Home » Marktnieuws » Halfgeleiderlasers: innovaties, toepassingen en richtingenYole voorspelt dat de VCSEL-markt zal groeien van 794 miljoen dollar in 2021 tot 1,74 miljard dollar in 2026.Sinds hun uitvinding in de jaren zestig hebben lasers toepassing gevonden in vrijwel elke sector, inclusief de industriële, wetenschappelijke, consumenten-, medische en defensiesector.Lasertechnologieën hebben zich verspreid samen met de traditionele en opkomende toepassingen die ze hebben overgenomen.Een greep uit de beschikbare technologieën omvat diode-, vezel-, diode-gepompte solid-state-, CO2- en excimeerlasers, en lasertoepassingen omvatten materiaalverwerking, optische communicatie, frontverlichting van auto's, medische chirurgie en 3D-detectie, om er maar een paar te noemen.Halfgeleiderlasers zijn kwantumgeneratoren op basis van een actief versterkingsmedium van eenkristal halfgeleidermateriaal.Optische versterking wordt gecreëerd via gestimuleerde emissie bij de overgang tussen kwantumenergieniveaus bij een hoge concentratie van vrije ladingsdragers in de geleidingsspleet.EE Times Europe nam contact op met analisten van Yole Développement voor inzicht in de belangrijkste halfgeleiderlasertechnologieën die worden ingezet voor 3D-detectie: edge-emitting lasers (EEL's) en vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSEL's).Hoogtepunten van onze uitwisselingen met Yole's Martin Vallo, technologie- en marktanalist, Solid-State Lighting, en Pierrick Boulay, senior technologie- en marktanalist, Solid-State Lighting, volgen.De EEL is een gevestigde technologie die al tientallen jaren in gebruik is.Licht wordt uitgezonden aan de randen van de halfgeleiderchip, die fungeren als holtespiegels, in een golfgeleiderstructuur evenwijdig aan het halfgeleideroppervlak.Er kan een aanzienlijke hoeveelheid versterking en een hoog uitgangsvermogen worden geproduceerd, met een relatief lang actief gebied van honderden micrometers tot enkele millimeters.Elektrisch gepompte EEL's zijn kleine en kosteneffectieve laseremissiebronnen die geschikt zijn voor een verscheidenheid aan toepassingen.In tegenstelling tot edge-emitting lasers, produceren VCSEL's licht loodrecht op het halfgeleideroppervlak.Twee gedistribueerde Bragg-spiegels met afwisselende lagen materiaal met een hoge en lage brekingsindex, met een dikte van een kwart van de lasergolflengte, vormen de verticale holte.Elektrisch gepompte kwantumputten of kwantumdots in het actieve gebied tussen de monolithisch geproduceerde halfgeleiderspiegels leveren winst op, wat resulteert in single-longitudinale modus.Omdat oxide-openingen zowel de stroom als het optische veld beperken, kan de VCSEL in de enkelvoudige transversale modus werken, waardoor het een kleine en efficiënte bron van laseremissie is met een hoge bundelkwaliteit.EE Times Europe: Waarom zijn VCSEL's zo geschikt voor 3D-detectie?Yole: Er kunnen verschillende infraroodlichtbronnen worden gebruikt voor detectie: LED's, randzenders en VCSEL's.LED's zijn volwassen, goedkope componenten en eenvoudig te vervaardigen.Meestal worden ze gebruikt voor 2D-detectie, zoals in een driver-monitoringsysteem.Aan de andere kant zijn edge-emitters en VCSEL's perfecte lichtbronnen voor 3D-detectie, en de keuze voor de ene of de andere bron zal voornamelijk afhangen van het uitgangsvermogen dat nodig is voor de toepassing.VCSEL's zijn bijzonder geschikt voor 3D-detectie in smartphones vanwege hun compacte formaat, het gemak van fabricage en het vermogen om pulssnelheden in de orde van nanoseconde te gebruiken, wat nodig is voor time-of-flight-toepassingen.Als gevolg hiervan voorspelt Yole dat de VCSEL-markt zal groeien van US $ 794 miljoen in 2021 tot US $ 1.742 miljoen in 2026.EE Times Europe: Wat zijn de uitdagingen voor VCSEL's?Yole: De belangrijkste uitdagingen hebben te maken met de productie, het uitgangsvermogen en de golflengten waarop kan worden getarget.Het productieproces voor VCSEL's is vrij complex en elke stap van de epi-wafer tot de verpakking is van cruciaal belang.Epitaxiale groei is cruciaal, omdat het de uiteindelijke productieopbrengst zal bepalen.De beste VCSEL-fabrikanten kunnen opbrengsten behalen van 65% tot 70%, wat relatief laag is in vergelijking met opbrengsten voor sommige andere componenten.Het uitgangsvermogen van VCSEL's is beperkt, maar recentelijk heeft het gebruik van multi-junction VCSEL's die meerdere actieve regio's insluiten een efficiëntieverbetering van 30% laten zien.VCSEL's worden voornamelijk vervaardigd op galliumarsenide, [wat apparaten oplevert die] uitzenden bij golflengten van 850 nm tot 940 nm.Voor langere golflengten, in het bereik van 1,3 of 1,5 µm, moet indiumfosfidemateriaal worden gebruikt, maar de fabricage is veel complexer voor op InP gebaseerde VSCEL's dan voor GaAs.Zichtbare VCSEL's op basis van galliumnitride zijn ook in opkomst, gepusht door spelers als Sony.[De op GaN gebaseerde VCSEL's] kunnen worden gebruikt in displays voor augmented-reality-toepassingen.EE Times Europe: Wat zijn de uitdagingen op het gebied van ontwerp, materiaal en verpakking voor verschillende toepassingen?Yole: Halfgeleiderlasers, zowel EEL's als VCSEL's, profiteren van hun kleine formaat, lichtgewicht, hoge betrouwbaarheid en eenvoudige modulatie.Ze zijn de laatste jaren steeds populairder geworden voor nieuwe toepassingen.Over het algemeen zien we uitdagingen die worden gedreven door veranderingen om lagere kosten, langere levensduur, hoger vermogen, betere efficiëntie en [hogere] betrouwbaarheid mogelijk te maken.Die activiteit heeft natuurlijk invloed op de materiaalkeuze en het type diode, maar ook op het pakket.De uitdagingen die gepaard gaan met high-power laserdiodes [HPLD's] verschillen echter van die voor low-power lasers voor detectie en optische communicatie.Met de vooruitgang van HPLD-technologie blijft verpakking een van de knelpunten die het uitgangsvermogen, [hoge] helderheid, [smal] spectrum en andere beïnvloeden.Een te grote toename van het uitgangsvermogen kan ongewenste effecten veroorzaken, zoals catastrofale optische spiegelbeschadiging of thermische rollover, wanneer meer warmte wordt gegenereerd dan wordt afgevoerd door het laserapparaat.Er zijn nieuwe, geavanceerde verpakkingsbenaderingen ontwikkeld om het thermisch beheer voor verschillende ontwerpen, zoals enkele emitters, staven en stapels, te verbeteren.Met een toenemend aantal emitters wordt het optische ontwerp complexer, wat een negatief effect heeft op de kosten van de micro-optiek en de voetafdruk van de module.De andere uitdaging van HPLD is hoe je het licht gemakkelijker op een kleine plek kunt richten.Een laserbron met een hogere helderheid kan een grotere vermogensdichtheid op het beoogde oppervlak leveren, maar het bereiken van een hoge helderheid door optisch ontwerp, met bundelcombinatie- en optische koppelingsprocessen, is een uitdaging.De straalvormende componenten moeten kunnen werken met het hoge vermogen dat nodig is om de elektrische stroom die door het systeem kan gaan te verwerken, zonder schade aan de componenten te veroorzaken.De spectrale verbreding van laserarrays is het resultaat van niet-uniforme emitterende golflengten van individuele emitters.De spectrale breedte is een van de belangrijkste specificaties van laserbars;het is van cruciaal belang om de spectrale prestaties te beheersen om de productieopbrengst te verbeteren en daardoor de kosten te verlagen en het concurrentievermogen te vergroten.Het blijft een uitdaging om temperatuur- en spanningsuniformiteit over de laserbalk te bereiken, waardoor thermische en spanningseffecten worden geëlimineerd.De toenemende prestaties van energiezuinige laserassemblages leiden tot veel energieverslindende oplossingen.Dit is een onhoudbare trend, met name voor datacom-interconnecties en computertoepassingen, evenals voor LiDAR die in toekomstige autonome elektrische voertuigen wordt gebruikt.Daarom zien we een grote vraag naar dichte integratie van fotonica met elektronica.Geïntegreerde opto-elektronica met behulp van III-V samengestelde halfgeleidertechnologie op goedkope siliciumsubstraten heeft opwindende mogelijkheden laten zien.Een belangrijke drijfveer voor het gebruik van silicium voor fotonica zijn de voordelen van opschaling tot 300 mm wafer-CMOS-processen;dit verlaagt de kosten aanzienlijk - tot wel 60%.Een ander voordeel is de verliesarme siliciumgolfgeleiders die verschillende fotonische elementen verbinden, waaronder lasers, modulatoren, fotodetectoren en andere passieve apparaten.Verbeteringen in de opbrengst van op siliciumfotonica gebaseerde apparaten in combinatie met de toepassingsgestuurde vereisten maken de integratie van een groter aantal apparaten op een enkel siliciumfotonisch geïntegreerd circuit [PIC] mogelijk.We verwachten dat heterogene integratie [direct wafer bonding] de komende jaren de voorkeur zal hebben.EE Times Europe: Hoe zullen lasers bijdragen aan de verbetering van AI- en ML-toepassingen?Yole: toepassingen voor kunstmatige intelligentie en machine learning gebruiken voornamelijk siliciumchips in diepe neurale netwerken.AI-chips [ook wel AI-accelerators genoemd] zijn speciaal ontworpen accelerators voor toepassingen op basis van kunstmatige neurale netwerken [ANNs].De meeste commerciële ANN-applicaties zijn deep learning-applicaties.De belangrijkste systeemtrends in datacenters zijn desaggregatie, opschaling, heterogene versnelling en de convergentie van high-performance computing [HPC] en de cloud.Het doel is om technologieën op de markt te brengen die kunnen bijdragen aan het bouwen van efficiëntere systemen voor workloads in HPC- en AI-training/inferentie.Naarmate HPC naar de cloud gaat, hebben de systemen een communicatiestructuur met lage latentie en hoge bandbreedte nodig voor AI-versnellers.Geïntegreerde lasers zullen dienen voor optische onderlinge verbinding van HPC- en AI/ML-workloads.Deze oplossing is erg nieuw en bevindt zich nog in R&D.EE Times Europe: Denkt u dat de markt voor lasermateriaalverwerking een potentieel groeigebied is?Yole: De lasergebaseerde markt voor materiaalverwerking is een traditionele lasermarkt.De verwerking van lasermaterialen wordt al meer dan vier decennia gebruikt en speelt een cruciale rol in de moderne productie en de economie.Terwijl lasersnij-, las-, markeer- en boorprocessen volwassen zijn en een brede industriële acceptatie hebben bereikt, hebben nieuwe ontwikkelingen in de afgelopen jaren in additive manufacturing en micro/nanofabricage nieuwe mogelijkheden mogelijk gemaakt die lasers kunnen bieden aan de maakindustrie.Lasergebaseerde systemen winnen steeds meer marktaandeel binnen de materiaalverwerkingsmarkt vanwege de grotere precisie, verwerkingssnelheden en flexibiliteit die deze technologie mogelijk maakt.EEL's voor de verwerking van kilowattmateriaal zullen naar verwachting groeien van 409 miljoen dollar in 2020 tot 468 miljoen dollar in 2026 met een samengesteld jaarlijks groeipercentage voor de periode van 2%.Deze gematigde groei zal worden aangedreven door nieuwe toepassingen en de trend van geautomatiseerde productie.EE Times Europe: Welke toekomstige innovaties ziet u voor edge-emitting lasers?Yole: Het is belangrijk om te benadrukken dat edge-emitters een kerntechnologie vormen van meerdere lasersystemen die gericht zijn op veel eindmarkten.Over het algemeen wordt edge-emitter-technologie aangedreven door de eisen van meerdere lasertoepassingen aan intrinsieke laserdiodeparameters voor verschillende eindmarkten.Zo groeit het verkeer in datacenters exponentieel.Daarom is het voor optische communicatie essentieel om de bandbreedte en snelheid van de optische modules op alle niveaus van DC-infrastructuur te vergroten en tegelijkertijd de footprint en het stroomverbruik te verminderen.In termen van discrete laserdiodes komen innovaties voort uit het DFB [distributed-feedback] laserontwerp door de multi-quantumbron van EA [elektro-absorptie] modulatoren voor snelle operaties te verbeteren en de inductantie van de draden te verminderen door korte draden te verbinden voor hoge bandbreedte.Toekomstige innovaties zullen waarschijnlijk resulteren in de integratie van PIC's, ook wel siliciumfotonica genoemd.Door complexe elektro-optische circuits op een enkele siliciumchip te integreren, kunnen nieuwe vormfactoren worden gecreëerd terwijl de bandbreedte en afstand worden vergroot, waardoor de energie-efficiëntie en dichtheid aanzienlijk worden verbeterd op manieren die eenvoudigweg nooit zouden kunnen worden aangepakt met discrete apparaten.EE Times Europe: Wat zijn de trends in high-power lasertoepassingen?Yole: Momenteel zien we meer dynamiek in additive manufacturing, halfgeleiderproductie en medische toepassingen, vooral in dermatologie en chirurgie.De additieve maakindustrie maakt buitengewone tijden door.3D-printen maakt digitale toeleveringsketens mogelijk en vestigt zich als een levensvatbare technologie voor on-demand productie.In de consumentenelektronica wordt lasermicrobewerking veel gebruikt voor de productie van grote hoeveelheden halfgeleiders om de gewenste precisie, kwaliteit, doorvoer en kosten per bewerkt onderdeel te bereiken.Voor apparaten zoals smartphones, tablets en wearables wordt lasermicrobewerking gebruikt bij de fabricage van halfgeleiderchips en hun verpakking, elektronische componenten en de schakelingen die deze componenten in de vorm van PCB's verbinden.De fabricage van touchscreen-displays met hoge resolutie is ook afhankelijk van veel laser-microbewerkingsprocessen.De cameravensters, de sensoren en zelfs de externe behuizing maken gebruik van lasermicrobewerking om de vereiste machinale resultaten te bereiken.Lasers voor medische toepassingen weerspiegelen recent onderzoek naar de principes, technologieën en toepassingen van de laser in diagnostiek, therapie en chirurgie.Een grote verscheidenheid aan lasers is geschikt voor medische toepassingen, afhankelijk van factoren als de optische golflengte, het uitgangsvermogen en het vereiste pulsformaat.In veel gevallen wordt de lasergolflengte zo gekozen dat bepaalde specifieke stoffen, zoals pigmenten in tatoeages of cariës in tanden, licht sterker zullen absorberen dan het omringende weefsel, zodat ze nauwkeuriger kunnen worden gericht.Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op EE Times.Maurizio Di Paolo Emilio heeft een Ph.D.in natuurkunde en is een telecommunicatie-ingenieur en journalist.Hij heeft meegewerkt aan verschillende internationale projecten op het gebied van zwaartekrachtsgolfonderzoek.Hij werkt samen met onderzoeksinstellingen om data-acquisitie- en controlesystemen voor ruimtetoepassingen te ontwerpen.Hij is de auteur van verschillende boeken uitgegeven door Springer, evenals talrijke wetenschappelijke en technische publicaties over elektronica-ontwerp.U moet zich registreren of inloggen om een ​​reactie te plaatsen.