新興光子應用

 

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

 

3D傳感

 

suizhezhinengshoujiyuelaiyueduoyongyujisuan，shoujishangbaoliudegerenxinxiyeriyizengduo，zhejiuxuyaoyangedeanquanshezhi，erbujinxianjiyuzhiwenshibieheerweihongmosaomiaodeshenfenyanzheng。jipingguogongsi2017年在iPhone X中推出人臉識別功能後
，垂直腔麵發射激光器 （VCSEL）近年來在消費市場上引起了相當大的關注。VCSEL將數以萬計的激光束照射在用戶的臉上，然後收集這些激光束，生成麵部的3D 深度圖，為該用戶創建獨特的識別圖像（圖 2）。

 

圖 2. VCSEL 是用於設備人臉識別技術的基礎

 

一家領先的消費產品製造商的最新產品擴展了這一技術
，采用了飛行時間激光傳感器
，利用 VCSEL對幾米外的場景進行閃光
，借助深度信息創建該空間的3D 圖tu像xiang。例li如ru，現xian在zai能neng以yi虛xu擬ni形xing式shi將jiang家jia具ju或huo藝yi術shu品pin放fang置zhi在zai一yi個ge空kong間jian中zhong，以yi便bian在zai購gou買mai前qian查zha看kan使shi用yong效xiao果guo。為wei了le眼yan睛jing的de安an全quan
，如ru今jin的de技ji術shu在zai波bo長chang範fan圍wei上shang是shi受shou限xian的de
，但dan我wo們men可ke以yi預yu期qi未wei來lai會hui發fa展zhan到dao更geng長chang的de波bo長chang，並bing適shi用yong於yu更geng多duo的de設she備bei，包bao括kuo智zhi能neng手shou機ji。

 

光互連

 

傳統形式的數據中心消耗了當今世界2%以yi上shang的de電dian力li
，而er全quan球qiu數shu據ju流liu量liang預yu計ji每mei四si年nian就jiu會hui翻fan一yi番fan。未wei來lai，使shi用yong電dian子zi分fen組zu交jiao換huan機ji在zai機ji架jia之zhi間jian進jin行xing數shu據ju傳chuan輸shu將jiang無wu法fa同tong時shi滿man足zu帶dai寬kuan和he能neng耗hao的de要yao求qiu。數shu據ju中zhong心xin業ye務wu模mo式shi向xiang雲yun計ji算suan轉zhuan變bian，未wei來lai幾ji年nian將jiang涉she及ji更geng大da量liang的de數shu據ju處chu理li和he傳chuan輸shu（圖 3）。

 

圖 3. 雲計算將加劇數據中心能耗的挑戰

 

目前正在開發基於矽光子和磷化銦光子集成電路（PIC）的光互連技術，以應對數據中心麵臨的這些挑戰。100GbE的收發器模塊已經進入市場，並在穩步推向400GbE和更高的水平。與常規的電子相比，矽光子能夠實現更快
、更遠距離的數據傳輸，同時還可以利用上半導體激光器以及大批量矽製造的效率。

 

激光雷達

 

汽車行業除了電氣化之外，下一個大的範式轉變就是自動駕駛。今天的三級自動駕駛，需要高度精密的照明、檢測、感知和決策係統無縫協同工作（圖 4）。激光雷達的高分辨率、3D成像能力和超過200米的可探測範圍，與基於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駕駛的最佳解決方案。

 

圖 4. 自動駕駛汽車的安全運行需要許多不同係統的無縫協作。

 

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係統。不過，由於1550nm的範圍更廣，而且眼睛的安全極限是905nm的40倍，因此業界正在對其積極研究。當前正在評估的光束轉向技術，包括機械旋轉、MEMS和光學相控陣。機械旋轉在可靠性方麵存在很大的問題
，而基於MEMS的光束轉向技術近來作為三級先進駕駛輔助係統（ADAS）的選件出現在多款汽車上
，但在射程和視野上有限製。用於光束轉向的固態光學相控陣處於早期開發階段，其在性能、成cheng本ben和he外wai形xing尺chi寸cun方fang麵mian具ju有you不bu錯cuo的de前qian景jing，除chu了le自zi動dong駕jia駛shi之zhi外wai，還hai可ke被bei應ying用yong在zai更geng多duo方fang麵mian。為wei了le滿man足zu激ji光guang雷lei達da係xi統tong在zai成cheng本ben和he性xing能neng上shang的de要yao求qiu，需xu要yao在zai大da批pi量liang製zhi造zao中zhong運yun用yong異yi構gou集ji成cheng或huo共gong同tong封feng裝zhuang激ji光guang器qi
、探測器和光束轉向芯片。如今，基於MEMS的激光雷達技術在滿足這些工業要求方麵展現出喜人的前景。

 

MicroLED

 

除了在電視、智能手機和智能手表等現有設備中實現更高的分辨率外
，microLED技術還可能用於打造令人興奮的新產品，如圖5 所示的增強現實/虛擬現實（AR/VR）產品。這些新的應用需要自發光的紅綠藍（RGB）顯示，而不是色彩轉換或過濾。這裏涉及的挑戰是實現 RGB microLED 裸片所需的量子效率，將 microLED經濟高效地巨量轉移到背板上，以及測試每個單獨的 microLED。創新的器件設計

、外延生長優化、襯底工程、裸片轉印方法和新的背板架構正在研究和開發中
，以使 microLED 技術可與現有的液晶顯示器（LCD）及有機發光二極管（OLED）技術相競爭。

 

圖 5. AR/VR 應用是受益於 MicroLED 技術的消費產品之一

 

器件技術

 

實現這些新興光子應用的關鍵器件技術是基於砷化镓和磷化銦的激光器
、矽和砷化镓銦（InGaAs）光電探測器
、MEMS器件、氮化镓和砷化镓LED
、矽和氮化矽（SiN）波導以及光學調製器。對於3D傳感應用，砷化镓激光器件正從100mm的襯底轉向150mm的襯底。用於高亮度應用的砷化镓和氮化镓 LED分別在150mm砷化镓襯底和藍寶石襯底上投產。不過

，在某些應用中
，microLED的應用正在推動對矽襯底上RGB LED的需求。磷化銦激光二極管是在75mm和100mm linhuayinchendishangshengchande。huahewubandaotiqijiantongchangzaipiliangfanyingqizhongjinxingjiagong，danzhizaozhongdianyuelaiyueduodifangzaitigaolianglvhejingyuanneijunyunxingyijizengqianggongyikongzhishang，zhexiangyingdituidonglexiangdanjingyuanjiagongshebeideguodu。

 

目前
，用於光束轉向技術的MEMS器件依賴於200mm矽MEMS生產線。矽光子技術主要在200mm絕緣體上矽（SOI）平台上運行，並不斷推動向300mm晶圓過渡
，以解決200mm 光刻和刻蝕等設備的技術限製。具有高電光係數的薄膜技術一直在研究之中，以擴展光互連的速度和帶寬包絡。

 

上述光子應用預計在未來5-10年內實現巨大的增長。3D 傳感、激光雷達、光互連和AR/VR顯示，這四大關鍵應用的市場規模預計將以31%的複合年增長率，從2020年的80億美元增長到2025年的233億美元（圖 6）。3D 傳感技術正在尋求新的應用，而激光雷達和AR/VR顯示器還處於早期發展階段，預計將以更高的複合年增長率增長。光電子應用的增長將需要解決器件技術在性能、製(zhi)造(zao)和(he)係(xi)統(tong)集(ji)成(cheng)方(fang)麵(mian)的(de)挑(tiao)戰(zhan)。如(ru)今(jin)，各(ge)種(zhong)力(li)量(liang)正(zheng)在(zai)推(tui)動(dong)對(dui)新(xin)工(gong)藝(yi)設(she)備(bei)的(de)需(xu)求(qiu)，這(zhe)些(xie)設(she)備(bei)不(bu)僅(jin)要(yao)能(neng)解(jie)決(jue)器(qi)件(jian)性(xing)能(neng)上(shang)的(de)難(nan)題(ti)，還(hai)能(neng)實(shi)現(xian)卓(zhuo)越(yue)的(de)工(gong)藝(yi)控(kong)製(zhi)，提(ti)高(gao)整(zheng)體(ti)製(zhi)造(zao)良(liang)率(lv)。

 

圖 6. 新興的光子應用將實現巨大增長（資料來源：Yole Développement 報告）

（來源：應用材料公司，作者：Shiva Rai，光子和射頻應用戰略營銷經理）