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科技红利14--3D摄像创新十年最夯,vcsel领激光应用里程碑(下)

科技红利及方向型资产研究2020-01-18 12:41:53

本文作者:华创证券 科技TMT行业首席 郑震湘


目录:

四、几个对于VCSEL模组的思考

(一)Eye-Safe是激光消费应用必须考虑的问题

1、为什么VCSEL要从850nm做成940nm?

2、940nm VCESL是否考虑了Eye-Safe?

(二)VCSEL会否在结构上优化,达到更低功耗、更高效率的要求

1、一种明确的优化——单模光子晶体

2、会否有其他优化?

五、投资建议及相关标的

(一)福晶科技——全球激光器光学元器件隐形冠军迎来光通信与消费级应用之燃爆良机

1、公司是全球激光器光学元器件隐形冠军

2、16年公司业绩首创历史新高通信与消费级激光的应用将带动公司驶入高速车道

(二)光迅科技——国内唯一实现工业级VCSEL商用期待消费级的突破

1、公司在VCSEL的积淀具备消费级突破的可能

2、公司有望在未来三年光电子景气高潮中冲入全球前三甲

(三)水晶光电——滤光片行业的前三积极布局AR业务

(四)其他3D Sensing受益上市公司全汇总


正文:

四、几个对于VCSEL模组的思考

(一)Eye-Safe是激光消费应用必须考虑的问题

1、为什么VCSEL要从850nm做成940nm

850nm1代)与940nm2代)VCSEL性能对比,我们发现,940nm在各方面都具备了压倒性优势。为什么会产生如此大的改变,从而为消费级应用铺平道路呢?我们认为最核心的原因在于芯片激光波长的选择。

右下角是太阳辐射频谱图,我们发现,在传统工业与通信领域使用成熟的850nm波长并不利于在自然界传播,而在850nm附近的940nm波段中,存在环境含量最低的一个波谷。因此,由激光器所发射的940nm的波段在环境中数量很少,继而发出的光受到的干扰很小,第2代比第1代的有效距离将会长很多,测量精度也会有较高提升。

2940nm VCESL是否考虑了Eye-Safe

940nm VCESL是否考虑了Eye-Safe答案肯定是有的,如下图940nm除了在自然界受影响最小的波段的特点以外,也是相邻波长中对于眼镜伤害最小的波段。

但我们通过原理分析发现,940nm并不是绝对安全的波段,且人眼结构将导致此种影响指数级扩大。激光对于人眼的伤害一般来说对比皮肤表面的伤害要更加显著,一平行入射光进人人眼之后,将聚焦于视网膜上的一小区域,由于通过水晶体的聚焦,将使光强度在单位面积上提升至10万倍,即对于波长400nm-499nm的激光,若入射至4眼睛的强度为1m wcm2,则视网膜却接收到约100wcm2的强度。同一介质对于不同波段光源的吸收率并不相同,所造成的的伤害也不一样,对于眼球照射的曝光量大于某个临界值,不论哪个波段的光源,都将对眼球造成伤害。辐射波长在400nm以上到700nm的可见光波,会穿透眼睛的视网膜、水晶体和玻璃体,主要对眼睛的视网膜造成伤害;近红外波段(780~1400nm)也会造成白内障、视网膜损伤;但辐射波长在400nm以下以及1400nm以上的激光,几乎都被晶体吸收了,所以不会造成眼球内部的伤害。

注:1线表示不同波长由眼镜穿透到视网膜的百分比;2表示波长在视网膜辐射吸收的百分比

如何解决激光人眼安全安全问题一定是后续我们关注的重点。目前获得人眼安全激光的技术主要有Raman-shift laser技术、Er-doped glass laser技术和Optical Parametric Oscillators(OPO)技术。其中Raman-shift laser需要借助高压气体(CH4甲烷)才能实现,激光器系统结构非常复杂,可靠性差;Er-doped glass laser能够直接实现人眼安全激光输出,但Ev-doped glass是三能级激光系统,振荡阈值高,抗激光损伤能力差,重复频率和激光能量较低。OPO技术是目前最广泛使用的获取该波段的技术手段,只需在激光谐振腔中插入一块非线性晶体,其结构紧凑、体积小、重量轻、可靠性高,非常适合应用于小型化的固体激光器。

与其它方法相比,OPO技术更具有以下优势:

l  全固态激光器泵浦技术成熟、效率高,OPO信号光波长可做到精确调节;

l  容易获得高光束质量的激光输出,可满足激光光电系统的数据率和作用距离日益增长的需求;

l  有广泛可用的非线性晶体材料;

l  阈值功率密度比Raman-shift laser低,热效应比Er-doped glass laser弱;

l  OPO技术亦可以获得1064nm1570nm双波长的激光,对特殊场合应用有重大意义。

目前,福晶科技全资子公司青岛海泰光电已掌握Eye-Safe OPO技术,同时他是国内最大的该类非线性晶体KTP供应商。

(二)VCSEL会否在结构上优化,达到更低功耗、更高效率的要求

1、一种明确的优化——单模光子晶体

单模光子晶体VCSEL技术发展是VCSEL器件由光通信领域向3D sensing应用演进的一大驱动力。普通VCSEL具有多横模激射以及偏振方向不稳定等缺点,因此要想使VCSEL能够在传感器领域使用,就需要改善 VCSEL的横向模式、实现激光器基横模工作。

光子晶体VCSEL是指在其上DBR中引入了二维光子晶体组成的周期性空气孔结构的VCSEL。这一结构能够有效的控制垂直腔面发射激光器的模式,使器件工作在基横模状态,从而获得更小的远场发散角、更均匀的光强分布、更窄的光谱线宽。

2、会否有其他优化?

我们觉得优化的趋势将一直存在,将会集中表现在效率提升、成本下降等方面。

我们做个思考,在上面的讨论中提到VCSEL激光器是一种非常好的二次泵浦光源,意味着我们只需要加入一定的工作物质/晶体就能形成一个二次光泵浦结构,实现效率的快速提升;其中NdYOV4是性能最为优异的激光晶体(激光工作物质)。它的直接好处就是在同样性能的情况下,实现功率的下降-即省电。

此种推测我们尚不能得到确认,是一种可能性的升级思考。但我们通过产业链调研了解到,福晶科技(全球最大的NdYOV4激光晶体供应商)为主要的VCESL龙头公司有提供相应的晶体材料。

五、投资建议及相关标的

(一)福晶科技——全球激光器光学元器件隐形冠军 迎来光通信与消费级应用之燃爆良机

1、公司是全球激光器光学元器件隐形冠军

公司是全球激光器光学元器件隐形冠军,是全球最懂激光光学处理的公司之一。公司产品涵盖激光器光学元器件所有种类,包括非线性光学晶体元器件、激光晶体元器件、激光光学元器件和激光器件四大类,其中1)非线性光学晶体元器件主要为 LBO (三硼酸锂)、BBO(低温相偏硼酸钡)、KTP(磷酸钛氧钾)等;2)激光晶体元器件主要为 Nd:YVO4(掺钕钒酸钇)等;3)激光光学元器件包括透镜、反射镜、波片、窗口片等;4)激光器件主要包括隔离器、准直器、电光开光等。

主要晶体全球市占率高,龙头地位极为稳固。根据招股说明书披露,2006年公司LBO产品在全球的市场占有率约为56%BBO产品在全球的市场占有率约为25%Nd:YVO4产品在全球市场占有率约为30%Nd:YVO4+KTP胶合晶体产品在全球的市场占有率约为50%。根据调研显示,目前主要晶体仍是全球最高市占率,目前,LBO晶体全球市场占有率维持60%以上;BBO全球市场占有率40% KTP晶体全球市场占有率30%;激光晶体NdYVO4全球拥有约30%的市场占有率。

12016年预测根据调研信息汇总

公司是全球激光器龙头企业的核心供应商,切入光通信领域,并参与知名企业在激光/AR消费级应用的联合研发。1)公司是全球知名激光器生产企业——Spectra-PhysicsCoherentIPG等企业光电子晶体元器件的主要供应商之一;包括大族激光在内的激光设备上市公司均为公司核心客户。22012年切入光通信领域,拥有包括光迅科技、珠海光库等在内的光通信应用客户,下游终端客户涵盖主流的光通信应用全球大厂。3)根据产业链调研显示,2015年开始公司与微软联合研发AR眼镜-HoloLens;目前已经开发到第三代产品。

中国科学院物质结构研究所背景下的全球激光晶体龙头。中国科学院物质结构研究所首次发现和研制的新型紫外倍频晶体,由公司进行生产和销售,公司享有熔盐法生产BBO晶体的专利知识产权——改进的熔盐籽晶法生长低温相偏硼酸钡单晶;拥有用三硼酸锂单晶体制造的非线性光学器件LBO晶体的专利知识产权。虽然两项全球专利均已到期,但凭借物构所强大基因以及持续的高研发投入,公司主要激光晶体元器件均保持全球领先水平。

公司主营业务源自于物构所 1990年设立的福建晶体技术开发公司。开发公司是物构所实施科研成果产业化基地,承担了物构所获得专利的 LBOBBO等高科技产品的产业化工作。2001 10月,在开发公司改制为福晶有限时,物构所将 LBOBBO的专利评估作价投资入股到福晶有限。 2001年以来,本公司对非线性光学晶体和激光晶体的生长、加工进行了持续的研发,形成了独立的研发能力;2011年开始进行激光光学元器件的研发与销售。

公司盈利情况经历了专利到期波动之后,已经稳定到高水平。2012年公司所有专利到期之后,主营业务盈利能力高位回升,至16Q3公司毛利率达54%ROE8%。我们认为,公司已经实现了专利技术的升级,通过完整的“产品研发—晶体生长—冷加工—镀膜”产业链实现了持续领先的全球激光光学元器件地位的巩固。

216年公司业绩首创历史新高 通信与消费级激光的应用将带动公司驶入高速车道

由于激光器行业壁垒高,市场稳定,公司的主营晶体业务一直在1.2-1.8亿之间波动。2016年公司的晶体业务首度实现了2亿大关的突破。即使在2010年,激光加工大范围应用在手机微加工领域,也未能突破历史的收入规模凭借。我们认为,通信与消费级激光的应用,是公司得以取得突破的最主要因素。

此外,公司从2011年开始切入激光器光学元器件配套产品,保持了6年的连续快速增长。

公司是最懂“激光”的光学组件供应商之一,是全球激光器非线性晶体与激光晶体的隐形冠军;与微软联合研发HoloLes AR眼镜;为全球光芯片龙头企业供应晶体与光学处理单元。未来将充分受益激光在光通信与消费级市场的爆发,带动公司驶入高速成长车道。

(二)光迅科技——国内唯一实现工业级VCSEL商用期待消费级的突破

1、公司在VCSEL的积淀 具备消费级突破的可能

光迅科技自2015年宣布自主研发的VCSEL阵列芯片将投入商用以来,公司目前已经开发出四款基于VCSEL的收发器模块产品:

目前光迅科技产品主要为集成VCSEL的光模块产品,主要用于短距离(100-550米)光通信领域,包括千兆以太网、光纤通道等等。VCSEL发展到现在用于光模块产品在传输距离、功率上的要求要显著高于消费电子级别应用,我们认为随着3D摄像、激光投影显示等市场空间开启爆发式增长,光迅科技有望直接受益。

2、公司有望在未来三年光电子景气高潮中 冲入全球前三甲

以下对光迅科技的科技红利思想进行分析:

1)从2009-2015年以来,有效研发投入增长了2.49倍,有效研发投入产值增长了1.68倍。期间收入规模增长了3.29倍,净利润规模增长1.29倍。

2)分区间看,2009-2012年,收入主要是无源光电子,期间有效研发投入增长了98.5%,有效研发投入产值增长了66.7%2013年公司整合WTD后,成为光电子全业务产商,发挥了很强的业务协同性,体现在有效研发投入增长了48.8%,有效研发投入产值增长了52.2%

我们在科技红利大时代系列报告中指出,中国电子科技企业要实现“科技红利”,突破“工程师红利陷阱”,本质在于“有效研发投入转化系数”,而“压强原则”确是科技企业实现“有效研发投入转化系数”的关键手段,其核心在于提高压强系数。

公司发展中有两个压强系数拐点,2011年和2014年。2010-2011年是公司针对研发环节进行IPD流程化,提升新产品开发和竞争力,随后2012年收入和业绩双增。2013-2014年整合WTD,这个时候的压强系数是低点,随着整合完毕,通过提升压强系数重新恢复扩张。

2015收入规模突破30亿,2016突破40亿元。

未来三年,我们认为公司重点突破光芯片,形成快速扩张的无源+有源+芯片三驾马车。

1)芯片:目前公司10GEPON芯片整体自给率大约占比80%,能够自给芯片还包括:光探测器10GPIN、雪崩光电二极管APD、分布式反馈激光器DFB。同时2017年预计完成25GE标准芯片的认证,以及加快850nm VCSEL芯片商业化。

2)无源:高端产品100G/400G产品的占比快速提升,目前收入占比在20%

3)有源:10Gb/s 850nm VCSEL激光器实现商业化。2017年底完成10GEML电吸收调制激光器量产。

我们预计公司在未来三年,有望实现收入规模突破100亿-120亿,挺近全球光电子三强。

(三)水晶光电——滤光片行业的前三 积极布局AR业务

公司主要业务包括:光学、蓝宝石、反光材料和虚拟显示四大业务板块。其中精密光电薄膜元器件为公司主要的收入与利润来源,包括光学低通滤波器与红外截止滤光片及组立件等。公司是国内唯一一家规模化生产光学低通滤波器的企业,全球排名第4;红外截止滤光片及组立件,全球排名第3

公司目前主导产品光学低通滤波器与红外截止滤光片主要应用于数码相机、可拍照手机等数字摄像头镜头系统。主要客户包括华为、oppo 等手机行业龙头企业以及索尼、三星等摄像头核心大厂。公司抓住国产智能手机抢占国际市场的机遇,围绕重点客户提升市场份额,手机用产品销售快速增长;公司的2016年收入实现16.8亿的历史新高,同比增长42%;实现净利润2.5亿元,同比增长69%。由于手机摄像头用量提升趋势下行业景气度开始回暖,2016年前3季度毛利率较2015年提升2.4%,在连续近8年下滑趋势走后出现回暖。我们认为,手机摄像头用量提升的趋势仍处于加速态势,特别是3D摄像头等新创新的使用也将为手机摄像头领域提供增益。

公司主要产品有望切入3D摄像头的接收端-滤光片,虽然价值量在3D Sensing摄像头各环节中不算高,但由于其制程要求比普通摄像头复杂,单价有望高于普通摄像头的滤光片;我们认为,3D摄像头的爆发亦将为公司成长增加动力。

此外,公司积极布局AR业务,有望受益3D摄像头普及之后AR市场的爆发。公司成了虚拟显示业务部门,研发退出汽车HUD、超短焦投影产品等新产品,幷且与LUMUS达成紧密合作,深入推进视频眼镜模组项目的量产。

(四)其他3D Sensing受益上市公司全汇总

通过对于3D Sensing摄像头的分析,我们认为VCSEL模组是整个产业链中最大弹性点与难点。抓住0-1机会的弹性标的,重点推荐:福晶科技、光迅科技、水晶光电。建议关注产品、技术或工艺相关的标的,1OV(北京君正拟收购标的)——前置CIS芯片技术;2)晶方科技、华天科技——晶圆级封装技术;3)欧菲光——摄像头前置模组技术;4)联创电子——摄像头镜头及模组技术;5)大族激光、华工科技——激光器技术。


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