中金 | 激光雷达快速发展，半导体激光器酝酿新机

强驴

2022-02-10 08:35·中金研究

半导体激光器是激光雷达核心部件中价值量占比较高的环节，我们认为中国厂商已经具备全球竞争力，我们测算激光雷达渗透率的提升将带动发射单元市场到2025年达到107亿元，对应2021-2025年CAGR达168%。车载激光雷达快速发展，我们建议关注激光雷达核心部件环节率先进行国产替代的半导体激光器赛道。

摘要

半导体激光器下游分为泵浦源与直接应用两类。半导体激光器是以特殊的半导体材料作为增益介质的激光器，具备高电光转换效率、高可靠性、低成本、结构简化等优势。其应用分为1）泵浦源：半导体激光器一般用作固体激光器泵浦源和光纤激光器的核心元器件，为增益介质提供能量激励。2）直接应用：由于电光转换效率高、体积小，半导体激光器可用于车载激光雷达、医疗美容等领域，但由于其出射光束质量较差，需进行光斑整形后才能应用，光斑整形为半导体激光器厂商的核心技术。

车载激光雷达放量，有望推动半导体激光器市场快速增长。半导体激光器行业的市场扩容依赖于下游核心场景的快速放量。往前看，我们认为半导体激光器市场增长动力来自：1）激光器降价带动激光加工渗透率提升；2）车载激光雷达渗透率提升，发射模组占激光雷达成本比重20%左右，我们预计2025年全球车载激光雷达发射单元市场规模有望达到107亿元，对应2021-25年CAGR达168%；3）激光医疗美容，例如激光脱毛、激光无创溶脂等技术的应用。

风险

车载激光雷达量产进度不及预期；车载激光雷达技术路线存在不确定性。

摘要

半导体激光器概述

半导体激光器定义

激光器一般根据增益介质的不同，划分为气体、固体、光纤和半导体激光器。半导体激光器是以特殊的半导体材料（如砷化镓、硫化镉、磷化铟、硫化锌）作为增益介质的激光器，其工作原理为：采用电注入式、电子束激励式和光泵浦激励式等激励方式，实现半导体物质能带之间的非平衡载流子的粒子数反转，粒子数反转状态下，大量电子和空穴复合便产生受激发射作用。

► 固体激光器：一般以刚玉、钇铝石榴石、钨酸钙、氟化钙以及铝酸钇、铍酸镧等作为增益介质，如常用的红宝石激光器。

► 光纤激光器：一般以掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光电转换效率比气体激光器低一些，但是操作简单、日常维护成本较低，是目前较为主流的激光器。

► 气体激光器：一般以二氧化碳或其他气体作为增益介质，优点是光电转换效率比较高，缺点是对操作员有比较高的要求，日常使用及维护成本比较高。

► 半导体激光器：一般以特殊的半导体材料（如砷化镓、硫化镉、磷化铟、硫化锌）作为增益介质，目前大部分场景是以固体或光纤激光器的泵浦源的形式存在。

半导体激光器，根据功率可以划分为高功率半导体激光器（输出功率>1W）和低功率半导体激光器（输出功率≤1W）。

图表1：半导体激光器属于激光器的一种

资料来源：炬光科技招股书，中金公司研究部

图表2：半导体激光器的工作原理

资料来源：炬光科技官网，中金公司研究部

半导体激光器的优劣势

优势：相比其它类型的激光器，半导体激光器的优势在于高电光转换效率（最高可达60%-70%）、高可靠性（高功率亦可实现上万小时）、低成本（同一片半导体晶圆上实现大量激光二极管芯片的集成）和小体积（立方厘米量级）等方面。从结构上看，半导体激光器不需要进行合束、也不需要像光纤激光器一样用光来泵浦增益介质，结构上大大简化，节省了很多的光学元器件，比如特种光纤、合束器等，也减少了电光转换效率的损失。

劣势：由于半导体激光器的出射光束存在发散角大、光强分布不均等问题，具有不对称性，导致其发出的光束质量较差，限制了它的应用领域。

半导体激光器企业的核心技术是激光整形技术。激光整形的工作原理是改变激光能量在时间或空间上的分布，比如用微光学透镜把半导体激光器光束重新分布，得到的每一个细光束的均匀性大于半导体激光器堆栈光束的均匀性，而且每个细光束范围内的微小不均匀性由处于对称位置的细光束相互叠加得以补偿，从而使整个照明区域得到均匀化的光强分布。经过整形后的光斑在一些特定的领域具备独特的优势，如线光斑、面光斑在激光焊接、激光剥离和退火等领域可大大提升加工效率；应用于Flash LiDAR时可以减少运动部件的使用，提高系统可靠性。

图表3：用微光学透镜对激光进行整形的工作原理

资料来源：《基于双曲面基底微透镜阵列的半导体激光器整形系统设计》，中金公司研究部

图表4：激光整形前后的光束质量对照图

资料来源：《大功率激光器光束整形系统设计与研究》，中金公司研究部

半导体激光器应用场景

场景一：用作固体激光器和光纤激光器的泵浦源

目前半导体激光器最大的应用领域是用作固体和光纤激光器的泵浦源。根据Strategies Unlimited预测，2021年全球半导体激光器市场规模19.8亿美元，到2025年有望增长至28.21亿美元，GAGR=10%。从结构看，2021年用在光纤激光器和固体激光器泵浦源的市场规模分别为5.42和4.98亿美元，两者占比达到52%。

从构成上来看，半导体激光器作为固体激光器和光纤激光器的一部分，在其成本中占比在30%左右。驱动半导体激光器行业增长的其中一个重要驱动力来自光纤激光器和固体激光器为代表的激光加工技术渗透率的提升。

光纤激光器和固体激光器受益于激光器降价带动激光加工渗透率提升。以光纤激光器为例，下游主要应用在切割、焊接、打标等工业加工领域，光纤激光器占设备成本在30%-60%不等，光纤激光器每年30%以上的降价幅度带动设备成本持续下降，推动了激光加工设备渗透率的提升和行业的增长。根据Strategies Unlimited预测，2021-2025年，全球光纤激光器和固体激光器领域的半导体激光器行业需求分别保持11%和10%的复合增长。

图表5：半导体激光器市场规模预测

资料来源：Strategies Unlimited、炬光科技招股书，中金公司研究部

图表6：中国光纤激光器市场规模

资料来源：中国科学院武汉文献情报中心，中金公司研究部

图表7：国内某企业激光切割机降价趋势

资料来源：万得资讯，中金公司研究部

图表8：我国激光切割设备市场增长情况

资料来源：中国科学院武汉文献情报中心，中金公司研究部

场景二：车载激光雷达

车载激光雷达是高级别自动驾驶的最后一块拼图。从技术上看，我们认为激光雷达精度优势显著，L3+高等级自动驾驶标配激光雷达成为业内共识。激光的频率可达100,000GHz以上，比毫米波高出3-4个数量级，其波长为微米乃至纳米级别，这意味着激光雷达在距离、角度、速度等测量上可以实现很高的分辨率，借此可实现对周围物理环境的三维立体成像，精度优势显著。伴随智能驾驶级别提升，需要不同种类的传感器达成冗余、相互配合，我们认为L3及以上高级别自动驾驶而言，激光雷达具备不可替代性。

图表9：各大主机厂自动驾驶时间表——高级别渐行渐近

资料来源：佐思汽研，中金公司研究部

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激光雷达工作原理及技术路径

激光雷达的原理，是通过激光装置发送一定波形的激光，经过目标物体的反射或散射后的回波信号光被接收器件接收并被转化成电信号，通过分析比较回波信号相对于原始信号的各种变化来获得目标物体的距离、方位、高度、速度、姿态、形状等信息。

当前车载激光雷达技术路径尚未收敛，我们认为“固态化”为发展主旋律。激光雷达的扫描方式主要可以分为ToF（Time of Flight，飞行时间）和FMCW（frequency modulated continuous wave，调频连续波）两大类。其中，ToF又可以细分为机械式、半固态式（转镜、MEMS等）、固态式（OPA、Flash等）。不同的扫描方式对应不同的扫描部件：

► 机械式：技术较为成熟，其特征是具有一个裸露的可以360°旋转的筒状结构。但机械式激光雷达具有成本较高、装配调制困难、扫描频率低、生产周期长、机械零部件寿命不长等缺点，我们认为该方案激光雷达较难应用在规模量产车型中。

► 转镜式（半固态）：最早通过车规、并实现上路的方案，我们认为有望阶段性率先起量。转镜方案没有外露的旋转部分，通过一个内置可旋转的镜子能够实现约120°范围的扫描。我们认为转镜方案满足车规要求，达到成本可控、可批量供货的条件，但目前尚未实现大规模上车的原因在于：1）线数难做高，视场角和角分辨率受到限制；2）尺寸较大且功耗较高；3）成本下降空间有限。

► MEMS（半固态）：通过MEMS（
Micro-electro-mechanical-system，微机电系统）技术将镜面、转轴等机械零部件集成化至芯片级别，具有尺寸小、可靠性高、成本可控、分辨率高等优势，我们认为有望在未来几年占据主导地位。但其同样存在信噪比低、有效距离短、FOV（Field of view，视场角）窄、寿命短，因此可能仍然只是一种过渡方案。

► 纯固态：FLASH、OPA等纯固态设计中没有任何运动部件，在颠簸、震动、高低温等严苛环境中具备寿命优势；且理论体积可进一步缩小、并可以进行较高程度的芯片化，理论成本亦可以达到100美元以下。我们认为，当前纯固态方式仍较多处于实验室或初步测试阶段，距离技术成熟、大规模量产上车仍需要5年左右时间，但或成为激光雷达终局形态。

图表10：主要激光雷达方案原理

资料来源：Li, You and J. Ibañez-Guzmán. “Lidar for Autonomous Driving：The Principles, Challenges, and Trends for Automotive Lidar and Perception Systems.” IEEE Signal Processing Magazine 37 (2020)：50-61.，中金公司研究部

激光雷达结构与激光器

激光雷达一般由发射模块、接收模块、扫描模块以及信息处理模块四部分构成：1）发射模块：激光器（EEL/VCSEL/光纤激光器）发射的激光脉冲通过发射光学系统，将激光发射至目标物体；2）接收模块：经接收光学系统，光电探测器（APD/SAPD/SiPM）接受目标物体反射回来的激光，产生接收信号；3）扫描模块：不同的扫描方式对应不同的扫描部件，对所在平面进行扫描生成实时图像；4）信息处理模块：接收信号经过放大处理和数模转换，经由主控模块计算，建立最终的3D模型。

图表11：激光雷达核心模块示意图

资料来源：禾赛科技招股说明书（申报稿），中金公司研究部

激光雷达成本包括BOM 成本（物料成本）、生产成本和研发成本。BOM成本侧看，从机械式到半固态，发射和接收单元的成本占比下降，主板和扫描部件占比有所提升。1）根据汽车之心，Velodyne的16线机械激光雷达中激光、光电二极管占比合计达到75%。2）4线转镜式激光雷达法雷奥Scala1成本拆分中主板占比最高，激光单元板、光学部件和激光机械部件分别占BOM成本的23%、13%和10%。3）棱镜式方案代表产品Livox Horizon采用非往复式扫描技术，用较少数量的收发模组实现等价100线数效果。根据System plus Consulting测算，Livox发射和接收器件成本占比分别下降至7%和4%，光学部件（包括透镜模组等扫描系统）的成本占比最高，达到54%，其次是主板。4）MEMS激光雷达用MEMS微振镜替代马达、棱镜等机械部件，且收发模块数进一步减少，主要成本集中在主板和MEMS微振镜两部分。

图表12：各类型激光雷达成本拆分

资料来源：汽车之心，System plus Consulting，中金公司研究部

激光器是激光雷达发射模块的重要组成部分，主要方案有边发射激光器(EEL)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)和光纤激光器三种，其中EEL和VCSEL均属于半导体激光器。

► 边发射：EEL的激光沿平行于衬底表面方向发出，具有较高的发光功率密度（峰值功率120W），但光斑呈椭圆形，发散角较大，且集成度偏低，仅适用于一维阵列。

► 垂直腔面发射：VCSEL垂直于衬底发射激光，较易通过平面工艺实现二维发光阵列。和EEL相比，VCSEL拥有较好的光束质量和圆对称的光斑分布，发散角较小，与光纤的耦合效率较高。此外，VCSEL可实现机器量产，且在封装前可对芯片进行测试，生产良率可控，极大降低产品成本。但VCSEL由于功率被分摊，发光功率密度低于EEL（峰值为10W），直接影响激光雷达的探测距离。

► 光纤激光器：主要应用于1550nm波长的激光雷达中，可实现超过250m的远距离传感，但由于需要外部电源且电子控制装置结构复杂，光纤激光器存在体积较大、成本高企、供应链成熟度欠佳等问题。此外，1550nm光纤激光器需要提高功耗以提升探测距离，带来较复杂的热管理问题，综合成本或进一步上升。因此，1550nm光纤激光器离实现规模量产还有一段距离，其发展较大程度取决于1550nm技术的突破与下游应用端需求的拉动。

为了提高传统单结VCSEL的发光功率，各大激光器以及激光芯片厂商致力于开发多结VCSEL，助力车规级激光雷达性能升级。多结VSCEL利用隧道结隧穿原理串联多个发光结，在性能、稳可靠性、集成度等方面优势突出：1）有效提升电光转换效率，降低整体热负荷；2）可实现更高的峰值功率，提升探测距离；3）具有较高的斜率效率，减小脉冲电流，对驱动和电源更加友好，产品可靠性改善；4）提供更高的发光功率密度，简化光学设计和系统架构。全球领先厂商纷纷布局多结VCSEL，海外龙头Lumentum在2021年首发五结和六结VCSEL阵列；欧司朗的940nm多结VCSEL产品功率转换效率可达60%（单结效率为46％）；国内厂商纵慧芯光VCSEL产品已通过AEC-Q、IATF16949认证，我们预计其有望于2022年实现乘用车前装量产。

图表13：EEL与VCSEL激光器对比

资料来源：欧司朗光电半导体，MEMS咨询，中金公司研究部

当前实现上车的激光雷达主要采用EEL激光器，我们认为，长期来看多结VCSEL阵列有望逐渐取代EEL。EEL凭借较高的技术成熟度已广泛应用于半固态激光雷达，如速腾聚创MEMS激光雷达M1等，未来2-3年将充分受益下游激光雷达装车量产浪潮。随着高功率多结VCSEL技术的日臻成熟，我们认为VCSEL有望依托其性能和成本优势，逐渐渗透车载激光雷达市场。Ouster、Ibeo、Opsys均基于VCSEL推出Flash固态产品，其中Ibeo Next已获得长城汽车的定点，预计将在2022-2023年实现量产。禾赛科技将VCSEL的应用范围从固态拓展至半固态，与VCSEL领先供应商Lumentum合作打造基于VCSEL阵列的半固态激光雷达解决方案，其推出的AT128为业界首个采用VCSEL激光器的长距半固态激光雷达，已拿到理想、高合等车企定点。根据Yole预测，VCSEL在汽车领域（激光雷达和DMS）的市场规模将从2021年的110万美元快速扩容至2026年的5700万美元，CAGR达122%。

图表14：采用VCSEL激光器的激光雷达产品（部分）一览

资料来源：各公司官网，中金公司研究部；注：“/”表示尚未公开披露

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激光雷达市场情况

车载激光雷达进入商用元年，搭载激光雷达的量产车型将于2021至2023年密集上市。2020年以前，全球唯一一款搭载激光雷达的量产车型是2017年发布的奥迪A8，此后由于L3+高等级自动驾驶进展缓慢，激光雷达“上车”出现断层。2021年开始，激光雷达再次成为车企标榜高端的卖点，我们统计2021-23年新款车型中，至少有20余款宣布搭载激光雷达上市。

图表15：部分搭载激光雷达车型上市时间表

资料来源：佐思汽研，盖世汽研，半导体行业观察，广州车展，中金公司研究部

结合我们的草根调研，我们预计当前可量产激光雷达的平均价格约500-1000美元。根据盖世汽研调查显示，如果激光雷达要大规模装车，64%的车企接受的价格在1,000元人民币以下，当前激光雷达价格离规模量产仍有一定距离。2020年8月，第十二届汽车蓝皮书论坛上，时任华为智能汽车BU总裁王军表示，未来计划将激光雷达成本降至200美元，甚至100美元[1]。我们认为，随着低成本技术方案的逐渐成熟，同时叠加高级别自动驾驶渗透率提升、量产规模扩大，激光雷达成本下探空间可期，我们预计未来激光雷达单价有望下降至200美元以下。

图表16：部分激光雷达型号销售价格（截至2021年）

资料来源：半导体行业观察，中金公司研究部

我们预计2025年全球车载激光雷达发射单元市场规模有望达到107亿元。结合对不同自动驾驶等级渗透率、不同车型单车平均搭载激光雷达数量的预测，我们预计2025年全球前装车载激光雷达市场规模有望达到1066亿元。

在不同技术路径下，发射单元占车载激光雷达营业成本的比重有所差异。展望2025年，我们预计发射单元占成本比重约为10%-30%，激光雷达整机制造环节的毛利率早40%-60%，则在中性假设下（发射单元占成本比重20%，整机毛利率50%），全球车载激光雷达发射单元的市场规模有望达到107亿元，对应2021-25年168%的CAGR。

图表17：车载激光雷达市场空间测算

资料来源：中汽协，中金公司研究部

图表18：2025年激光雷达发射单元市场空间情景假设测算（左图）和中性假设下的市场规模（2021-25E，右图）

资料来源：中汽协，中金公司研究部

场景三：医疗美容

激光脱毛：半导体激光器与光学整形相结合，可以用在激光脱毛领域，使用场景为医院皮肤美容科室，具体工作原理为：激光可以穿透皮肤直达毛囊，毛囊内黑色素吸收激光后可达到脱毛的效果，同时对汗腺等其他部位不会造成损伤。

激光无创溶脂：半导体激光器与光学整形相结合，也可以用在激光无创溶脂领域，使用场景主要为医院皮肤美容科室。具体工作原理为采用1064nm波长激光，无损穿过皮肤达到脂肪层，脂肪细胞对该波长激光产生强烈吸收并受热分解，最终通过代谢，达到溶脂的功效。

根据Laser Focus World预计，2020年全球激光医疗与美容市场规模9.35亿美元，同比下滑25%，主要受疫情拖累。未来随着激光器成本的下降和国产化率推进，激光医疗美容的渗透率仍有较大提升空间。

图表19：激光脱毛与激光溶脂

资料来源：炬光科技招股书，中金公司研究部

图表20：全球激光医疗与美容市场规模

资料来源：Laser Focus World，中金公司研究部