)逐步開始嶄露頭角并開始在部分細(xì)分技術(shù)領(lǐng)域取得領(lǐng)先。

2.3.2海外巨頭壟斷VCSEL市場近80%，國產(chǎn)廠商逐步追趕

Lumentum是全球最大的VCSEL激光芯片供應(yīng)商。據(jù)Yole統(tǒng)計，2021年Lumentum占據(jù)了全球VCSEL市場42%的份額，ll-VI通過2019年收購Finisar成為了目前全球第二大VCSEL激光芯片供應(yīng)商，2021年市占率達(dá)37%，即前兩大玩家合計占據(jù)了近80%的市場。長光華芯、縱慧芯光等國產(chǎn)廠商在VCSEL領(lǐng)域同樣具備強勁潛力，逐步突破一個又一個關(guān)鍵技術(shù)壁壘。近兩年國產(chǎn)VCSEL產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，VCSEL激光芯片的國產(chǎn)化進程正在加速推進中。

圖5 全球VCSEL芯片市場份額（2021）

3.產(chǎn)業(yè)鏈分析

3.1產(chǎn)業(yè)鏈概況   

激光芯片產(chǎn)業(yè)鏈主要包括上游的光學(xué)材料和光學(xué)元件，如激光晶體材料、光學(xué)鏡片、特種光纖、光纖合束器等核心部件。中游是各類激光器及其配套設(shè)備的生產(chǎn)，包括固體激光器、光纖激光器、氣體激光器、液體激光器等不同類型，以及激光器二極管、激光模塊等。下游則是面向各個行業(yè)終端需求的應(yīng)用，如通信與光儲存、科研與軍事、醫(yī)療與美容等領(lǐng)域。

圖6 激光芯片產(chǎn)業(yè)鏈

3.1.1上游分析

上游在激光芯片產(chǎn)業(yè)鏈中扮演著基礎(chǔ)性和關(guān)鍵性的角色，主要包括光學(xué)材料、光學(xué)元件和其他構(gòu)成激光器的必要材料。上游原材料的價格變動會直接影響到激光設(shè)備的成本。

(1) 光學(xué)材料

光學(xué)材料是制造激光器的核心基礎(chǔ)，包括激光晶體材料、特種光纖等。激光晶體材料主要用于產(chǎn)生和放大激光光束，其性能直接影響到激光器的輸出功率、穩(wěn)定性以及壽命。

(2) 光學(xué)元件和器件

包括光學(xué)鏡片、泵浦源、振鏡、光柵等。光學(xué)鏡片用于聚焦、反射和傳輸激光光束；泵浦源為激光器提供能量激發(fā)激光工作物質(zhì)；振鏡和光柵則是控制和調(diào)節(jié)激光光束的重要元件。目前國外大型光學(xué)元器件制造商如II‐VI、nLight、LUMENTUM在高端領(lǐng)域仍占據(jù)主導(dǎo)地位，國內(nèi)的光學(xué)元器件制造商如福晶科技、光庫科技等也在迅速崛起。

3.1.2中游分析

中游在激光芯片產(chǎn)業(yè)鏈中主要負(fù)責(zé)各類激光器及其配套設(shè)備的生產(chǎn)和研發(fā)，是連接上游原材料和下游應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

激光器包括固體激光器、光纖激光器、氣體激光器、半導(dǎo)體激光器以及其他類型的激光器。根據(jù)工作物質(zhì)的不同，具有不同的性能特點和適用領(lǐng)域。例如，光纖激光器因其高效率、高亮度和良好的穩(wěn)定性，在工業(yè)切割、焊接和打標(biāo)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用；而固體/半導(dǎo)體激光器則在精密加工、醫(yī)療和科研等領(lǐng)域有其獨特優(yōu)勢。

3.1.3下游分析

激光芯片的下游應(yīng)用涵蓋了眾多高科技領(lǐng)域，其創(chuàng)新性和高效性為各行業(yè)帶來了深遠(yuǎn)影響。在通信領(lǐng)域，激光芯片被廣泛應(yīng)用于長途通信、數(shù)據(jù)中心互聯(lián)以及5G、6G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)中起到關(guān)鍵作用，提供低延遲、高帶寬的通信服務(wù)；在醫(yī)療健康領(lǐng)域，激光芯片應(yīng)用于激光手術(shù)、激光美容、生物醫(yī)學(xué)成像和疾病診斷等方面。此外，激光芯片還應(yīng)用于科研、能源、環(huán)保、安全防護、軍事等諸多領(lǐng)域。

3.2競爭分析

在高功率半導(dǎo)體激光芯片領(lǐng)域，國內(nèi)半導(dǎo)體激光芯片行業(yè)隨著技術(shù)的不斷突破，處于快速發(fā)展期，主要廠商包括長光華芯、武漢銳晶、度亙激光、華光光電、深圳瑞波等。據(jù)統(tǒng)計，2020年長光華芯、武漢銳晶占國內(nèi)高功率半導(dǎo)體激光芯片市場份額分別達(dá)13.4%和7.4%，國產(chǎn)率近21%。長光華芯2020年自主研發(fā)的30瓦芯片反超了當(dāng)時國際領(lǐng)先水平的27瓦，現(xiàn)在又推出了功率達(dá)到35瓦的激光芯片，突破多項“卡脖子”技術(shù)難關(guān)。

我國光芯片企業(yè)已基本掌握10G光芯片的核心技術(shù)，但部分型號產(chǎn)品仍存在較高技術(shù)門檻，依賴進口。根據(jù)ICC統(tǒng)計，2021年全球10GDFB激光器芯片市場中，較為領(lǐng)先的廠商包括源杰科技（份額為20%）、住友電工（份額為15%）。但另一方面，部分10G光芯片產(chǎn)品性能要求較高、難度較大，如10GVCSEL/EML激光芯片等，國產(chǎn)化率不到40%。

在VCSEL領(lǐng)域，基于VCSEL量產(chǎn)成本低、波長穩(wěn)定等優(yōu)勢，隨著VCSEL功率密度等性能持續(xù)提升，有望成為半固態(tài)/固態(tài)激光雷達(dá)發(fā)射端核心元器件。目前，海外龍頭Lumentum、II-IV憑借技術(shù)優(yōu)勢主導(dǎo)芯片市場，根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，Lumentum、II-IV兩家公司2019、2020年市場份額合計占比分別為67.7%和79.6%。在生產(chǎn)模式上，Lumentum將外延環(huán)節(jié)外包，II-VI自產(chǎn)外延片。國內(nèi)傳感應(yīng)用類VCSEL企業(yè)主要包括長光華芯、縱慧芯光、睿熙科技、博升光電、檸檬光子、瑞識科技等，其中長光華芯等頭部廠商采用IDM模式，打造核心競爭力。

4.總結(jié)

VCSEL 是具有高可靠性和設(shè)計冗余的一種光源，激光雷達(dá)用 VCSEL 具有多結(jié)堆疊結(jié)構(gòu)、多通道發(fā)射、多波長、多重連接等特點。將新技術(shù)結(jié)合到單個 VCSEL 芯片中，利用芯片設(shè)計的靈活性，以及組件、模塊、子系統(tǒng)的相互優(yōu)化，有助于推動激光雷達(dá)產(chǎn)品的差異化滿足不同的應(yīng)用訴求。