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下一代3D感測應用中的二極體雷射器
應對可靠性和規模化生產的挑戰

【作者: Lumentum】   2018年03月30日 星期五

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打開幾乎任何報紙、商業雜誌或線上技術新聞網站,不可避免地會提及虛擬實境(VR)、擴增實境 (AR) 和 3D感測。普遍共識是,它 們會改變我們的生活。我們每天使用的產品,如手機和汽車,將會變得不一 樣。這聽起來令人興奮,但是這個新生事物的核心是什麼?是先進的雷射技術,特別是二極體雷射器。


雷射器應用的現在和未來


自主駕駛車輛如今已經投入使用雷射測距技術,預計在十年內將成為主流的商業產品。消費類設備和計算設備目前使用二極體雷射器來實現創新的 3D感測系統,改變了遊戲的使用者介面,並給智慧手機和其他手持消費類設備增加了臉部辨識功能。二極體雷射器也是各種新興技術的必要元素,如 Google Tango,一種用於 智慧手機的增強現實及同時定位與地圖創建 (SLAM) 的 服務。


3D感測技術也正在想辦法進入工業和汽車控制介面。例如,在工業設備中,基於手勢識別的3D 感測功能可使操作員在危險環境中安全地控制計算設備。在車輛中,3D感測可以讓駕駛員比傳統按鈕或觸摸感測方式 更快速、安全地控制資訊娛樂系統。


二極體雷射器推動了這些3D感測應用。作為系統製造商,如何找到適合應用的二極體雷射器供應商?我們採用實際的方法來應對這個挑戰—給予一個架構,從中做出最好的選擇。


選擇正確的二極體雷射器製造商

二極體雷射器在多個新興市場中廣泛應用已成定勢。這些市場上的許多製造商在使用二極體雷射器和雷射系統的其他關鍵元件方面經驗較少,也沒有同雷射器元件供應商建立關係。那麼在評估二極體雷射器供應商時,系統製造商應考慮的關鍵因素是什麼?



至於二極體雷射器供應商的基本要求,對於幾乎所有的系統製造商來說都是通用的:


‧其產品應在較長的使用壽命內提供可預測和可靠的運行


‧應該能夠提供具有品質如一的大批量生產


‧應該能夠提供雷射專業知識來支援設計整合和滿足人眼安全規定。


本文介紹 Lumentum現今如何為其消費者、汽車和工業客戶滿足上述需求。


二極體雷射器的可靠運行


二極體雷射器是全球光通訊網路的核心,承載了人群和企業生成的大量語音和資料流程量。這些流量中的大多數都通過位於全球海底的海底光纜從一個端點傳遞到另一個端點。


這些海底光纜系統由多種長度的光纜組成,這些光纜由設計用於提高光訊號強度的中繼器連接,中繼器可以補償光纜固有的光損耗(圖1)。每個海底中繼器都包含有驅動光放大器的二極體雷射器。


得益於經實際應用證明的產品品質、性能和可靠性,Lumentum為電信網路設備行業提供了比其他任何製造商都更多的二極體雷射器。Lumentum已為海底應用交付了 超過 15 萬支二極體雷射器。截至目前,部署在海底光纜系統中的 Lumentum二極體雷射器的故障率為零。


Lumentum 二極體雷射器也是全球最大的運算和遊戲產品OEM的選擇,可用於複雜的3D感測系統。雷射器使用戶能夠通過手勢和身體運動來玩遊戲或控制使用者介面。目前在世界各地的客廳裡,有超過5000萬個Lumentum二極體雷射器正在運行。數量如此龐大的器件在現場記錄的故障率低於百萬 分之一。


無論何種應用,所有Lumentum二極體雷射器都採用相同的設計、製造和測試技術。主要區別在於應用的預期使用壽命。在海底設備中,使用壽命可能長達25年,而消費應用中只有5年或更短的時間。對於任何具有品牌價值和因品質名聲的批量消費品製造商來說,這一優勢至關重要。此外,與電信設備相比,針對消費應用而優化的大規模生產設備有助於降低成本。



圖1 : 包括 Lumentum 二極體雷射器的海底光纜系統,傳遞大量互聯網和語音流量。
圖1 : 包括 Lumentum 二極體雷射器的海底光纜系統,傳遞大量互聯網和語音流量。

Lumentum 二極體雷射器的可靠性是專家產品設計和經過驗證的晶圓製程互相結合的成果。得益於獨特的高可靠性先進製程,Lumentum及其前身自1978年以來一直在製造高品質的二極體雷射器晶片,因而具有開發和改進可靠性模型的獨特能力,並可以根據要求與客戶分享。


Lumentum 基於資料分析方法來優化新開發二極體雷射器的老化程式。與所 有生產製程一樣,晶片製程具有固有的微量變化:來自相同生產批次的不同二極體雷射器可能具有稍微不同的物理性質,而其中的一些不同之處可 能會對二極體的電氣和光學特性產生重大的影響。



圖2 : 老化測試識別出潛在的早期故障
圖2 : 老化測試識別出潛在的早期故障

由於存在這些不同之處,極少數的二極體雷射器將面臨「早期故障」的風險—在設備使用壽命的早期出現失效(圖2)。Lumentum使用老化程式來確定和消除具有早期故障的設備。在老化程式中出現故障的二極體雷射器將被報廢;那些通過這一程式考驗的產品被認定是可靠的。


這個老化程式必須仔細控制。如果老化條件不夠嚴格,存在故障的二極體雷射器可能會順利通過這一過程並被交付給客戶。然而,如果太苛刻,可能會對穩定的二極體雷射器造成潛在損壞,從而可能損害其性能或縮短其使用壽命。


晶圓製造和晶圓測試方面的豐富經驗,經過現場性能資料的驗證,並由專有的Lumentum晶片製造專業知識提供支援,使 Lumentum 能夠不斷改進和優化老化和其他生產過程,以實現成本和可靠性的最佳組合,滿足每個客戶的 要求。


合格二極體雷射器的批量供貨

對二極體雷射器供應商的另一個重要要求是保持高出貨量,以滿足消費電 子、汽車和其他市場中大客戶的需求。


事實上,Lumentum是全球少數幾個可以滿足大批 量採購商需求的垂直腔表面發射雷射器 (VCSEL) 或邊發射雷射器製造商之一。並且Lumentum 已經是多個終端產品市場的二極體雷射器批量供應商。


‧ Lumentum每年向遊戲機和其他消費電子產品領域交付數百萬支 3D感測雷射器。這些雷射器的工作波長為 800~950nm,功率輸出從最低200mW 到最高幾十瓦。


‧ 在電信和網路設備市場,Lumentum以每年超過 50 萬隻的交貨量向客戶提供 1W功率的單模雷射器(9xx nm,1400~1500 nm 波長)。


‧ 可用於多種應用、輸出功率高達200W的工業用雷射器,以每年高達5萬台的交貨量提供給客戶。


Lumentum從雷射晶片生產的悠久歷史和獨特的深度經驗中受益:其對製程非常瞭解,能夠從這些製程高度預測所獲得的產能。此外,Lumentum與多個光學晶片代工合作夥伴建立強大的合作夥伴關係,這種關係提供高度的保護,防止不可預測的地理、技術或財務事件限制某個地點生產活動的風險。


從市場領導者那裡採購產品的另一個優勢是選擇和靈活性:Lumentum提供了非常廣泛的雷射器產品。客戶可以評估不同類型的雷射器、最大額定功率和波長,並且可以輕鬆找到其規格與應用要求非常匹配的器件。


雷射整合經驗

廣泛的產品組合和整合專長使Lumentum能夠為系統設計人員提供更有效 的支援和指引。例如,一些應用的性能可以通過它們的信噪比(SNR)來衡量。改善 SNR的一種方法是使用窄譜帶通濾波器濾除背景太陽光,將雷射照射器的波長與~940 nm 的大氣衰減波長保持一致(圖3)。


在這樣的情形,Lumentum 可以對每種類型的雷射器的優點和缺點提出公正的對比建議。Lumentum 還可以提供配合其產品的光學系統設計支援。來自 Lumentum 的廣泛產品包括各種雷射器類型,包括垂直共振腔面射雷射(VCSEL)、分散式回饋(DFB)側面發射雷射器和法布里—珀羅腔面發射雷射器。使用 VCSEL或 DFB時能夠採用約25 nm頻寬的窄頻濾光器,因為它們伴隨溫度的波長偏移有限; 而法布里—珀羅器件通常需要與約 50 nm 的濾光器搭配使用,以配合其與 溫度有關的更大波長偏移。



圖3 : 使用具有窄頻寬的濾波器可以減少背景太陽光的干擾, 但同時需要窄頻寬雷射照射器從行業領導者處採購
圖3 : 使用具有窄頻寬的濾波器可以減少背景太陽光的干擾, 但同時需要窄頻寬雷射照射器從行業領導者處採購

這種選擇對外部光源抗擾性等因素的影響需要仔細考慮。通過利用 Lumentum提供的技術服務,客戶可以增加首次設計出有效產品的機會。


Lumentum的技術專長也擴展到人眼安全的重要問題上。光學系統元件與激光器本身規格共同決定了設計是否符合相關規定。


每個應用都有其獨特的特點,Lumentum瞭解影響人眼安全的權衡因素,包括波長、光功率、視野和與用戶的距離,以實現尺寸、成本和性 能之間的最佳平衡,並促使客戶努力遵守人眼安全規定。


(刊頭圖來源: erwinsoo / photo on flickr)


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