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长光华芯:打造高功率半导体激光器芯片“国家队”,参与全球竞争

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【摘要】:
OVC专访
“光电物语”系列采访作为武汉光博会的特别策划,贯穿全年,通过采访企业技术高管,介绍各企业技术理念及先进的创新技术,并宣扬其为产业带来的推动作用,以此鼓励我国光电企业积极进行技术创新。
 
本期“光电物语”,苏州长光华芯光电技术有限公司首席技术官兼常务副总经理王俊博士,将带我们一起走近长光华芯。
 
王 俊
国家人才计划专家,科技部评审专家,江苏省创新创业领军人才,江苏省“双创团队”领军人才,姑苏创业创新领军人才,苏州市“重大创新团队”领军人才,高新区创新创业领军人才,苏州市科技魅力人物,现任苏州长光华芯光电技术有限公司首席技术官兼常务副总经理。
 
回国契机--国内有需求,个人有发展
 
半导体激光芯片是整个激光产业链的技术核心与源头,是带动新兴产业发展的关键。但长期以来,核心芯片技术被国外垄断,并且有着严格的进出口控制,导致该领域尚无一颗中国量产激光芯片。虽然国内投入高端芯片研发的机构比比皆是,但最终能够实现量产的并不多见。
 
高端半导体激光芯片在国内技术储备的空白,成为制约我国战略新兴产业发展的一大重要瓶颈。因此,在工业和其他多个赌场直营官网,国内对其研发需求极度渴求,而国内客户也有志攻克这项短板。
 
“回国创业,并不是一时冲动。”王俊博士回忆道,“常年在国外生活,深刻感受到了国内外的差距,一种为国争光的使命感油然而生,于是,我下定决心回国。国内有市场,有需求,有客户的支持,无论是对公司还是对个人而言,都是利好的。可以说是:国内有需求,个人有发展。” 
 
对于半导体激光器产业来说,技术门槛高、投入力度大、量产周期长、经济效益不明显、芯片人才和设备的匮乏,这些难题一直困扰着国内企业,让他们有志而不敢为,望而却步。但是王俊对此却并不当回事。他认为,“公司成立之初的前期规划,让设备、人员以及投入等各个阶段都围绕着这个方向平衡发展。这是非常重要的。只要我们团队有决心,能坚定一个方向走下去,不管遇到什么样的情况,我们都能迎刃而解。” 事实证明,这种规划也是具有前瞻性的。
 
 
    长光华芯自2012年成立以来,从芯片到模块,从固体激光器抽运源到光纤激光器抽运源,从前期定位到后期发展,始终专注于高端半导体激光器的研发和制造。短短几年时间,长光华芯便解决了外延生长技术、腔面钝化技术以及器件制作工艺水平等方面的多个技术难题,这也使长光华芯能够在最短的周期内成为全球少数几家、国内唯一一家研发并量产高功率半导体激光器芯片的公司,打破了核心半导体激光芯片长期被国外芯片制造商垄断的局面。
 
核心技术成就高品质产品--基于产品和技术的布局思路
 
    中美贸易战让“卡脖子技术”再次受到重视,“自主核心”成为激光同仁交流中的高频词。目前国内中低功率的光纤激光器技术已趋成熟,随着市场对高功率光纤激光器需求的提升,作为核心器件的抽运源面临着更大的挑战。而长光华芯却将“挑战”变成“机遇”,在半导体激光器领域,实现了核心技术的自主创新,并拥有一条完整的产品线。
 
据王俊博士介绍,长光华芯从2012年成立以来,一直致力于高功率半导体激光器芯片及相关光电器件和应用系统的研发生产和销售,已经拥有从芯片设计、MOCVD(外延)、光刻、解理/镀膜、封装测试、光纤耦合、激光系统等完整的工艺平台和量产线。“我们的产品线主要有两个方向,一是已经实现大规模生产的高功率半导体激光器,这是我们目前主要的研发方向;二是目前处于小批量生产,但未来有可能大量产的VSCEL激光雷达芯片。”
 
布局一:半导体激光器芯片兼顾光纤激光器和固体激光器市场
 
半导体激光器作为抽运源主要用于两类激光器:一是光纤激光器,如915 nm、976 nm、970 nm等波段,二是固体激光器,如808 nm、885 nm等波段。
 
在工业激光领域,915 nm或976 nm的掺镱光纤激光器占据市场的主导地位。据王俊博士介绍,二者在工艺上差别不大,主要的区别体现在可靠性、应用效率和成本方面。
 
976 nm掺镱光纤的吸收峰约为915 nm的2.5倍,因此吸收率更高,非线性效应也会降低。对激光器生产商而言,更高的光电转换效率、更短的增益光纤意味着更低的成本,而对终端用户而言,降低了非线性效应意味着长期稳定性更好,维护频率及成本更低。
 
但976 nm芯片的狭缝相比915 nm的要窄,因此976 nm芯片在工业应用时对环境、温度的要求更高。这也是长光华芯前期很多产品都以915 nm半导体激光器作抽运源的根本原因。
 
摻镱光纤吸收与激射光谱
 
915/976 nm泵浦摻镱光纤斜效率对比
 
    但随着配套制冷系统的完善,这一问题已逐渐被解决。加上市场上中低功率光纤激光器的产品同质化日益严重,竞争日益激烈,不少技术领先的光纤激光器厂家纷纷开始将目光投向高功率光纤激光器,而市场广泛认可的915 nm波段抽运方案在高功率光纤激光器开发中存在着局限。
 
    凭借着长光华芯高管们敏锐的市场嗅觉和精准的商业判断,自2016年开始,他们就调整了976 nm产品的战略方向,通过对芯片参数、效率、功率等性能指标的提高,使其从科研领域逐步适用工业应用,以期能更大程度地发挥976 nm激光器抽运源的优势。
 
    工业市场对高功率光纤激光器越来越高的要求,激发了增益光纤的更多研究。长光华芯也在功率提升方面有所研究和突破,其9XX nm产品在市场上凭借“快速”、“完全自主”的优势,经过不同生产时段不同批次的芯片验证,其自主开发的高功率高亮度半导体激光器芯片功率最高已达30W;9XX nm 15W单管芯片已获市场的广泛认可;销售交付的商用20W芯片,也已通过了严苛的高温、高电流加速老化寿命评估,在室温工作条件下,平均寿命时间超过30000h,远超国外。
 
    在保证芯片稳定量产交付的过程,长光华芯没有停下探索脚步,通过外延结构、腔面保护、芯片设计等的关键技术和工艺的持续改进,不断提高产品的性能指标和产品可靠性,“工艺和技术的改进,最重要的难点是保证产品的可靠性。”王俊博士透露,“验证产品的可靠性需要投入大量时间和资金,从试样到批量应用通常需要两年,甚至更久。这是一个漫长的,对企业来说极具挑战性的产品认证过程。”
 
    同时,与高功率光纤激光器相对的另一个市场信号,也引起了长光华芯的注意。
 
    由于光纤激光器激烈的市场竞争,应用逐年下降的固体激光器市场却稳步上升,规模也在逐渐扩大。长光华芯瞄准这一趋势,早已在该领域进行布局。
808 nm/880 nm光纤耦合模块产品图
 
    王俊博士介绍,长光华芯提供可作为固体纳秒/皮秒激光器抽运源的808 nm/880 nm光纤耦合模块,依托自主研发并实现量产的单管芯片,该产品输出光斑能量为平顶分布,光纤芯径200 μm-600 μm可选,其中880 nm模块可实现全电流±0.5 nm波长锁定,使得产品在不同的功率和工作电流下都能保持良好的输出波长稳定性,在市场上具备竞争优势。“接下来,我们将大力推广8xx 系列产品,近期销售额也会在这个方面有所提高。”王俊博士透露。
 
布局二:VSCEL产线将大量投产
    VCSEL因iPhone而火,虽受iPhone订单下降有所影响,却让人们看到了未来传感领域的新兴应用:3D成像、AR/VR、无人驾驶以及照明等,巨大的市场潜力吸引着国内企业纷纷入局。
 
 
    据王俊博士介绍,在VCSEL全产线国产化方面,长光华芯走在市场前列,这与其早期在半导体激光器芯片工艺布局密不可分。
 
 
    “基于VCSEL和半导体激光器有着异曲同工的工艺技术,甚至还要容易,只要对VCSEL的生产要求稍加改动,便可直接在半导体激光器的产线上复制出一套完全适合VCSEL的工艺流程,加上全球6寸工艺线非常少,这对长光华芯来说是一个很好的机遇。
VCSEL激光芯片与976 nm芯片的晶元外延片生长工艺十分接近,在早期针对科研市场的时候,长光华芯就已攻克了对外延均匀性、稳定性精准控制的难题,确保整个晶元里所有的小芯片都是合格的、完全一致的。当这一技术成果运用到VCSEL生产上,也就确保了VCSEL发光阵列的可靠性。”王博士颇感自豪。
 
在严峻的市场形势下打造半导体芯片“国家队”
 
    近年来,工业光纤激光器市场发展迅猛。国内中低功率光纤激光器市场竞争激烈,国产化替代日渐深入,已全面进入价格竞争阶段,控制成本成为光纤激光器厂商参与市场竞争的重要手段。作为光纤激光器中的重要部件,半导体激光器抽运源自然成为企业成本压力转嫁的选择点。
 
    据王俊博士介绍,有些国内企业为了降低生产成本,将压力转移到芯片上。在不影响整体应用效果的情况下,减少芯片数量,必定需要提高单个芯片的功率等性能,这就对单个芯片提出了更高的要求。但是影响芯片性能的因素是多方面的,例如提高芯片的输出功率,其散热、封装等因素,需要综合考虑。“虽然这可以增强国内的创新动力,但也加大了稳定性等方面的风险系数。同行应保持理性和谨慎,稳步发展。”
 
王俊博士认为:
1)想要推动芯片国产化必须先创新,没有核心技术的支撑,即使面对国内市场对高端半导体激光外延材料的迫切需求也是望洋兴叹。
2)要理性看待“价格战”,从配套技术、生产来降低成本,保证整个产品质量和供应链的合理发展;
3)借助资本的力量扩充产品线的产能,从而来推动各个项目的发展。
 
未来5~10年,在“一平台,一支点,横向扩展,纵向延伸”战略布局的发展下,长光华芯将努力在高能激光、激光雷达和光通讯领域成为中国“激光芯”,代表国家参与全球竞争,在推动芯片国产化上继续贡献自己的力量。
 
延伸阅读
“一个支点”是公司已经具备的高功率半导体激光芯片的优势,高功率半导体激光芯片及光纤耦合模块的产能扩充。这是长光华芯生存的根本和基础。
 
“一个平台”是指苏州半导体激光创新研究院的建立,建设专业的半导体激光器成果孵化和产业化平台。一流的研发平台,保持长光华芯的研发实力和可持续发展。
 
“横向扩展”指积极进入以VCSEL为代表的激光雷达芯片和光通讯芯片。依靠高功率半导体激光芯片技术平台,可向与其拥有类同的工艺链条的VCSEL芯片、高速通信芯片、激光显示芯片、激光照明芯片等方向快速延伸,进一步提升长光华芯多产线、多维度发展。
 
“纵向延伸”是利用公司高功率半导体激光芯片优势,延伸提供激光系统服务终端用户。主要是基于自主研发的高可靠性激光芯片,进一步实现高功率半导体激光器的封装、模块化及系统化。

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