新興光子應用

 

光子被認為是3D傳感、自動(dòng)駕駛車(chē)輛和光互連等新興技術(shù)的重要賦能者。正如電子一直是設計機器“大腦”的支柱一樣，光子將“視覺(jué)”賦予未來(lái)機器，激光將是這些光子的來(lái)源。

 

3D傳感

 

隨著(zhù)智能手機越來(lái)越多用于計算，手機上保留的個(gè)人信息也日益增多，這就需要嚴格的安全設置，而不僅限基于指紋識別和二維虹膜掃描的身份驗證。繼蘋(píng)果公司2017年在iPhone X中推出人臉識別功能后，垂直腔面發(fā)射激光器 （VCSEL）近年來(lái)在消費市場(chǎng)上引起了相當大的關(guān)注。VCSEL將數以萬(wàn)計的激光束照射在用戶(hù)的臉上，然后收集這些激光束，生成面部的3D 深度圖，為該用戶(hù)創(chuàng )建獨特的識別圖像（圖 2）。

 

圖 2. VCSEL 是用于設備人臉識別技術(shù)的基礎

 

一家領(lǐng)先的消費產(chǎn)品制造商的最新產(chǎn)品擴展了這一技術(shù)，采用了飛行時(shí)間激光傳感器，利用 VCSEL對幾米外的場(chǎng)景進(jìn)行閃光，借助深度信息創(chuàng )建該空間的3D 圖像。例如，現在能以虛擬形式將家具或藝術(shù)品放置在一個(gè)空間中，以便在購買(mǎi)前查看使用效果。為了眼睛的安全，如今的技術(shù)在波長(cháng)范圍上是受限的，但我們可以預期未來(lái)會(huì )發(fā)展到更長(cháng)的波長(cháng)，并適用于更多的設備，包括智能手機。

 

光互連

 

傳統形式的數據中心消耗了當今世界2%以上的電力，而全球數據流量預計每四年就會(huì )翻一番。未來(lái)，使用電子分組交換機在機架之間進(jìn)行數據傳輸將無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足帶寬和能耗的要求。數據中心業(yè)務(wù)模式向云計算轉變，未來(lái)幾年將涉及更大量的數據處理和傳輸（圖 3）。

 

圖 3. 云計算將加劇數據中心能耗的挑戰

 

目前正在開(kāi)發(fā)基于硅光子和磷化銦光子集成電路（PIC）的光互連技術(shù)，以應對數據中心面臨的這些挑戰。100GbE的收發(fā)器模塊已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)，并在穩步推向400GbE和更高的水平。與常規的電子相比，硅光子能夠實(shí)現更快、更遠距離的數據傳輸，同時(shí)還可以利用上半導體激光器以及大批量硅制造的效率。

 

激光雷達

 

汽車(chē)行業(yè)除了電氣化之外，下一個(gè)大的范式轉變就是自動(dòng)駕駛。今天的三級自動(dòng)駕駛，需要高度精密的照明、檢測、感知和決策系統無(wú)縫協(xié)同工作（圖 4）。激光雷達的高分辨率、3D成像能力和超過(guò)200米的可探測范圍，與基于雷達或攝像頭的解決方案形成鮮明區別，已被廣泛認為是自動(dòng)駕駛的最佳解決方案。

 

圖 4. 自動(dòng)駕駛汽車(chē)的安全運行需要許多不同系統的無(wú)縫協(xié)作。

 

激光雷達有905nm和1550nm兩種頻率選擇。其中905nm是首選，因其具備完善的激光器和光探測器生態(tài)系統。不過(guò)，由于1550nm的范圍更廣，而且眼睛的安全極限是905nm的40倍，因此業(yè)界正在對其積極研究。當前正在評估的光束轉向技術(shù)，包括機械旋轉、MEMS和光學(xué)相控陣。機械旋轉在可靠性方面存在很大的問(wèn)題，而基于MEMS的光束轉向技術(shù)近來(lái)作為三級先進(jìn)駕駛輔助系統（ADAS）的選件出現在多款汽車(chē)上，但在射程和視野上有限制。用于光束轉向的固態(tài)光學(xué)相控陣處于早期開(kāi)發(fā)階段，其在性能、成本和外形尺寸方面具有不錯的前景，除了自動(dòng)駕駛之外，還可被應用在更多方面。為了滿(mǎn)足激光雷達系統在成本和性能上的要求，需要在大批量制造中運用異構集成或共同封裝激光器、探測器和光束轉向芯片。如今，基于MEMS的激光雷達技術(shù)在滿(mǎn)足這些工業(yè)要求方面展現出喜人的前景。

 

MicroLED

 

除了在電視、智能手機和智能手表等現有設備中實(shí)現更高的分辨率外，microLED技術(shù)還可能用于打造令人興奮的新產(chǎn)品，如圖5 所示的增強現實(shí)/虛擬現實(shí)（AR/VR）產(chǎn)品。這些新的應用需要自發(fā)光的紅綠藍（RGB）顯示，而不是色彩轉換或過(guò)濾。這里涉及的挑戰是實(shí)現 RGB microLED 裸片所需的量子效率，將 microLED經(jīng)濟高效地巨量轉移到背板上，以及測試每個(gè)單獨的 microLED。創(chuàng )新的器件設計、外延生長(cháng)優(yōu)化、襯底工程、裸片轉印方法和新的背板架構正在研究和開(kāi)發(fā)中，以使 microLED 技術(shù)可與現有的液晶顯示器（LCD）及有機發(fā)光二極管（OLED）技術(shù)相競爭。

 

圖 5. AR/VR 應用是受益于 MicroLED 技術(shù)的消費產(chǎn)品之一

 

器件技術(shù)

 

實(shí)現這些新興光子應用的關(guān)鍵器件技術(shù)是基于砷化鎵和磷化銦的激光器、硅和砷化鎵銦（InGaAs）光電探測器、MEMS器件、氮化鎵和砷化鎵LED、硅和氮化硅（SiN）波導以及光學(xué)調制器。對于3D傳感應用，砷化鎵激光器件正從100mm的襯底轉向150mm的襯底。用于高亮度應用的砷化鎵和氮化鎵 LED分別在150mm砷化鎵襯底和藍寶石襯底上投產(chǎn)。不過(guò)，在某些應用中，microLED的應用正在推動(dòng)對硅襯底上RGB LED的需求。磷化銦激光二極管是在75mm和100mm 磷化銦襯底上生產(chǎn)的?；衔锇雽w器件通常在批量反應器中進(jìn)行加工，但制造重點(diǎn)越來(lái)越多地放在提高良率和晶圓內均勻性以及增強工藝控制上，這相應地推動(dòng)了向單晶圓加工設備的過(guò)渡。

 

目前，用于光束轉向技術(shù)的MEMS器件依賴(lài)于200mm硅MEMS生產(chǎn)線(xiàn)。硅光子技術(shù)主要在200mm絕緣體上硅（SOI）平臺上運行，并不斷推動(dòng)向300mm晶圓過(guò)渡，以解決200mm 光刻和刻蝕等設備的技術(shù)限制。具有高電光系數的薄膜技術(shù)一直在研究之中，以擴展光互連的速度和帶寬包絡(luò )。

 

上述光子應用預計在未來(lái)5-10年內實(shí)現巨大的增長(cháng)。3D 傳感、激光雷達、光互連和AR/VR顯示，這四大關(guān)鍵應用的市場(chǎng)規模預計將以31%的復合年增長(cháng)率，從2020年的80億美元增長(cháng)到2025年的233億美元（圖 6）。3D 傳感技術(shù)正在尋求新的應用，而激光雷達和AR/VR顯示器還處于早期發(fā)展階段，預計將以更高的復合年增長(cháng)率增長(cháng)。光電子應用的增長(cháng)將需要解決器件技術(shù)在性能、制造和系統集成方面的挑戰。如今，各種力量正在推動(dòng)對新工藝設備的需求，這些設備不僅要能解決器件性能上的難題，還能實(shí)現卓越的工藝控制，提高整體制造良率。

 

圖 6. 新興的光子應用將實(shí)現巨大增長(cháng)（資料來(lái)源：Yole Développement 報告）

（來(lái)源：應用材料公司，作者：Shiva Rai，光子和射頻應用戰略營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理）