小编采访

从芯片的角度看中国激光产业发展前景

激光具有方向性好、亮度高、单色性好和高能量密度等特点。以半导体激光芯片为基础的激光工业在全球发展迅猛,现在已广泛应用于工业生产、通讯、信息处理、医疗美容、3D传感、军事、文化教育以及科研等方面。

一直以来,大功率半导体激光芯片都是激光产业的核心部件,它可以是固体激光器和光纤激光器的抽运源,也可以制作直接半导体激光器,由于半导体激光具有众多优点,发达国家为了在全球化竞争环境中占据世界技术制高点,纷纷加紧实施半导体激光产业发展计划,如美国的“半导体激光核聚变计划”、德国的“半导体激光2001行动计划”、英国的“阿维尔计划”和日本的“半导体激光研究五年计划”等,国外以美、德、日为代表的发展国家半导体激光产业迅速发展,其在主要的大型制造产业,如汽车、电子、机械、航空、钢铁等行业中基本完成了用半导体激光加工工艺对传统工艺的更新换代,进入“光制造”时代。

进入2018年,中国乃至全球激光产业更是风起云涌,大型兼并重现,新创企业蜂拥,成为众多投资机构眼中的香饽饽,大量资金、人才、机构开始跑步进入该领域,以激光雷达、3D传感、医疗美容、激光显示和照明等为代表的新兴应用正在急速引爆激光产业,从今年国内突然冒出多家VCSEL厂商就可以看出当前激光产业的火爆程度,可以说,激光产业正从原本一个非常“小众”的市场变得越来越“大众化”。

市场在爆发

来自《2018中国激光产业发展报告》的数据显示,在下游旺盛需求的驱动下,我国激光设备市场呈现出了高速增长的态势。调查表明,2015-2017 三年间激光设备市场平均复合增长率高达23.94%,预计2018 年我国激光设备市场规模会进一步提升,可达600 亿元,同比增长逾20%。

图1 我国激光设备市场呈现高速增长态势

激光器作为下游激光设备的核心光学部件,下游设备市场规模的高增长也带动激光器的市场需求不断上升。叠加材料加工、通讯、医疗美容等多个下游领域的需求,考虑到激光器价格的大幅下降和出货量的高速增长,机构预计2018 年我国激光器(含激光放大器)的总体市场规模可达234 亿元,2015-2018 四年间市场平均复合增速为20.42%。

图2 国内激光器(含激光放大器)总体市场规模持续增长

如果单看半导体激光产业,经过近十几年以来中国政府、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,并且初现中国半导体激光产业的雏形,在国内部分激光产品市场上,中国半导体激光产业又重新占有主导地位。随着国内经济状况的不断改善,我国激光产业获得了飞速的发展。半导体激光产业发展50多年来,已初具规模,主要涉及工业、医疗、军事和文化等方面。近年来,国内更是加大了激光产业发展,各个地区在政府的领导和激光企业配合下潜心科研、提升技术、开拓市场,并建设激光产业园。前瞻产业研究院预计,到2023年,我国半导体激光产业市场规模将接近300亿元。

图3:2018-2023年中国半导体激光产业市场规模预测(单位:亿元)

资料来源:前瞻产业研究院整理

从应用的角度看,目前大功率加工和小功率精细加工都是行业热点,产值也平分秋色。无论是代表大功率的光纤激光器,还是现在热门的紫外激光器、飞秒激光器等,均对半导体激光芯片产生巨大需求。

从芯片角度看,除了目前工业加工领域的快速增长外,我们注意到,激光测距雷达、3D传感市场也在崛起,激光医疗美容、激光显示、激光照明市场也在飞速发展,这将给激光从业者,尤其是芯片厂商带来巨大商机。

玩家仍太少 国产芯片飞速追赶

无论是连续还是脉冲激光,高性能激光输出不能仅仅依靠激光调控技术,必须同时重视核心器件性能。对于光纤激光器而言,抽运、光纤、光纤光栅等是其核心器件;而合束、功率合成、模式控制、锁模放大技术则为光纤激光器核心调控技术。由于光纤激光调制技术的实现必须以优质核心器件为支撑,因此核心器件质地往往决定输出激光的性能上限。

在所有核心器件中,抽运源为最关键的供能器件,其功率高低和性能稳定性直接影响输出激光性能。LD (半导体激光芯片)是光纤激光器和固体激光器的主流抽运源且其成本占比约为30%-60%,而稳定的高功率能够在单位时间内激励更多粒子完成跃迁,是光纤激光器和固态激光器能够稳定输出高能激光的关键保障。

目前,国内多数LD 企业只具备芯片COS 或封装技术,只有极少数企业可以提供大功率半导体激光芯片,其主要原因在于:大功率半导体激光芯片的技术和工艺门槛极高,国内在技术储备、工艺经验、人才等方面都欠缺太多。

举例而言,目前半导体激光芯片从外延到流片需要经历200多道工序,任何一道工序出问题都可能给产品性能和良率造成很大影响。目前国内研发生产大功率半导体激光芯片公司大多是海外背景的创业人才回国创业,带来产品和技术上的更新,换句话说,这一领域仍是非常封闭的环境,国与国、企业与企业之间的技术交流和转移仍是非常困难,这预示着该领域的玩家仍将是少数者的游戏,而国产芯片厂商的崛起仍需要时间、人才、资金上的深厚积累,依赖资金短时间的巨额投入来缩短国内与国外之间的差距是不现实的(VCSEL)。

可喜的是,目前我们看到国内大功率半导体激光芯片产业经过多年的磨练后出现了飞速的发展,涌现了2-3家优秀企业,我们发现这些企业大多在2012年左右成立,距今也有5-6年的时间,目前国产大功率激光芯片距离国外的代差约为1-2年,以光纤激光器常用915nm单管芯片为例,目前瑞波光电可以提供输出功率15W的单管芯片(发光条宽190μm),而且经过可靠性验证,并获得客户批量应用。国外以Lumentum、II-VI为代表的芯片厂家在2017年也是在主推这种规格,但从2017年下半年开始,随着光纤激光器客户对成本、效率要求的提升,对芯片厂家也提出了更高的要求:在不改变现有封装尺寸的前提下,提高单个管芯的功率。国外厂商开始提供18W-22W左右的915nm单管芯片,目前瑞波光电也正在开发和测试18W的915nm单管芯片,预计不久将会推出上市。

我们相信,无论是性能还是可靠性,未来国产大功率半导体激光芯片与国外芯片的差距会越来越小。随着大家逐渐接近单管芯片的极限性能,我们认为从性能的角度看,未来国产芯片将会快速赶上国外同行的脚步,将来大家拼的将是品质和价格。当前,下游客户最关心和疑虑的是国产大功率芯片的可靠性,不敢用。我们认为国内产业应该给国产芯片一些机会,从小批量测试、试用开始,慢慢逐步扩大应用范围和比例,相信随着国产芯片可靠性的大大提升,高可靠性、高性价比的国产芯片将逐渐会占据主导地位,我们拭目以待。

未来将走向何方?

毫无疑问,未来的激光技术将朝着更高功率、更好光束质量、更短波长、更快频率的方向发展。举例而言,随着下游激光设备对能量密度要求的日益提高,器件厂商需要不断地提高核心组件性能(如大功率半导体激光芯片和增益光纤),另外光纤激光器功率的提高还需要先进的合束和功率合成等激光调制技术,这都将给大功率激光芯片厂商带来新的要求和挑战。

无论是连续激光器还是脉冲激光器,光束质量和输出功率的兼顾都极为重要。但随着下游应用领域的拓展,如精密加工方面,脉冲激光中的超快激光成为了众多企业研究和布局的重点。

超快超强激光主要以飞秒激光、皮秒激光作为研究与应用的核心,作为一种独特的科学研究工具与手段,飞秒激光将在超快领域、在超强领域(如受控核聚变)和在超微细精密加工中获得广泛应用。与飞秒超快和飞秒超强研究有所不同的是,飞秒激光超微细加工与先进的制造技术紧密相关,对某些关键工业生产技术的发展可以起到更直接的推动作用。飞秒激光超微细加工是当今激光技术中的一个极为引人注目的前沿研究方向。随着飞秒激光技术的不断发展,以及应用领域的不断拓展,飞秒激光一定会有更多的应用。

除此之外,激光也渗透到更多新兴应用领域,比如激光清洗、3D打印市场、激光雷达、3D传感、激光显示、激光照明等,这些新兴应用将会极大地推动激光产业的飞跃发展,特别是汽车电子和消费电子领域对激光产业的带动作用更是令人期待,万亿产值并非海市蜃楼,根据我们的初步预测,2022年车载激光雷达出货量将达到442万个,机器人、无人机等非车载激光雷达出货量将达500万个,这还不包括激光大灯等应用对激光芯片的需求量。

而应用于手机、AR/VR、安防等领域的3D传感市场也是一个非常庞大的应用市场,Yole预计全球3D成像和传感市场将从2017年的21亿美元增长至2023年的185亿美元,复合年增长率高达44%。由于消费类市场的带动(复合年增长率为82%),工业和商业应用(复合年增长率为12%)和其它高端市场也将进入快速增长通道。一旦安卓(Android)智能手机的3D摄像头供应链成熟,那么3D成像和传感市场营收将加速增长,渗透率将从2018年的13.5%上升至2023年的55%。智能手机后置3D摄像头仍然存在一些问题,因为AR/VR尚未显示出稳定的增长势头。然而,Yole认为后置3D摄像头还是会与时俱进,只是短期内渗透率有限。其它值得注意的是:接下来,3D成像和传感技术会逐步扩展至更多的消费类产品(尤其是消费类机器人)、汽车、工业和医疗设备。

在3D传感领域也有挑战,苹果凭借其对技术专利和供应链的管理,垄断了全球绝大部分 VCSEL 供应链产能。能进行批量生产的 Lumentum、Finisar(ⅡⅥ)、AMS可以释放的产能非常有限,无法满足安卓手机的放量要求,而国产VCSEL尽管参与者众多,但量产不易,仍不能对安卓阵营形成有效支撑。可喜的是,我们也看到,有创新厂商利用成熟的边发射EEL技术来实现3D传感,跳过了苹果的技术垄断,有望在未来抢占巨大市场份额。

在激光显示方面,红绿蓝三基色半导体激光在显示领域开始初步商用。目前青岛海信、四川长虹、中科极光都在研发自主知识产权的半导体直接输出的红绿蓝三基色激光电视,根据中怡康最新发布的2018前三季度彩电市场推总数据表明,虽然今年前三季度彩电市场整体零售量同比下降0.88%,但激光电视一枝独秀,销量增幅超过400%。 2018年激光电视销量有望达到30万台左右,这个领域在未来一定会有一个巨大的市场空间。

尽管前景十分美好和诱人,但我们也要意识到,每一种新兴应用都给激光产业,特别是激光芯片厂商带来新的要求和挑战,这需要我们做好充足的技术和产业准备。

期待越来越多的同仁能够加入这一领域,众人拾柴火焰高!我们坚信的是,未来属于光,这是一个光子时代,也意味光将渗透到各个领域:一切都在光中,所谓光即理,致未来。

作者简介

于占涛 深圳瑞波光电子有限公司总经理助理

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