雷射 VCSEL研究

台灣LD廠商眾多，但是目前還剩多少賺錢，值得商確

透過早期21年前資料[0]，發現LD上游磊晶與下游模組廠商眾多，但是目前還剩多少賞家在營運

，值得商榷。不過可發現台達電在LD上游磊晶行列，其不是做Power相關嗎?或只是投資方面。

另外可以學習的是，成功企業的判斷依據：是否與國外廠商策略聯盟、有無集團資源支持、有無良好客戶關係與是否已有產品量產出貨。[20221123] 

光通訊VCSEL技術由Lumentum與Coherent國際廠商把持，該如何切入市場面?
垂直共振腔面射型雷射(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)是一種光纖通訊的發射源構造，透過反射鏡面共振腔，可以在一片晶圓上同時製作數百個雷射，形成「雷射陣列（Laser Array）」，並且同時將許多根光纖分別連接到每個雷射上方，應用在光纖「骨幹網路（Backbone）」[2]。目前國外廠商Lumentum與Coherent都具有從VCSEL元件到整個收發器模組的垂直整合能力，這也鞏固兩者在光通訊市場中的地位[1]。台灣若要作長期光通訊產業發展，有沒有辦法打入整個光收發器模組市場是一個重要關鍵。每樣產業模組都要做到翹楚，才有辦法有系統廠的出現。[20221004] 

Reference：

[2][20201111]雷射二極體： VCSEL 是什麼？應用、原理 一篇看懂！

https://www.stockfeel.com.tw/%E9%9B%B7%E5%B0%84%E4%BA%8C%E6%A5%B5%E9%AB%94%EF%BC%9A%E4%BB%80%E9%BA%BC%E6%98%AF-vcsel/

因應 5G 時代到來、資料中心的需求增加，垂直腔面發射激光器 (VCSEL) 應用需求長期看好，而近年來光磊 ( 2340-TW ) 也積極轉型要切入VCSEL ，光磊提供的光敏二極體是Apple Watch 傳感器最主要供應商，公司看好穿戴裝置的智慧醫療商機，搶下Apple Watch Series 6訂單。

垂直共振腔面射型雷射（VCSEL）的構造如＜圖三（a）＞所示，直接使用「分子束磊晶（MBE：Molecular Beam Epitaxy）」或「有機金屬化學氣相沉積（MOCVD：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）」在砷化鎵晶圓上成長數十層 N 型砷化鋁鎵磊晶（每一層之間折射率不同），接著再成長一層砷化鎵磊晶做為發光區，再成長數十層 P 型砷化鋁鎵磊晶（每一層之間折射率不同），最後在晶圓的上下兩面各成長一層金屬電極，並且使用化學蝕刻將上方的金屬電極打開一個圓形孔洞，讓雷射光可以由上方發射出來。

由於雷射光是從磊晶的表面射出，因此屬於「面射型雷射（SEL）」。

圖三、垂直共振腔面射型雷射（VCSEL）的晶粒構造與原理示意圖

由＜圖三（a）＞中可以看出，這種雷射的每一層磊晶都很薄，所以雷射光是沿垂直方向上下前進，在上下兩個金屬電極之間產生共振，並且由上金屬電極的圓形孔洞射出，所以光場形狀可以保持正圓形，由於光纖的纖核是正圓形，因此連接到光纖時能量損失較小。

上下兩個金屬電極可以施加電壓，同時也可以當作反射鏡使雷射光產生共振。數層不同的 P 型與 N 型半導體故意讓每一層之間折射率不同，所以沿著垂直方向形成光柵結構，可以使光變純（波長範圍變小），最重要的是，這種雷射不需要先將晶粒切開以後再成長金屬薄膜反射鏡面共振腔，可以直接在晶圓的上下兩面各成長一層金屬電極當成反射鏡面共振腔，所以可以在一片晶圓上同時製作數百個雷射，形成「雷射陣列（Laser Array）」，如＜圖三（b）＞所示，並且同時將許多根光纖分別連接到每個雷射上方，應用在光纖「骨幹網路（Backbone）」。

[1]2022-10-04VCSEL市場規模攀升　Lumentum與II-VI分居要角

隨著垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)技術與應用持續發展，預估全球VCSEL市場規模將由2022年的16億美元，成長為2027年的39億美元，合計2022～2027年市場規模年複合成長率(CAGR)為19.2%。

以終端應用市場而言，行動與消費裝置，以及電信與基礎設施市場為持續推動VCSEL市場成長的最主要力量，合計約佔98%市場。不過就市場成長速度而言，則是以汽車與行動性應用領域成長最快，預計會由2022年的僅1,800萬美元，成長為2027年的5,300萬美元，CAGR為96.6%。其次為電信與基礎設施市場CAGR的22.2%，以及行動與消費裝置CAGR的15.7%。

2017與2021年全球主要VCSEL供應業者市佔

2022~2027年VCSEL各類終端應用市場規模預估

調研機構Yole Intelligence表示，VCSEL大規模應用率先出現在數據通訊領域，以往該領域一直位居VCSEL應用市場主宰地位。然而這種狀況因著蘋果(Apple)2017年11月新推出的iPhone X手機配備基於VCSEL技術的FaceID解鎖功能，而被打破。隨著眾多手機業者紛紛群起仿效，行動與消費裝置3D感測應用取代數據通訊，成為推動VCSEL市場發展的主力，促使醫療、汽車與行動性等應用市場的發展。

不過，隨著蘋果以外的其他手機業者陸續捨棄VCSEL技術，轉而採用螢幕下(under screen)指紋感測技術，使得VCSEL市場成長動力又有新轉變。預估自2023年起，數據通訊將會重新成為VCSEL最主要應用市場，並且2027年該市場規模將攀升至21億美元。相較而言，預估2027年行動與消費裝置應用領域市場規模為19億美元。先前為了因應來自消費電子裝置市場激增需求，VCSEL磊晶生產已由4吋晶圓轉移到6吋晶圓，除此之外，手機中的VCSEL技術幾乎沒有什麼太大變化。然而，預期未來幾年VCSEL技術至少將會出現2項重大變化。

首先，隨著英國半導體材料業者IQE於2022年5月展示首批基於鍺(Ge)材料，而不是基於砷化鎵(GaAs)的8吋VCSEL磊晶晶圓，這不但為光子元件與CMOS技術整合開啟可能性，也預示未來朝向12吋晶圓發展的潛在路線圖。
其次是透過採用稀釋氮化物(dilute nitride)活性層(active layer)，使VCSEL波長由940奈米轉變為1,380奈米。該波長的轉變有助於將VCSEL整合在有機發光二極體(OLED)螢幕下方的技術實現。經由該技術，不但可使蘋果將接近感測器(proximity sensor)置放在顯示器下方，也有助於日後基於1,380奈米波長的3D感測應用發展。
在主要供應業者方面，以往VCSEL市場一直是由Lumentum居於領導地位，然而自2017年起，市場生態出現巨大變化。隨著美國雷射光學元件設計製造業者II-VI展開一連串購併活動，並成功打入蘋果供應鏈，其市佔已由2017年的14%，大幅提升為2021年的37%，具有與Lumentum分庭抗禮的實力。
目前Lumentum與II-VI(已於2022年7月更名為Coherent)都具有從VCSEL元件到整個收發器模組的垂直整合能力，這也鞏固兩者在光通訊市場中的地位。

[0][20010518]雷射二極體產業概況之評析
https://www.moneydj.com/kmdj/report/reportviewer.aspx?a=01259dc6-bee6-4157-8bc3-a032843149ca

• LED及GaAs上游集團如全新、晶元、國聯、華上、博達等，及若干具利基及技術的下游模組廠如光環、全磊、和心、鴻亞等。
• 自1960年美國物理學家梅曼首先利用光及共振腔產生雷射光以來，雷射已成為各個領域不可或缺的關鍵零組件，例如光纖傳送的光發射模組、DVD及CD-ROM等儲存工具、癌細胞的治療工具、各種軟硬材料的切割、測量距離等，特別在通訊及資訊儲存上的用途
• 雷射為一產生電磁輻射的裝置，具有相當高的輻射能，英文簡寫為LASER ( Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation )，意思為由受激發射光放大，也就是說它是一種能使光放大的裝置，它的組成包括活性介質、幫泵能源及光腔，發出的光能在光腔中反覆來回振盪，產生共振，使光不斷放大，而產生單色且相干的雷射光。
• 雷射光的波長範圍從紫外線涵蓋可見光至紅外線為止，大約是從200~30000 nm (10-9 m )，而可見光波長範圍約為380~760 nm。
• 
  
• 雷射光與自然光或其它光源產生的光的性質有明顯的不同，整理如下：
• 雷射光具有很高的單色性，即其頻率寬度很窄。
• 雷射光線為平行光線，意即其指向性很高，經過長距離後，它仍能維持細小光束而不散開。
• 雷射光的集光性佳，故能量密度較高。
• 雷射光為純正弦波的振盪性光波，其頻率及相位皆整齊，與自然光的雜亂完全不同。
• 雷射光的相干涉性高，不論在時間及空間的相干性表現皆良好。
• 光能能在短時間內集中，脈波間隔10-12秒內，光的能量可集中。
• 這些性質是自然光或其它光源所不具備的，也就是雷射光這些特殊的性質，使其在某些應用上特別重要，且無法取代。
• 半導體雷射及非半導體雷射兩類，
• 半導體雷射即為雷射二極體
• 非半導體雷射包括CO2雷射、石榴石YAG雷射、He-Ne雷射、染料雷射等，其應用主要為工業用途如量測、控制、切割等及醫療、研發用途等
• 在長波長方面（>1000 nm）則以光通訊用途為主，因不同波長的光在光纖中傳輸的衰減率不同，如下圖三所示，在波長為1550 nm附近的光的衰減率最低，適合用作長距離通訊用，1310 nm則適用在中距離傳輸，850 nm則適用在短距離傳輸。



• 就能階的觀念來看，每一種原子都有特定的能階，電磁波與原子的交互作用可以分成三種：
• 吸收 ：物質從外部取得電能或光能後，部份電子由較低的能階躍升到較高的能階。
• 自發發射：經吸收後，電子被激發至較高的能階，經過一短暫時間後，它會自然回到較穩定的低能階，此時會釋放出能量，以光或熱的型式四散發射，普通光源及LED的發光過程即是如此，所發出的光並非單色光，具有一定的頻寬。
• 受激發光：躍升到較高能階的電子，除了自發發射外，部份也會受入射光的作用而回到較低能階，此為受激激發，這會使入射光的強度增大，為雷射光運作的重要原理，為達成發出雷射光的條件，首先必需要有特殊的介質，使光在經過該介質時能使其強度放大，此介質通常稱為活性層，它具有居量反置的特性及較高的折射率，形成光腔，使光能在此處來回振盪，產生共振而不斷使光放大，產生雷射光，因此光腔的材料、結構、設計及製作是LD品質的關鍵。
• 將LD依據其發射光的方向作分類，則可分為
• 邊射型EELD ( Edge Emitting Laser Diode ) 及
• 面射型VCSEL ( Vertical Cavity Surface Emitting Laser ) 兩種
• 它是一種相當新的技術，自1977年提出概念後，直到1996年才由Honeywell製造出第一個商品化的產品，顯示它是一個相當新的產品，未來發展潛力雄厚，是台灣廠商目前著墨的重點，
• 它的主要特徵是利用上下兩個布拉格反射鏡DBR ( Distributed Bragg Reflector ) 來形成光腔，中間夾著發光的區域，光則在光腔內來回放大，最後產生雷射光，從上方發出，VCSEL製造的關鍵在布拉格反射鏡的結構
• 1996年850nm波長的VCSEL元件已問市，其目標市場是高速（>1G bps）、中距離（<500m）的光纖數據傳輸市場，因其具有上述優點，因此在光通訊及光資訊用途的應用廣被看好，自1998年通過IEEE802.3Z標準後，高速乙太網路模組市場量成長快速，模組即使用850nmVCSEL元件
• 目前VCSEL已有850 nm及980nm的產品，未來將朝1310nm及1550nm高波長及680nm應用於塑膠光纖產品發展，此外VCSEL元件已使用在1.25G、2.5G、10Gbps及Fibre Channel的傳輸上，在可大量生產及具成本降低的優勢下，未來發展可期。
• LD上游磊晶：以聯亞、嘉信、全磊、光環、友嘉較早，全新、晶元、晶誼、國聯、勝陽、華上、博達、連威及聯詮等則較晚進入該市場，台達電、錸德、華新也有相關投資動作。
• LD下游模組：鴻亞、和心、台達電、聯鈞、光環、得迅、前鼎、冠德、捷耀、東盈等。
• LED上游廠商如國聯、晶元及華上等及GaAs的廠商如全新、博達等皆投入LD市場，且其切入方向集中在VCSEL及LD的上游，此外有若干自工研院及中華電信研究所的經營團隊，自1996年起陸續成立一些公司，則以LD的模組組裝為主要發展方向
• 台灣LD相關廠商成功的關鍵或觀察的重點為：
• 是否與國外廠商策略聯盟：因國內廠商在LD上游技術仍不成熟，因此最好能與國外廠商合作，運用本身在LED或GaAs的量產技術及經驗，大量生產降低成本，建立本身的利基，這部份似乎以全新及晶誼較佔優勢，在下游廠商部份，因國內上游廠商尚未壯大，因此與國外廠商合作，確保上游材料來源是很重要的，以鴻亞較佔優勢。
• 有無集團資源支持：在上下游整合及客戶開發上較具優勢。
• 有無良好客戶關係：若LD上下游廠商可獲得客戶訂單的支持，則較有成功的機會，例如在780nm及650nm的LD開發上，其主要市場是光碟機，而全球光碟機的生產重鎮即在日本、韓國及台灣，特別是在CD-ROM及DVD-ROM價格快速下降時，降低零件成本便相當重要，這也將市台灣廠商的機會，因此若與日韓光碟機大廠關係較佳者，將較有機會承接可能釋出的訂單，全新、博達、晶元及華上在這部份皆不弱。
• 是否已有產品量產出貨：因LD產品不論是上游磊晶或下游模組，製作過程皆較複雜，因此是否取得認證及客戶信賴是非常重要的，且目前台灣投入者眾，可能有部份公司面臨一些障礙，因此建議仍以財務上是否有營收，營收是否成長為判斷依據之一，這部份以有宣布營收者如全新、光環、鴻亞等較佳。