激光雷达放量时代，上游器件引领未来

（报告出品方：招商证券）

行业：2021为“上车”元年，2022或将成为量产大年

自动驾驶车型搭载激光雷达情况

2021年为激光雷达“上车”元年，在2021年1月，蔚来在NIO day上宣布ET7全系搭载激光雷达，掀起了中国车企定点激光雷达的浪潮，随后，小鹏、北汽极狐、上汽智己、上汽飞凡、广汽埃安、长安阿维塔、长城沙龙、理想、高合、威马等造车新势力和传统车企新能源品牌，都纷纷宣布即将量产或交付的新车型将搭载激光雷达。这些车型最晚都是在2022年交付，2022年有望成为激光雷达的量产大年，从L2级别辅助驾驶到L3+自动驾驶跨进。

全球激光雷达千亿市场亟待开启

车载激光雷达将逐步成为车载雷达主力。根据Yole计算及预测，2021年车载雷达市场规模为58亿美元，2027年将达到128亿美元（约合人民币856亿元）,CAGR为14%。国际电联(ITU)预测，2030年，欧洲的车载雷达渗透率将达到65%，美国将达到50%。其中，2021年车载激光雷达（无人驾驶+ADAS）市场规模为2亿美元，2026年将超过28.75亿美元（约合人民币192亿元），约占比整个车载雷达市场的26%，比2021年高出22个百分点，CAGR高达66%。乘用车和Robotaxi/Robotruck持续增长的需求成为车载激光雷达市场的驱动因素。

激光雷达的分类：从机械式到固态化

机械式激光雷达技术成熟度较高，供应链成熟，但由于固有缺陷（机械部件寿命短、成本高、体积大、调试装配复杂等），目前车企宣布的L3量产车项目均选用固态/混合固态激光雷达方案。目前混合固态激光雷达技术已初步成熟，各家厂商量产项目陆续落地。

固态激光雷达技术方案包括光相控阵（OPA）和FLASH两种，具有数据采集速度快、分辨率高、成本低等特点，但目前技术成熟度较低。

激光雷达产业链——上游

激光雷达产业链上游包含激光发射、激光接收、扫描系统和信息处理四大部分，分别对应激光器、探测器、扫描器(及其它光学组件)、芯片等零部件。

激光雷达工作原理和组成

激光雷达由发射模块、接收模块、主控模块以及扫描模块（如有）构成。主控模块首先发射信号到发射模块，激光驱动驱动激光器(如EEL、VCSEL等)发射激光脉冲，再通过发射光学系统发射激光，到达物体返回后接收模块接收回波，经由接收光学系统到达探测器(如APD、SiPM、SPAD等), 最终传至模拟前端，再进行模数转换，到达主控模板。部分激光雷达拥有扫描模块，则主控模块可直接到达扫描器或激光器先经过扫描器再回到发射光学系统。

激光雷达革命性技术架构

根据产业调研和专家交流，招商通信团队认为：机械式激光雷达被普遍认为无法达到上车标准。短期内，以TOF方式为测距原理的半固态激光雷达仍将占据市场的主要份额，一维、二维或MEMS等扫描方式的技术路径将会共存；长期来看，固态FMCW是未来的技术路径。

激光雷达市场规模&原材料BOM拆分

激光雷达出货量&市场规模：根据沙利文预测，受无人驾驶车队规模扩张、激光雷达在ADAS中渗透率增加等因素推动，激光雷达整体市场预计将呈现高速发展态势，至2025年全球市场规模为135.4亿美元（约合914亿元）；其中，中国激光雷达市场规模将达到43.1亿美元（约合291亿元）；基于蔚来ET7、小鹏G9等热款车型的交付，预计22年车载激光雷达出货量为15万台，23年激光雷达出货量规模在30~60万台。

Flash 的成本结构按发射模组、接受模组、光学系统、核心 IC 分类；根据产业调研，如果整个雷达 $1000 ：

(1)发射模组即 VCSEL 加驱动$100-$200,占比 20%；

(2)接收端占 30%，对应$300；

(3)光学系统占比15-20%，对应$150~$200；

(4)剩下的一些 IC 部分成本，像 FPGA、跨阻放大器、AD 芯片、点云管理、memory 等加起来占比 30%，对应$300。

发射模块：VCSEL逐步取代EEL，905、1550或将共存

激光雷达产业链——发射系统

激光发射系统：系激励源周期性地驱动激光器，发射激光脉冲，激光调制器通过光束控制器控制发射激光的方向和线数，最后通过发射光学系统，将激光发射至目标物体。

激光雷达发射模组：包含激光雷达面光源和激光雷达线光源，以激光光源和光学整形元器件为主要组成部分，负责产生激光雷达探测所需要的特定形态和功率的激光光斑。

激光雷达产业链——发射系统-激光器

激光的产生来自于激光发射器，有半导体激光器、固体激光器、光纤激光器和二氧化碳气体激光器四种类型。激光雷达的光源选择需要关注人眼安全问题、稳定性和可靠性、成本、量产的可能性。

无人驾驶大多采用半导体激光器，从驱动方式来看主要包括：边缘发出的边缘发射激光器（EEL）和激光垂直于顶面的垂直腔面发射激光器（VCSEL）；从光源波长来看主要包括：905nm光源和 1550nm光源。不同光源及发射形式的选择影响射出光的能量大小，继而影响光源可达到的探测范围深度。目前1550nm激光器一般配备光纤激光器，EEL和VCSEL适合的波长仍为905nm。

激光雷达产业链——发射系统-激光器-驱动

垂直腔面发射激光器（ VCSEL，Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser）：的激光发射方向垂直于半导体衬底表面，激光束呈圆形对称。VCSEL 主要结构由p型和n型两个分布式布拉格反射镜（DBR）及中间的有源区构成。VCSEL腔长量级与波长相近，容易实现单纵模激射，并具有出色的光束质量，适用于数据通信及各种传感领域。

激光雷达厂商有转向VCSEL激光器的优势：VCSEL 相较于传统的IRLED、EEL半导体芯片而言，它具有窄光谱、低功耗、低温漂等特点；采用VCSEL激光器作为面光源的电光转换效率、集成度和可制造性更高。VCSEL封装与LED一样简单，成本优势明显。综合上述优势，VCSEL定会成为3D传感市场潜力最大的产品。

VCSEL激光器集合了红外边发射激光器的很多优点，采用更优质的激光源，既像红外LED非常适合大规模晶圆级生产，工艺和封装成本较低，又有边发射激光器非常好的光谱和较高的光密度特性；它还有温度漂移非常低的特征，从低温到高温每组VCSEL的典型漂移仅为0.07nm/K。这是其他光源很难做到的，这也是被苹果选中作为Face ID光源的重要原因。这是用于VCSEL的架构决定了它可以在许多光源的选择中胜出。

VCSEL芯片具有光电转换效率高、发散角小、光束质量好、波长稳定性好、可靠性高、阈值电流小、功耗低等优点，且易于与光纤耦合，易于单纵模发射和实现高调制频率，加上易于制备二维发光阵列，大批量生产成本可控，但输出功率及电光效率较边发射激光芯片低。

光学系统：国内供应链优势显著，壁垒在于质量管控&一致性

光学部分——ONE PAGE SLIDES

国内供应链优势显著，壁垒在于质量管控&一致性。光学部分是以发射和接收这两个二极管展开的光通道，包括反射镜，透镜，棱镜还有窗口玻璃等。光学部分在整个激光雷达BOM成本的占比在10%~15%左右。其中，转镜50%；窗口片：20%；透镜、准直镜、滤光片30%。

光学部分供应商主要有两类玩家：

（1）一类是消费电子光学厂商（舜宇光学、永新光学等），在部分精度和壁垒不高的光学元件的量产控本方面有一定优势；

（2）另一类是光通信领域的厂商（天孚通信、中际旭创、腾景科技等），更擅长波的控制，滤光片、窗口片等产品更具性能优势；并且在光电封装及光路设计方面优势更强，产线和技术均可复用。

激光雷达光子传输原理

激光雷达(含扫描模块)光子传输原理为：发射单元激光器发射激光束，通过发射光学系统--激光扩束器改变光斑的空间形状分布，分束镜通过折射分出多束光束，经过反光镜和准直镜到达窗口片并传输光束到目标物体上；光束到达物体返回后由窗口片接收回波，通过扫描器后再次途经准直镜维持光束的准直性，由环形镜传输到滤光片(允许特定光纤通过）并进入到光阑，通过长焦镜头聚焦光束至光电探测器，最终可由模拟前端芯片或其它主控模块硬件处理信息。

激光雷达产业链——光学组件

车载激光雷达和光通信-光器件实际上有很多相似之处。激光雷达中的激光器、探测器和光学组件等核心器件与光通信领域中的器件非常相似，除了各自的性能要求和可靠性要求存在一定的差异外，产品的基本形态及功能基本一致。根据产业调研，目前从事激光雷达领域的研发人员有一半来自于光通信领域。通过对表现、封装、可靠性标准、量价等多维度对比，我们认为车载激光雷达同早期的光器件比较类似，但发展前景广阔。

透镜和棱镜等传统光学元器件，定制化加规模化效应有望带来行业新增量。作为传统的光学器件，透镜和棱镜等产品工艺相对成熟。但是客户侧定制化的需求旺盛，将显著增加产品附加值，同时大客户带来的出货规模化效应将进一步降低产品成本，提升竞争力。

接收模块：国内厂商走向车规，从APD向SPAD、SiPM进阶

探测器——激光雷达光电探测器发展历程

在激光接收层面，根据光电探测器性能主要分为PIN PD、APD、SPAD和SiPM四类。

1. PIN PD增益很小、成本更低，适用于存在相干增益且不带噪声FMCW测距。

2. APD技术较为成熟，是使用最为广泛的光电探测器件。

3. SPAD理论增益能力是APD的一百万倍以上，探测器效率的提高直接提高了激光雷达的探测范围和分辨率，适合面光源，能量较为发散，难以到达远距离探测的Flash激光雷达。

4. SiPM是多个SPAD的阵列形式，通过大尺寸阵列获得更高的可探测范围以及配合阵列光源使用，采用成熟CMOS半导体工艺制造，且电路结构简单，工作电压较低，用于高级激光雷达。

探测器——市场规模

雪崩光电二极管（APD）适用于激光测距仪、基于aid的控制算法的量子传感、远程光纤通信和正电子发射层析成像等，广泛应用于工业、航空航天、国防、商业、电信、医疗保健等下游领域。这些领域和技术的蓬勃发展，为APD行业创造了新的增长空间。根据Maximize Market Research，2019年全球雪崩光电二极管（APD）市场估值为13013万美元，预计到2027年将达到17598万美元，年复合增长率为3.85%。

SiPM采用大批量CMOS工艺生产，成本较低。SiPM应用领域包括生物光子学、激光雷达和3D 测距、高能物理、空气粒子物理、分类和回收、危险和威胁检测、荧光光谱、闪烁体、医学成像等，尤其在汽车激光雷达和工业激光雷达领域的应用较为广泛。根据kbvresearch，预计 2027年全球SiPM市场规模将达到1亿9080万美元，年复合增长率为7%。