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【研究报告】中国半导体激光器行业深度调研报告
来源: | 作者:数字媒体人 | 发布时间: 2024-05-25 | 230 次浏览 | 分享到:


经过技术专家和企业及广大从业人员的共同努力,中国半导体激光产业已取得了超乎寻常的发展,使我国半导体激光产业经历从无到有的过程,并且初现中国半导体激光产业的雏形。随着激光技术的不断提升,半导体激光器的应用领域亦不断扩展。近年来,半导体激光器在智能设备消费电子新能源等领域的需求不断增长,在医疗仪器设备等新兴应用领域的应用持续拓展,给半导体激光器行业带来了新的发展机遇。





半导体激光器概述




半导体激光器的定义及概述


激光的产生需要满足以下三个条件:粒子数反转、工作物质和谐振条件。


粒子数反转是产生光的受激发射1的首要条件。在通常情况下,处于低能级E1的原子数大于处于高能级E2的原子数,这种情况不会产生激光。为了得到激光,就必须使高能级E2上的原子数目大于低能级E1上的原子数目,因此需要设法2把处于基态的原子大量激发到亚稳态E2,这样处于高能级E2的原子数就可以大大超过处于低能级E1的原子数,在能级E2和E1之间实现了粒子数的反转。


由于激光的产生需要物质中粒子具备反转分布状态,所以就要求工作物质存在亚稳态能级,自1960年美国科学家梅曼发明世界上第一台激光器至今,已经有多种多样符合条件的工作物质被探索出来,按形态不同主要可以分为固体、气体、液体。按照使用的工作物质种类,激光器相应的也被分为固体、气体、液体、半导体激光器等。


要产生激光,还要有损耗极小的谐振腔,谐振腔的主要部分是两个互相平行的反射镜,激活物质所发出的受激辐射光在两个反射镜之间来回反射,不断引起新的受激辐射,使其不断被放大。只有受激辐射放大的增益大于内部的各种损耗,即满足一定的阈值条件,才能输出稳定的激光。


图 1:激光器的原理及结构示意图

资料来源:公开资料,OFweek产业研究中心整理制图


半导体激光器就是以半导体材料为激光工作物质的激光器,包括以激光芯片为基础制成的器件、模组和直接半导体激光器等产品。半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的PN结或PIN结为工作物质的一种激光器。其工作原理是受激辐射,利用半导体物质在能带间跃迁发光,用半导体晶体的解理面形成两个平行反射面作为反射镜组成谐振腔,使光震荡、反馈、产生光的辐射放大,从而输出激光。


图 2:半导体激光器的结构图 

资料来源:公开资料,OFweek产业研究中心整理制图




半导体激光器的特点及分类


半导体激光器除了具有通常激光器的共同特点外,还具有以下优点:①体积小,重量轻;②驱动功率和电流较低;③效率高、工作寿命长;④可直接电调制;⑤易于与各种光电子器件实现光电子集成;⑥与半导体制造技术兼容;可大批量生产。由于这些特点,半导体激光器自问世以来得到了世界各国的广泛关注与研究。成为世界上发展最快、应用最广泛、最早走出实验室实现商用化的一类激光器。


图 3:半导体激光器的特点

资料来源:公开资料,OFweek产业研究中心整理制图


从激光介质来看:半导体激光器中的激光介质工有几十种,目前已制成激光器的半导体材料有砷化镓、砷化铟、锑化铟、硫化镉、碲化镉、硒化铅、碲化铅、铝镓砷、铟磷砷等。


从激励方式来看:目前半导体激光器的激励方式主要有三种,即电注入式、光泵式和高能电子束激励式。绝大多数半导体激光器的激励方式是电注入,即给Pn结加正向电压,以使在结平面区域产生受激发射,也就是说是个正向偏置的二极管。


从产品类型来看:狭义的半导体激光器仅指直接半导体激光器,广义的半导体激光器还包括半导体激光器器件(以下简称“激光器件”)、半导体激光器模块(以下简称“激光模块”)等产品。目前市场上半导体激光器3的概念以广义范围为主。


图 4:半导体激光器的分类

资料来源:公开资料,OFweek产业研究中心整理制图



半导体激光器产业链分析




半导体激光器产业链概况


半导体激光器产业链上游主要包括芯片材料(包括砷化镓衬底、光刻胶、显影液及抛光材料等)、光学材料、机械材料、电子材料等,中游是半导体激光器产品,下游则是光纤激光器、固体激光器及光电模块及系统等,最终集合成激光设备,并应用于材料加工、光学通迅、医疗健康、科学研究等诸多领域。


图 5:半导体激光器产业链图

资料来源:公开资料,OFweek产业研究中心整理制图




上游产业情况



激光芯片



激光芯片应用领域较为广泛,根据不同的光子类型,具体情况包括能量芯片、信息芯片及显示芯片等,各产品特点及应用领域如下表所示:

图 6:激光芯片的类型及应用

资料来源:长光华芯


能量芯片


能量芯片分为单管芯片巴条芯片两大类,单管芯片和巴条芯片的主要差异在于单个芯片上发光点数的差异。巴条芯片由于发光点较多,具有更高的发光功率,主要用于科研与军工、医疗美容等领域,目前占比约20%左右;而单管芯片仅有一个发光点,易于进行光纤耦合,常被用于光纤激光器的泵浦源。同时,发光点数少能够有效减少热效应的相互影响,易于检修、维护和更换,因此常用于工业加工领域,是能量芯片的主流产品,占比约80%左右。


信息芯片


信息芯片主要包括应用于光通信领域的光通信芯片及应用于测量、传感等领域的测量、传感芯片。光通信芯片是光电技术产品的核心,主要用来实现电信号和光信号之间的相互转换,广泛应用于数据中心、5G、光接入网络、城域网等场景。测量、传感芯片主要应用于智能传感、激光雷达、安防、医疗、3D人脸识别、辅助驾驶等领域。


近年来,随着激光雷达、3D传感、电信及光通信行业的高速发展,市场对测量、传感芯片及光通信芯片的需求不断提升。根据Yole预测,2025年VCSEL激光器4全球市场规模将增长至约27亿美元,年复合增速接近20%;IDC预测2025年全球数据总量将增长至175ZB,年复合增速超过25%。但目前国内高速率光通信激光芯片和VCSEL等信息芯片仍存在一定技术瓶颈,进口依赖度较高,芯片的研发与制造与国际水平仍存在一定差距。据统计,2021年2.5G及以下速率光芯片的国产化率约为90%,在10G光芯片领域,国产化率约为60%,25G光芯片的国产化率约为20%,25G以上光芯片的国产化率仅5%。这表明,在高速率光芯片领域,国内企业的技术实力和生产能力仍有待提升。


显示芯片


激光显示芯片主要应用于激光电视、激光投影等领域,在激光芯片领域中的占比较小,目前该市场主要被美国德州仪器公司占据。




市场规模



我国激光技术在激光芯片制造领域较国外发达国家相对落后,激光芯片作为激光产业链的上游核心器件,仍较为依赖进口,目前国内激光芯片整体的国产化率约30%,约70%的市场仍被贰陆、朗美通、德州仪器等国外企业占据。


近年来,随着光学芯片等原材料的国产化进程加快,国内激光芯片生产企业技术水平提升、产能规模扩大,涌现了长光华芯、武汉锐晶、华光光电等一大批国产企业,带动激光芯片的市场竞争程度提高,行业市场规模正在稳步增长。2022年国内激光芯片的市场规模约14.8亿元,2023年增长至17.0亿元。伴随着激光行业国产替代的持续推进和供应链安全需求,国产激光芯片需求有望进一步提振,预计2028年我国激光器芯片行业市场规模将达到30.0亿元。


图 7:2022-2028年中国激光芯片行业市场规模及预测

资料来源:OFweek产业研究中心整理制图


从应用场景来看,国内激光芯片主要包括应用于泵浦源的高功率半导体芯片、应用于光通信的激光芯片、应用于生物医疗的激光芯片、应用于智能传感的激光芯片及应用于显示照明领域的激光芯片等。从市场占比来看,目前应用于泵浦源的高功率半导体芯片占比最高,市场份额高达42%;光通信激光芯片占比约21%;医疗激光芯片占比约12%;智能传感芯片约10%;显示照明芯片及其他产品占比约15%。


图 8:2023年中国激光芯片细分市场占比情况

资料来源:公开资料,OFweek产业研究中心整理制图



热沉


半导体激光器(模块)主要由COS芯片、壳体及其他材料组成。其中COS芯片主要由芯片和热沉构成,芯片是指激光芯片,热沉是微型散热片,用来冷却电子芯片的装置。


图 9:半导体激光器模块的结构

资料来源:公开资料,OFweek产业研究中心整理制图


热沉广泛应用于消费电子、工业设备的散热过程中,系成熟度较高且竞争充分的细分市场,行业内成熟供应商分布于日本、中国等各主要消费品及工业市场,境外厂商基于多年的产业积累,在产品性价比和稳定性方面具有一定优势。目前国内热沉市场主要企业包括日本的丸和、东瓷集团,国内的海科电子、中讯实业、達舜精密等。根据EMR的数据,2022年全球热沉市场规模为69.2亿美元,预计2028年将增长至101.0亿美元,期间年复合增长率6.50%。


图 10:2022-2028年全球热沉市场规模及增速预测

(单位:亿美元)

资料来源:EMR,OFweek产业研究中心整理制图




下游应用情况


半导体激光器广泛应用于材料加工、光学通讯、医疗健康、显示照明、科学研究等领域。近年来,随着国内高端制造业、智能家居、智能手机、和智能驾驶等领域的快速发展,半导体激光器的需求进一步增长,行业规模不断增加。2022年中国半导体激光器市场规模达到61.5亿元,2023年市场规模约68.4亿元,预计未来将保持增长态势,2028年有望突破100亿元。


图 11:2022-2028年中国半导体激光器市场规模及预测

资料来源:公开资料,OFweek产业研究中心整理制图


从应用领域来看,2023年国内半导体激光器在材料加工领域的占比最高为37%,光学通迅领域和科研领域分别以26%和14%的占比分列二、三位,显示照明及医疗健康领域占比分别是9%和7%。


图 12:2022年中国半导体激光器应用领域分布

资料来源:公开资料,OFweek产业研究中心整理制图


图 13:2023年中国半导体激光器应用领域分布

资料来源:公开资料,OFweek产业研究中心整理制图



材料加工



目前国内半导体激光器产品大部分用做光纤激光器的泵浦源,而国内光纤激光器主要应用于工业(材料加工)领域,因此目前国内半导体激光器在材料加工领域的应用占比较高,2023年材料加工领域的半导体激光器市场规模约25.2亿元,占比约37%。


图 14:中国光纤激光器下游应用领域占比

资料来源:观研天下



光学通讯



我国是全球最大的光通信市场,在下游光通信系统设备领域占据重要位置,国内华为、中兴、烽火等企业已经成为行业引领者,因此半导体激光器在国内光通讯市场也具有广阔的应用前景。2023年光学通讯领域的半导体激光器市场规模约18.1亿元,占比约26%。



科学研究



科学研究是科技创新的源头,决定着一个国家科技创新的底蕴和后劲,是国家综合科技实力的重要体现。近年来,我国一直在加大对科研领域的投入,2022年全国共投入研究与试验发展(R&D)经费30,782.9亿元,比上年增加2,826.6亿元,增长10.1%。在科研领域投入经费不断增长的情况,半导体激光器在科研领域的市场规模也在不断增加,但由于科研领域半导体激光器订单具有“小批量、多品种、定制化”的特点,同时科研领域对半导体激光器产品的安全性、可靠性、技术先进性等方面都提出了极高的要求,这使得配套企业需要持续投入大量研发资金以提升产品性能和产品质量,因此国内只有长光华芯、华光光电等少数几家企业具备为科研机构供应半导体激光器的能力。



显示照明



激光显示产业是国家重点支持的战略新兴产业,在一系列政策的推动之下,该产业迎来了快速发展。2023年中国大陆激光投影(包括激光电视)市场出货量为85.3万台,同比增长25.6%,成为全球激光投影机最大的消费市场,市场份额接近五成。


图 15:2016-2023年中国激光投影出货量及增速

数据来源:洛图科技(RUNTO



医疗健康



半导体激光器在医疗健康领域中的应用较为广泛,可以通过多种封装形式,组合多种波长、多种功率的激光器,在体外或体内进行不同功率密度和光斑面积的照射,从而实现医疗目标。目前,国内半导体激光器在医疗健康领域的应用主要包括诊断、治疗、医美三大方面。据中国医疗器械行业协会激光医疗市场调研显示,全国各主要医院目前大多已建立了激光医疗中心,且80%以上的医院配备了激光医疗设备。同时,很多中小型医院也建立了激光治疗室,国内医疗界对激光医疗设备的需求大大增加。预计2030年我国激光医疗设备将成长为千亿级市场。


图 16:半导体激光器在医疗健康领域的应用

数据来源:OFweek产业研究中心整理制图



仪器及传感器



半导体激光器体积小、成本低、能耗低的特点对于提高仪器精度、降低仪器能耗具有重大意义,是激光雷达和3D传感等模组等产品的核心部件。近年来随着人工智能、5G 技术的逐渐普及,无人驾驶、高级辅助驾驶、服务型机器人和车联网等行业的高速发展,激光雷达及3D传感器等产品市场规模也将一步扩大。根据FrostSullivan的数据,2022年国内激光雷达市场规模达到26.4亿元,同比增长超300%,预计2025年中国激光雷达市场规模将达到43.1亿元;跟据Yole的预测,2025年全球3D视觉感知市场规模将达到150亿美元,年复合增长率约为20%。随着激光雷达及3D传感技术在各领域的深度应用,将持续推动半导体激光器市场的快速发展。


从市场格局来看,目前华光光电、长光华芯等国内企业在仪器及传感器领域占据一定优势,华光光电在该领域的营收规模已经达到亿元级别,公司旗下单芯片器件在激光雷达、测量传感、激光打印等领域已经取得了广泛应用;长光华芯目前已经建立了VCSEL芯片产线,实现了6寸VCSEL产线的高良率生产,是国内首家具备VCSEL芯片量产化制造能力的IDM公司。



行业现状及发展前景分析


光纤激光器高速发展带动半导体激光器需求增加


半导体激光器的一个主要应用是作为光纤激光器、固体激光器的泵浦源,因此半导体激光器的发展状况与光纤激光器、固体激光器行业的发展密切相关。近年来,光纤激光器凭借高效率、光束质量好、可靠性高、散热质量好等优点正在各个主要的领域中取代传统工业激光器,成为全球最重要的激光器产品,光纤激光器市场的高速发展将带动半导体激光器泵浦源需求的进一步增长。根据Research And Markets的数据显示,2022年全球光纤激光器市场规模约25.0亿美元,预计2028年将增长至43.0亿美元,年均复合增速约9.46%。


图 17:2022-2028年全球光纤激光器市场规模及增速情况

(单位:亿美元)

数据来源:Research And Markets,OFweek产业研究中心整理制图


国内方面,因经济受需求收缩、供给冲击、预期转弱的三重压力影响,2022年我国光纤激光器市场规模下降至122.6亿元,同比下降 1.8%。随着新赛道的打开和多款新产品投产,2023年我国光纤激光器市场恢复至135.5亿元,同比增长超10%。


图 18:2018-2023年中国光纤激光器市场规模及增速

资料来源:《中国激光产业发展态势分析与展望》,OFweek产业研究中心整理制图


国内半导体激光器技术已经成熟,但核心部件仍需进口


中国是全球最大的光纤激光器应用市场,同时也是最大的半导体激光器市场。21世纪初期,国内半导体激光技术长期被国外巨头垄断,半导体激光器主要依赖进口,国内技术的匮乏直接导致我国激光产业发展缓慢,限制了国内激光技术应用。此后,以北京凯普林、长光华芯、华光光电为代表的少数企业对半导体激光技术进行探索,逐步掌握了相关核心技术技术,打破了国外企业在相关产业的垄断地位。具体来看,在光纤耦合半导体激光器领域,国内已经涌现了星汉激光、凯普林光电等一批优秀企业,再加上锐科、创鑫等光纤激光器企业自行研制相关产品,目前在光纤耦合半导体激光器领域,国内产品已经基本实现了对国外产品的替代,整体国产化率超过90%;在激光器件领域,炬光科技、华光光电等企业已经开发出多种产品,广泛应用于医疗、科研及测量传感等领域,目前国产化率在60%左右;在上游激光芯片领域,由于国外厂商起步较早、研发实力较强、资金雄厚,因此在技术水平、生产工艺以及规模效应等方面占据先发优势,目前仍占据主导地位,国内长光华芯、武汉锐晶、华光光电等企业的市场占比仍较低,国产化率约30%。


应用领域不断拓展,行业规模有望持续升高


经过技术专家和企业及广大从业人员的共同努力,中国半导体激光产业已取得了超乎寻常的发展,使我国半导体激光产业经历从无到有的过程,并且初现中国半导体激光产业的雏形。随着激光技术的不断提升,半导体激光器的应用领域亦不断扩展。近年来,半导体激光器在智能设备、消费电子、新能源等领域的需求不断增长,在医疗仪器设备等新兴应用领域的应用持续拓展,给半导体激光器行业带来了新的发展机遇,预计到2028年国内半导体激光器的市场规模将超过100亿元,同时科研、医疗、仪器和传感器等应用领域的占比也将逐渐提升。


图 19:2028年中国半导体激光器应用领域分布预测

资料来源:OFweek产业研究中心整理



行业内主要企业分析



星汉激光



深圳市星汉激光科技股份有限公司(简称“星汉激光”)是一家高功率半导体激光器件的研发、制造及销售的国家级高新技术企业,产品主要应用于工业激光泵浦、生物激光医疗、激光显示及激光雷达等领域。


图 20:星汉激光产品结构示意图

资料来源:星汉激光,OFweek产业研究中心整理


星汉激光成立于2017年,基于深耕半导体激光器行业多年的技术优势,星汉激光已形成半导体激光器产品矩阵,产品涵盖多种功率及波长范围。公司旗下半导体激光器件以高功率、高亮度、高可靠性、高性价比特性著称,在光纤耦合半导体激光器领域处于领先水平。



凯普林



北京凯普林光电科技股份有限公司(简称“凯普林”)创建于2003年,主营业务为半导体激光器、光纤激光器及超快激光器的研发、生产和销售。公司半导体激光器业务的主要包括光纤耦合半导体激光器、巴条叠阵半导体激光器、直接半导体激光器等。公司2023年半导体激光器的营收规模约4亿元。


图 21:凯普林公司产品结构

资料来源:凯普林招股书,OFweek产业研究中心整理


2020-2022年凯普林公司各产品营收情况如下所示:


图 22:2020-2022年凯普林各产品营收情况

(单位:万元)

资料来源:凯普林招股书,OFweek产业研究中心整理


2022年公司半导体激光器业务营收为38,938.4万元,其中光纤耦合半导体激光器收入占半导体激光器业务收入比例在80%左右,巴条叠阵半导体激光器占比约在10%左右。



长光华芯



苏州长光华芯光电技术股份有限公司(简称“长光华芯”)成立于2012年,聚焦半导体激光行业,始终专注于半导体激光芯片的研发、设计及制造,主要产品包括高功率单管系列产品、高功率巴条系列产品、高效率VCSEL系列产品及光通信芯片系列产品等。公司2023年半导体激光器业务的年营收规模约3亿元。


图 23:长光华芯产品结构体系

资料来源:长光华芯招股书



华光光电



山东华光光电子股份有限公司(简称“华光光电”)公司主要从事半导体激光器外延片、芯片、器件和模组的研发、生产和销售,业务涵盖半导体激光外延结构设计与生长、芯片设计与制备、器件模组设计与封装三大环节。公司的主要产品包括半导体激光器芯片及巴条、器件和模组等,是国内少数建立了半导体激光器外延片、芯片、器件、模组垂直一体化生产体系的企业之一。公司在半导体激光器领域的营收规模超过3亿元,处于国内半导体激光器行业第一梯队。


图 24:山东华光产品结构体系

资料来源:山东华光招股书,OFweek产业研究中心整理

脚注

1.处于高能态的粒子在外来光的激发下向低能态跃迁;

2. 泵浦源主要扮演这一角色;

3.后文中半导体激光器均取广义范围

4.VCSEL芯片主要应用于测量、传感等领域