VCSEL выделяются своим размером, надежностью, масштабируемостью и экономичностью. Большой охват отраслей и  растущий потенциал, неудивительно, что рынок  VCSEL достигнет  $ 3,1 млрд за четыре года.

Рисунок 1. Чип VCSEL компании II-VI Laser Enterprise

VCSEL  – лазеры поверхностного излучения с вертикальным резонатором.

Согласно последним прогнозам исследовательской фирмы Markets and Markets, к 2022 году рынок VCSEL достигнет 3,1 млрд. долл. США, увеличившись при совокупном ежегодном темпе роста (CAGR) на 17,3% от его оценки в 2015 году.

Автор rusnano.com

Автоматизированная индустрия является одним из основных факторов роста рынка, однако в области передачи данных лазерные источники VCSEL используются давно. Оптические приемопередатчики используют лазеры для передачи информации по многомодовому волокну. Эти трансиверы позволяют сетевому оборудованию и серверам общаться на расстоянии до 300 м в центрах обработки данных. В данном случае VCSEL является
высокоэффективной технологией благодаря своим компактным размерам, надежности, стабильности и низкой цене. Это делает их идеальными для использования в таких областях, как:

• высокоскоростные коммуникации
• бесконтактное считывание
• интеграция микросхем
• распознавание жестов.

Не так давно консорциум исследовательской группы объединил VCSEL с кремниевой фотоникой для разработки длинноволновых телекоммуникационных устройств высокой производительности. Группа, координируемая Politecnico di Milano, считает, что источник света обещает оставить большой след в волоконно-оптических коммуникациях за счет повышения эффективности и увеличения скорости передачи данных. Для этого был предоставлен грант в размере 7 535 747 евро из Европейской комиссии в рамках программы финансирования H2020, а также профинансирован в рамках Партнерства Photonics Public Private для работы с VCSEL.

Страсть к VCSEL

«В настоящее время слово « VCSEL»  находится на слуху. Устройство имеет ряд преимуществ: низкий уровень рабочего тока, высокая эффективность преобразования энергии света и высокая направленность»

Группа, известная как Консорциум PASSION, стремится использовать вышеупомянутые преимущества VCSEL, координатор проекта, пояснил: «В настоящее время слово «VCSEL»  находится на слуху. Устройство имеет ряд преимуществ: низкий уровень рабочего тока, высокая эффективность преобразования энергии света и высокая направленность. Это делает их идеальными для передачи огромного количества данных недорогим и энергосберегающим способом. PASSION разрабатывает новые решения для передачи, обнаружения и маршрутизации, а также совершенствует сетевую архитектуру, основанную на инновационных лазерных источниках. Эти решения обеспечат скорость передачи более 100 Тбит/с на канал и коммутационную емкость более 1 Пб/с на узел ».

Первой компанией, которая выделила достоинства VCSEL, является Finisar – поставщик оптических компонентов и подсистем. Фирма настолько была убеждена в потенциале лазерного диода, что стала крупнейшим клиентом Honeywell – компании, претендующей на производство первого коммерческого продукта VCSEL в 1996 году.

Крейг Томпсон, вице-президент по маркетингу 3D-зондирования в Finisar, пояснил: «Поскольку мы являемся крупнейшим поставщиком многомодовых трансиверов, по умолчанию мы стали одним из крупнейших производителей VCSEL. После того, как стало понятно, что важности технологии VCSEL мы в конечном итоге приняли решение купить это подразделение Honeywell.» Группа Honeywell VCSEL была приобретена Finisar в марте 2004 года.

Это имеет смысл

Объект Honeywell стал местом изготовления оптических компонентов компании Finisar в Аллене, штат Техас, к северу от Далласа, и он по-прежнему работает сегодня. «На самом деле, – сказал Томпсон, – за последние пару лет он существенно расширился, в основном за интерес к технологии VCSEL для приложений 3D-зондирования в бытовой электронике и автоматизации». Завод также является производственной базой для VCSEL, используемых в коммуникационных приложениях, и за последние годы компания увеличила свои мощности на этом участке, чтобы достичь высокого спроса на  рынке. «Этот объект максимально укомплектован, – признался Томпсон. «Я не думаю, что на данный момент мы могли бы разместить здесь еще технику. Мы долго думали, что нам нужно расшириться ».

Планируемое расширение началось в конце прошлого года после того, как компания Apple выделила  Finisar $ 390 млн долларов в рамках обязательства поддержать инновации и создать рабочие места для американцев. Компания Finisar открыла новый завод в Шерман, штат Техас, чтобы увеличить производственные мощности своих VCSEL и связанных с ними технологиями 3D зондирования – официальное открытие состоялось 9 июля.

Всеохватывающий

Новый завод позволяет принимать во внимание каждый аспект производства VCSEL. «Мы выращиваем наши собственные кристаллы, изготавливаем лазерные устройства, проводим окончательные испытания и отправляем продукцию заказчикам, – сказал Томпсон. «Это довольно уникально, особенно в этом масштабе. Другие компании должны полагаться на литейные цеха, чтобы достичь такого масштаба, и ни один литейный завод не может сделать все это. Мы имеем уникальную возможность выпускать достаточно VCSEL для удовлетворения потребительского спроса».

Также имеется еще один источник инвестирования для увеличения производства VCSEL – это проектируемые материалы и изготовитель оптоэлектронных компонентов II-VI, который прошлым летом приобрел завод в Великобритании. Среди стратегических причин приобретения была возможность добавить мощности к возможностям производства VCSEL. Мишель Агрести, руководитель линейки продуктов VCSEL в II-VI, показала, что компания также разрабатывает VCSEL для 400G трансиверов и внимательно отслеживает тенденции многоволновых трансиверов, которые объединяют стандартные 850нм VCSEL с другими излучателями в диапазоне 900 нм.

Агрести не удивлена, что отраслевые отчеты прогнозируют рост технологии VCSEL. «Мы видим широкий спектр отраслей, использующих облако (хранилище), чтобы стимулировать цифровую экономику, поскольку широкополосная связь и скорость продолжают увеличиваться, а личные устройства расширяют цифровые возможности для потребителей», – пояснила она. «Каждое из этих взаимодействий «от человека к машине » генерирует множественные коммуникации между машинами в инфраструктуре облака, что приводит к быстрому росту трафика в гипермасштабируемых центрах обработки данных».

Какая альтернатива?

«..в производстве VCSEL могут быть протестированы на пластине.  Высокоэффективный и автоматизированный процесс, который проверяет работоспособность устройства и, следовательно, улучшает выход на уровне сборки компонентов».

Преимущества VCSEL по сравнению с некоторыми альтернативными технологиями, как на стадии производства, так и в дальнейшем по цепочке поставок, возможно, играют большую роль в их истории успеха. «В VCSEL лазерный резонатор перпендикулярен плоскости пластины», – сказала она. «В EEL [edge-emitting lasers] лазерный резонатор находится в плоскости пластины. Поэтому при изготовлении VCSEL могут быть протестированы на пластине. Это является высокоэффективным и автоматизированным процессом, который проверяет работоспособность устройства и, следовательно, улучшает выход на уровне сборки компонентов. Небольшие размеры VCSEL по сравнению с EEL дополнительно увеличивают количество чипов на пластине и снижают себестоимость продукции. В 1990-х годах для трансиверов использовались светодиоды, излучающие в сотнях мегабит/с, но были заменены на VCSEL, поскольку скорость передачи увеличилась до диапазона Гбит/с».

Трансиверы на базе VCSEL предлагают самые оптимизированные точки затрат и производительности для передачи данных от 10 до 300 м. Для расстояний ниже 10 м все еще применяются медные кабели, но в конечном итоге они будут заменены волоконной оптикой по мере увеличения скорости передачи данных. Для линий связи более 300 м требуется одномодовое волокно для устранения ухудшения сигнала.

В то время как все больше и больше областей осознают преимущества, которые VCSEL обеспечивают с точки зрения эффективного производства и надежности; как и на любом растущем рынке, существуют и некоторые проблемы. «Я думаю, что преимущества технологии VCSEL намного превосходят любые недостатки, – рассуждает Томпсон. «Большинство проблем масштабирования технологии – это просто практическая работа по разработке коммерческой прибыли, которую необходимо выполнить».

Лазерная промышленность была относительно небольшой отраслью в течение очень долгого времени, и теперь мы начинаем заимствовать знания и технологии, которые были в других трех-пяти технологиях – например, РЧ усилители, которые имеют передовые технологии  производства для больших размеров пластин и более качественных наборов функций.

«Это делается для того, чтобы внести накопленные знания из других отраслей промышленности в лазерную отрасль, чтобы поднять ее на такой же уровень».

VCSEL в настоящее время поставляются для  трансиверов. Для 400 Гбит/с трансиверов на рынок выходят новые модели VCSEL, которые работают не только на более высоких скоростях, но и обеспечивают требования к линейности для PAM-4, формат модуляции с четырьмя логическими уровнями амплитуды».

Устойчивый спрос

Что касается того, будет ли спрос устойчивым в соответствии с отраслевыми прогнозами, Агрести позитивна. «Мы полагаем, что рост рынка VCSEL будет по-прежнему определяться спросом на многомодовые трансиверы для гипермасштабируемых центров обработки данных», – пояснила она. Мы считаем, что [спрос] будет продолжать расти », – согласился Томпсон. «Мы находимся на начальных этапах цикла внедрения технологий VCSEL в сферу потребительской электроники и новых коммуникаций. Всегда трудно точно предсказать, насколько долго это будет расти. Предполагает, что мы только начинаем довольно быстрый пятилетний цикл роста в технологиях VCSEL, и мы инвестируем в такой показатель, который поддерживает этот рост, поэтому мы ожидаем, что высокоскоростные многомодовые волоконные коммуникации станут более распространенными».

«VCSEL для датчиков и сенсоров во многом отличается от VCSEL для коммуникаций. Однако, есть общие основы – все они на базе арсенида галлия и используют одни и те же методы обработки.

«Дизайн продукта может начать различаться, поэтому мы инвестируем в VCSEL следующего поколения (50 Гбит/с) для телекоммуникационной отрасли. Мы вкладываем значительные средства в то, чтобы продвинуть VCSEL к массовому использованию, и очень рады, наконец, получить признание за отличную технологию. Для VCSEL это будет очень интересная пара лет».

По материалам: Electro Optics AUG/SEP 18