半導(dǎo)體激光器是用半導(dǎo)體材料作為工作介質(zhì)的激光器。在各類激光器中，半導(dǎo)體激光器擁有最佳的能量轉(zhuǎn)化效率（直接應(yīng)用的高功率半導(dǎo)體激光元器件的電光轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)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(shù)的迅速發(fā)展。
半導(dǎo)體激光器分類
半導(dǎo)體激光器又稱為激光二極管，是采用半導(dǎo)體材料作為工作介質(zhì)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(zhì)和工作原理的不同，半導(dǎo)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(jié)中注入電流，電子與空穴在結(jié)區(qū)域內(nèi)復(fù)合，釋放出激光光子。由于PN結(jié)的結(jié)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(yīng)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(dǎo)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(shí)現(xiàn)高效耦合到光纖或其他光學(xué)元件中，因此在光通信、光存儲、光打印等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)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(jié)的邊界上發(fā)射激光的半導(dǎo)體激光器。它的結(jié)構(gòu)類似于激光二極管，但是在PN結(jié)的一側(cè)增加了一層反射鏡，使激光在PN結(jié)邊界上振蕩，EEL的優(yōu)點(diǎn)是輸出功率高，波長可調(diào)，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的電子束純效應(yīng)產(chǎn)生激光的半導(dǎo)體激光器。量子阱激光器且有波長可調(diào)，輸出功率高，照聲低等優(yōu)點(diǎn)，適用于光纖通信，醫(yī)療和光譜分析等領(lǐng)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(shù)制造的半導(dǎo)體激光器。VIEC的結(jié)構(gòu)復(fù)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(diǎn)，適用于高速光通信，光存儲和光打印等領(lǐng)域。
VSCEL VS EEL
根據(jù)激光投影的方向，半導(dǎo)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(nèi)，速率一般在1.25G以內(nèi)。DFB激光二極管是在腔內(nèi)具有光柵結(jié)構(gòu)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(diào)制、容易二維集成、沒有腔面閾值損傷等優(yōu)點(diǎn)，提供更好的激光束質(zhì)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(jìn)行，使單個芯片可以包含數(shù)百個單獨(dú)的光源，以增加最大輸出功率和提升長遠(yuǎn)的可靠性，EEL只能在簡單的一維陣列中進(jìn)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(dǎo)體材料為基礎(chǔ)研制的垂直表面出光的新型激光器，基本結(jié)構(gòu)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(diǎn)。
在應(yīng)用領(lǐng)域方面，VCSEL從誕生起就作為新一代光存儲和光通信應(yīng)用的核心器件，應(yīng)用在光并行處理、光識別、光互聯(lián)系統(tǒng)、光存儲等領(lǐng)域。隨著工藝、材料技術(shù)改進(jìn)，VCSEL器件在功耗、制造成本、集成、散熱等領(lǐng)域的優(yōu)勢開始顯現(xiàn)，逐漸應(yīng)用于包括消費(fèi)電子、工業(yè)、醫(yī)療、5G、汽車電子、AR/VR等領(lǐng)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(zhuǎn)換接口板（或器件）分開進(jìn)行封裝，可以實(shí)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(shí)現(xiàn)放電反轉(zhuǎn)。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(yīng)用領(lǐng)域上，邊發(fā)射激光器傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)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(yīng)用場景包括激光雷達(dá)、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(dá)、醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)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(fù)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(shù)、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(dǎo)體激光芯片的側(cè)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(yīng)環(huán)節(jié)，主要包括氣體激光器、光纖激光器和半導(dǎo)體激光器、固體激光器與染料（液體）激光器；下游廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、電子、汽車、航空、軍工等領(lǐng)域。
資料來源：網(wǎng)絡(luò)整理
半導(dǎo)體激光器產(chǎn)業(yè)鏈
半導(dǎo)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(shù)含量較高的半導(dǎo)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(dǎo)體激光器件封裝；下游是利用半導(dǎo)體激光器制備的各種激光應(yīng)用模組和激光設(shè)備。
資料來源：網(wǎng)絡(luò)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(nèi)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(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)，消費(fèi)級應(yīng)用也更快滲透，兩者產(chǎn)品具備很強(qiáng)的技術(shù)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(nèi)部進(jìn)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(guān)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(yīng)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(yīng)用企業(yè)包括光學(xué)通訊、顯示照明、醫(yī)療、傳感、和材料加工四大領(lǐng)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(yīng)用領(lǐng)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(yīng)用領(lǐng)域中，高功率半導(dǎo)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(jì)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(dǎo)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(nèi)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(dá)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(dá)到147.4億美元，預(yù)計(jì)2023年將繼續(xù)保持增長，市場規(guī)模將達(dá)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(dǎo)，由于光纖激光器性能優(yōu)異，適用性較強(qiáng)，近十年市場份額快速提升，占比達(dá)51%。半導(dǎo)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(shè)備市場
國際激光器設(shè)備市場
激光設(shè)備是集合多種先進(jìn)技術(shù)的高科技終端設(shè)備，該行業(yè)是目前各國最為關(guān)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(shè)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(shè)備市場銷售收入約為210.1億美元，2018-2021年年均復(fù)合增長率約為15.15%，預(yù)計(jì)2023年全球激光設(shè)備市場銷售收入將達(dá)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(nèi)激光器設(shè)備市場
激光加工技術(shù)憑借其精度高、速度快、加工效果好等優(yōu)勢正逐步實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)加工技術(shù)的替代，并成為我國大力支持和推廣的高新技術(shù)之一。近年來，各行業(yè)對激光設(shè)備的需求不斷增長，我國激光設(shè)備市場規(guī)模快速增長。數(shù)據(jù)顯示，2021年我國激光設(shè)備行業(yè)銷售收入達(dá)到821億元，預(yù)計(jì)2023年國內(nèi)激光設(shè)備行業(yè)銷售收入將達(dá)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(yīng)用主要體現(xiàn)在利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對材料進(jìn)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(diào)查數(shù)據(jù)顯示，2021年我國激光切割設(shè)備和激光焊接設(shè)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(shè)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(dǎo)體激光器市場
國際半導(dǎo)體激光器市場
VCSEL
過去，VCSEL 市場是由數(shù)據(jù)通信驅(qū)動的，這是該技術(shù)的首次量產(chǎn)應(yīng)用。2017年，隨著蘋果手機(jī)使用搭載VCSEL的人臉識別，移動和消費(fèi)成為VCSEL最大的市場，達(dá)到4.4億美元。但在幾年后很多手機(jī)停止使用VSCEL，轉(zhuǎn)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(yù)計(jì)將達(dá)到8.4億美元。期間的年復(fù)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(nèi)主導(dǎo)VCSEL市場。數(shù)據(jù)通信的VCSEL收入預(yù)計(jì)到2027年將達(dá)到21億美元，而移動和消費(fèi)者的VCSEL收入可能達(dá)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(dāng)時蘋果唯一合格的供應(yīng)商，主要由Lumentum主導(dǎo)。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(jì)占有80%的VCSEL市場。
資料來源：Yole
EEL
據(jù)Yole預(yù)計(jì)，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(fù)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(yīng)用。
資料來源：Yole
國內(nèi)半導(dǎo)體激光器市場
2021年中國半導(dǎo)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(jìn)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(nèi)半導(dǎo)體激光器市場規(guī)模將繼續(xù)增長。
當(dāng)前中國半導(dǎo)體激光器市場主要以紅外激光產(chǎn)品為主導(dǎo)，相比其他類型的半導(dǎo)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(dá)55%左右，已經(jīng)成為最大的半導(dǎo)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(dǎo)體激光器產(chǎn)品合計(jì)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(dǎo)體激光器行業(yè)下游終端應(yīng)用市場中，通信、醫(yī)療和軍事都是最主要的應(yīng)用領(lǐng)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(lǐng)域所占的需求量較其他終端應(yīng)用市場高，2021年市場占比達(dá)40%；其次為醫(yī)療和軍事應(yīng)用領(lǐng)域分別占比26%和15%，除此之外其他廣泛應(yīng)用的領(lǐng)域合計(jì)占比19%。
資料來源：材料深一度整理 ， 202 2 中國激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告
由于當(dāng)前我國激光相關(guān)企業(yè)呈現(xiàn)區(qū)域聚 集特點(diǎn)，位于各地區(qū)的企業(yè)大多集中分布，在國內(nèi)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(guān)業(yè)務(wù)范圍都存在一定的差異，也為半導(dǎo)體激光器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)，截止到2021年底，上述三個地區(qū)的半導(dǎo)體激光器企業(yè)數(shù)量占比分別達(dá)到16%、12%和10%，整體覆蓋范圍比較廣。
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