VCSEL技术起飞

凯文·福格蒂和埃德·斯珀林

垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的技术,证明但大多利基技术直到最近,突然一个非常热门的商品由于引入人脸识别在手机和其他移动设备。

VCELS主要是作为一种低成本的方法跟踪运动和转换数据的电脑鼠标,激光打印机和光纤。但是苹果的决定使用VCSEL的面部识别技术在其iPhone X推动这项技术在不同的方向。,智能手机和消费电子厂商的人中洪水之后suit-forced整个VCSEL市场扩大新的制造,测试和验证过程。

“VCSEL的市场,什么都没有发生好多年了,”特帕兰杰佩说,首席技术官Veeco。“但与新应用新兴,显著改善VCSEL的技术。我们终于在学习曲线在高容量,这将是必要的,当我们到达第二大应用程序,这是激光雷达有VCSEL数组。还VCSELs已经被用于为rack-to-rack通信服务器农场。通过后board-to-board沟通(如光学背板),圣杯是到沟通,最终实现互连。真正的问题是,当我们需要它。”

VCSELs只是少数几个不同的硅光子学方法开始得到通知。整个半导体行业有工作正在将一个或多个这样的各种技术的主流,特别是在先进节点推动电子通过连接变得更加困难。

”的手机,有很多隐藏的和non-hidden相机,“Twan专题Korthorst说,光子的解决方案研发主任Synopsys对此。“那些摄像头可以识别你是否看电话,光学测量,这是VCSELs发挥作用的地方。有一个检测器,一个光源和一个形象。VCSELs少量分立元件”。

什么是VCSEL ?
客观地看,VCSELs只是许多可能的芯片之一光源,可用于这些设备。使VCSELs如此有吸引力的是垂直于发射出的激光设备。有很多好处,从扩展测试。

“VCSELs可以在晶圆级测试使用晶圆和圆片测试,”帕兰杰佩说。“边缘发射激光,骰子薄片,然后构建其他的设备和测试它,使它更加困难。”

这并没有减缓研究其他领域,然而,大部分的研究集中于不同材料的堆积和集成部分或全部打包。放入包中,或什么什么驻留在包外,仍在工作。

“现在有一些有趣的工作在大铸造厂创建光子学元素连接不同的死亡,”约翰·弗格森说营销主管口径在刚果(金)应用程序导师,西门子业务。“主要的问题是波指南需要一定的尺寸,这是几个微米。你必须保持一定的空间,占用很多地区。光子没有受益于先进的节点。事实上,65纳米是最先进的节点到目前为止。”

另一个机会在于汽车应用激光雷达与更高的能力要求。这个应用程序将需要使用更大的VCSEL数组。

”,需要购买更多金属(有机化学气相沉积)系统保持生产能力快,对激光雷达系统的需求,”马克·麦基说Veeco产品营销总监。“现在的问题是如何实现最高的性能和最高效率,以满足市场需求。这是基于拥有行业领先的金属技术。关键要求是统一的和有机的层流和氢化物在晶片的表面,统一和控制温度和锋利的层之间的接口。达到最高效率,您的平台需要长时间之间的预防性维护周期,快速恢复后预防性维护和快速外延增长。”

图1:来源:Finisar

VCSELs做他们的范围和飞行时间的计算使用的光脉冲和数十兆赫频率,确定运动通过观察一个图像之间的变化和未来。目前还不清楚如果能够适应这种方法提高激光雷达的倾向于使用更长的波长和连续扫描,大卫•霍尔指出主要营销经理国家仪器。

”似乎没什么重叠需求之间的面部识别系统便宜足以被集成到智能手机和一个激光雷达系统,应该不断扫描比VCSELs进一步管理,”霍尔说。“还有待观察,如果任何一个可以受益的方法。”

激光雷达是一种很好的潜在市场,但比短期的吸引力汽车车内机会运动检测和人脸识别等。技术可以用来识别司机时昏昏欲睡,或允许乘客控制信息娱乐或其他系统与手势,克雷格·汤普森表示,新市场副总裁Finisar,供应芯片苹果。

图2:来源:2018年7月Yole开发署的报告

Finisar发展VCSELs用于copper-to-fiber运营商级的接口数据网络设备自2004年以来,当它买了部门第一个商业化VCSELs从霍尼韦尔和扩大销售除了鼠标和电脑外围设备和数据网络。

但并非所有人都同意在激光雷达使用VCSELs他们当前的形式。

“VCSEL光往往是接近可见范围,这可以使他们危险提高力量,“Gilles Lamant说,杰出的工程师节奏。通过激光雷达,你需要非常高的权力得到任何类型的范围,这可能是一个危险的视力。甚至接近可见光谱,它们安全的低功率应用中,这就是为什么人们看他们面部识别之类的distance-ranging相机。”

图3:来源:Finisar

VCSELS的真正优势是方便,灵活性和力量,以及他们的热效率与其他激光源相比,Lamant说。

“垂直VCSELS发光,这使得它很容易建立一个阵列垂直于芯片,它们与一个很宽的温度变化相当稳定,“Lamant说。”他们还证明发送数据在一个系统,一个系统内数据的编码信号。运行与频率限制你能做到这一点,虽然我们仍然寻找一种方法以硅基集成光学解决方案。”

VCSELs也提供更多的光比替代激光每瓦特的电力来源,汤普森说。连接更简单,因为电和热管理可以从下面,激光会从顶部。

VCSELs扑灭的电量也线性按大小可伸缩的。每个激光孔是独立的,本质上是相同的。芯片上的孔越多,更多的权力了。他们都连接到一个电源导致他们所有人齐声发出。芯片连接到区域可以让他们发出的在不同的时间和不同的这种输出功率是由光阑的数量决定的。

图4:Finisar大功率VCSEL在西班牙腔包(来源:Finisar)

“数据网络VCSEL将有一个孔,一个排放点死也许几百微米的X和Y,”汤普森说。“大功率三维传感VCSEL会有数百个光阑和模具将由一个毫米的正方形。这是一个很独特,很好地可伸缩的激光器结构。这几乎是一个乐高块技术。”

的热干扰或其他类型的噪声可能会损害VCSEL在数据中心使用,但测试能够识别类型的干扰并不常见,弗格森说。

“这不是像一个集成电路,你把它放在与探针测试台,”弗格森说。“你需要光学信号处理这些设备之外,这不是微不足道的。系统的一些大公司正在努力推动铸造厂,所以他们知道什么他们可以做这项技术,因为我们开始看到更多的采用网络之外。有申请光子学与激光雷达和自动驾驶汽车,在汽车和它看起来像这个技术正受到更多关注。有很多公司正在探索,和几个现在严重,我们预计明年内产品。”

应该有很多产品推出VCSELs明年,汤普森说,但体积产生的VCSELs,测试和验证都远高于以前,虽然外面很可能大多数光学行业将实现的程度变化,汤普森说。

VCSELS比较成功的十年在鼠标和其他外围设备,于1996年霍尼韦尔商业化,而且是很受欢迎的光源在fiber-to-copper自2004年以来,电信等级数据网络设备接口。所有这些是固体的利基业务,但足够低调的保持VCSELs飞行的雷达下大多数芯片行业。后iPhone X公告,一切都改变了。

仍有一些挑战在设计一个超大号的,制服VCSEL能够反弹30000红外斑点用户的脸来组装一个3 d地图快速、准确地足够的力量面对ID认证iPhone X,根据汤普森说。但最大的挑战是如何满足iPhone的体积需要x苹果宣布将购买10倍VCSEL晶片在2017年第四季度已经制造全球前一年同期。

这是为什么苹果给Finisar 3.9亿美元在2017年。目标是把懒懒的700000平方英尺的设施谢尔曼,德克萨斯州,到“美国的VCSEL的资本”。今年晚些时候达到满负荷,700000平方英尺前MEMC加工厂会,所有的本身,更多的VCSEL晶片由几个数量级比整个VCSEL行业能够管理在过去,汤普森说。

小米和朋友跟着苹果的声明,承诺将三维传感功能添加到2018年中期的移动芯片。其次是华为,Vivo和三星,预计今年VCSELs添加到一些模型,根据市场报告Yole开发署,VCSELs哪些项目销量将从6.52亿辆2017年到2023年的超过33亿芯片。VCSEL芯片的销量将从1.65亿年的2017美元增加到31亿美元,到2023年,Yole预测。

飞利浦光子学,号称运送超过10亿VCSELs Finisar的3亿年相比,花了2300万欧元在2018年增加一倍的容量VCSEL在乌尔姆,德国。同时,自动对盘及成交系统宣布将投资2亿美元扩大在新加坡VCSEL的网站。

“大故事是智能手机市场带来了VCSELS成为主流,和苹果等公司承销的发展和成熟技术的成本需要王卷制造规模,”汤普森说。“像苹果这样的公司承销的发展和成熟的技术应用于智能手机和使我们在业界有足够的信心在很大程度上使VCSELs投资在高容量可制造的。”

FaceID之前,标准VCSEL制造业,几乎完全基于金属,这是通常用于III-V材料创建多晶薄膜,和fab-efficiency措施自动化晶片测试和beam-imaging“新生的和不成熟的,”汤普森说。

“我们已经从3英寸到5英寸砷化镓砷化镓晶片。我们已经开发出一种更成熟的方式自动圆片规模测试在整个工厂的过程,这是非常不成熟的仅仅几年前,”汤普森说。“我们不得不为这些应用程序开发外延晶片,保持供应链的规模,开发新的计量和一个新的测试方案基于学习借鉴射频行业开发自动化晶片测试和电子探针。我们必须开发、近场和远场光学测试图像芯片及其输出近距离和远距离。我们必须开发测试方法测量准确数和孔径的函数在一个非常大的激光芯片面积和红外光被塑造和专注,”汤普森说。

德克萨斯州谢尔曼,工厂于2018年7月,不会达到满负荷,直到今年晚些时候,但已经提供了功能VCSEL制造商无法想象仅仅几年前。

“设施的规模是数量级比任何行业生产集体之前,”汤普森说。“我们不宣布卷,但我们正在接近的规模III-V射频铸造。我们在一个阶段,我们有测试人员工作,适当的近场和远场成像测试人员工作和生产合理的卷以合理的周期时间。我们专注于做多了测试和收集很多,可以让我们做很多样品测试。”

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