激光器主流技术路线有哪些？

激光器主流技术路线包含 EEL（边发射激光器）、VCSEL（垂直腔面发射器）和光纤激光器、

1.EEL：技术成熟，现有激光雷达的主流选择

EEL 技术发展成熟，已应用于多款激光雷达。EEL 是在芯片的两侧镀光学膜形成谐振腔，沿平行于衬底表 面发射激光，具有较高的功率密度。边发射激光芯片是最初的半导体激光器概念，经过数十年的发展已相当成 熟。EEL 已经应用于多数机械式激光雷达，以及法雷奥 SCALA Gen.1、速腾聚创 M1、大疆 Livox Horizon 在内 的半固态激光雷达。Focuslight 对 50 多项激光雷达的统计结果显示，EEL 占比最高，达到 55%，其次是 VCSEL， 占比 18%。

常见的边发射激光芯片相关产品有单管芯片、光纤耦合模块、巴条芯片、阵列模块等。单管芯片只有一个 发光单元，巴条芯片是由多个发光单元并成直线排列的激光二极管芯片，巴条芯片经过钝化、解膜后，可解理 为单个发光单元的单管芯片，单管和巴条芯片主要用于工业泵浦、科学研究、激光装备等。光纤耦合模块通常 是由单管芯片经过光学整形合束耦合封装而成，主要用于光纤激光器、固体激光器泵浦源等；阵列模块通常是 由巴条芯片集成封装而成，主要用于固体激光器泵浦源等。

激光雷达为 EEL 增速最快的细分市场之一，预计 2026 年市场规模超过 4 亿美元。根据 Yole 数据，EEL 整 体市场规模在 2020 年为 28.74 亿美元，预计 2026 年达到 66.13 亿美元，2020-2026 年 CAGR 为 15%。从市场构 成来看，目前光通信领域是 EEL 主要应用市场，2020 年占比 60%，未来仍将保持 15%的高复合增速。EEL 增 长最快的领域包括传感、医疗和照明，预计 2026 年市场规模达到 7.78 亿美元，CAGR 为 25%。EEL 在传感领 域的增长将主要由激光雷达需求驱动，预计到 2026 年激光雷达领域的 EEL 出货量接近 1 亿个，市场规模将超 过 4 亿美元，2020-2026 年市场规模 CAGR 约为 72%。

ams OSRAM 是行业领先的供应商。目前激光雷达 EEL 的供应商主要为海外的 ams OSRAM（速腾聚创 M1、Cepton）、日本滨松（Livox Horizon）、Excelitas（LeddarTech Vu8）、国内的长光华芯、瑞波光电子等。 ams OSRAM 是市场上少有的同时提供 EEL 和 VCSEL 解决方案的厂商，技术领先，其新开发的芯片设计收窄了 EEL 激光器的温漂曲线，在汽车应用的典型工作温度高达 125°C 时可以媲美 VCSEL 的波长稳定性，已有十多 款汽车型号所采用的 LiDAR 辅助系统搭载了它的激光器。

2.VCSEL：易实现高度集成，未来有望逐步替代 EEL

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。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。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。

VCSEL 芯片相比 EEL 芯片结构更为复杂，工艺难度更高。典型的 VCSEL 结构自上而下分别是：电流注 入所使用的欧姆接触、P 型的顶部分布布拉格发射镜（DBR），多量子阱有源区、N 型的底部分布布拉格发射 镜以及最底部的 N 型基质。顶部与底部的 DBR 构成激光谐振腔，长度为数微米，与激光波长在同一数量级。 工作时载流子被注入有源区的量子阱中，产生辐射跃迁，经过谐振腔的选模，在垂直于衬底的方向上输出圆形 的激光光束。相比于 EEL 的结构，VCSEL 显然更为复杂，工艺难度也更高。其工艺高难度主要体现在 VCSEL 谐振腔短（仅几微米长），导致其单程增益长度也极短，因此就要求制作的分布布拉格反射镜（DBR）材料质量必须良好，还要求 DBR 的发射率极高（一般要求 99%以上），目前如何获得高质量的 DBR 是 VCSEL 制作 过程最主要的难点。

随着汽车激光雷达的市场需求增长，多结 VCSEL 阵列成为全球领先厂商的重点布局产品。相比单结 VCSEL， 多结 VCSEL 可以：①提升能量转换效率（PCE），降低功耗；②提供更高的功率密度，对光学系统设计更加友 好；③提高效率，对激光驱动器更加友好；④提供更高的峰值功率，扩大测距工作范围；⑤降低激光器的“每 瓦成本（Cost per Watt）”。2020~2021 年，全球主要厂商陆续发布了双结和三结 VCSEL 产品，Lumentum 则在 2021 年 3 月首发五结和六结 VCSEL 阵列，每个发射孔的光功率超过 2W，从而使得 1 平方毫米 VCSEL 阵列的 峰值功率超过 800W。

可寻址 VCSEL 实现高性能发射。可寻址 VCSEL 通过可控的多光束扫描技术，可控制 VCSEL 阵列特定区 域进行发射；同时，探测器可以开启与发射相对应的区域，接收目标反射光；最终通过电子扫描，完成整个视 场范围内的激光雷达点云获取。Ibeo 的 Flash 激光雷达上所使用的 Sequential Flash 技术就在可寻址 VCSEL 上建 立。可寻址 VCSEL 阵列具有以下优点：①有效控制出光区域，可提升峰值功率;②通过合适的系统设计，可实 现系统级抗干扰能力;③具有更好的发光效率，可节约系统功耗;④散热性能更好。综上所述，多结、可寻址 VCSEL 阵列是实现高性能全固态中远程激光雷达的关键底层技术。

VCSEL 下游通信市场规模有望超越消费电子，汽车市场增速最快。根据 Yole 预测，VCSEL 整体市场规模 在 2022 年为 16 亿美元，预计 2027 年达到 39 亿美元，2022-2027 年 CAGR 为 19.2%。从市场构成来看，消费 电子和通信是 VCSEL 主要应用市场，预计 2027 年市场规模分别达到 17 亿美元和 21 亿美元。2022 年 VCSEL 在汽车领域市场规模仅为 180 万美元，随着激光雷达和 DMS 的应用放量，预计市场规模将以 96.6%的高复合增 长率增长至 2027 年的 5300 万美元。

VCSEL 格局从一枝独秀到双头垄断，消费电子领域的竞争基本决定了市场整体格局。Lumentum 长期位居 VCSEL 市场第一梯队，II-VI 在 2018 年末与 Finisar 合并，此后逐步缩小与 Lumentum 的差距，2021 年市场份额 升至 37%。消费电子是 VCSEL 当前最大下游市场，Lumentum 和 II-VI 为苹果 ToF Lidar 的一二供，并且在数据 通信领域占据优势，因而形成 VCSEL 市场份额双头垄断，2021 年的合计市场份额达到 79%。国内 VCSEL 厂商相比海外龙头起步较晚，营收体量较小，纵慧芯光（Vertilite）市占率处于 1%-2%之间。

频繁的并购整合也促使 VCSEL 的市场份额集中。过去几年，VCSEL 厂商之间多起并购整合事件使头部企 业不断巩固自身优势，包括：1）2017 年 ams 收购 Princeton Optronics，后者曾为联想 Phab2Pro 供货。2）2018 年 OSRAM 收购 Vixar，Vixar 后来成为 Mate30 Pro 的 VCSEL 供应商之一。3）2019 年 Trumpf 完成对 Philips Photonics 的收购，后者曾是 iPhone 7 的 VCSEL 供应商。4）2019 年 II-VI 完成对 Finsar 的收购。5）2020 年 ams 完成对 OSRAM 的收购。

激光雷达兴起与国内激光雷达厂商崛起为国产 VCSEL 带来发展机遇。Lumentum、ams OSRAM 等海外 VCSEL 厂商亦在拓展车载激光雷达产品，但目前激光雷达市场仍处于萌芽阶段，VCSEL 的渗透率还很低，国际厂商尚未构建市场格局，为国内厂商带来发展窗口。目前长光华芯、炬光科技、纵慧芯光已布局激光雷达市 场，并开始与下游激光雷达厂商展开合作，甚至获得头部厂商的战略投资。国内激光雷达厂商的快速发展有利 于国产 VCSEL 的导入与替代，国内 VCSEL 厂商有望在激光雷达市场获得发展机遇。

3.光纤激光器：配套 1550nm 技术路线，尚未对 905nm 形成压倒性优势

背景辐射分布与供应链决定了当前以 905nm 和 1550nm 为主的竞争格局。激光雷达系统的目标之一是发射 不会干扰其他传感器（照相机、人眼）的光线。因此，激光雷达的波长主要位于电磁波谱的近红外部分（750nm 至 1.5μm）。

在车载激光雷达的发展中，光纤激光器与 1550nm 这两种技术路线总是同步出现，一方面也是因为产业链 成熟度，另一方面则是为了满足远距离探测的需要。

1550nm 相比 905nm 人眼安全性高，进而能够扩大功率以提高探测距离。905nm 光波一般使用半导体激光 器产生，EEL 和 VCSEL（GaAS 基底）均可，整体实施成本低。905nm 相比 1550nm 更接近人眼可见光波段， 同时在水中衰减更弱，容易损害视网膜，因此功率受限，进而影响到探测距离提升。1550nm 距离可见光波段远， 且容易被水吸收，在同样的光斑大小和脉宽条件下，对视网膜危害低，功率限制小，可以通过加大功率来提高 探测范围。

1550nm 光纤激光器提高功率解决衰减问题，但面临高功耗、低能量转换效率的问题。基于前文的分析， 由于 1550nm 有高人眼安全性，光纤激光器能以提高功率来解决衰减问题，并获得超过 905nm 的探测距离。例 如图达通 1550nm 激光雷达的最远探测距离达到 500m（905nm 典型值为 200m-300m），10%反射率条件下探测 距离达到 250m（905nm 典型值为 150m-200m）。但这也产生更高功耗的代价。905nm 激光雷达的典型功耗在 20W 左右，而 1550nm 的典型功耗则在 30W 以上。905nm 半导体激光器相对光纤激光器少了光纤耦合和放大的 过程，能量转化效率更高。

1550nm 光纤激光器方案的系统成本仍较高。1550nm 光纤激光器系统成本较高主要来自激光器和探测器两 方面，1）激光器：根据 Innoviz 上市路演报告，1550nm 光纤激光器单位价格达到 5000 美元，援引某中国供应 商的数据显示百万台供货量时单位价格仍达 1000 美元；而 905nm 激光二极管的单位价格约为 10 美元，百万支 供应量时单位价格为 4 美元。2）探测器：因为材料的光敏性不同，1550nm 探测器需采用 InGaAs 制造，成本相 比 Si 基上升幅度大。目前 1550nm 激光雷达主要代表厂商为 Luminar 和图达通，对应的车型蔚来 ET7、沃尔沃 EX90 均属于中高端车型。

1550nm 与前沿 FMCW 技术绑定，发展潜力仍巨大。目前所有大规模量产的车载激光雷达均使用 ToF 测距 原理，即通过出射脉冲光和回波的时间差乘以光速得到距离。FMCW 发射连续激光而非脉冲，通过回波信号与 参考光的频率差，间接获得飞行时间反推目标物距。FMCW 能实时测量速度，信噪比高于 ToF，相同最大探测 距离下所需激光的峰值功率约为 ToF 的 1/10000，因此对人眼更加安全。根据 Innoviz 路演说明，FMCW 需用 1300nm-1550nm 波长，这使得 1550nm 仍存在巨大发展潜力。但需注意目前 FMCW 激光雷达还处于概念机阶段， Aeva 的 SOP 时间定在 2023Q4，Mobileye 预计等到 2025 年以后才能量产。

光纤激光器国产化率高，国内企业持续蚕食海外龙头市场份额。根据中国科学院武汉文献情报中心的《中 国激光产业报告》，锐科激光、创鑫激光、杰普特等为代表的一批国产厂商崛起，不断突破技术瓶颈，依托本 土市场的优势，持续抢占 IPG 等海外厂商的市场份额，光纤激光器低功率段已完全实现了国产替代，正在不断 实现中高端市场的国产替代。价格方面，以 1kW 激光器为例，2017 年进口平均价格为 12-20 万元，国产平均价 格为 10-15 万元，比进口价格低 20%-25%，而 2019 年进口平均价格已下降至 5~6 万元，国内价格已降至 3-5 万 元，下降了 50%-80%。