华为、比亚迪、小米争相布局，国产VCSEL能否挑战Lumentum？

导语：VCSEL芯片在消费电子产品中出货量达到数十亿颗，已成为人类历史上使用最广泛的激光器，超过了所有其他激光器类型的总使用量。基于VCSEL的激光雷达有望在未来几年将其成本降低至100美元。

什么是VCSEL芯片？

VCSEL（垂直腔面发射激光器）是一种特殊的半导体激光器，其最大特点是激光垂直于芯片表面发射，而非传统边发射激光器（EEL）侧向出光。VCSEL主要由多层布拉格反射镜（DBR）、有源区（量子阱）和半导体衬底构成，形成类似“三明治”结构的垂直谐振腔。

相比EEL，VCSEL具备多项显著优势，包括圆形光斑和低发散角，便于光学系统集成，高效低功耗，阈值电流低（1-2mA），部分型号电光转换效率高达59.7%。此外，VCSEL支持二维阵列化生产，能够实现晶圆级测试和封装，降低单颗芯片的成本，且具备更快的调制速率，使其广泛应用于高速光通信和实时传感等领域。同时，VCSEL的晶圆级制造工艺，使其无需单独装调，降低了人工调试成本，提高了产品的一致性和可靠性。相较于传统EEL，VCSEL在LiDAR系统中的大规模应用能够有效降低整体成本，并提升系统的耐用性。

尽管早期单芯片VCSEL的功率较低，主要用于短距离应用，但随着多结技术的发展（如Lumentum的多结VCSEL阵列），通过增加多个有源层，功率密度可达1800W/mm?，突破了中远距离探测的限制，使其在汽车激光雷达、长距离光通信等领域展现出更强的竞争力。

在光通信领域，850nm多模VCSEL已成为短距离（<300m）高速数据传输的核心器件，支持400Gbps的数据中心互连，并广泛应用于超算、服务器和交换机等设备。近年来，长波长VCSEL（1310nm/1550nm）逐步突破单模功率瓶颈，相较于传统的DFB激光器，长波长VCSEL在可靠性、低成本、低功耗等方面具备更大优势，有望逐步渗透长距离光通信市场。

在3D传感及消费电子领域，VCSEL已成为智能手机3D结构光技术的核心器件，苹果Face ID即采用AR-VCSEL方案，其940nm发射波长、发散角小于20°，并支持200米内的高精度3D探测。AR/VR设备也广泛采用VCSEL阵列，实现高分辨率的手势交互和环境感知。

在新兴的工业和医疗领域，高功率VCSEL已被广泛用于精密工业加热，如PCB焊接、半导体封装、塑料加工等应用，具备精准温控、高能量密度和均匀加热等优势，提升了生产效率和良率。

VCSEL芯片应用领域，来源：与非研究院整理

在汽车激光雷达应用中，VCSEL的多结阵列技术突破了传统单结VCSEL功率较低的瓶颈，使其在短距和长距激光雷达领域均具备竞争力。多结VCSEL阵列广泛应用于短距LiDAR，如车舱监控、DMS（驾驶员监测系统）、手势识别等，凭借高功率密度和低热阻特性，能够在车载环境下长期稳定运行。同时，随着功率的提升，VCSEL在长距LiDAR中的应用也逐步拓展，部分方案已可实现200米以上的探测能力。

规模化替代EEL，VCSEL如何成为激光雷达新趋势？

VCSEL在激光雷达（LiDAR）系统中的应用日益广泛，其作为核心光源承担测距、成像及环境感知等关键功能。相较于传统EEL，VCSEL具备二维可寻址特性，能够动态调整出光区域，减少环境光干扰，提高测距精度。同时，VCSEL的阵列化设计与固态LiDAR架构高度契合，摒弃了机械旋转部件，使雷达系统更加可靠，实现高精度3D建模。因此，VCSEL的兴起推动了LiDAR技术从“机械扫描”向“全固态”演进的核心变革。

早期的LiDAR系统主要依赖EEL作为光源，因其功率密度高（可达数千W/mm?），特别适用于远距离探测（>200m），而单结VCSEL由于功率密度低（约100W/mm?）、发散角大，主要用于消费电子，如手机接近传感，在车载LiDAR中应用受限。此外，EEL的封装复杂，依赖精密切割与手工装调，单价高达50美元以上，而彼时LiDAR市场尚处于早期，替代方案有限。

直到2017年至2020年，多结VCSEL技术突破，使其功率密度大幅提升，通过堆叠多个PN结（如5结、8结），功率密度达到800-1800W/mm?，接近EEL水平。例如，Lumentum的8结VCSEL阵列实现800W输出，支持250m探测，同时光电转换效率（PCE）从单结的20%提升至35%以上，缩小了与EEL（约40%）的差距。

2020年起，纵慧芯光、Lumentum等厂商通过AEC-Q102认证，使VCSEL的工作温度范围扩展至-40℃~125℃，寿命超过1万小时，满足车规级要求。同时，由于VCSEL采用平面化结构，可支持6英寸晶圆级制造，单颗成本降至EEL的1/3（约10-15美元）。例如，速腾聚创与Lumentum合作的AT128 LiDAR在采用VCSEL阵列替代EEL光源后，整体成本下降40%。2021年至2023年，VCSEL LiDAR进入前装量产阶段，消费电子的Face ID需求带动VCSEL产业链成熟，产能开始向车载市场转移。

纵慧芯光与速腾聚创合作的940nm VCSEL方案在2021年底通过Tier 1厂商验证，进入前装量产。同时，全固态LiDAR逐步取代传统机械扫描方案，VCSEL的平面化特性便于集成至硅基微透镜、SPAD探测器等，实现芯片级LiDAR解决方案。例如，Lumentum推出1D/2D可寻址VCSEL阵列，通过电控扫描替代机械旋转，使系统体积缩小70%。欧司朗的PowerBoost技术进一步优化VCSEL的光束质量（M?因子<5），提升探测精度。在市场层面，VCSEL在<150m的中短距LiDAR（如城市导航、泊车辅助）市场中占比超过60%，EEL则逐渐退守远程雷达市场。

进入2024年，VCSEL技术迎来新的突破，长光华芯发布10-12结VCSEL芯片，功率密度达2500W/mm?，探测距离突破300m，挑战EEL在远程探测的传统优势。Lumentum则推出1380nm波长VCSEL，提升人眼安全性，进一步扩大应用场景。在供应链端，国产VCSEL产业链逐步成熟，长光华芯建成6英寸VCSEL产线，国产化率超过90%，良率从60%提升至80%。纵慧芯光、华芯半导体等厂商突破海外专利封锁，开发了独特的外延层结构（如非对称量子阱），在性能上对标Lumentum。与此同时，VCSEL的成本优势进一步显现，单价降至5-8美元，而EEL因工艺复杂难以降价，车企更倾向于采用VCSEL方案。此外，地缘政治因素也加速了VCSEL的国产化进程，美国对EEL相关设备的出口管制促使中国LiDAR厂商加速本土供应链布局。

VCSEL发展历程，来源：与非研究院

笔者认为，EL在车载LiDAR领域已经占据主导地位，但在>500m远程探测市场，仍受限于热管理和光束质量问题，因此EEL仍将在超远程高端应用中发挥作用。

VCSEL主要供应商分析

根据Yole数据，2024年全球VCSEL市场规模约20亿美元，预计未来五年在车载与光通信领域的推动下，复合增长率超15%。国际市场呈双寡头格局，Lumentum和Coherent（原II-VI）凭借多结和可寻址技术，占据高端市场，合计市场份额超80%，尤其在消费电子（如苹果供应链）领域主导市场。

预计到2027年，VCSEL市场的总规模将增长至39亿美元，年均复合增长率为19.2%。这一增长主要受益于3D机器视觉需求的不断上升，推动了VCSEL在消费电子领域的快速扩展。特别是在手机、AR/VR设备和物联网等应用中，3D传感技术的需求日益增长，成为市场发展的重要动力。

VCSEL市场由IDM模式主导，需要巨额设备投入（如MOCVD、光刻机），上市融资成为规模化关键。国际技术封锁（如VCSEL外延片出口管制）加速了国产替代进程。中国本土企业如纵慧芯光、长光华芯、瑞识科技正加速突破。

VCSEL主要供应商（部分），来源：与非研究院整理

一、国际主要VCSEL芯片供应商

1. Lumentum

全球最大VCSEL供应商，2021年市占率42%（Yole数据）。核心技术包括高功率多结VCSEL阵列（如五结、六结阵列，单芯片功率超800W）。主要应用于苹果Face ID、激光雷达，芯片代工由台湾稳懋负责，并通过收购Oclaro增强磷化铟和光电整合技术。

2. Coherent（原II-VI）

2019年收购Finisar后市占率达37%，成为全球第二大VCSEL供应商。技术聚焦消费电子（如iPhone）和光通信，整合Finisar产线后提升产能，覆盖智能手机3D传感、数据中心光模块等领域。

3. ams-Osram

合并后重点布局汽车电子，VCSEL方案支持激光雷达、车内传感，最长探测距离达250m。收购Princeton Optronics（高功率脉冲VCSEL）和Heptagon（光学封装）后，增强整体技术实力，在智能手机iToF（间接飞行时间）系统中占据重要市场份额。

4. Broadcom

深耕数据通信，25G VCSEL器件出货量全球领先，适配光纤网络和高速通信应用。其VCSEL技术同时拓展至消费电子领域。

5. Trumpf（原Philips Photonics）

全球首家VCSEL出货量超10亿颗的厂商，专注消费电子（智能手机接近传感）和工业应用。VIDaP项目实现4英寸晶圆全自动化制造，提升产能。

其他厂商

Princeton Optronics：被ams收购前，以高功率808nm VCSEL阵列著称，单芯片输出功率达300W。

二、国产主要VCSEL芯片供应商

1. 长光华芯（Brightlaser）

国内首家实现全产业链IDM模式的VCSEL厂商，涵盖外延生长、芯片制造、封装测试。技术优势体现在定制化高功率VCSEL阵列，应用于激光雷达和工业加工，客户包括华为。2022年登陆科创板，推出PS系列（接近式传感）、TOF系列（飞行时间传感）和SL系列（结构光）产品线，功率密度达1800W/mm?。

2. 纵慧芯光

提供850nm/940nm多结VCSEL方案，华为战略入股推动消费电子应用。与速腾聚创合作开发940nm VCSEL用于激光雷达，计划上市，2023年完成数亿元C3轮融资。

3. 江苏华芯

国内首家实现VCSEL自主量产，2018年年产能达5000万颗，聚焦3D传感和光通信。研发10G VCSEL芯片并批量出货。

4. 武汉光迅科技

专注850nm/940nm VCSEL芯片研发，覆盖光模块和智能手机3D传感领域。作为国内光通信模块龙头，正在向消费电子领域扩展。

5. 睿熙科技

专注光通信和车载激光雷达，提供定制化VCSEL方案。2024年发布全固态激光雷达专用VCSEL芯片，计划IPO。

其他厂商

山东太平洋、深圳源国：早期布局光通信VCSEL，逐步向消费电子渗透。

华工科技、三安光电：通过并购扩展VCSEL产线，聚焦中低端市场。

国产VCSEL芯片核心客户，来源：各公司招股书、与非研究院整理

三、国产VCSEL芯片厂商上市与融资情况

1. 已上市厂商

长光华芯（688048.SH）：2022年4月科创板上市，拥有6英寸VCSEL产线，市场份额领先，客户覆盖华为、新能源汽车等。

2. 计划上市厂商

纵慧芯光：计划科创板上市，专注多结VCSEL芯片，华为哈勃战略投资，2023年完成数亿元C3轮融资。

华芯半导体：国内首家量产25G/56G VCSEL芯片厂商，2023年56G PAM4 VCSEL芯片量产，全球市场份额第三，未来可能上市。

睿熙科技：2024年发布全固态激光雷达专用VCSEL芯片，目标车载市场，或加速IPO进程。

哪些厂商在布局VCSEL芯片，来源：与非研究院整理

近年来，终端厂商通过资本投入与供应链绑定，以强化技术优势、降低成本、确保供应链安全。

技术卡位：终端厂商直接投资VCSEL芯片企业，以获得核心技术主导权。例如，小米入股纵慧芯光，确保自家3D传感和AR/VR产品的VCSEL供应，减少对苹果供应链的依赖。

供应链安全：受地缘政治和技术封锁影响，中国厂商加速国产替代。华为哈勃投资纵慧芯光，减少对Lumentum等美国供应商的依赖，确保华为3D传感和车载激光雷达业务的供应链安全。

生态协同：终端厂商不只是采购VCSEL芯片，而是将其与自身硬件、软件和AI算法深度融合，以提升整体产品竞争力。例如，比亚迪利用VCSEL芯片优化智能座舱交互，增强DMS（驾驶员监控系统）功能，提高L3级自动驾驶体验。

成本优化：车企和科技公司直接投资VCSEL企业，推动定制化开发和规模化生产，从而降低采购成本。例如，上汽投资老鹰半导体后，其车载激光雷达成本下降约30%。

谁能挑战Lumentum？

目前，国产厂商主要通过定制化方案（如车规级芯片、低发散角设计）抢占中端市场，预计到2025年国产化率将突破40%。尤其在激光雷达领域，VCSEL凭借量产成本低（约为EEL的1/3）、集成度高（阵列化减少分立器件数量）等优势，逐步成为发射端的首选。预计VCSEL芯片在收发模块中的成本占比将进一步上升，特别是在半固态雷达方案中，可能占整体成本的21%-35%。

国产VCSEL与Lumentum技术对比，来源：与非研究院

面对挑战，以Lumentum为代表的国际VCSEL厂商正在通过技术壁垒、客户绑定和生态协同构建竞争护城河：

技术壁垒：Lumentum已实现五结/六结VCSEL量产，功率密度超过1000W/mm?，而国内厂商大多仍停留在三结技术（200-500W/mm?）。

车规认证：Lumentum已实现AEC-Q102车规级VCSEL的批量上车，而国产厂商仍在验证阶段。

专利壁垒：Lumentum、Coherent拥有超2000项VCSEL相关专利，涵盖阵列设计、氧化限制层等核心技术，限制国产厂商进入国际市场。

客户绑定：Lumentum独家供应苹果Face ID VCSEL芯片，并为特斯拉提供驾驶员监测系统（DMS）解决方案，而国产厂商的客户主要集中在安卓中低端市场及国内新能源车企（如蔚来、小鹏）。

生态协同：Lumentum与ams、索尼等厂商联合优化3D传感模组，而国内在光学器件、SPAD探测器配套方面仍有短板。

在国际厂商的强势主导下，国产VCSEL厂商正试图通过以下方式突围：

成本控制：国产VCSEL芯片价格比Lumentum低20%-40%，并依托本土供应链缩短交付周期（国产4-6周 vs. Lumentum 8-12周）。

差异化应用场景：

激光雷达：长光华芯、睿熙科技等国产厂商聚焦全固态方案，与禾赛、速腾等国内LiDAR企业深度合作，规避Lumentum在Flash LiDAR的专利壁垒。

特定波长突破：瑞识科技推出1550nm VCSEL，避开Lumentum主导的905/940nm市场，针对FMCW激光雷达等新兴需求。

资本助推：国家大基金二期投资长光华芯12亿元建设8英寸VCSEL晶圆产线，地方政府也通过补贴（如苏州对纵慧芯光研发投入补贴30%）支持本土企业发展。

最后，笔者认为，VCSEL芯片市场将呈现“国际寡头垄断+本土加速替代”的双轨格局。预计2030年全球VCSEL市场规模将超50亿美元，中国市场占比提升至30%以上。2025年国产VCSEL在短距补盲雷达领域的替代率可能达30%，但长距主雷达仍需依赖进口。近几年来，国家政策和资本投入为国产VCSEL发展提供了重要支持，大基金二期已向长光华芯投资12亿元建设8英寸VCSEL晶圆产线。同时，地方政府也在通过补贴降低研发成本，助力产业升级。未来竞争焦点将围绕多结工艺突破、车规认证进度及供应链整合展开，若国产厂商能在2026年前实现四结VCSEL量产并通过车规认证，全球市场份额有望从目前的5%提升至15%，对国际厂商形成实质性挑战。