2025年雷射器產業布局分析：垂直腔面發射雷射器在眾多領域得到廣泛應用

  垂直腔面發射雷射器(VCSEL)作為雷射器領域的新興力量，近年來發展迅速。它具有體積小、調製響應快、光束質量好、效率高、功耗低以及易於集成為大面積陣列等顯著優勢，在光通信、光傳感、雷射顯示、雷射照明、雷射雷達、消費電子等眾多領域都有廣泛應用。隨著相關技術的不斷演進，VCSEL 在雷射器產業中的重要性日益凸顯，對其專利技術布局和研究進展進行深入剖析，有助於洞察2025年雷射器產業的發展趨勢。

  一、雷射器之 VCSEL 專利申請趨勢剖析

  對2000 - 2022 年中國專利全文資料庫中與垂直腔面發射雷射器技術相關的專利進行統計(2023 年因部分專利可能未公開未計入)，可以發現從 2016 年起，該領域專利文獻數量呈逐年上升趨勢。2018 - 2022 年期間，專利文獻數量更是之前的數倍，這一階段正是 VCSEL 技術快速發展的時期。《2025-2030年全球及中國雷射器行業市場現狀調研及發展前景分析報告》指出，在眾多申請人中，專利文獻數量排名前五(大於 50 件)的分別是索尼(包括索尼公司、索尼株式會社以及索尼半導體解決方案公司)、北京工業大學、常州縱慧芯光半導體科技有限公司、朗美通(包括朗美通經營有限責任公司、朗美通株式會社)和中國科學院半導體所。其中，常州縱慧芯光半導體科技有限公司在中國 VCSEL 技術相關專利近百件，其生產的 VCSEL 晶片在智慧型手機等消費類電子產品和汽車電子領域應用廣泛。此外，精工愛普生株式會社、富士施樂株式會社、三星電子株式會社、蘋果公司等知名企業，以及北京工業大學和中國科學院半導體所等國內高校、科研院所，也都在積極進行 VCSEL 技術領域的專利布局。

  二、雷射器之 VCSEL 技術發展方向解讀

  為滿足市場對高性能、低成本雷射器的需求，VCSEL 技術正朝著多個方向發展，主要包括提高光功率密度、改善光束質量、提高器件可靠性、降低能耗和製造成本，這些是其商業化的關鍵。具體來看，研究發展路線主要涵蓋以下幾個方面。

  (一)多結 VCSEL 雷射器技術突破

  當前主流的 VCSEL 晶片多為單結，單孔出光功率一般在 5 - 10mW。在大型三維傳感應用場景，如基於雷射雷達的無人駕駛領域，單結結構已無法滿足需求，需要更高功率和效率的雷射器。增大晶片發光面積雖能提高出光功率，但會增加物料成本、光學設計難度，且不利於終端產品小型化。因此，多結 VCSEL 技術成為研究熱點。多結 VCSEL 通過設置多個氧化層構建多個氧化孔，實現垂直方向上的光電限制。它堆疊了多個活性區，利用反向隧道結將活性區電耦合，使載流子再循環，從而提高斜率效率、功率和內量子效率，降低載流子密度獲得更高增益。不過，多結 VCSEL 也存在需要更高工作電壓、發熱量大等問題。目前，該技術主要通過改進氧化孔、外延層材料、結構和製備工藝等，來提高發光功率密度和改善光束質量。

  (二)VCSEL 二維陣列雷射器技術創新

  VCSEL 陣列是提高雷射器輸出功率的另一種重要技術方案。它由多個 VCSEL 單元密集排列成二維組合，每個單元都是獨立的雷射器，能提供高功率雷射輸出，在雷射泵浦、光存儲、三維傳感、光探測、雷射雷達等領域應用廣泛。目前的研究主要集中在改進 VCSEL 單元的電極、台面、氧化結構等設計，縮小相鄰陣列單元的發光孔間距，提高發光功率密度。同時，VCSEL 陣列器件的連接方式也在不斷優化，串聯多個管芯相比單個並聯的 VCSEL 陣列，在低占空比脈衝電流源下工作時，能大大提高輸出光功率，更適用於雷射雷達和短程近紅外照明等應用。但串聯配置也存在成本增加和封裝問題，為此有企業提出新的 VCSEL 陣列結構，通過設置電極結構和絕緣結構，實現在同一襯底上多個 VCSEL 串聯，提高了可靠性。

  (三)VCSEL 與微光學器件集成雷射器技術發展

  在智慧設備中，如智慧型手機對平頂紅外照明投影模塊需求巨大，VCSEL 作為該模塊的核心器件，其光束質量直接影響應用系統性能。傳統依靠外部光學元件實現光束性能的方案，存在難以小型化、可靠性差、成本高的問題。現在通常採用在 VCSEL 上集成光學元件，如透鏡、光柵、光子晶體等，來提高光束質量，實現器件小型化、晶片化，降低能耗和成本。這種集成器件在手機感測、車用感測、醫療雷射、光纖通信等多個領域都有廣泛的應用前景。

  (四)VCSEL 晶片結構優化雷射器技術升級

  VCSEL 的製備需要多種微納加工技術，為提高器件可靠性和良率，通常通過優化製備工藝和電極設計來改善陣列產品性能、降低成本。有企業提出的垂直腔面發射雷射器，通過增加周期性分布反饋結構數量、設置多個氧化層等方式，提高了輸出功率，穩定了波長，減小了光譜線寬，解決了現有技術中的一些難題。

  (五)VCSEL 熱管理雷射器技術改進

  隨著 VCSEL 高功率雷射輸出和集成小型化需求的增加，熱管理變得至關重要。多結 VCSEL 和高密度集成的 VCSEL 陣列在工作時會產生大量熱量，影響器件性能，如導致閾值電流升高、波長紅移、輸出光功率下降和轉換效率降低等。因此，需要設計新型封裝集成方式和散熱結構來改善散熱性能。有企業提出的 VCSEL 陣列，通過鍍覆沉積厚金屬形成熱沉，相比傳統散熱方案，能更有效地移除熱量，降低寄生電容，提高頻率響應。

  三、雷射器之 VCSEL 技術發展面臨的挑戰

  儘管 VCSEL 技術發展迅速，但仍面臨諸多挑戰。多結 VCSEL 技術和 VCSEL 陣列技術雖然能提高輸出功率密度，但製造需要高精度工藝和設備，增加了成本和難度，且散熱問題突出，波長穩定性也需要精確控制和補償。VCSEL 與微光學器件的集成技術雖然有小型化、晶片化優勢，但受光學性能限制，同時要考慮熱量對光學器件的影響，增加了成本和製造難度。VCSEL 晶片結構優化技術提高了器件穩定性和可靠性，但增加了工藝步驟和晶片結構複雜性，提高了成本。VCSEL 熱管理技術是保障器件工作可靠性和壽命的關鍵，但隨著對更高輸出功率的需求，散熱設計面臨更大挑戰。

  綜上所述，垂直腔面發射雷射器憑藉其獨特優勢，在眾多領域得到廣泛應用，市場前景廣闊。2025年，隨著技術的不斷進步，VCSEL 有望在提高性能、降低成本等方面取得突破。儘管目前面臨一些挑戰，但研究人員和工程師正努力改進位造工藝、優化結構設計，以推動 VCSEL 技術的進一步發展和應用，使其在雷射器產業中占據更重要的地位，為相關行業發展提供有力支撐。

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