Достижения VCSEL: эффективность преобразования энергии VCSEL повышается до 45%

Перспективные разработки в технологии VCSEL, в том числе эффективность преобразования мощности, одномодовое излучение и конструкции, монтируемые по технологии флип-чип, могут стать важными факторами, позволяющими использовать 3D-датчики следующего поколения.
Джеральд Дальманн, Випул Бхатт и Санджай Партхасарати
За последние несколько лет достижения в области лазерных технологий, первоначально разработанные для оптической связи, в настоящее время используются в других крупных рыночных вертикалях, включая потребительскую электронику. Наследие поверхностно излучающих лазеров с вертикальным резонатором (VCSEL, the vertical-cavity surface-emitting laser) восходит к новаторской работе профессора Iga (1) в середине 1970-х годов, который впервые продемонстрировал структуру устройства, а затем Jack Jewell и его команды в Bell Laboratories, которые в конце 1980-х годов изготовили матрицу на один миллион VCSEL на одной подложке (2).
С тех пор VCSEL были приняты в значительном количестве важных применений, включая освещение для инфракрасной визуализации, тепловой нагрев и отверждение, оптические датчики, атомные часы, кислородные датчики, оптические сенсорные панели, компьютерные мыши, принтеры и системы мониторинга водителей в автомобилях. Они получили широкое распространение в системах оптической связи, а в последнее время и в трехмерном зондировании.
Среди различных новых приложений для VCSEL 3D-зондирование, несомненно, является одним из недавних коммерческих успехов, оказывающих большое влияние на отрасль. С появлением в смартфонах биометрии лица, 3D-зондирование и VCSEL стали частью нашей повседневной жизни. Многие из достижений, достигнутых в технологии VCSEL за последние пять лет, были вызваны спросом известных брендов в области бытовой электроники, которые интегрируют 3D-камеры в свои смартфоны и планшеты.
3D зондирование
В трехмерном зондировании используются два принципиально разных метода: триангуляция и время пролета (ToF, time-of-flight). Для триангуляции один метод, называемый структурированным светом, состоит из проецирования светового рисунка на сцену и восстановления в 3D искажений рисунка при измерении с несколько иной точки зрения. Для ToF для восстановления трехмерной сцены используется задержка по времени между исходящим световым импульсом и обнаружением результирующего обратного рассеяния.
На высоком уровне требования к VCSEL одинаковы для обоих методов. Более длинная длина волны 940 нм является предпочтительной по сравнению с более типичной длиной волны передачи данных 850 нм, которая может излучать видимое красное свечение. Со стороны детектора, работа на 940 нм предлагает лучший компромисс между квантовой эффективностью датчиков изображения CMOS и отношением сигнал / шум при наличии фонового солнечного света. И триангуляция, и ToF выигрывают от присущей VCSEL узкой спектральной ширины и низкочастотного дрейфа в зависимости от температуры. Оба метода также требуют высокой эффективности преобразования энергии, чтобы минимизировать потребление энергии и самонагрев.
Однако существуют важные различия между массивами VCSEL для систем на основе триангуляции и ToF. Для триангуляции измеренный сигнал находится в пространственной области, что обусловливает высокие требования к однородности массивов VCSEL и строгих параметров луча для отдельных излучателей VCSEL в каждом массиве. С другой стороны, для ToF измерение выполняется во временной области, что требует быстрого переключения и управления временной формой вывода массива VCSEL для генерации импульсов с коротким временем нарастания и спада.
Потребность в более высокой производительности в трехмерном зондировании вызовет различные требования к методам триангуляции и ToF. Перспективные разработки в технологии VCSEL, в том числе эффективность преобразования мощности, одномодовое излучение и конструкции, монтируемые по технологи флип-чип, могут стать важными факторами, позволяющими использовать 3D-датчики следующего поколения.
Эффективность преобразования энергии
Эффективность преобразования энергии является ключевым показателем для массивов VCSEL, используемых в мобильных устройствах, которые работают от батареи и для которых рассеивание избыточного тепла может быть большой проблемой. 3D-датчики следующего поколения будут иметь большее количество пикселей и больший диапазон и, следовательно, будут потреблять еще больше энергии. Недавно II-VI значительно повысил эффективность преобразования энергии VCSEL до 45% при рабочей температуре 50°C (см. Рис. 1). Продолжаются усилия по разработке с целью достижения эффективности преобразования мощности более 50%.
Одномодовые VCSEL предлагают преимущества для 3D визуализации ToF, так как их можно включать и выключать на очень высоких скоростях. Кроме того, одномодовые излучатели имеют профиль гауссового пучка и низкую расходимость, что обеспечивает более эффективную и более дешевую оптику на уровне сборки модуля. Для структурированных систем освещения более низкая расходимость приводит к меньшему размеру точек, что обеспечивает более высокое пространственное разрешение. II-VI стимулирует разработку одномодовых VCSEL для достижения уровней выходной мощности, которые сопоставимы с выходной мощностью современных многомодовых VCSEL.
VCSEL, монтируемые по технологии флип-чип, устраняют паразитную индуктивность в соединительных проводах, значительно увеличивая скорость VCSEL и сокращая время сборки.
Оптическая связь
В оптической связи VCSEL, работающие на 850 нм, позволяют использовать высокоскоростные приемопередатчики и активные оптические кабели для центров обработки данных и высокопроизводительных компьютеров. Эти VCSEL работают со скоростью до 56 Гбит / с (50G), что позволяет использовать различные приемопередатчики данных, такие как 200G-SR4 (4 полосы по 50 Гбит / с каждый), 400G-SR4.2 и 400G-SR8 (8 полос 50 Гбит / с каждый).
Для приложений передачи данных VCSEL предлагают несколько существенных преимуществ. Их круглая форма луча и низкий угол расходимости позволяют эффективно использовать для ввода в многомодовые волокна. Их структура вертикального резонатора такова, что лазерный луч излучается перпендикулярно плоскости пластины, что позволяет на уровне пластин проверять оптические характеристики каждого лазера и значительно повышает производительность собранных устройств и модулей. По сравнению с лазерами с краевым излучением, VCSEL имеют меньшие размеры, что обеспечивает более высокую скорость прямой модуляции. Совокупные преимущества низкой рассеиваемой мощности, высокой плотности и низкой стоимости — вот почему приемопередатчики на основе VCSEL остаются предпочтительной технологией для каналов обработки данных, охватывающих до 300 м, несмотря на постоянные инвестиции в альтернативные технологии, такие как кремниевая фотоника.
Что касается того, могут ли VCSEL разрешить следующую более высокую скорость 100 Гбит / с, ответ — да. В ноябре 2019 года рабочая группа IEEE 802.3 единодушно поддержала создание исследовательской группы для разработки задач для оптических межсоединений ближнего действия 100G, в основном предназначенных для приложений центра обработки данных (3). С помощью модуляции PAM4 можно повысить производительность VCSEL (см. Рис. 2) от 50 Гбит / с сегодня до 100 Гбит / с на линию (50 ГБод PAM4).
Ожидается, что оптические приемопередатчики на основе этих высокоскоростных VCSEL в сочетании с несколькими парами волокон или несколькими длинами волн на пару волокон будут обеспечивать растущие потребности в полосе пропускания центров обработки данных в обозримом будущем.
Массовое производство VCSEL
Преимущества VCSEL по сравнению с краевыми излучателями для приемопередатчиков передачи данных с малым радиусом действия непосредственно применимы к приложениям большого объема в бытовой электронике. Кроме того, VCSEL могут быть расположены в двумерных массивах для масштабирования выходной мощности, что приводит к увеличению размера матрицы. Сочетание больших объемов и больших размеров матриц, необходимых для 3D-зондирования VCSEL в приложениях для биометрической обработки лица, в последнее время привело к увеличению масштабов технологической платформы базового арсенида галлия (GaAs) II-VI с диаметров пластин от 100 мм до 150 мм.
В то же время тестирование VCSEL на уровне подложек позволило значительно улучшить однородность и качество продукции. Методы измерения были также разработаны специально для генерации данных, необходимых клиентам, которые должны гарантировать, что сборки VCSEL безопасны для глаз в приложениях конечных пользователей.
Поточный контроль качества VCSEL на современной производственной линии не заканчивается тестированием подложечных зондов. Как только подложки нарезаны кубиками, передняя и задняя стороны чипов подвергаются оптическому контролю на соответствие требованиям к качеству изготовления. Каждая партия пластин дополнительно проверяется с помощью строгого экологического стресс-теста, чтобы гарантировать, что VCSEL будут поддерживать высокий уровень надежности даже в самых сложных условиях конечного пользователя.
Благодаря 3D-зондированию, поставки II-VI излучателей VCSEL показали ежегодный прирост на 70% с 2017 года. Быстро растущий спрос был удовлетворен за счет использования вертикально интегрированной внутренней производственной базы на пяти современных предприятиях, включая четыре в США и один в Европе.
Выводы
За последние пять лет массовое внедрение VCSEL в мобильные телефоны и оптические каналы для центров обработки данных ускорило циклы инноваций и привело к значительному улучшению технологии. Каждое новое поколение VCSEL разработано так, чтобы оно было быстрее, эффективнее и надежнее предыдущего. Значительные инвестиции в инновации позволили увеличить технологическую платформу GaAs до 150 мм, что является современным уровнем техники. Следующие пять лет принесут еще больше инноваций, поскольку спрос на VCSEL будет еще больше расти, что обусловлено растущими потребностями в полосе пропускания для центров обработки данных, облачных вычислений и беспроводной связи 5G, а также внедрением трехмерного зондирования в захватывающих новых приложениях, таких как дополненная реальность.
Источник: https://www.laserfocusworld.com/

Tout sur Kamagra ici https://www.kamelef.com/kamagra-ou-viagra.html.

Поиск