Прошлое и будущее мощных полупроводниковых лазеров

По мере того, как эффективность и мощность продолжают расти, лазерные диоды будут продолжать заменять традиционные технологии, менять способы обращения с вещами и стимулировать рождение новых вещей.
Традиционно экономисты считают, что технический прогресс - это постепенный процесс. В последнее время отрасль больше внимания уделяет подрывным инновациям, которые могут вызвать разрывы. Эти инновации, известные как технологии общего назначения (GPT), представляют собой «глубокие новые идеи или технологии, которые могут иметь большое влияние на многие аспекты экономики». На разработку общей технологии обычно уходит несколько десятилетий, и даже больше времени приведет к увеличению производительности. Сначала они не были хорошо поняты. Даже после того, как технология была коммерциализирована, внедрение в производство продолжалось долгое время. Интегральные схемы - хороший тому пример. Транзисторы были впервые представлены в начале 20 века, но широко использовались до позднего вечера.
Один из основателей закона Мура, Гордон Мур, в 1965 году предсказал, что полупроводники будут развиваться более быстрыми темпами, «принося популярность электронике и подталкивая эту науку во многих новых областях». Несмотря на его смелые и неожиданно точные прогнозы, он на протяжении десятилетий непрерывно совершенствовался, прежде чем достиг производительности и экономического роста.
Точно так же понимание значительного 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 накопители, оптические сети и широкий спектр промышленных приложений.
Напоминая об этих событиях и многочисленных улучшениях, которые они выявили, подчеркнули возможность более значительного и более широкого воздействия на многие аспекты экономики. Фактически, с постоянным совершенствованием мощных полупроводниковых лазеров сфера важных приложений будет расширяться и окажет огромное влияние на экономический рост.
История мощных полупроводниковых лазеров
16 сентября 1962 года группа под руководством Роберта Холла из General Electric продемонстрировала инфракрасное излучение полупроводников на основе арсенида галлия (GaAs), которые имеют «странные» интерференционные картины, что означает лазер когерентности - рождение первого полупроводникового лазера. Холл изначально полагал, что полупроводниковый лазер - это «долгий путь», потому что светоизлучающие диоды в то время были очень неэффективными. В то же время он также скептически относился к этому, потому что лазер, который был подтвержден два года назад и уже существует, требует «прекрасного зеркала».
Летом 1962 года Галле сказал, что был шокирован более эффективными GaAs-светодиодами, разработанными лабораторией Линкольна Массачусетского технологического института. Впоследствии он сказал, что ему повезло, что он смог провести испытания с некоторыми высококачественными материалами GaAs, и использовал свой опыт астронома-любителя, чтобы разработать способ полировки краев кристаллов GaAs для формирования полости.
Успешная демонстрация Холла основана на дизайне отражения излучения назад и вперед на границе раздела, а не вертикального отражения. Он скромно сказал, что никому «не приходило в голову такая идея». Фактически, конструкция Холла - это, по сути, удачное совпадение, поскольку полупроводниковый материал, образующий волновод, также обладает свойством одновременно ограничивать биполярные носители. Иначе 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 сочетание 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 последующее развитие лазеров с квантовыми ямами. Ключ к дальнейшему совершенствованию этих базовых технологий заключается в повышении эффективности и развитии технологий пассивации полости, отвода тепла и упаковки.
Яркость
Инновации за последние несколько десятилетий привели к впечатляющим улучшениям. В частности, улучшение яркости отличное. В 1985 году современный высокомощный полупроводниковый лазер смог передать мощность 105 милливатт в волокно с сердцевиной 105 микрон. Самые современные мощные полупроводниковые лазеры теперь могут производить более 250 Вт 105-микронного волокна на одной длине волны - 10-кратное увеличение каждые восемь лет.

Мур задумал «прикрепить больше компонентов к интегральной схеме» - тогда количество транзисторов на микросхему увеличивалось в 10 раз каждые 7 лет. По совпадению, мощные полупроводниковые лазеры включают больше фотонов в волокно с аналогичной 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 для продолжения этой тенденции требуется больше инноваций, есть основания полагать, что инновации в технологии полупроводниковых лазеров еще далеко не завершены. Хорошо известная физика может еще больше улучшить характеристики полупроводниковых лазеров за счет постоянного технического развития.
Например, средства усиления с квантовыми точками могут значительно повысить эффективность по сравнению с существующими устройствами с квантовыми ямами. Яркость по медленной оси предлагает еще один потенциал улучшения. Новые упаковочные материалы с улучшенным согласованием температуры и расширения обеспечат улучшения, необходимые для непрерывной регулировки мощности и упрощенного управления температурой. Эти ключевые разработки обеспечат дорожную карту для разработки мощных полупроводниковых лазеров в ближайшие десятилетия.
Твердотельные и волоконные лазеры с диодной накачкой
Улучшения в мощных полупроводниковых лазерах сделали возможной разработку последующих лазерных технологий; В последующих лазерных технологиях полупроводниковые лазеры используются для возбуждения (накачки) легированных кристаллов (твердотельные лазеры с диодной накачкой) или легированных волокон (волоконных лазеров).
Хотя полупроводниковые лазеры обеспечивают высокую эффективность и низкую стоимость лазерной энергии, существуют два ключевых ограничения: они не накапливают энергию и их яркость ограничена. По сути, эти два лазера необходимо использовать во многих приложениях: один для преобразования электричества в лазерное излучение, а другой - для увеличения яркости лазерного излучения.
Твердотельные лазеры с диодной накачкой. В конце 1980-х годов использование полупроводниковых лазеров для накачки твердотельных лазеров стало приобретать популярность в коммерческих приложениях. Твердотельные лазеры с диодной накачкой (DPSSL) значительно уменьшают размер и сложность систем терморегулирования (в основном рециркуляционных охладителей) и получают модули, которые исторически объединяли дуговые лампы для накачки кристаллов твердотельных лазеров.
Длины волн полупроводниковых лазеров выбираются на основе их перекрытия со спектральными характеристиками поглощения усиливающей среды твердотельного лазера; тепловая нагрузка значительно снижена 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 узкие в спектральном отношении характеристики поглощения около 880 нм стали горячими точками для диодов накачки с высокой яркостью. Эти диоды могут обеспечить спектральную стабильность. Эти высокоэффективные лазеры могут напрямую возбуждать верхний уровень 4F3 / 2 лазера в кремнии, уменьшая квантовые дефекты, тем самым улучшая извлечение основных мод с более высоким средним значением, которые в противном случае были бы ограничены тепловыми линзами.
К началу 2010 года мы стали свидетелями тенденции к масштабированию мощных одномодовых лазеров с длиной волны 1064 нм и связанных с ними серий лазеров с преобразованием частоты, работающих в видимом и ультрафиолетовом диапазонах. Из-за более длительного срока службы Nd: YAG и Nd: YVO4 с высокой энергией, эти операции переключения DPSSL Q 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 длинам волн может преобразовать полупроводниковый лазер с относительно низкой яркостью в более яркий полупроводниковый лазер, это происходит за счет увеличения спектральной ширины и оптико-механической сложности. Волоконные лазеры оказались особенно эффективными при фотометрическом преобразовании.
В волоконных световодах 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 мощный полупроводниковый лазер в более яркий лазер. Для волокон, легированных иттербием (Yb), накачка вызывает широкое поглощение с центром на 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 повышая эффективность и сводя к минимуму рассеивание тепла.
И волоконные лазеры, и твердотельные лазеры с диодной накачкой полагаются на улучшение яркости диодного лазера. В целом, по мере того, как 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 будет необходима для будущих систем, что обеспечит низкую накачку квантовых дефектов с узкими характеристиками поглощения в твердотельных лазерах и плотное мультиплексирование по длинам волн для прямых полупроводниковых лазеров. План становится возможным.
Рынок и применение
Развитие мощных полупроводниковых лазеров сделало возможным множество важных приложений. Эти лазеры заменили многие традиционные технологии и позволили реализовать новые категории продуктов.
С 10-кратным увеличением стоимости и производительности за десятилетие мощные полупроводниковые лазеры непредсказуемым образом нарушают нормальную работу рынка. Хотя трудно точно предсказать будущие приложения, очень важно проанализировать историю разработки за последние три десятилетия и предоставить возможности рамок для разработки в следующем десятилетии (см. Рисунок 2).

Рис. 2. Применение мощного полупроводникового лазера для яркого топлива (стоимость стандартизации на ватт яркости)
1980-е: оптические накопители и начальные нишевые приложения. Оптические накопители - это первое крупномасштабное применение в индустрии полупроводниковых лазеров. Вскоре после того, как Холл впервые продемонстрировал инфракрасный полупроводниковый лазер, General Electrics Ник Холоняк также продемонстрировал первый красный полупроводниковый лазер видимого диапазона. Двадцать лет спустя на рынок были выведены компакт-диски (CD), а за ними последовал рынок оптических запоминающих устройств.
Постоянные инновации в технологии полупроводниковых лазеров привели к развитию технологий оптических накопителей, таких как универсальный цифровой диск (DVD) и диск Blu-ray (BD). Это первый крупный рынок полупроводниковых лазеров, но, как правило, скромные уровни мощности ограничивают другие приложения относительно небольшими нишевыми рынками, такими как термопечать, медицинские приложения и избранные аэрокосмические и оборонные приложения.
1990-е: преобладают оптические сети. В 1990-х годах полупроводниковые лазеры стали ключом к сетям связи. Полупроводниковые лазеры используются для передачи сигналов по волоконно-оптическим сетям, но одномодовые лазеры с более высокой мощностью 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 Spectra Diode Labs (SDL), одного из первых пионеров в индустрии высокомощных полупроводниковых лазеров. SDL, основанная в 1983 году, является совместным предприятием лазерных брендов компании Newport Group Spectra-Physics и Xerox. Он был запущен в 1995 году с рыночной капитализацией около 100 миллионов долларов. Пять лет спустя SDL была продана JDSU более чем за 40 миллиардов долларов на пике развития телекоммуникационной отрасли, что стало одним из крупнейших технологических приобретений в истории. Вскоре после этого пузырь телекоммуникаций лопнул и уничтожил триллионы долларов капитала, который теперь рассматривается как самый большой пузырь в истории.
2000-е: Лазеры стали инструментом. Хотя разрыв пузыря на рынке телекоммуникаций является чрезвычайно разрушительным, огромные инвестиции в мощные полупроводниковые лазеры заложили основу для более широкого распространения. По мере роста производительности и стоимости эти лазеры начинают заменять традиционные газовые лазеры или другие источники преобразования энергии в различных процессах.
Полупроводниковые лазеры стали широко используемым инструментом. Промышленные применения варьируются 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 этими лазерами поступают в продажу ключевые продукты, такие как смартфоны. Приложения для аэрокосмической и оборонной промышленности включают широкий спектр критически важных приложений и, вероятно, в будущем будут включать системы направленной энергии следующего поколения.
подводить итоги
Более 50 лет назад Мур не предложил новый основной закон физики, но внес значительные улучшения в интегральные схемы, которые впервые были изучены десять лет назад. Его пророчество длилось десятилетия и принесло с собой ряд революционных нововведений, которые были немыслимы в 1965 году.
Когда Холл продемонстрировал полупроводниковые лазеры более 50 лет назад, это произвело технологическую революцию. Как и в случае с законом Мура, никто не может предсказать, насколько быстро будут развиваться высокоинтенсивные полупроводниковые лазеры, достигнутые благодаря большому количеству инноваций.
В физике нет фундаментальных правил, управляющих этими технологическими улучшениями, но постоянный технический прогресс может улучшить лазер с точки зрения яркости. Эта тенденция продолжит заменять традиционные технологии, тем самым изменяя способ развития вещей. Более важные для экономического роста мощные полупроводниковые лазеры также будут способствовать рождению новых вещей.