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下一代 3D感测应用中的二极体雷射器
应对可靠性和规模化生产的挑战

【作者: Lumentum】2018年03月30日 星期五

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打开几??任何报纸、商业杂志或线上技术新闻网站,不可避免地会提及虚拟实境(VR)、扩增实境 (AR) 和 3D感测。普遍共识是,它 们会改变我们的生活。我们每天使用的产品,如手机和汽车,将会变得不一 样。这听起来令人兴奋,但是这个新生事物的核心是什麽?是先进的雷射技术,特别是二极体雷射器。


雷射器应用的现在和未来


自主驾驶车辆如今已经投入使用雷射测距技术,预计在十年内将成为主流的商业产品。消费类设备和计算设备目前使用二极体雷射器来实现创新的 3D感测系统,改变了游戏的使用者介面,并给智慧手机和其他手持消费类设备增加了脸部辨识功能。二极体雷射器也是各种新兴技术的必要元素,如 Google Tango,一种用於 智慧手机的增强现实及同时定位与地图创建 (SLAM) 的 服务。


3D感测技术也正在想办法进入工业和汽车控制介面。例如,在工业设备中,基於手势识别的3D 感测功能可使操作员在危险环境中安全地控制计算设备。在车辆中,3D感测可以让驾驶员比传统按钮或触摸感测方式 更快速、安全地控制资讯娱乐系统。


二极体雷射器推动了这些3D感测应用。作为系统制造商,如何找到适合应用的二极体雷射器供应商?我们采用实际的方法来应对这个挑战给予一个架构,从中做出最好的选择。


选择正确的二极体雷射器制造商

二极体雷射器在多个新兴市场中广泛应用已成定势。这些市场上的许多制造商在使用二极体雷射器和雷射系统的其他关键元件方面经验较少,也没有同雷射器元件供应商建立关系。那麽在评估二极体雷射器供应商时,系统制造商应考虑的关键因素是什麽?



至於二极体雷射器供应商的基本要求,对於几??所有的系统制造商来说都是通用的:


·其产品应在较长的使用寿命内提供可预测和可靠的运行


·应该能够提供具有品质如一的大批量生产


·应该能够提供雷射专业知识来支援设计整合和满足人眼安全规定。


本文介绍 Lumentum现今如何为其消费者、汽车和工业客户满足上述需求。


二极体雷射器的可靠运行


二极体雷射器是全球光通讯网路的核心,承载了人群和企业生成的大量语音 和资料流程量。这些流量中的大多数都通过位於全球海底的海底光缆从一个端 点传递到另一个端点。


这些海底光缆系统由多种长度的光缆组成,这些光缆由设计用於提高光讯号强度的中继器连接,中继器可以补偿光缆固有的光损耗(图1)。每个海底中继器都包含有驱动光放大器的二极体雷射器。


得益於经实际应用证明的产品品质、性能和可靠性,Lumentum为电信网路设备行业提供了比其他任何制造商都更多的二极体雷射器。Lumentum已为海底应用交付了 超过 15 万支二极体雷射器。截至目前,部署在海底光缆系统中的 Lumentum二极体雷射器的故障率为零。


Lumentum 二极体雷射器也是全球最大的运算和游戏产品OEM的选择,可用於复杂的3D感测系统。雷射器使用户能够通过手势和身体运动来玩游戏或控制使用者介面。目前在世界各地的客厅里,有超过5000万个Lumentum二极体雷射器正在运行。数量如此庞大的器件在现场记录的故障率低於百万 分之一。


无论何种应用,所有Lumentum二极体雷射器都采用相同的设计、制造和测试技术。主要区别在於应用的预期使用寿命。在海底设备中,使用寿命可能长达25年,而消费应用中只有5年或更短的时间。对於任何具有品牌价值和因品质名声的批量消费品制造商来说,这一优势至关重要。此外,与电信 设备相比,针对消费应用而优化的大规模生产设备有助於降低成本。



图1 : 包括 Lumentum 二极体雷射器的海底光缆系统,传递大量互联网和语音流量。
图1 : 包括 Lumentum 二极体雷射器的海底光缆系统,传递大量互联网和语音流量。

Lumentum 二极体雷射器的可靠性是专家产品设计和经过验证的晶圆制程互相结合的成果。得益於独特的高可靠性先进制程,Lumentum及其前身自1978年以来一直在制造高品质的二极体雷射器晶片,因而具有开发和改进可靠性模型的独特能力,并可以根据要求与客户分享。


Lumentum 基於资料分析方法来优化新开发二极体雷射器的老化程式。与所 有生产制程一样,晶片制程具有固有的微量变化:来自相同生产批次的不同二极体雷射器可能具有稍微不同的物理性质,而其中的一些不同之处可 能会对二极体的电气和光学特性产生重大的影响。



图2 : 老化测试识别出潜在的早期故障
图2 : 老化测试识别出潜在的早期故障

由於存在这些不同之处,极少数的二极体雷射器将面临「早期故障」的风险在设备使用寿命的早期出现失效(图2)。Lumentum使用老化程式来确定和消除具有早期故障的设备。在老化程式中出现故障的二极体雷射器将被 报废;那些通过这一程式考验的产品被认定是可靠的。


这个老化程式必须仔细控制。如果老化条件不够严格,存在故障的二极体雷射器可能会顺利通过这一过程并被交付给客户。然而,如果太苛刻,可能会对稳定的二极体雷射器造成潜在损坏,从而可能损害其性能或缩短其使用寿命。


晶圆制造和晶圆测试方面的丰富经验,经过现场性能资料的验证,并由专有的Lumentum晶片制造专业知识提供支援,使 Lumentum 能够不断改进和优化老化和其他生产过程,以实现成本和可靠性的最隹组合,满足每个客户的 要求。


合格二极体雷射器的批量供货

对二极体雷射器供应商的另一个重要要求是保持高出货量,以满足消费电 子、汽车和其他市场中大客户的需求。


事实上,Lumentum是全球少数几个可以满足大批 量采购商需求的垂直腔表面发射雷射器 (VCSEL) 或边发射雷射器制造商之一。并且Lumentum 已经是多个终端产品市场的二极体雷射器批量供应商。


· Lumentum每年向游戏机和其他消费电子产品领域交付数百万支 3D感测雷射器。这些雷射器的工作波长为 800~950 nm,功率输出从最低200 mW 到最高几十瓦。


· 在电信和网路设备市场,Lumentum以每年超过 50 万只的交货量向客户提供 1W功率的单模雷射器(9xx nm,1400~1500 nm 波长)。


· 可用於多种应用、输出功率高达200W的工业用雷射器,以每年高达5万台的交货量提供给客户。


Lumentum从雷射晶片生产的悠久历史和独特的深度经验中受益:其对制程非常了解,能够从这些制程高度预测所获得的产能。此外,Lumentum与多个光学晶片代工合作夥伴建立强大的合作夥伴关系,这种关系提供高度的保护,防止不可预测的地理、技术或财务事件限制某个地点生产活动的风险。


从市场领导者那里采购产品的另一个优势是选择和灵活性:Lumentum提供了非常广泛的雷射器产品。客户可以评估不同类型的雷射器、最大额定功率和波长,并且可以轻松找到其规格与应用要求非常匹配的器件。


雷射整合经验

广泛的产品组合和整合专长使Lumentum能够为系统设计人员提供更有效 的支援和指引。例如,一些应用的性能可以通过它们的信噪比(SNR)来衡量。改善 SNR的一种方法是使用窄谱带通滤波器滤除背景太阳光,将雷射照射器的波长与~940 nm 的大气衰减波长保持一致(图3)。


在这样的情形,Lumentum 可以对每种类型的雷射器的优点和缺点提出公正 的对比建议。Lumentum 还可以提供配合其产品的光学系统设计支援。来自 Lumentum 的广泛产品包括各种雷射器类型,包括垂直共振腔面射雷射(VCSEL)、分散式回??(DFB)侧面发射雷射器和法布里珀罗腔面发射雷射器。使用 VCSEL或 DFB时能够采用约25 nm频宽的窄频滤光器,因为它们伴随温度的波长偏移有限; 而法布里珀罗器件通常需要与约 50 nm 的滤光器搭配使用,以配合其与 温度有关的更大波长偏移。



图3 : 使用具有窄频宽的滤波器可以减少背景太阳光的干扰, 但同时需要窄频宽雷射照射器从行业领导者处采购
图3 : 使用具有窄频宽的滤波器可以减少背景太阳光的干扰, 但同时需要窄频宽雷射照射器从行业领导者处采购

这种选择对外部光源抗扰性等因素的影响需要仔细考虑。通过利用 Lumentum提供的技术服务,客户可以增加首次设计出有效产品的机会。


Lumentum的技术专长也扩展到人眼安全的重要问题上。光学系统元件与激光器本身规格共同决定了设计是否符合相关规定。


每个应用都有其独特的特点,Lumentum将?明客户了解影响人眼安全的权衡因素,包括波长、光功率、视野和与用户的距离,以实现尺寸、成本和性 能之间的最隹平衡,并促使客户努力遵守人眼安全规定。


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