VCSEL【红外光源】元件市场现况与发展趋势分析

在现行终端手机3D感测、车用光达及光纤传输的需求带动下，红外线元件市场规模已逐渐茁壮，其中以VCSEL红外光源】元件成长幅度最显著。 VCSEL【红外光源】元件本身在起始电流、光束角度及形状等特性上具备优势，预期将逐渐成为3D感测模块的使用光线，并带动整体红外线元件市场持续成长。 红外线元件类型与现行测距原理 1. 红外线元件市场规模 现行红外线元件如LED、雷射等，可应用于日常生活中的照明系统和导航装置等，使用领域十分广泛，同时亦能使用在终端手机3D感测模块中，借此促成虚拟实境、人脸辨识及移动支付等相关应用可能。 近年因中、高阶手机产品逐渐搭载3D感测模块，使得红外线元件逐渐成为流行，其3D感测元件结构与原理，大致运用2个以上相机模块及红外线发射零组件，再通过软件模拟计算后，得出物体本身距离与形貌。 进一步探讨全球红外线元件市场，除了传统红外线照明系统以外，还有红外线雷射系统(VCSEL与车用LiDAR)。传统红外线照明系统由于使用LED元件【红外光源】，其发光能量较弱、光束角度偏大，使得整体功能性较为不足，大多只能应用于2D脸部辨识和一般安全监控等。 在红外线雷射部分，由于光源能量较大和角度集中等特色，目前已大范围应用于3D感测技术和车用测距中。 针对全球红外线元件市场发展情形，无论在红外线照明或雷射产品应用中，整体市场需求依旧持续畅旺。 预估2019年整体市场规模预估可突破16.4亿美元，且随着手机3D感测元件应用逐渐发酵，2020年整体规模将逐步成长至约22亿美元。 2. 现行主要测距原理 在3D感测技术应用方面，现行主要测距原理可分为3类：立体视觉(Stereo Vision)、结构光(Structured Light)与飞行时间测距(Time of Flight，ToF)等，各自拥有不同的测量方式和运算原理，最终通过计算方式得出待测物的距离及轮廓。  立体视觉的原理主要基于人眼视差，通过2个(或以上)相机模块同时拍摄，经计算后得到物体距离。结构光主要为主动式深度感测技术，其结构通过IR(红外线)发射器、IR及RGB相机模块等元件组成，利用IR阵列光斑投射后再经计算，得出物体距离。 另外，飞行时间测距也是一种主动式深度感测技术，主要功能为运用IR发射器、IR接收器、RGB相机模块与感光元件等，通过IR发射器将红外线投射后，计算当中路程折返时间，藉此得出物体距离与形貌。 3. 红外线元件类型 一般而言，红外线元件可依不同使用目的，区分为红外线照明与雷射应用等两类，但若以不同产品的发光原理进一步分类，则可分成LED、EEL(边射型雷射)与VCSEL【红外光源】等3种不同类型产品，由于其运用不同的光源特性、电流及频率表现，所以各有相对应的终端应用市场。 LED元件由于发光原理较单纯，只需提供较高操作电流即可驱动发光，但因发出来的光线仍属发散光源，一般而言只能提供普通照明，或进一步使用于2D感测系统中。 EEL与VCSEL【红外光源】由于生成的光线属于雷射光，两者发光原理相较LED生成光线的情形稍有不同，还需利用材料结构设计，经多次反射后才能得到雷射光。 至于EEL与VCSEL差异，在于EEL本身元件结构设计上的因素，其发光的光束角度与形状皆较VCSEL元件大且椭圆，因此现阶段只适合提供一般雷射笔等光源；而VCSEL元件的发光角度与形状较集中，适合发展3D感测技术产品，进一步应用于手机人脸辨识和车用光达测距系统中。 现阶段GaAs的VCSEL元件供应链与厂商动态 1. VCSEL元件应用与供应链现况 现行VCSEL元件因光束角度及形状优势，且有较低的起始电流与较高频宽等特性，非常适合应用于3D感测技术中。从2018年Apple发布iPhone X系列开始，3D感测技术的话题性持续不断，近期配合中、高手机终端产品搭载3D感测人脸辨识功能、车用光达应用及光纤传输系统等应用，使得相关技术及元件需求的讨论程度仍旧不减。 除了因Apple手机带动3D感测人脸辨识应用风潮外，目前GaAs基板的VCSEL元件已逐步延伸至车用光达等领域，尝试通过VCSEL【红外光源】元件光线能量集中、光束角度与形状特性，取代原先较发散的LED光源。 此外，由于5G议题发酵，光通讯领域零组件相关需求，例如光纤的资料传输容量、频宽及距离等，也将是后续发展重点；而VCSEL元件试图取代传统LED光源【红外光源】，提供波长850nm、频宽5～200Gbps范围的光纤应用模块，藉此增进整体5G传输性。 依照不同主要生产领域，VCSEL元件供应链可区分为五大应用别：GaAs基板商、GaAs磊晶厂、IDM厂、制造代工厂及封测代工厂。 针对材料结构层面，由于VCSEL元件结构相当复杂，且材料特性和磊晶层数的要求相当高，需有高难度的磊晶技术才可顺利生产。但VCSEL元件的获利仍较一般红外线元件LED高出许多，使得各磊晶厂商(如IQE、全新光电)、VCSEL等IDM厂(如II-VI、Lumentum)、LED厂(如晶元光电分拆为晶成半导体、OSRAM等)无不相继投入或转型至VCSEL【红外光源】元件开发，目前整体市场已成百家争鸣局面。  从供应链来看，VCSEL元件必须使用GaAs基板材料，通过磊晶制程成长至复杂的材料结构，才算完成初步作业。 随后再将完成的晶圆送到IDM厂进行加工，或转交委外代工模式，发包给制造和封测代工厂，进行后续制造、封装与测试等步骤，最终生产出1颗完整的VCSEL元件。 2. VCSEL【红外光源】元件等IDM大厂的整并动态 针对VCSEL元件为发展目标的IDM大厂，近年纷纷转由通过并购相关制造代工厂商或其他IDM厂方式，藉此扩大市占率。如同II-VI于2016年1月开始相继并购Epiworks、Anadigics及Kaiam等厂商，并于2019年9月成功完成对Apple手机Face ID模块供应商Finisar的并购案；另一家IDM大厂Lumentum也于2018年3月完成对Oclaro并购。 此外，AMS于2017年2月与3月成功收购Heptagon及Princeton Optronics等企业，但2019年10月初对Osram的并购案却宣告失败，虽然现阶段该并购案仍未成功，但后续AMS尚有机会再次争取并购契机。 整体而言，VCSEL【红外光源】元件等IDM大厂通过整并发展模式，虽有少数并购案因股份未能谈拢而破局，但大部分案件都可成功囊括相关制造代工厂商或IDM厂。 因此若依照初期VCSEL元件制造的发展模式，虽处于群雄割据的混乱情势，但随着几家IDM大厂(如II-VI、Lumentum及AMS等)陆续藉由收购其他相关企业后，目前市场发展已逐渐形成大者恒大局面。这将有助于VCSEL元件在整体发展及规格制定上更加完备，提高后续终端产品应用的市场渗透率。 进一步观察VCSEL【红外光源】元件等IDM大厂的整并动态，可以发现原先专注于生产LED的元件商如Osram及晶元光电等，陆续于2018年3月通过并购(如Osram并购Vixar)或对外宣告分拆制造代工厂方式(晶元光电分拆之晶成半导体)，投身于开发VCSEL【红外光源】元件之列。 就当时的时空背景及市场情势而论，厂商会做此决定，主要也是大环境不佳所致。若由产品发展模式来看，LED相关行业已进入相对成熟且衰退阶段，元件价格与获利性已大不如前，加上近年在中国厂商低价竞争的压力下，也迫使部分国际大厂开始寻找其他终端产品应用的可能性。此时，VCSEL【红外光源】雷射发光元件市场，即为一个不错的发展切入机会。 虽然VCSEL雷射元件的发光原理与LED元件大致相同，但其材料结构仍较LED元件复杂许多，而凭借Osram与晶元光电(后已分拆为制造代工厂－ 晶成半导体)长期针对LED元件投入的技术研发及磊晶能力，对于转入生产相关雷射元件似乎困难不大。 对于这些制造LED元件的IDM大厂而言，逐渐转向开发VCSEL元件应用的生产模式，将有助提高企业获利性。 未来VCSEL发展趋势与应用领域 由于红外线元件应用市场逐步增长，带动现阶段终端手机3D感测技术、车用光达与光纤传输的蓬勃发展。 未来对VCSEL【红外光源】元件应用发想，红外灯珠,红外发射管,美容灯珠,红外接收管,红外贴片灯珠,红外光源可能逐渐朝向光源照明的安防监视器应用、光感测市场的手机指纹辨识模块，以及穿戴装置应用等领域为开发目标。 基于本身物理特性，考量VCSEL【红外光源】元件发生光源容易受到外部光线(日光)干扰问题，因而导致接收端难以精准接收到投射光源，所以针对接收干扰性，VCSEL元件的材料结构必须做出调整，后续将可通过成长其他不同的材料磊晶层，例如InGaAs、AlGaAs等作为发光反应层(Active Layer)， 借此延伸开发出不同波长(如650～1,600nm)的VCSEL【红外光源】元件，提供光感测、光通讯及光照明的新应用契机。

关键词：红外灯珠,红外发射管,美容灯珠,红外接收管,红外贴片灯珠,红外光源