光学深度研究报告：中国激光破局者
1领先的半导体激光芯片生产商，股东背景深厚
苏州长光华芯光电技术有限公司是全球少数几家自主研发并具备量产高功率半导体激光芯片能力的公司。公司已建成芯片设计、MOCVD、光刻、解理/镀膜、封装测试、光纤耦合、直接半导体激光系统等完整的工艺平台和量产线。公司拥有完整的质量管理体系，通过了ISO9001质量体系，以高性能和高可靠性产品服务客户。
长光华芯共有五大类产品，应用于六大领域。公司目前共有激光芯片、器件、光纤耦合模块、阵列、直接半导体激光系统五大类产品，其中激光芯片是另外四类产品的核心基础。公司产品应用于六大领域：工业泵浦、激光通信、激光装备、3D传感、生物医学、科研。
2011年长光华芯生产出第一片MOCVD外延片，次年公司正式成立。2013年公司实现了高能激光芯片、模块、阵列、系统等产品的全面量产，2014年获“高新技术企业”认定。公司于2016年获批建立博士后工作站，之后开始逐步从科研市场转向工业市场。2018年公司与苏州高新区共建激光创新研究院，同年成功融资1.5亿元，入库苏州独角兽培育企业。
公司在发展过程中得到政府的大力支持。2018年3月，苏州市高新区政府与长光华芯签署协议，宣布双方在苏州高新区共建半导体激光创新研究院，总投资5亿元，建设国内一流的半导体激光芯片研发平台，为长光华芯提供了有力的支持。目前研究院设计工作已基本完成，即将开始进入基建阶段，预计2019年年底可以投入使用。
公司的主要股东之一长春光机所是国内权威的半导体激光科研机构；除了在资金方面支持公司外，长春光机所还在技术研发以及战略资源平台等方面支持公司发展。长春光机所是新中国在光学领域建立的第一个研究所，曾创造了“研制成功中国第一台红宝石激光器”等十几个“中国第一”，先后参加了“两弹一星”、“载人航天工程”等多项国家重大工程项目，有23位在该所工作过的优秀科学家当选为两院院士。
自2012年以来，长光华芯先后进行了3轮融资。基于团队、技术和产线三个方面的优势，长光华芯于2018年7月顺利完成1.5亿元B轮融资，投资方为国投创业、中科院创投、苏州橙芯创投。中科院创投是面向中科院全国100多个研究所及3所知名高校的科技成果转化股权投资平台，国投创业是国投集团以市场化方式独立运营的基金管理公司。本轮融资主要用于帮助公司提升高功率半导体激光芯片和模块产能（预计提升5-10倍）、开展VCSEL激光雷达芯片研发及量产以及直接半导体激光器量产及应用。
2以光纤激光器为代表的固态激光器国产替代为大势所趋，拉动半导体激光芯片需求快速增长
激光器是利用受激辐射方法产生可见光或不可见光的一种器件，其主要由泵浦源、增益介质（工作物质）和谐振腔三部分组成。泵浦源为增益介质提供能量激励；增益介质受激后产生光子从而生成并放大激光；谐振腔是光子特性（频率、相位和运行方向）的调节场所，通过控制腔内光子振荡来获得高质量的输出光源。
激光器是生成激光的器件，居于整个激光产业链的核心中枢位置，占终端设备成品成本的30%-50%。激光器构造复杂，技术壁垒较高，是大量光学材料和元器件组成的综合系统。作为终端设备的核心光学系统，激光器的性能往往直接决定激光设备输出光束的质量和功率，是下游激光设备最核心的光学部件。
根据增益介质的不同，激光器可以分为固态（固体、半导体、光纤）、液体、气体和自由电子激光器。固态类激光器稳定性好、功率高、后期维护成本较低，下游应用场景广泛。液体激光器激光波长可调范围大，但功率上限和维护成本限制了其规模化产销；气体（以CO2为主）激光器激光光学性质优异，但气体密度有限决定了其很难实现超高功率输出，下游应用空间难以持续扩展；自由电子激光器激光性能最优，但是制造工艺和成本造价高，短期难以产业化。
目前在全球范围内，固态激光器的应用占绝对优势；以工业应用领域为例，2017年固态激光器的市场销售占比超过85%。激光器固态化的趋势明显，预计2018年固态激光器在工业应用市场份额将达到近90%，相较于2016年提升约7个百分点。主要原因是固态激光器均采用半导体激光器作为其核心器件，使得固态激光器相比其他激光器有明显的优势：电光转换效率高、体积小、寿命长、可靠性高、波长可选范围大等。
以掺杂光纤为增益介质的光纤激光器，近年来凭借优异的综合性能受到众多下游客户的青睐。光纤激光器具备光束质量好、输出功率高、散热性好、稳定性优异、重量体积小、结构简单易于工业化生产等诸多优势，在大多数激光应用领域都是现行的最优选择。光纤激光器已成为金属切割、焊接和标记等传统工业制造领域的主流光源，并广泛应用于医疗美容、航空航天和军事应用等领域。
凭借出色的综合性能，光纤激光器迅速在工业应用领域得到了放量。2014年，光纤激光器超越CO2激光器成为份额最大的激光光源，在全球工业激光器市场中的占比由2013年的33.82%上升至2017年的47.26%，占据了工业激光器市场半壁江山。全球光纤激光器市场从2013年的8.41亿美元增长至2017年的20.39亿美元，年均复合增长率达24.78%。
国产高功率光纤激光器市占率低，国产替代为大势所趋。从国内光纤激光器市场整体来看，2017年国外企业市场份额为六成左右，而国内企业市场份额仅占四成。按产品功率具体来看，国内中低功率的光纤激光器技术相对成熟：低功率光纤激光器（<100W）市场基本被国内厂家占据，2017年国内企业市占率超过95%；中功率光纤激光器（100W-1500W）国内企业市占率为60%。而高功率光纤激光器（>1500W）难以兼顾元器件稳定性和光束质量，存在较高的技术壁垒，目前国产高功率光纤激光器市占率只有10%左右。在中美贸易战的大背景下，中兴事件的发生折射了国家“缺芯之痛”，核心器件及技术的国产化成为国家和企业的迫切需求。
光纤激光器的核心器件性能和光纤合束技术显著影响其输出功率。核心器件包括泵浦源、增益光纤、光纤光栅等，光纤合束技术则有助于在其基础上进一步提高激光器功率，因此高性能的核心器件是提高光纤激光器功率的关键所在。
泵浦源是激光器的核心器件之一，占光纤激光器成本比例高达50%。高功率光纤激光器需要高功率泵浦源的支撑，而半导体激光器具有体积小、重量轻、电光转换效率高、性能稳定、可靠性高和寿命长等优点，因此半导体激光器（LD泵浦源）是光纤激光器的主流泵浦源。
激光芯片是半导体泵浦源的核心部件，其功率高低和性能稳定性直接影响输出激光性能。但激光芯片是国内激光产业链十分薄弱的环节，长期以来我国高功率激光芯片几乎全部依赖进口，进口价格相对较高并且存在技术封锁，国内激光器厂商开始偏好于采购国产激光芯片。随着市场对高功率光纤激光器需求的提升，激光芯片的国产替代为大势所趋。
国内多数LD泵浦源企业只具备芯片封装技术，而长光华芯等具备激光芯片设计制造能力的企业盈利能力更值得期待。美国Lumentum、德国欧司朗和长光华芯等公司具备高功率激光芯片制造能力且可以外销，而美国IPG，德国通快可以制造该类芯片但不对外销售。国内厂商大多都是外采芯片做封装，实际上不具备自产芯片的能力，而长光华芯等国内极少数可以自主设计制造高功率激光芯片的厂商将迎来难得机遇。
受光纤激光器市场的拉动，全球半导体激光器市场规模由2014年的42.12亿美元增长到2017年的54.69亿美元，年复合增长率为9.10%。中国半导体激光器市场总收入持续增长，其中2017年达到21.9亿美元（工业用16亿美元），较2016年增长15.5%，预计未来将持续增长。
固体激光器主要应用于精密加工及脆性材料加工等场景。固体激光器拥有脉宽窄（可到超快）、多波长（可到超短）、单脉冲能量大，从而峰值功率高及材料吸收好等特点，可实现冷加工，因此能做到一般CO2激光器和光纤激光器无法做到的精细微加工和特殊材料加工。随着近几年整个工业激光器市场的高速发展，固体激光器在工业应用领域呈增长态势，2017年固体激光器占全球工业激光器市场份额的18%。皮秒飞秒等超快固体激光器预计将在医学、超精细微加工领域大放异彩，市场前景良好。
固体激光器同样主要采用半导体激光器作为泵浦源，而目前固体激光器泵浦源基本以国外进口为主。公司已经量产并对外供货，预期固体激光器亦将推动半导体激光器的发展，市场机会不容忽视。
3优秀团队长期专注研发，掌握核心技术，以高性能产品赢得优质客户
长光华芯团队深耕半导体激光芯片领域多年，公司高管人员均在激光行业有多年的技术研发或运营管理经验。董事长闵大勇为华工科技前总裁，曾担任武汉华工激光董事长、总经理，武汉华日精密董事长，武汉锐科光纤激光总经理、监事，拥有丰富的行业经验和深厚的资源积累。
长光华芯拥有一批高层次的人才队伍，包括多名国家“千人计划”专家和海外归国博士、行业资深管理和技术专家以及3位院士组成的顾问团队等。公司研发技术队伍中硕士博士学历占比超过50％。团队多次获得国家、省市区重大创新团队和领军人才殊荣，承担国家“863”、“973”、“国家重点研发计划”等多项国家级项目。
公司依托中科院长春光机所、中科院苏州医工所和苏州半导体激光创新研究院，已掌握外延/器件结构设计、MOCVD（外延生长）、晶圆工艺、腔面处理/镀膜、芯片焊接封装/键合、光纤耦合等多种技术，积累了丰富的研发和生产经验。
工业高功率光纤激光器和飞秒光纤激光器主要用波长为915nm或976nm的半导体激光器做泵浦源，其中976nm泵源效果更佳。增益光纤对976nm的吸收峰较高，因此同样长度的增益光纤976nm泵源的吸收率更高（制造成本更低），非线性效应也会降低（长期稳定性更好）。但976nm激光的吸收峰较窄，早期由于难以适应工业生产中对泵源温度的要求而多用于科研领域；如今随着配套制冷系统的完善，这一问题已逐渐被解决。
依托稳定可靠的单管芯片平台和领先的工艺，长光华芯研制出了高亮度976nm光纤耦合半导体激光器，并获得2018年OF week中国激光行业年度评选的最佳激光器创新奖。自2016年开始，公司就调整了976nm产品的战略方向，使其从科研领域逐步走向工业市场，更大程度地发挥976nm激光器泵浦源的优势。
此外，公司提供可作为固体纳秒/皮秒激光器泵浦源的808nm/880nm光纤耦合模块，依托自主研发并实现量产的单管芯片，该产品输出光斑能量为平顶分布，光纤芯径200μm-600μm可选，其中880nm模块可实现全电流±0.5nm波长锁定，使得产品在不同的功率和工作电流下都能保持良好的输出波长稳定性，在市场上具备竞争优势。
公司已实现高功率、高亮度、长寿命的半导体激光器的量产。高功率高亮度是半导体激光器发展的主要方向，但是更高功率的半导体激光器容易造成COMD（灾变性光学腔面损伤），所以对腔面有着更苛刻的需求。公司拥有特殊的腔面膜技术，因此生产的半导体激光器部分指标达到甚至超过了国际水平。公司多年来持续不断的研发投入，使其产品一直保持着强大的竞争力。
凭借先进的激光芯片制造工艺，公司生产出性能优良的产品，从而赢得客户的认可。光纤激光器方面，公司是锐科激光的主要芯片供应商之一，其他主流厂商和用户也导入了芯片验证和使用。2018上半年，锐科激光从长光华芯采购的激光芯片金额合计2327万元（同比增长178%），减少了对II-VI等海外厂商的采购比例，为锐科降低了约1000万元的采购成本。固体激光器方面，在国外泵浦源厂商价格高企且售后服务不及预期的情况下，长光华芯凭借优异的产品质量和有竞争力的产品价格，吸引了华日激光、贝林激光、英谷激光、卓镭激光、长春新产业等客户。
同时，在高能激光武器的应用方面，公司为高功率光纤激光器和高功率全固态激光器提供泵浦源，广泛服务于多家国家骨干参与单位。
4公司布局前瞻应用领域，消费类VCSEL和直接半导体激光器市场蓄势待发
iPhoneX使得3D人脸识别功能逐渐成为高端智能手机的标配，而VCSEL激光芯片是3D传感技术的关键部件。2017年9月iPhoneX的发布引领了3D传感的潮流，此后一年内华为、OPPO、vivo和小米相继推出了搭载3D传感功能的新款智能手机。3D传感通过激光进行测距，而激光光源为VCSEL（垂直腔面发射激光器）激光芯片。VCSEL是一种半导体激光器，与可用于相同场景的LED和EEL（边发射激光器）相比，VCSEL具备温度波长系数、光电转换效率、功耗、发散角、散热等多个方面的优势，更容易实现不同形状阵列排布和集成化。
除了消费类3D传感，VCSEL在光通信和自动驾驶领域的LiDAR（激光雷达）方面也极具应用前景。据Yole报告，2017年VCSEL整体市场规模达到了3.3亿美元，预计到2023年整体市场规模将增长至35亿美元，复合年增长率高达48％，VCSEL出货量将从2017年的6.52亿颗增长至2023年的33亿多颗。在未来，受益于自身的多重优势，VCSEL激光还将扩展更多的视觉和传感应用场景，包括汽车门锁、车站安检系统及考勤打卡设备等。
长光华芯敏锐捕捉市场机会，提前布局，目前已建立全工艺国产化的VCSEL芯片量产线。公司主要生产手机端940nm波段VCSEL芯片，同时也可定制生产其它波段的VCSEL产品。VCSEL激光芯片与976nm芯片的晶圆外延片生长工艺十分接近，在早期针对科研市场的时候，公司就已攻克了设计、外延均匀性、稳定性精准控制的难题，达到了较高的芯片良率。当这一技术成果运用到VCSEL生产上，也就确保了其产品的可靠性。
VCSEL全工艺产线国产化为公司带来可观效益。在光电转换效率方面，长光华芯生产的VCSEL芯片转换率达42％，已接近国际一流的水平。此前，VCSEL激光芯片的很多工艺需要在英国、台湾等地完成，价格昂贵。全产线国产化后，公司成本降低了4倍，产能提升了10倍。随着VCSEL激光芯片在消费领域逐渐铺开，公司在该领域的表现十分值得期待。此外，针对自动驾驶领域的激光雷达芯片已在公司的研发计划中，预计在2019年下半年有相关产品推出，目前已有客户上门咨询并进行实地考察。
直接半导体激光器在热传导焊接、锡焊、塑料焊、表面处理、增材制造、薄材切割等应用中有独特优势。光纤激光器、固体激光器和CO2激光器的激光束为高斯分布，其能量分布不均匀，在加工中容易出现受热不均匀、损伤基体等情况；直接半导体激光器因其出射平顶光斑，在加工过程中材料受热更加均匀，有自身的独特优势，更适合于焊接、淬火、熔覆等领域。
直接半导体激光器产品性价比高：在3000W以下范围内，相比同等功率的光纤激光器具有明显价格优势；同时由于少了光纤增益环节的能量损耗，其直接电光转化效率更高，普遍可达45%-50%，最高可达70%。目前国外产品占据直接半导体激光器大量市场，不过国内企业开始快速切入。
直接半导体激光系统是公司的主要业务之一，预期其将成为公司未来重要的业绩增长点。长光华芯的相关产品具有高亮度、高效率、高稳定性等优点，已广泛应用于锡焊、激光透射塑料焊接、加热固化、金属热传导拼接、激光表面处理、激光熔覆等领域。
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