在現行終端手機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勢，預期將逐漸成為3D感測模組的使用光線，並帶動整體紅外線元件市場持續成長。

紅外線元件類型與現行測距原理

1. 紅外線元件市場規模

現行紅外線元件如LED、雷射等，可應用於日常生活中的照明系統和導航裝置等，使用領域十分廣泛，同時亦能使用在終端手機3D感測模組中，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感測模組，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個以上相機模組及紅外線發射零元件，再通過軟體類比計算後，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，除了傳統紅外線照明系統以外，還有紅外線雷射系統(VCSEL與車用LiDAR)。傳統紅外線照明系統由於使用LED元件，其發光能量較弱、光束角度偏大，使得整體功能性較為不足，大多只能應用於2D臉部辨識和一般安全監控等。

在紅外線雷射部分，由於光源能量較大和角度集中等特色，目前已大範圍應用於3D感測技術和車用測距中。

針對全球紅外線元件市場發展情形，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暢旺。

預估2019年整體市場規模預估可突破16.4億美元，且隨著手機3D感測元件應用逐漸發酵，2020年整體規模將逐步成長至約22億美元。

2. 現行主要測距原理

在3D感測技術應用方面，現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於人眼視差，通過2個(或以上)相機模組同時拍攝，經計算後得到物體距離。結構光主要為主動式深度感測技術，其結構通過IR(紅外線)發射器、IR及RGB相機模組等元件組成，利用IR陣列光斑投射後再經計算，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發射器、IR接收器、RGB相機模組與感光元件等，通過IR發射器將紅外線投射後，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，區分為紅外線照明與雷射應用等兩類，但若以不同產品的發光原理進一步分類，則可分成LED、EEL(邊射型雷射)與VCSEL等3種不同類型產品，由於其運用不同的光源特性、電流及頻率表現，所以各有相對應的終端應用市場。

LED元件由於發光原理較單純，只需提供較高操作電流即可驅動發光，但因發出來的光線仍屬發散光源，一般而言只能提供普通照明，或進一步使用於2D感測系統中。

EEL與VCSEL由於生成的光線屬於雷射光，兩者發光原理相較LED生成光線的情形稍有不同，還需利用材料結構設計，經多次反射後才能得到雷射光。

至於EEL與VCSEL差異，在於EEL本身元件結構設計上的因素，其發光的光束角度與形狀皆較VCSEL元件大且橢圓，因此現階段只適合提供一般雷射筆等光源；而VCSEL元件的發光角度與形狀較集中，適合發展3D感測技術產品，進一步應用於手機人臉辨識和車用光達測距系統中。

現階段GaAs的VCSEL元件供應鏈與廠商動態

1. VCSEL元件應用與供應鏈現況

現行VCSEL元件因光束角度及形狀優勢，且有較低的起始電流與較高頻寬等特性，非常適合應用於3D感測技術中。從2018年Apple發佈iPhone X系列開始，3D感測技術的話題性持續不斷，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，取代原先較發散的LED光源。

此外，由於5G議題發酵，光通訊領域零元件相關需求，例如光纖的資料傳輸容量、頻寬及距離等，也將是後續發展重點；而VCSEL元件試圖取代傳統LED光源，提供波長850nm、頻寬5～200Gbps範圍的光纖應用模組，藉此增進整體5G傳輸性。

依照不同主要生產領域，VCSEL元件供應鏈可區分為五大應用別：GaAs基板商、GaAs磊晶廠、IDM廠、製造代工廠及封測代工廠。

針對材料結構層面，由於VCSEL元件結構相當複雜，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，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複雜的材料結構，才算完成初步作業。

隨後再將完成的晶圓送到IDM廠進行加工，或轉交委外代工模式，發包給製造和封測代工廠，進行後續製造、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大廠的整併動態

針對VCSEL元件為發展目標的IDM大廠，近年紛紛轉由通過並購相關製造代工廠商或其他IDM廠方式，藉此擴大市占率。如同II-VI於2016年1月開始相繼並購Epiworks、Anadigics及Kaiam等廠商，並于2019年9月成功完成對Apple手機Face ID模組供應商Finisar的並購案；另一家IDM大廠Lumentum也於2018年3月完成對Oclaro並購。

此外，AMS於2017年2月與3月成功收購Heptagon及Princeton Optronics等企業，但2019年10月初對Osram的並購案卻宣告失敗，雖然現階段該並購案仍未成功，但後續AMS尚有機會再次爭取並購契機。

整體而言，VCSEL元件等IDM大廠通過整併發展模式，雖有少數並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製造代工廠商或IDM廠。

因此若依照初期VCSEL元件製造的發展模式，雖處於群雄割據的混亂情勢，但隨著幾家IDM大廠(如II-VI、Lumentum及AMS等)陸續藉由收購其他相關企業後，目前市場發展已逐漸形成大者恒大局面。這將有助於VCSEL元件在整體發展及規格制定上更加完備，提高後續終端產品應用的市場滲透率。

進一步觀察VCSEL元件等IDM大廠的整併動態，可以發現原先專注於生產LED的元件商如Osram及晶元光電等，陸續於2018年3月通過並購(如Osram並購Vixar)或對外宣告分拆製造代工廠方式(晶元光電分拆之晶成半導體)，投身于開發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，主要也是大環境不佳所致。若由產品發展模式來看，LED相關行業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雷射發光元件市場，即為一個不錯的發展切入機會。

雖然VCSEL雷射元件的發光原理與LED元件大致相同，但其材料結構仍較LED元件複雜許多，而憑藉Osram與晶元光電(後已分拆為製造代工廠－晶成半導體)長期針對LED元件投入的技術研發及磊晶能力，對於轉入生產相關雷射元件似乎困難不大。

對於這些製造LED元件的IDM大廠而言，逐漸轉向開發VCSEL元件應用的生產模式，將有助提高企業獲利性。

未來VCSEL發展趨勢與應用領域

由於紅外線元件應用市場逐步增長，帶動現階段終端手機3D感測技術、車用光達與光纖傳輸的蓬勃發展。

未來對VCSEL元件應用發想，可能逐漸朝向光源照明的安防監視器應用、光感測市場的手機指紋辨識模組，以及穿戴裝置應用等領域為開發目標。

基於本身物理特性，考量VCSEL元件發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准接收到投射光源，所以針對接收干擾性，VCSEL元件的材料結構必須做出調整，後續將可通過成長其他不同的材料磊晶層，例如InGaAs、AlGaAs等作為發光反應層(Active Layer)，

借此延伸開發出不同波長(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：拓墣產業研究院