“十四五”光电子元器件行业市场供需规模结构分析预测及投资战略规划可行性研究

1、激光技术基本概述：激光技术起源于20世纪60年代初期，与原子能、半导体、计算机并称20世纪的四项重大发明。激光因其方向性好、亮度高、单色性好等特点，在激光雷达、工业激光、光通讯、生物医疗、消费电子、半导体设备、科研、国防和航空航天等领域得到了广泛的应用。激光技术在工业领域的应用和突破，实现了对传统加工工艺的替代升级，成为现代高端制造业的基础性技术，带领制造业进入“光加工”时代。

智能化自动驾驶汽车是人工智能技术落地的最大应用场景之一，智能化汽车可能成为未来万物互联的终端，成为深刻改变社会形态的产品，而激光雷达对于汽车的智能化起到至关重要的作用。信息产业是国民经济的基础性、战略性产业，也是当前和今后国际产业技术竞争的制高点，激光技术在信息领域的应用和突破，对信息产业的升级产生深远影响和巨大变革，推动着信息产业的不断发展。此外，激光技术在生物医疗领域的应用和突破，也促进了相关产业的蓬勃发展。

中金企信国际咨询公布的《光电子元器件行业市场研究及投资战略预测报告（2023版）》

2、激光雷达结构分析：激光雷达即激光探测及测距系统，是通过发射激光束来探测目标位置、速度等特征量的雷达系统。按扫描维度，激光雷达可分为一维激光雷达、二维激光雷达和三维激光雷达。一维激光雷达通常应用于地理测绘、环境监测等领域；二维/三维激光雷达则应用于近年来兴起的手机面部扫描、自动驾驶/辅助驾驶等领域。按测距方法，激光雷达可分为ToF测距法1、FMCW测距法2和三角测距法3，其中ToF测距法与FMCW测距法能够实现室外阳光下较远的测程，是车载激光雷达的优选方案。按扫描方式，激光雷达可分为整体旋转的机械式激光雷达、收发模块静止的半固态激光雷达以及固态式激光雷达。按激光光源，激光雷达主要包括905nm激光雷达和1.5µm激光雷达。

从激光雷达的基本结构来看，激光雷达主要由光源系统、扫描系统、接收系统和数据处理系统四大部分构成。

（1）光源系统：光源系统的作用是产生激光雷达所需的探测用激光。光源系统的核心部件包括激光器和发射透镜组。激光器关键指标在于波长，通常会考量四个因素：人眼安全、与大气相互作用、可选用的激光器以及可选用的光电探测器。目前业内主流采用905nm波长的半导体激光光源和1.5µm波长的光纤激光光源，905nm波长适用的光电探测器比1.5µm波长的更便宜，但1.5µm波长对人眼更安全，在大气中损耗更小。由于各种激光器发射的激光束并不是绝对平行的，因此还需要一套发射透镜组，其作用是改变激光器发射的激光束的发散角和光斑大小，使激光束与扫描系统适配并实现远距离探测的目标。发射透镜组一般由扩束透镜和准直透镜组成。

（2）扫描系统：扫描系统的作用是把光源系统产生的激光束进行逐点扫描，让激光束在不同时刻打在目标探测物的不同位置上。激光雷达的扫描技术根据有无机械转动部件可分为机械式扫描、半固态扫描和固态扫描三种。第一种是使用机械式扫描，扫描系统以一定速度旋转，在水平方向采用机械360度旋转扫描，在垂直方向采用定向分布式扫描，这种方法通常使用旋转多面镜来控制光束，其扫描速度快，抗光干扰能力强，但成本高、尺寸大、机械结构易损坏、扫描频率长。第二种是半固态扫描技术，具体可再细分为转镜式及MEMS（微机电系统）两种方案。转镜式方案包括一维转镜方案及二维转镜方案，其中一维转镜方案虽克服了部分由于收发模块旋转对产品性能带来的负面影响，但在成本控制方面存在一定劣势；而二维转镜方案可以用相同数量的收发通道实现更高的等效线数，但由于二维转镜扫描系统的集成度较低，仍需进一步改进其光学系统控制机制及提高转轴精度。

MEMS（微机电系统）方案是把扫描系统的机械和光学部件集成到单个芯片上，利用半导体工艺生产，不需要机械式旋转电机，而是以电的方式来控制光束，微镜振动幅度很小，频率高，成本低，尺寸小，但MEMS微镜的几何尺寸限制了其振荡幅度，其视野有限，无法实现360度。第三种是固态扫描技术，具体包括Flash方案和OPA（光学相控阵）方案，其中Flash方案在短时间直接发射出一大片覆盖探测区域的激光，再以高度灵敏的接收器完成对环境周围图像的绘制，具备体积小、结构简单、易过车规等优点，但同时也存在探测距离较短等劣势；OPA（光学相控阵）技术，它由元件阵列组成，通过控制每个元件发射光的相位和振幅来控制光束的方向，无需任何机械部件，其扫描速度快，精度高，可控制性好是它的优点，但OPA芯片纳米加工难度非常高，光信号覆盖范围有限，易受环境光干扰。

（3）接收系统：接收系统的作用是接收不同时刻目标探测物不同位置反射回来的激光，并将其转换成电信号，然后输送到数据处理系统。目前有两种探测技术，一是直接探测法，也称为能量探测法，利用光电探测器的光电转换功能直接实现对光信号的信息解调。其优点是系统简单，缺点是精度低，对噪声敏感。另外一种方法是相干探测法，也称为外差探测法，即多了一路激光输出，需要对信号进行混频分析，其优点是灵敏度和精度高，缺点是系统比较复杂。接收系统主要包括滤光片、镜头、光电探测器等器件。光电探测器是核心器件，能把光能转换成一种便于测量（电压或电流）物理量的半导体器件，主要有频带宽、灵敏度高、线性输出范围宽、噪声低等要求。镜头的大小影响探测的灵敏程度，滤光片的性能影响探测的噪声大小。

（4）数据处理系统：数据处理系统的作用是对信号进行处理，计算，完成三维图像重构，获得目标探测物的距离、空间角度和速度等信息，数据处理系统目前主要采用大规模集成电路和计算机进行处理，可利用FPGA技术、高速DSP等完成。

3、光纤激光器结构分析：光纤激光器是指用掺稀土元素的光纤作为增益介质的激光器，具有光束质量好、集约化程度高、电光转换效率高、免调节、稳定性和可靠性高等优点。按谐振腔结构，光纤激光器分为F-P腔和环形腔等。按光纤结构，光纤激光器分为单包层光纤激光器和双包层光纤激光器等。按输出激光特性，光纤激光器分为连续光纤激光器和脉冲光纤激光器，其中脉冲光纤激光器根据其脉冲形成原理又可分为调Q脉冲光纤激光器、MOPA光纤激光器和锁模超短脉冲光纤激光器。典型的调Q脉冲光纤激光器主要由泵浦源、合束器、光纤光栅、声光Q开关、有源光纤、隔离器等部件构成。

（1）泵浦源：光纤激光器通常用半导体激光器作为泵浦源，对有源光纤进行泵浦，将有源光纤中处于基态能级的粒子（稀土离子）抽运到激态能级，从而实现有源光纤中的粒子数反转（激态能级粒子数大于基态能级粒子数），形成激光振荡或激光放大。泵浦源是光纤激光器的核心部件之一。泵浦源中的主要元器件有半导体激光芯片，以及快轴准直镜、慢轴准直镜、偏振分束/合束器、反射镜、聚焦透镜、滤光片、光纤头等光学元器件。光学元器件的损伤阈值、同轴精度、镀膜参数、表面质量等光学性能参数直接影响泵浦光的输出性能，其中快轴准直镜是一种非球柱面微透镜，技术难度大，全球范围内仅少数几家公司掌握快轴准直镜的加工技术。

（2）光纤：光纤分为有源光纤和无源光纤。有源光纤是一种在光纤中掺入稀土离子的特种光纤，是光纤激光器的核心部件之一，作为增益介质，其作用是实现泵浦光到信号光的能量转换及在谐振腔内将信号光能量放大。无源光纤是一种不掺杂稀土离子的普通光纤，其作用是限制激光在光纤内部传输，并连接各个激光元器件。

（3）光纤光栅：光纤光栅是一种通过相位掩膜法、驻波法或逐点写入法等方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的布拉格光栅，可以简单理解为存在于光纤中的反射镜。两个光纤光栅构成了光纤激光器的谐振腔，其作用是筛选一定方向和特定波长的光子并进行放大。光纤光栅的参数决定了光纤激光器的输出波长、带宽。

（4）合束器：合束器是利用光纤熔融拉锥技术，将多束光纤合成为一根光纤所形成的器件，它可以将多束较低功率的泵浦激光合成为一束更高功率的泵浦激光并耦合到有源光纤中。合束器是实现高功率单模块光纤激光输出的关键器件。

（5）声光Q开关：声光Q开关是一种通过超声波来控制激光强度变化的声光器件，作为一种受控的可变损耗插入到光纤激光器腔内，起到Q开关的作用。通过调Q技术，光纤激光器能够输出高峰值功率的脉冲激光。

（6）隔离器：隔离器是一种只允许单向光通过的光无源器件，其工作原理是利用磁光晶体法拉第旋转效应的非互易性，使后向传输光能够被隔离。隔离器的主要作用是降低后向传输光对光源和光路系统产生的影响，从而维持光源和光路系统的稳定性以及延长光纤激光器的使用寿命。

4、产业未来发展趋势分析：

（1）光电子元器件将向集成化、多功能化、智能化的方向进一步发展：智能汽车、无人机、智能手机、安防摄像机等市场需求的高速成长带动了光电子元器件产业的结构调整。各类终端产品向更加智能、更多功能、更加轻薄的方向发展，对各类光电子元器件提出了集成度更高、功能更全面、智能程度更高的要求。

把光器件和电子器件集成在同一基片上的集成电路称之为光电子集成电路。光电子集成电路技术不仅具备控制不同元件间的电子流动的能力，而且具备控制光子流动的能力。光器件有激光器、发光二极管、光调制器、光放大器，光开关、光耦合器、光波导、光分/合束器及各类列阵等；电器件有与光器件相搭配的驱动电路、控制电路、放大电路和其它电路等。通过不同光电器件之间的组合，再结合人工智能技术，实现不同功能的智能化光电子集成电路器件，以满足不同应用的需求。未来，光电子元器件将向集成化、多功能化、智能化的方向进一步发展。

（2）激光元器件将向更高的抗激光损伤阈值进一步发展：通过激光技术实现更高的功率和光束质量，是激光领域最为活跃的研究方向之一，其技术演进涉及薄膜、光学加工、胶合、器件设计和检测等光电子多方面的技术环节。在强激光系统中，光电子元器件的光学薄膜具有重要作用。光学薄膜即使出现十分微小的瑕疵，也会导致输出光束质量的下降，甚至引发激光系统的瘫痪。激光光学薄膜的抗损伤阈值是整个激光系统向高能量、高功率方向发展的关键瓶颈，也是影响激光系统使用寿命的决定性因素之一，是当今高功率激光技术的研究热点之一。高功率激光光学薄膜的制备是一个工艺环节冗长、复杂的系统工程，包括薄膜设计理论、高纯原材料控制、光电子元器件表面超精密加工、膜厚控制、检测技术等内容，涉及多学科交叉。未来，光电子元器件将向更高的抗激光损伤阈值进一步发展，从而为生产更高功率的激光器提供重要支撑。

（3）光电子元器件是国家战略实施的重要保障，未来仍是行业国产化的主战场：光电子元器件因其处于科技创新的前沿阵地，应用十分广泛，是许多国家重大战略项目实施的关键所在。

在自动驾驶领域，中国车联网发展速度最快，战略化程度最高。2020年2月，发改委、工信部等11个部委联合印发《智能汽车创新发展战略》，提出到2025年，中国标准智能汽车的技术创新、产业生态、基础设施、法规标准、产品监管和网络安全体系基本形成；展望2035到2050年，中国标准智能汽车体系全面建成、更加完善。2021年12月，中央网络安全和信息化委员会印发《“十四五”国家信息化规划》，提出开展车联网应用创新示范，遴选打造国家级车联网先导区，加快智能网联汽车道路基础设施建设、5G-V2X4车联网示范网络建设，提升车载智能设备、路侧通信设备、道路基础设施和智能管控设施的“人、车、路、云、网”协同能力，实现L35级以上高级自动驾驶应用。未来自动驾驶对激光雷达及相关光电子元器件的国产化需求将呈现稳定增长态势。

在工业激光领域，高端激光装备面向航空航天、高端装备制造、电子、新能源、新材料、医疗仪器等国家重大需求。光电子元器件是高性能激光器的基础，其应用了增透膜、反射膜、滤光膜、分光膜等光学薄膜技术，同时隔离器、合束器、声光调制器等器件也是高性能激光器的重要组成部分。因此高端光电子元器件是支撑高性能激光器制造技术发展的关键环节之一。

在光通讯领域，光通讯网络系统已经成为国家战略新兴产业和新一代信息技术的关键基础设施。围绕光波处理和传输的各类光电子元器件构成了光通讯系统的技术基础。具体而言，光有源器件实现了光通讯系统中光信号与电信号之间的转换，被称为光传输系统的心脏；光无源器件实现了光路的连接、分路、交换、隔离、合路、控制等，可改变光信号的传播特性。国内企业在无源器件和中低端有源器件的市场份额较高，但是对于光芯片、高端有源器件仍有较大的提升空间。

在生物医疗领域，光电子元器件的应用逐步扩大，光电子元器件是许多高端生物医疗器械的核心组成部分，例如光学检测因无创性和精准性等特点，已经成为医学诊断领域定性和定量判断的最重要的技术之一，光电子元器件对于高端医疗设备的小型化和耐高温性能等至关重要。2021年国务院印发的《关于推动公立医院高质量发展意见》，提出推动云计算、大数据、物联网、第五代移动通信（5G）、“互联网+”等新一代信息技术与医疗服务深度融合，推动手术机器人等智能医疗设备和智能辅助诊疗系统的研发和应用。因此，高端光电子元器件的国产化也成为了我国推进高端医疗器械国产化的重要保障。

未来，随着激光雷达、工业激光、生物医疗、光通讯等领域国产化进程的进一步推进，我国光电子元器件行业将迎来战略机遇期，对高端、关键光电子元器件技术的突破和国产化将是我国产业发展的重点。

（4）激光微光学技术正有力助推激光产业发展：激光技术的应用和推广不仅仅依赖于各类产生激光的激光器，同时也需要配套光学元器件对产生的激光进行调控，以达到对激光的精确和高效应用。利用微光学透镜对激光进行整形，通过调节光斑参数，能实现对激光源产生的光束进行精密控制，从而在合适的时间把光束传输到合适的位置以实现对光子的高效利用，满足特定应用对激光光斑形状、功率密度和光强分布的要求，开拓各类应用场景。光学整形后的光斑在众多应用中表现出独特的优势，如线光斑、面光斑在应用于激光焊接、剥离和退火等领域时可大幅提升加工效率；在应用于激光雷达时可以减少机械运动部件的使用，从而大幅提高系统可靠性和车规级稳定性。激光光学元器件有力助推激光产业发展，和半导体、消费电子等产业进一步融合，拥有广阔的市场体量。

（5）激光雷达将向更广阔的应用领域发展：随着技术的不断迭代以及成本的不断下降，基于激光与光学技术的激光雷达应用空间正在不断拓展。激光雷达最早被用于测距上。1969年7月美国第一次登月，人类首次利用激光测距测得了精确的地月距离。不过激光并没有停留在测距这一单一的用途上，密集的激光束可以将被测物体的每一个细节都精确的建模还原，很快便被应用在了测绘、文物保护、3D建模等领域。将高精度的激光雷达安置在汽车、飞机甚至卫星上可以对大范围的地形地貌进行精确的还原，并且激光可以穿过狭窄的缝隙，因此在植被覆盖的地表也能够探测到植被下方的详细地貌，激光雷达被广泛用于测绘领域。

随着人工智能技术的不断发展，自动驾驶概念也在飞速进步。随着无人驾驶汽车配备激光雷达的前景被看好，越来越多的企业开始了车载激光雷达的研发，涌现出了Velodyne、Luminar、Ouster、速腾聚创、图达通、法雷奥、禾赛科技、大疆览沃等一众激光雷达企业，激光雷达的成本也开始大幅度降低。目前，搭载激光雷达的汽车已经逐渐实现量产。

激光雷达对于不同反射率的物体有不同的感知，而道路车道线、交通标识等多采用高反光率的涂层，因此通过激光雷达识别车道线等也是一种极佳的技术路线。在V2X技术中，路侧感知设备也在积极探索对激光雷达的运用。凭借高精度的感知能力，固定在路侧的激光雷达可以更准确地捕捉到车辆视觉盲区的行人等潜在障碍，通过V2X技术将视野盲区的潜在风险“告知”车辆，可以有效地避免有遮挡交叉路口侧翻车辆等难以主动避免的安全隐患。路侧的激光雷达等V2X硬件还可以在安防、智慧城市等更多领域发挥作用。

随着激光雷达在自动（辅助）驾驶汽车上越来越多的被搭载，激光雷达也从测绘这样的小众市场进入了大众消费市场，产业链逐步成熟，开始出现在了更多的领域。而激光雷达也不止在交通领域发力，在消费电子、VR游戏、机器人、物流车、室内建模等更多的领域有着很大的潜力，未来将有望出现在我们生活的更多场景中。

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