Прошлое и будущее мощных полупроводниковых лазеров

Поскольку эффективность и мощность продолжают расти, лазерные диоды будут продолжать заменять традиционные технологии, менять способы управления вещами и стимулировать рождение новых вещей.
Традиционно экономисты полагают, что технологический прогресс — это постепенный процесс. В последнее время отрасль больше внимания уделяет прорывным инновациям, которые могут привести к нарушениям непрерывности. Эти инновации, известные как технологии общего назначения (GPT), представляют собой «глубокие новые идеи или технологии, которые могут оказать серьезное влияние на многие аспекты экономики». На разработку общей технологии обычно уходит несколько десятилетий, а даже больше времени приведет к увеличению производительности. Поначалу их не совсем поняли. Даже после того, как технология была коммерциализирована, в ее внедрении в производство наблюдалась длительная задержка. Интегральные схемы являются хорошим примером. Транзисторы были впервые представлены в начале 20 века, но широко использовались до позднего вечера.
Один из основоположников закона Мура Гордон Мур в 1965 году предсказал, что полупроводники будут развиваться более быстрыми темпами, «принося популярность электронике и продвигая эту науку во многие новые области». Несмотря на его смелые и неожиданно точные прогнозы, он прошел десятилетия непрерывного совершенствования, прежде чем добиться производительности и экономического роста.
Аналогично, понимание стремительного развития мощных полупроводниковых лазеров ограничено. В 1962 году промышленность впервые продемонстрировала преобразование электронов в лазеры, после чего последовал ряд достижений, которые привели к значительным улучшениям в преобразовании электронов в высокопроизводительные лазерные процессы. Эти улучшения могут поддерживать ряд важных приложений, включая оптические хранилища, оптические сети и широкий спектр промышленных приложений.
Напоминание об этих событиях и многочисленных улучшениях, которые они выявили, выявило возможность более широкого и масштабного воздействия на многие аспекты экономики. Фактически, благодаря постоянному совершенствованию мощных полупроводниковых лазеров сфера их применения будет увеличиваться, что окажет глубокое влияние на экономический рост.
История мощных полупроводниковых лазеров
16 сентября 1962 года группа под руководством Роберта Холла из General Electric продемонстрировала инфракрасное излучение полупроводников арсенида галлия (GaAs), которые имеют «странные» интерференционные картины, что означает когерентный лазер – рождение первого полупроводникового лазера. Первоначально Холл считал, что полупроводниковый лазер — это «далекая перспектива», потому что светоизлучающие диоды в то время были очень неэффективны. В то же время он отнесся к этому скептически, поскольку для лазера, который был подтвержден два года назад и уже существует, требуется «тонкое зеркало».
Летом 1962 года Галле заявил, что он был шокирован более эффективными светодиодами GaAs, разработанными Лабораторией Линкольна Массачусетского технологического института. Впоследствии он сказал, что ему повезло иметь возможность протестировать некоторые высококачественные материалы GaAs, и он использовал свой опыт астронома-любителя, чтобы разработать способ полировки краев чипов GaAs для формирования полости.
Успешная демонстрация Холла основана на конструкции отражения излучения взад и вперед на границе раздела, а не вертикального отражения. Он скромно сказал, что никому "не пришла в голову эта идея". Фактически, конструкция Холла является, по сути, удачным совпадением: полупроводниковый материал, из которого состоит волновод, одновременно обладает свойством ограничивать биполярные носители заряда. В противном случае реализовать полупроводниковый лазер невозможно. Используя разнородные полупроводниковые материалы, можно сформировать пластинчатый волновод, перекрывающий фотоны с носителями.
Эти предварительные демонстрации в General Electric стали крупным прорывом. Однако эти лазеры далеки от практических устройств. Чтобы способствовать рождению мощных полупроводниковых лазеров, необходимо реализовать объединение различных технологий. Ключевые технологические инновации начались с понимания полупроводниковых материалов с прямой запрещенной зоной и методов выращивания кристаллов.
Более поздние разработки включали изобретение лазеров с двойным гетеропереходом и последующую разработку лазеров с квантовыми ямами. Ключом к дальнейшему совершенствованию этих основных технологий является повышение эффективности и развитие технологий пассивации полостей, рассеивания тепла и упаковки.
Яркость
Инновации последних нескольких десятилетий привели к впечатляющим улучшениям. В частности, превосходное улучшение яркости. В 1985 году современный полупроводниковый лазер высокой мощности смог передать мощность 105 милливатт в волокно с сердцевиной диаметром 105 микрон. Самые совершенные мощные полупроводниковые лазеры теперь могут производить более 250 Вт по волокну диаметром 105 микрон на одной длине волны — десятикратное увеличение каждые восемь лет.

Мур задумал «прикреплять к интегральной схеме больше компонентов» — тогда количество транзисторов на кристалл увеличивалось в 10 раз каждые 7 лет. По совпадению, мощные полупроводниковые лазеры включают в волокно больше фотонов с одинаковой экспоненциальной скоростью (см. Рисунок 1).

Рис. 1. Яркость мощных полупроводниковых лазеров и сравнение с законом Мура
Повышение яркости мощных полупроводниковых лазеров способствовало развитию различных непредвиденных технологий. Хотя продолжение этой тенденции требует большего количества инноваций, есть основания полагать, что инновации в области полупроводниковых лазерных технологий еще далеки от завершения. Хорошо известная физика может еще больше улучшить характеристики полупроводниковых лазеров за счет постоянного технологического развития.
Например, средства усиления квантовых точек могут значительно повысить эффективность по сравнению с современными устройствами с квантовыми ямами. Медленная ось яркости предлагает еще один потенциал улучшения на порядок. Новые упаковочные материалы с улучшенными характеристиками теплового расширения и расширения обеспечат усовершенствования, необходимые для непрерывной регулировки мощности и упрощенного управления температурным режимом. Эти ключевые разработки станут дорожной картой для разработки мощных полупроводниковых лазеров на ближайшие десятилетия.
Твердотельные и волоконные лазеры с диодной накачкой
Усовершенствования мощных полупроводниковых лазеров сделали возможным развитие последующих лазерных технологий; в последующих лазерных технологиях полупроводниковые лазеры используются для возбуждения (накачки) легированных кристаллов (твердотельные лазеры с диодной накачкой) или легированных волокон (волоконные лазеры).
Хотя полупроводниковые лазеры обеспечивают высокоэффективную и недорогую лазерную энергию, у них есть два ключевых ограничения: они не накапливают энергию и их яркость ограничена. По сути, эти два лазера необходимо использовать для многих приложений: один для преобразования электричества в лазерное излучение, а другой для повышения яркости лазерного излучения.
Твердотельные лазеры с диодной накачкой. В конце 1980-х годов использование полупроводниковых лазеров для накачки твердотельных лазеров начало приобретать популярность в коммерческих приложениях. Твердотельные лазеры с диодной накачкой (ТППСЛ) значительно уменьшают размер и сложность систем терморегулирования (в основном рециркуляционных охладителей) и получают модули, в которых исторически сочетались дуговые лампы для накачки кристаллов твердотельного лазера.
Длины волн полупроводниковых лазеров выбираются на основе их перекрытия со спектральными свойствами поглощения усиливающей среды твердотельного лазера; тепловая нагрузка значительно снижается по сравнению с широкополосным спектром излучения дуговой лампы. Благодаря популярности лазеров на основе германия с длиной волны 1064 нм длина волны накачки 808 нм стала самой большой длиной волны в полупроводниковых лазерах за более чем 20 лет.
С увеличением яркости многомодовых полупроводниковых лазеров и возможностью стабилизировать узкую ширину линии эмиттера с помощью объемных брэгговских решеток (VBG) в середине 2000 года было достигнуто второе поколение улучшенной эффективности диодной накачки. Более слабые и спектрально узкие области поглощения в районе 880 нм стали горячими точками для диодов накачки высокой яркости. Эти диоды могут обеспечить спектральную стабильность. Эти высокопроизводительные лазеры могут напрямую возбуждать верхний уровень лазера 4F3/2 в кремнии, уменьшая квантовые дефекты и тем самым улучшая извлечение фундаментальных мод с более высоким средним значением, которые в противном случае были бы ограничены тепловыми линзами.
К началу 2010 года мы стали свидетелями тенденции масштабирования высокой мощности одноперекрестного лазера с длиной волны 1064 нм и связанных с ним серий лазеров с преобразованием частоты, работающих в видимом и ультрафиолетовом диапазонах. Благодаря более длительному времени жизни в высокоэнергетическом состоянии Nd:YAG и Nd:YVO4, эти операции переключения добротности DPSSL обеспечивают высокую энергию импульса и пиковую мощность, что делает их идеальными для абляционной обработки материалов и высокоточной микрообработки.
волоконно-оптический лазер. Волоконные лазеры обеспечивают более эффективный способ преобразования яркости мощных полупроводниковых лазеров. Хотя оптика с мультиплексированием по длине волны может преобразовать полупроводниковый лазер с относительно низкой яркостью в более яркий полупроводниковый лазер, это происходит за счет увеличения ширины спектра и оптомеханической сложности. Было показано, что волоконные лазеры особенно эффективны при фотометрическом преобразовании.
В волокнах с двойной оболочкой, представленных в 1990-х годах, используются одномодовые волокна, окруженные многомодовой оболочкой, что позволяет эффективно вводить в волокно более мощные и недорогие многомодовые лазеры с полупроводниковой накачкой, создавая более экономичный способ преобразования полупроводниковый лазер высокой мощности в более яркий лазер. Для волокон, легированных иттербием (Yb), накачка возбуждает широкую полосу поглощения с центром при 915 нм или узкую полосу около 976 нм. Когда длина волны накачки приближается к длине волны генерации волоконного лазера, так называемые квантовые дефекты уменьшаются, тем самым максимизируя эффективность и минимизируя количество рассеиваемого тепла.
Как волоконные лазеры, так и твердотельные лазеры с диодной накачкой основаны на улучшении яркости диодного лазера. В целом, поскольку яркость диодных лазеров продолжает улучшаться, доля мощности лазера, которую они накачивают, также увеличивается. Повышенная яркость полупроводниковых лазеров способствует более эффективному преобразованию яркости.
Как и следовало ожидать, пространственная и спектральная яркость будут необходимы для будущих систем, которые обеспечат низкоквантовую накачку дефектов с узкими характеристиками поглощения в твердотельных лазерах и плотное мультиплексирование длин волн для прямых применений полупроводниковых лазеров. План становится возможным.
Рынок и применение
Развитие мощных полупроводниковых лазеров сделало возможным множество важных приложений. Эти лазеры заменили многие традиционные технологии и внедрили новые категории продуктов.
С десятикратным увеличением стоимости и производительности за десятилетие мощные полупроводниковые лазеры непредсказуемым образом нарушают нормальную работу рынка. Хотя трудно точно предсказать будущие применения, очень важно проанализировать историю развития последних трех десятилетий и представить основные возможности для развития следующего десятилетия (см. Рисунок 2).

Рисунок 2. Применение высокомощного полупроводникового лазерного топлива для яркости (стоимость стандартизации на ватт яркости)
1980-е: Оптическое хранилище и первые нишевые приложения. Оптическое запоминающее устройство — первое крупномасштабное применение в индустрии полупроводниковых лазеров. Вскоре после того, как Холл впервые продемонстрировал инфракрасный полупроводниковый лазер, Ник Холоньяк из General Electric также продемонстрировал первый видимый красный полупроводниковый лазер. Двадцать лет спустя на рынке были представлены компакт-диски (CD), а затем рынок оптических носителей информации.
Постоянные инновации в области полупроводниковых лазерных технологий привели к развитию технологий оптического хранения данных, таких как цифровые универсальные диски (DVD) и Blu-ray Disc (BD). Это первый крупный рынок для полупроводниковых лазеров, но, как правило, скромные уровни мощности ограничивают другие приложения относительно небольшими нишевыми рынками, такими как термопечать, медицинские приложения и некоторые аэрокосмические и оборонные приложения.
1990-е годы: преобладают оптические сети. В 1990-х годах полупроводниковые лазеры стали ключом к сетям связи. Полупроводниковые лазеры используются для передачи сигналов по оптоволоконным сетям, но более мощные одномодовые лазеры накачки для оптических усилителей имеют решающее значение для достижения масштаба оптических сетей и реальной поддержки роста объемов интернет-данных.
Бум телекоммуникационной отрасли, вызванный этим, имеет далеко идущие последствия, в качестве примера можно привести компанию Spectra Diode Labs (SDL), одного из первых пионеров в индустрии мощных полупроводниковых лазеров. Компания SDL, основанная в 1983 году, является совместным предприятием лазерных брендов Spectra-Physics и Xerox, входящих в Newport Group. Он был запущен в 1995 году с рыночной капитализацией около 100 миллионов долларов. Пять лет спустя, во время пика телекоммуникационной отрасли, SDL была продана JDSU более чем за 40 миллиардов долларов, что стало одним из крупнейших технологических приобретений в истории. Вскоре после этого телекоммуникационный пузырь лопнул и уничтожил триллионы долларов капитала, который теперь считается самым большим пузырем в истории.
2000-е: Лазеры стали инструментом. Хотя лопнувший пузырь на рынке телекоммуникаций является чрезвычайно разрушительным, огромные инвестиции в мощные полупроводниковые лазеры заложили основу для более широкого внедрения. По мере увеличения производительности и стоимости эти лазеры начинают заменять традиционные газовые лазеры или другие источники преобразования энергии в различных процессах.
Полупроводниковые лазеры стали широко используемым инструментом. Промышленное применение варьируется от традиционных производственных процессов, таких как резка и пайка, до новых передовых производственных технологий, таких как аддитивное производство металлических деталей, напечатанных на 3D-принтере. Приложения в микропроизводстве более разнообразны, поскольку с помощью этих лазеров стали коммерциализировать такие ключевые продукты, как смартфоны. Аэрокосмические и оборонные приложения включают в себя широкий спектр критически важных приложений и, вероятно, в будущем будут включать в себя системы направленной энергетики следующего поколения.
подводить итоги 
Более 50 лет назад Мур не предложил новый основной закон физики, но внес значительные усовершенствования в интегральные схемы, которые впервые были изучены десять лет назад. Его пророчество длилось десятилетия и принесло с собой ряд революционных инноваций, которые были немыслимы в 1965 году.
Когда Холл продемонстрировал полупроводниковые лазеры более 50 лет назад, это положило начало технологической революции. Как и в случае с законом Мура, никто не может предсказать высокую скорость развития, которую впоследствии претерпят высокоинтенсивные полупроводниковые лазеры, достигнутые благодаря большому количеству инноваций.
В физике не существует фундаментального правила, позволяющего контролировать эти технологические усовершенствования, но постоянный технологический прогресс может улучшить яркость лазера. Эта тенденция будет продолжать заменять традиционные технологии, тем самым еще больше меняя способы развития. Что более важно для экономического роста, мощные полупроводниковые лазеры также будут способствовать рождению новых вещей.