在現(xiàn)行終端手機3D感測、車用光達及光纖傳輸的需求帶動下，紅外線元件市場規(guī)模已逐漸茁壯，其中以VCSEL元件成長幅度最顯著。
VCSEL元件本身在起始電流、光束角度及形狀等特性上具備優(yōu)勢，預期將逐漸成為3D感測模塊的使用光線，并帶動整體紅外線元件市場持續(xù)成長。
紅外線元件類型與現(xiàn)行測距原理
1. 紅外線元件市場規(guī)模
現(xiàn)行紅外線元件如LED、雷射等，可應用于日常生活中的照明系統(tǒng)和導航裝置等，使用領域十分廣泛，同時亦能使用在終端手機3D感測模塊中，借此促成虛擬實境、人臉辨識及移動支付等相關應用可能。
近年因中、高階手機產品逐漸搭載3D感測模塊，使得紅外線元件逐漸成為流行，其3D感測元件結構與原理，大致運用2個以上相機模塊及紅外線發(fā)射零組件，再通過軟件模擬計算后，得出物體本身距離與形貌。
進一步探討全球紅外線元件市場，除了傳統(tǒng)紅外線照明系統(tǒng)以外，還有紅外線雷射系統(tǒng)(VCSEL與車用LiDAR)。傳統(tǒng)紅外線照明系統(tǒng)由于使用LED元件，其發(fā)光能量較弱、光束角度偏大，使得整體功能性較為不足，大多只能應用于2D臉部辨識和一般安全監(jiān)控等。
在紅外線雷射部分，由于光源能量較大和角度集中等特色，目前已大范圍應用于3D感測技術和車用測距中。
針對全球紅外線元件市場發(fā)展情形，無論在紅外線照明或雷射產品應用中，整體市場需求依舊持續(xù)暢旺。
預估2019年整體市場規(guī)模預估可突破16.4億美元，且隨著手機3D感測元件應用逐漸發(fā)酵，2020年整體規(guī)模將逐步成長至約22億美元。
2. 現(xiàn)行主要測距原理
在3D感測技術應用方面，現(xiàn)行主要測距原理可分為3類：立體視覺(Stereo Vision)、結構光(Structured Light)與飛行時間測距(Time of Flight，ToF)等，各自擁有不同的測量方式和運算原理，最終通過計算方式得出待測物的距離及輪廓。
立體視覺的原理主要基于人眼視差，通過2個(或以上)相機模塊同時拍攝，經計算后得到物體距離。結構光主要為主動式深度感測技術，其結構通過IR(紅外線)發(fā)射器、IR及RGB相機模塊等元件組成，利用IR陣列光斑投射后再經計算，得出物體距離。
另外，飛行時間測距也是一種主動式深度感測技術，主要功能為運用IR發(fā)射器、IR接收器、RGB相機模塊與感光元件等，通過IR發(fā)射器將紅外線投射后，計算當中路程折返時間，藉此得出物體距離與形貌。
3. 紅外線元件類型
一般而言，紅外線元件可依不同使用目的，區(qū)分為紅外線照明與雷射應用等兩類，但若以不同產品的發(fā)光原理進一步分類，則可分成LED、EEL(邊射型雷射)與VCSEL等3種不同類型產品，由于其運用不同的光源特性、電流及頻率表現(xiàn)，所以各有相對應的終端應用市場。
LED元件由于發(fā)光原理較單純，只需提供較高操作電流即可驅動發(fā)光，但因發(fā)出來的光線仍屬發(fā)散光源，一般而言只能提供普通照明，或進一步使用于2D感測系統(tǒng)中。
EEL與VCSEL由于生成的光線屬于雷射光，兩者發(fā)光原理相較LED生成光線的情形稍有不同，還需利用材料結構設計，經多次反射后才能得到雷射光。
至于EEL與VCSEL差異，在于EEL本身元件結構設計上的因素，其發(fā)光的光束角度與形狀皆較VCSEL元件大且橢圓，因此現(xiàn)階段只適合提供一般雷射筆等光源；而VCSEL元件的發(fā)光角度與形狀較集中，適合發(fā)展3D感測技術產品，進一步應用于手機人臉辨識和車用光達測距系統(tǒng)中。
現(xiàn)階段GaAs的VCSEL元件供應鏈與廠商動態(tài)
1. VCSEL元件應用與供應鏈現(xiàn)況
現(xiàn)行VCSEL元件因光束角度及形狀優(yōu)勢，且有較低的起始電流與較高頻寬等特性，非常適合應用于3D感測技術中。從2018年Apple發(fā)布iPhone X系列開始，3D感測技術的話題性持續(xù)不斷，近期配合中、高手機終端產品搭載3D感測人臉辨識功能、車用光達應用及光纖傳輸系統(tǒng)等應用，使得相關技術及元件需求的討論程度仍舊不減。
除了因Apple手機帶動3D感測人臉辨識應用風潮外，目前GaAs基板的VCSEL元件已逐步延伸至車用光達等領域，嘗試通過VCSEL元件光線能量集中、光束角度與形狀特性，取代原先較發(fā)散的LED光源。
此外，由于5G議題發(fā)酵，光通訊領域零組件相關需求，例如光纖的資料傳輸容量、頻寬及距離等，也將是后續(xù)發(fā)展重點；而VCSEL元件試圖取代傳統(tǒng)LED光源，提供波長850nm、頻寬5～200Gbps范圍的光纖應用模塊，藉此增進整體5G傳輸性。
依照不同主要生產領域，VCSEL元件供應鏈可區(qū)分為五大應用別：GaAs基板商、GaAs磊晶廠、IDM廠、制造代工廠及封測代工廠。
針對材料結構層面，由于VCSEL元件結構相當復雜，且材料特性和磊晶層數的要求相當高，需有高難度的磊晶技術才可順利生產。但VCSEL元件的獲利仍較一般紅外線元件LED高出許多，使得各磊晶廠商(如IQE、全新光電)、VCSEL等IDM廠(如II-VI、Lumentum)、LED廠(如晶元光電分拆為晶成半導體、OSRAM等)無不相繼投入或轉型至VCSEL元件開發(fā)，目前整體市場已成百家爭鳴局面。
從供應鏈來看，VCSEL元件必須使用GaAs基板材料，通過磊晶制程成長至復雜的材料結構，才算完成初步作業(yè)。
隨后再將完成的晶圓送到IDM廠進行加工，或轉交委外代工模式，發(fā)包給制造和封測代工廠，進行后續(xù)制造、封裝與測試等步驟，最終生產出1顆完整的VCSEL元件。
2. VCSEL元件等IDM大廠的整并動態(tài)
針對VCSEL元件為發(fā)展目標的IDM大廠，近年紛紛轉由通過并購相關制造代工廠商或其他IDM廠方式，藉此擴大市占率。如同II-VI于2016年1月開始相繼并購Epiworks、Anadigics及Kaiam等廠商，并于2019年9月成功完成對Apple手機Face ID模塊供應商Finisar的并購案；另一家IDM大廠Lumentum也于2018年3月完成對Oclaro并購。
此外，AMS于2017年2月與3月成功收購Heptagon及Princeton Optronics等企業(yè)，但2019年10月初對Osram的并購案卻宣告失敗，雖然現(xiàn)階段該并購案仍未成功，但后續(xù)AMS尚有機會再次爭取并購契機。
整體而言，VCSEL元件等IDM大廠通過整并發(fā)展模式，雖有少數并購案因股份未能談攏而破局，但大部分案件都可成功囊括相關制造代工廠商或IDM廠。
因此若依照初期VCSEL元件制造的發(fā)展模式，雖處于群雄割據的混亂情勢，但隨著幾家IDM大廠(如II-VI、Lumentum及AMS等)陸續(xù)藉由收購其他相關企業(yè)后，目前市場發(fā)展已逐漸形成大者恒大局面。這將有助于VCSEL元件在整體發(fā)展及規(guī)格制定上更加完備，提高后續(xù)終端產品應用的市場滲透率。
進一步觀察VCSEL元件等IDM大廠的整并動態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)原先專注于生產LED的元件商如Osram及晶元光電等，陸續(xù)于2018年3月通過并購(如Osram并購Vixar)或對外宣告分拆制造代工廠方式(晶元光電分拆之晶成半導體)，投身于開發(fā)VCSEL元件之列。
就當時的時空背景及市場情勢而論，廠商會做此決定，主要也是大環(huán)境不佳所致。若由產品發(fā)展模式來看，LED相關行業(yè)已進入相對成熟且衰退階段，元件價格與獲利性已大不如前，加上近年在中國廠商低價競爭的壓力下，也迫使部分國際大廠開始尋找其他終端產品應用的可能性。此時，VCSEL雷射發(fā)光元件市場，即為一個不錯的發(fā)展切入機會。
雖然VCSEL雷射元件的發(fā)光原理與LED元件大致相同，但其材料結構仍較LED元件復雜許多，而憑借Osram與晶元光電(后已分拆為制造代工廠－
晶成半導體)長期針對LED元件投入的技術研發(fā)及磊晶能力，對于轉入生產相關雷射元件似乎困難不大。
對于這些制造LED元件的IDM大廠而言，逐漸轉向開發(fā)VCSEL元件應用的生產模式，將有助提高企業(yè)獲利性。
未來VCSEL發(fā)展趨勢與應用領域
由于紅外線元件應用市場逐步增長，帶動現(xiàn)階段終端手機3D感測技術、車用光達與光纖傳輸的蓬勃發(fā)展。
未來對VCSEL元件應用發(fā)想，可能逐漸朝向光源照明的安防監(jiān)視器應用、光感測市場的手機指紋辨識模塊，以及穿戴裝置應用等領域為開發(fā)目標。
基于本身物理特性，考量VCSEL元件發(fā)生光源容易受到外部光線(日光)干擾問題，因而導致接收端難以精準接收到投射光源，所以針對接收干擾性，VCSEL元件的材料結構必須做出調整，后續(xù)將可通過成長其他不同的材料磊晶層，例如InGaAs、AlGaAs等作為發(fā)光反應層(Active Layer)，
借此延伸開發(fā)出不同波長(如650～1,600nm)的VCSEL元件，提供光感測、光通訊及光照明的新應用契機。
來源：拓璞產業(yè)研究院
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