次世代 3D センシングアプリケーション向け
半導体レーザ:
信頼性と生産性の課題への対応
ほとんどすべての新聞、ビジネス雑誌、テクノロジー関連のオンラインニュースサ
イトを開くと、バーチャルリアリティ（ VR）、拡張現実（ AR）、そして 3D センシングの話題が取り上げられています。これらのテクノロジーによって私たちの生活は変わっていくというのが一般的な意見となっております。携帯電話や自動車など、私たちが日常生活で使用する製品はまったく異なるものになるでしょう。
これは実に興味深いことですが、この来たるべき大きな変化の核心にあるものは一体何でしょう？ それは、高度なレーザ技術、特に半導体レーザです。
レーザアプリケーション: 現在と未 来

適切な半導体レーザメーカーの選択路上に現れており、今後10年以内に主力製品になると予想さしょう。このような市場における多くのメーカーは、半導体レーザ測距技術を利用した自律型の自動運転車は現在すでにれています。現在、コンシューマー向けデバイスやPCデバイス
では半導体レーザを採用し、革新的な 3D センシングシステ
ムを実現しており、スマートフォンやその他のデバイスでのゲームやモバイルデバイスに追加されたバイオメトリック機能に対応 するよう、ユーザーインターフェースを変化させています。
また、半導体レーザは、スマートフォン向けの拡張現実および SLAM （自己位置推定と環境地図作成の同時実行）サービスである Google Tango など、新たな技術における本質的な要素でもあります。

さらに、3D センシングは、産業 用制御インターフェースや自動車制御インターフェースの領域にも進出しています。

たとえば、産業機 器の場合、手のしぐさを使 用した 3D センシングにより、オペレータは危険な環境でも電子機 器を安全に操作することができます。自動車の場合、3D センシングにより、ドライバーは従 来のボタンやタッチセンサーに比べて、すばやく安全に各種情報システムを操作することができます。

半導体レーザは、さまざまな新市場で急 速に普及するでレーザやレーザシステムのその他の主要コンポーネントを使 用した経 験が乏しく、レーザコンポーネントのサプライヤーとの関係が 確立されていません。では、システムメーカーが半導体レーザのサプライヤーを評 価するうえで考慮すべき重要な要素とは何でしょう？

半導体レーザのサプライヤーの基 本要件は、ほぼすべてのシステムメーカーに共通しています。

• その製品が長 期間にわたり予測可能で信頼性の高い動 作を提 供する• 品質の一定した製品を大量に出荷できる• 設 計の統合と安全基準の準拠をサポートするためのレーザに関する専門知識を提 供できる

この記事では、Lumentum が現在、コンシューマー向け製品、自動車、工業製品業界の顧客のために、これらの要件をどのように満たしているかについて説明します。

半導体レーザは、このような大変興味深い 3D センシングアプリケーションの推 進力となっています。システムメーカーとして、どのようにお客様のアプリケーションに適した半導体レーザのサプライヤーを見つけていますか？

私たちは、最 適な選択を行うための枠組みを提 供することにより、この課題に対して実 用的なアプローチを取っています。

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ホワイトペーパー次世代 3D センシングアプリケーションにおける半導体レーザ: 信 頼性とスケーリングの課題への対応

半導体レーザの高い信 頼性について

また、Lumentum の 半導体レーザ は、スマートフォン、コンピュータ製 品やトラフィックを伝 送するグローバル光通信ネットワークの中核を成しています。に選ばれています。ゲームの分野では、ユーザはしぐさや体の動きによってゲ

半導体レーザは、個人や企業から生じる膨大な量の音声トラフィックやデータこのトラフィックの大部分は、世界中の海底に敷設された海底光ファイバーケーブルを通じて、エンドポイント間で伝 送されます。

このような海底ケーブルシステムは、さまざまな長さのケーブルで構成されており、光ファイバーケーブルに付きものの光損 失を補うために光 信号強 度を増幅するように設 計された中継器によって区切られています（図 1 を参照 ）。
それぞれの海底中継器には、光アンプを駆 動する半導体レーザが含まれています。

現場で実証されている製品の品質、性能、信頼性により、Lumentum は（その前身の JDSU と同様に）この市場における世界的なリーダーとなっており、他のどのメーカーよりも多くの半導体レーザを光 通信ネットワーキング 装置 業界に供給しています。Lumentum はこれまでに 15 万台以 上の半導体レーザを海底アプリケーション用に出荷しています。現在にいたるまで、海底ケーブルシステムに設置されている Lumentum の半導体レーザデバイスの故障率はゲーム製品の世界 最大手のOEM企業により高度な3Dセンシングシステム用ームをプレイしたり、ユーザインターフェースを操作したりでき、モバイルデバイスでは、顔認証のようなバイオメトリックセキュリティーとして使 用されております。現在までに、2億個以 上の半導体レーザが市場でその機能を発揮しております。この膨大な数のデバイスに対して記 録されている故 障 率 は、わずか10 0万分の1未満です。

Lumentum のすべての半導体レーザには、アプリケーションにかかわらず、同じ設 計技術、製 造技術、テスト技術が採用されています。主な違いは、そのアプリケーションでの予測耐用年数です。海底用機 器での耐用年数は 25 年にも及びますが、消費者向けアプリケーションでの耐用年数は 5 年以下です。貴重なブランドを持ち、高品質の維持に定評がある消費者向け製品の大量生産メーカーにとって、これは重要なメリットです。さらに、消費者アプリケーション向けに最 適化されたデバイスの大量生産により、光 通信デバイスと比べてコストを削減することができます。

ゼロです。

Lumentum 半導体レーザ

中継器またはアンプ

非装甲深海ケーブル

装甲ケーブル

海底電信局

端末装置

ネットワーク管理

図 1: Lumentum の半導体レーザを含む 海底ケーブルは、インターネットや音声のトラフィックの大部分を伝 送しています。

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次世代 3D センシングアプリケーションにおける半導体レーザ: 信 頼性とスケーリングの課題への対応

Lumentum の半導体レーザの信頼性は、専門家による製品設計と実証済みのウエハ製造プロセスから得られた成果です。Lumentum とその前身企業は、当社独自の信頼性の高い最先 端の製 造プロセスの結果として、1978 年以来、最高品質の半導体レーザチップを製 造してきました。これにより、Lumentum は適切な半導体レーザの量 産可能性の独自の能力を獲 得しています。

ここでも同様に、Lumentum の実績により、潜在顧客のニーズを満たすこと

Lumentum は、新しい半導体レーザに適用されるバーンイン工程を最 適化す

垂 直 共 振 器 面 発 光 レ ー ザ（ V C S E L ）ま た は エッジ エ ミッタの 大 量 購 入要求に応じてお客様と共有できる信頼性モデルの開発および 改良を行うためるためのデータ駆 動型の手法を採用しています。すべての製 造プロセスと同様に、チップ製 造プロセスでは本質的にわずかなばらつきが生じます。同じ製 造バッチの異なる半導体レーザでも、物理的特性に多少の差異が見られる場合があり、この差異の一 部は半導体の電気的特性と光学的特性に重大な影 響を与える可能性があります。

半 導 体 レ ー ザ の サ プ ラ イヤ ー の もう 一 つ の 重 要 な 要 件 は 、家 電 製 品 、自動 車 、その 他 の市 場 における多 数の顧 客 のニーズ を満 たす大 量 の出 荷レベルを維持することです。

が で きるという信 頼 感 を与えることが で きます。実 際 に Lumentum は、者 の 要 件 を 満 た す こと が で きる世 界 有 数 のメー カ ー の 一 つ で す。ま た 、Lumentum はすでにさまざまな最 終 製品市 場に向けた半 導 体レーザを大量に供給できるサプライヤーです。

Lumentum は毎年 、モバイルデバイス、家庭 用ゲーム機やその他のコンシューマー製品において、3Dセンシング用の照射レーザを数億 台という単位で大量に出荷しています。これらのレーザは 800 ～ 950 nmの波長で 動 作
ppm

一般的な消費者向けコンポーネント

100

信頼性の低い技術

テストカバレッジ / DFT の制限

1• 幅広いアプリケーションに適した最大 200 W の出力パワーを発揮する

8D 是正処置

安全な始動

自動車部品

51015から最大数十ワットにまで及びます。

• 光 通信およびネットワーク機 器市場において、Lumentum は個々の顧客に年間最大 50万台の 1 W シングルモードレーザ（ 9xx nm、1400 ～ 1500 nm 波長）を出荷しています。

設計時の DFM の制限

10し、その出力範囲 ppm 一 般的な消費者向けコンポーネントは最小 200 mW

20耐用年数

図 2: バーンインでの初期不良の確 認

産業 用レーザは、通常、年間最大 5 万台を顧客に出荷しています。

Lumentum は、レーザチップ製 造における長年の独自の深い経 験から利益を得ています。この製 造プロセスは十 分に理 解されており、これらのプロセスから得られる生産量は非常に予測可能です。さらに、Lumentum は複 数

このような差異により、極めて少数の半導体レーザには「初期不良」（デバイスの光学チップ製 造 業者と緊密に提携しており、いずれかの製 造現場で生産

Lumentum はバーンイン工程を使 用して、初期不良のあるデバイスの特定とのリスクに対して高いレベルの保護を提 供します。

され、合格したデバイスは安定性があるとみなされます。

市場リーダーを調達先とするもう一つの利点は、選択の幅と柔軟性です。

このバーンイン工程は慎重な制御を必要とします。バーンイン条件の厳密性が不さまざまなタイプ、最大出力定格、波長のレーザを評価し、アプリケーションの耐用年数の非常に早 期における故障）のリスクが伴います（図 2 を参照 ）。
排除を行っています。バーンイン工程中に不合格になった半導体レーザは廃棄十分な場合、不良品の半導体レーザが合格し、お客様に出荷される可能性があを縮小する可能性のある予測不可能な地 理的、技術的、または財務的な事象

Lumentum は、非常に幅広いレーザ製品を提 供しています。お客様は、の要件に厳密に一致する仕様のデバイスを容易に見つけることができます。

ります。ただし、厳密すぎると、安定した半導体レーザの性能を損なったり、耐用年数が短くなったりする潜在的な損傷を引き起こすリスクが生じます。

現場からの性能データで実証され、独自のチップ製 造のノウハウで裏付けられているウエハ製 造とウエハテストにおける長年の経 験に基づき、Lumentumはお客様それぞれの要件に応じてコストと信頼性の最 適な組み合わせを実現するために、バーンインやその他の製 造プロセスを絶えず 改善して最 適化することができます。

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次世代 3D センシングアプリケーションにおける半導体レーザ: 信 頼性とスケーリングの課題への対応卓越したレーザ統合の専門知識

幅 広い 製品ポートフォリオと統合に関する専門知 識に基づき、Lumentum はシステム設 計 者に効果的なサポートとガイダンスを提 供することができます。

たとえば、一 部 のアプリケーションの 性 能は、シグナル・ノイズ 比（ SNR ）によって測 定されます。SNR の改善方法 の 一つに、狭いスペクトル波長 幅フィルタを 使 用して背景 の太 陽 光を除 去し、～ 940 nm の大 気 減 衰 波 長を 使 用して、レーザ照明装置の波長を調整する方法があります（図 3 を参照 ）。
1VCSEL レーザ.955 ～ .930 = 25 nm
狭い帯域幅を介した

0.8

応答送信

平均 伝 送 速 度（ ～ .40）

0.60.4

ファブリーペロー型

エッジエミッタレーザ.975 ～ .925 = 50 nm

相対環境
太陽光の減衰0.200.84

広い帯域幅を介した

狭帯域
広帯域

0.860.88平均 伝 送 速 度（ ～ .55）

0.90.920.940.960.981

図 3 : 狭 い 帯 域 幅 のフィル タを 使 用した 場 合、
背 景 の 太 陽 光 からの 干 渉 が 軽 減 されますが、狭い帯域幅のレーザ照明装置が必要になります。

このような例では、Lumentum は各タイプのレーザの比 較的有 利な点と不利な 点 に つ い て 公 平 な ア ド バ イ ス を 提 供 す る こ と が で き ま す 。ま た 、Lumentum は製品に適した光システム設 計に関するサポートを提 供することもできます。Lumentum が 提 供 する多岐にわたる製 品には、VCSEL 、分布帰還 型（ DFB）エッジエミッタ、ファブリーペロー型エッジエミッタなど、さまざまなタイプのレーザが含まれます。たとえば、VCSEL や DFB エッジエミッタを使 用する場合、25 nm ほどの比 較的に狭帯域の光学フィルタを使 用できます。
その理由は、ファブリーペロー型デバイスは温 度に関連したより大きな波長シフトを考慮するために、およそ 50 nm の 光学フィルタとペアリングする必 要がある一方で、これらのエミッタは温 度に対 する波 長シフトが限られているためです。

外部光 源 からの干渉に影 響されないなど、この 選 択の 持 つ意味を 慎 重に考慮する必 要があります。Lumentum の技 術的専門知識を活用して、お客様は初期段階から正しい効果的な製品設計を構築する機会を増やすことができます。
また、Lumentum の技 術的専門知識は、目の安 全 性に関する重要な問題にまで 及び ま す。ここで 重 要 な の は 、関 連 規 制 に 適 合 する 設 計を左 右 する の は 、レーザ自体の 仕様のほかに、光システムのコンポーネントの 組み合わせによるという点です。
アプリケー ション に はそ れぞ れ 独 自 の 特 性 が あり、L ument um は 、波 長、光強 度、視界、ユーザーからの距 離など、目に影 響を与えるトレードオフについてお客様の理 解を深める支 援を提 供することにより、サイズ、コスト、性能の間の最 適なバランスを実現し、さらに目の安全規制を遵守するための顧客の取り組みを促 進しています。
業界リーダーからの調達
この記事では、家電 製品や自動車の OEM が 半 導 体レーザの潜在的なサプライヤーを評価する基準となる重要なパラメータについて説明します。Lumentumのミッションは、レーザの 特 性をお客 様のアプリケーションの要件に厳密に一致させることのできる製品の最も広範な選択 肢を提 供するとともに、大量生産における品質と信頼性を提 供することにあります。

北米
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北 米以外
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本書に記載の製品仕様および説明は予告なく変 更される場合があります。

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