Det förflutna och framtiden för högeffektiva halvledarlaser

När effektiviteten och kraften fortsätter att öka kommer laserdioder att fortsätta att ersätta traditionell teknik, förändra hur saker hanteras och stimulera nya saker.
Traditionellt tror ekonomer att tekniska framsteg är en gradvis process. Nyligen har branschen fokuserat mer på störande innovation som kan orsaka avbrott. Dessa innovationer, kända som allmänna ändamålstekniker (GPT), är "djupa nya idéer eller tekniker som kan ha stor inverkan på många aspekter av ekonomin." Allmän teknik tar vanligtvis flera decennier att utveckla, och ännu längre kommer att medföra en ökning av produktiviteten. Först var de inte väl förstådda. Även efter att tekniken kommersialiserades var det en långvarig eftersläpning i produktionsanvändningen. Integrerade kretsar är ett bra exempel. Transistorer introducerades först i början av 1900-talet, men de användes ofta till sent på kvällen.
En av grundarna av Moores lag, Gordon Moore, förutspådde 1965 att halvledare kommer att utvecklas i snabbare takt, "att föra elektronikens popularitet och driva denna vetenskap till många nya områden." Trots sina djärva och oväntat noggranna förutsägelser har han genomgått årtionden av kontinuerlig förbättring innan han uppnått produktivitet och ekonomisk tillväxt.
På samma sätt är förståelsen för den dramatiska utvecklingen av halvledarlaser med hög effekt begränsad. År 1962 demonstrerade industrin först omvandlingen av elektroner till lasrar, följt av ett antal framsteg som har lett till betydande förbättringar av omvandlingen av elektroner till högpresterande laserprocesser. Dessa förbättringar kan stödja en rad viktiga applikationer, inklusive optisk lagring, optiskt nätverk och ett brett spektrum av industriella applikationer.
Att påminna om denna utveckling och de många förbättringar som de har fört fram har betonat möjligheten till större och mer omfattande effekter på många aspekter av ekonomin. I själva verket, med den kontinuerliga förbättringen av halvledarlaser med hög effekt, kommer omfattningen av viktiga applikationer att öka och ha en djupgående inverkan på den ekonomiska tillväxten.
Högeffektiv halvledarlaserhistoria
Den 16 september 1962 demonstrerade ett team under ledning av General Electrics Robert Hall den infraröda strålningen av galliumarsenid (GaAs) halvledare, som har "konstiga" interferensmönster, vilket betyder koherens Laser - födelsen av den första halvledarlaser. Hall trodde inledningsvis att halvledarlasern var ett "långt skott" eftersom de lysdioder vid den tiden var mycket ineffektiva. Samtidigt var han också skeptisk till detta eftersom lasern som bekräftades för två år sedan och redan existerar kräver en "fin spegel".
Sommaren 1962 sa Halle att han var chockad över de mer effektiva GaAs-lysdioderna som utvecklats av MIT Lincoln Laboratory. Därefter sa han att han hade turen att kunna testa med några högkvalitativa GaAs-material och använde sin erfarenhet som amatörastronom för att utveckla ett sätt att polera kanterna på GaAs-chips för att bilda ett hålrum.
Halls framgångsrika demonstration bygger på designen av strålning studsar fram och tillbaka vid gränssnittet snarare än vertikalt studs. Han sa blygsamt att ingen "råkar komma på denna idé." I själva verket är Halls design väsentligen en lycklig tillfällighet att halvledarmaterialet som bildar vågledaren också har egenskapen att begränsa bipolära bärare samtidigt. Annars är det omöjligt att förverkliga en halvledarlaser. Genom att använda olika halvledarmaterial kan en plattvågledare bildas för att överlappa fotoner med bärare.
Dessa preliminära demonstrationer på General Electric var ett stort genombrott. Dessa lasrar är dock långt ifrån praktiska enheter. För att främja födelsen av högeffektiva halvledarlaser måste fusion av olika tekniker realiseras. De viktigaste tekniska innovationerna började med en förståelse för direktledande halvledarmaterial och kristalltillväxttekniker.
Senare utveckling inkluderade uppfinningen av dubbla heterojunktionslasrar och den efterföljande utvecklingen av kvantbrunnlasrar. Nyckeln till att ytterligare förbättra dessa kärnteknologier ligger i förbättring av effektivitet och utveckling av kavitetspassivering, värmeavledning och förpackningsteknik.
Ljusstyrka
Innovation under de senaste decennierna har medfört spännande förbättringar. I synnerhet är ljusförbättringen utmärkt. 1985 kunde den toppmoderna halvledarlasern koppla samman 105 milliwatt kraft till en 105 mikron kärnfiber. De mest avancerade högeffektiva halvledarlaserna kan nu producera mer än 250 watt 105 mikron fiber med en enda våglängd - en 10-faldig ökning vart åttonde år.

Moore tänkte "fixa fler komponenter till den integrerade kretsen" - då ökade antalet transistorer per chip med 10 gånger vart sjätte år. Tillfälligt innehåller högeffektiva halvledarlaser fler fotoner i fibern vid liknande exponentiella hastigheter (se figur 1).

Figur 1. Ljusstyrka hos högeffektiva halvledarlaser och jämförelse med Moores lag
Förbättringen i ljusstyrka hos halvledarlaser med hög effekt har främjat utvecklingen av olika oförutsedda teknologier. Även om fortsättningen av denna trend kräver mer innovation, finns det anledning att tro att innovationen av halvledarlaserteknik långt ifrån är klar. Den välkända fysiken kan ytterligare förbättra prestandan hos halvledarlaser genom kontinuerlig teknisk utveckling.
Till exempel kan kvantprickförstärkningsmedia avsevärt öka effektiviteten jämfört med nuvarande kvantbrunnsenheter. Långsam axelns ljusstyrka erbjuder en annan potential för förbättring av storleksordningen. Nytt förpackningsmaterial med förbättrad värme- och expansionsmatchning ger de förbättringar som krävs för kontinuerlig effektjustering och förenklad termisk hantering. Dessa viktiga utvecklingar kommer att ge en färdplan för utvecklingen av halvledarlaser med hög effekt under de kommande decennierna.
Diodpumpade halvledarlaser och fiberlasrar
Förbättringar av högeffektiva halvledarlaser har gjort det möjligt att utveckla nedströms laserteknik; i nedströms laserteknik används halvledarlaser för att excitera (pumpa) dopade kristaller (diodpumpade halvledarlaser) eller dopade fibrer (fiberlasrar).
Även om halvledarlaser ger högeffektiv och billig laserenergi, finns det två viktiga begränsningar: de lagrar inte energi och deras ljusstyrka är begränsad. I grund och botten måste dessa två lasrar användas för många applikationer: en för att omvandla elektricitet till laseremission och den andra för att förbättra ljusemissionen hos laseremissionen.
Diodpumpade halvledarlaser. I slutet av 1980-talet började användningen av halvledarlaser för att pumpa halvledarlaser bli populärare i kommersiella applikationer. Diodpumpade halvledarlaser (DPSSL) minskar storleken och komplexiteten hos värmehanteringssystem (främst återcirkulerande kylare) och erhåller moduler som historiskt har kombinerat ljusbågslampor för pumpning av halvledarlaserkristaller.
Våglängderna för halvledarlaser väljs baserat på deras överlappning med de spektrala absorptionsegenskaperna hos solid-state laserförstärkningsmedium; värmebelastningen minskas kraftigt jämfört med ljusbågslampans bredbandsemissionsspektrum. På grund av populariteten hos 1064 nm germaniumbaserade lasrar har 808 nm pumpvåglängden blivit den största våglängden i halvledarlaser i mer än 20 år.
Med ökningen av ljusstyrkan hos multimode halvledarlaser och förmågan att stabilisera den smala emitterlinjebredden med volym Bragg-galler (VBG) i mitten av 2000 uppnåddes andra generationens förbättrade diodpumpningseffektivitet. De svagare och spektralt smala absorptionsegenskaperna runt 880 nm har blivit heta fläckar för pumpdioder med hög ljusstyrka. Dessa dioder kan uppnå spektral stabilitet. Dessa högpresterande lasrar kan direkt excitera laserns övre nivå 4F3 / 2 i kisel, vilket minskar kvantfel och därigenom förbättrar extraktionen av högre genomsnittliga grundlägen som annars skulle begränsas av termiska linser.
I början av 2010 har vi sett den kraftiga skalningstrenden hos 1064nm-lasern med en korsläge och relaterade serier av frekvensomvandlingslasrar som arbetar i de synliga och ultravioletta banden. På grund av de längre energitillståndslivslängderna för Nd: YAG och Nd: YVO4 ger dessa DPSSL Q-omkopplingsoperationer hög pulsenergi och toppeffekt, vilket gör dem idealiska för bearbetning av ablativt material och mikromaskiner med hög precision.
fiberoptisk laser. Fiberlasrar ger ett effektivare sätt att omvandla ljusstyrkan hos halvledarlaser med hög effekt. Även om våglängdsmultiplexerad optik kan omvandla en halvledarlaser med relativt låg luminans till en ljusare halvledarlaser, sker detta på bekostnad av ökad spektralbredd och optomekanisk komplexitet. Fiberlasrar har visat sig vara särskilt effektiva vid fotometrisk omvandling.
De dubbelklädda fibrerna som introducerades på 1990-talet använder enfunktionsfibrer som omges av en multimodsklädsel, vilket möjliggör en högre effekt, billigare multimode halvledarpumpade lasrar som effektivt kan injiceras i fibern, vilket skapar ett mer ekonomiskt sätt att omvandla en halveffektiv halvledarlaser till en ljusare laser. För ytterbium (Yb) -dopade fibrer exciterar pumpen en bred absorption centrerad vid 915 nm eller ett smalt bandfunktion runt 976 nm. När pumpens våglängd närmar sig laserlasens våglängd reduceras så kallade kvantfel, vilket maximerar effektiviteten och minimerar mängden värmeavledning.
Både fiberlasrar och diodpumpade halvledarlaser är beroende av förbättringar av diodlasers ljusstyrka. I allmänhet ökar också andelen laserkraft som diodlasrarnas ljusstyrka ökar. Den ökade ljusstyrkan hos halvledarlaser underlättar effektivare konvertering av ljusstyrka.
Som vi förväntar oss kommer rumslig och spektral ljusstyrka att vara nödvändig för framtida system, vilket möjliggör pumpning med låg kvantdefekt med smala absorptionsegenskaper i halvledarlaser och tät våglängdsmultiplexering för direkta halvledarlaserapplikationer. Planen blir möjlig.
Marknad och tillämpning
Utvecklingen av högeffektiva halvledarlaser har gjort många viktiga applikationer möjliga. Dessa lasrar har ersatt många traditionella tekniker och har implementerat nya produktkategorier.
Med en tiofaldig ökning av kostnad och prestanda per decennium stör högeffektiva halvledarlaser den normala driften av marknaden på oförutsägbara sätt. Även om det är svårt att exakt förutsäga framtida applikationer, är det mycket viktigt att granska utvecklingshistoriken under de senaste tre decennierna och ge rammöjligheter för utvecklingen av nästa decennium (se figur 2).

Figur 2. Högeffektiv halvledarlaser ljusstyrka bränsletillämpning (standardiseringskostnad per watt ljusstyrka)
1980-talet: Optisk lagring och initiala nischapplikationer. Optisk lagring är den första storskaliga applikationen inom halvledarlaserindustrin. Strax efter att Hall först visade den infraröda halvledarlasern, visade General Electrics Nick Holonyak också den första synliga röda halvledarlasern. Tjugo år senare introducerades CD-skivor (CD-skivor), följt av marknaden för optisk lagring.
Den ständiga innovationen av halvledarlaserteknik har lett till utvecklingen av optiska lagringstekniker som digital mångsidig skiva (DVD) och Blu-ray Disc (BD). Detta är den första stora marknaden för halvledarlaser, men i allmänhet begränsar blygsamma effektnivåer andra applikationer till relativt små nischmarknader såsom termotryck, medicinska applikationer och utvalda flyg- och försvarsapplikationer.
1990-talet: Optiska nätverk råder. På 1990-talet blev halvledarlaser nyckeln till kommunikationsnätverk. Halvledarlaser används för att sända signaler över fiberoptiska nätverk, men högeffekt enkellägespumpslaser för optiska förstärkare är avgörande för att uppnå skala av optiska nätverk och verkligen stödja tillväxten av internetdata.
Telekommunikationsindustrins högkonjunktur är långtgående och tar Spectra Diode Labs (SDL), en av de första pionjärerna inom högeffekt halvledarlaserindustrin som ett exempel. SDL grundades 1983 och är ett joint venture mellan Newport-gruppens lasermärken Spectra-Physics och Xerox. Det lanserades 1995 med ett börsvärde på cirka 100 miljoner dollar. Fem år senare såldes SDL till JDSU för mer än 40 miljarder dollar under telekomindustrins topp, ett av de största teknikförvärven i historien. Strax därefter sprängde telekommunikationsbubblan och förstörde biljoner dollar i kapital, nu sett som historiens största bubbla.
2000-talet: Lasrar blev ett verktyg. Även om sprängningen av telekommunikationsbubblan är extremt destruktiv, har den enorma investeringen i högeffektiva halvledarlaser lagt grunden för ett bredare antagande. När prestanda och kostnader ökar börjar dessa lasrar ersätta traditionella gaslasrar eller andra energiomvandlingskällor i en mängd olika processer.
Halvledarlaser har blivit ett allmänt använt verktyg. Industriella applikationer sträcker sig från traditionella tillverkningsprocesser som skärning och lödning till nya avancerade tillverkningstekniker som additiv tillverkning av 3D-tryckta metalldelar. Mikrotillverkningsapplikationer är mer olika, eftersom viktiga produkter som smartphones har marknadsförts med dessa lasrar. Flyg- och försvarsapplikationer involverar ett brett spektrum av verksamhetskritiska applikationer och kommer sannolikt att inkludera nästa generations riktade energisystem i framtiden.
För att sammanfatta
För mer än 50 år sedan föreslog Moore inte en ny grundläggande fysiklag utan gjorde stora förbättringar av de integrerade kretsarna som först studerades för tio år sedan. Hans profetia varade i årtionden och förde med sig en serie störande innovationer som var otänkbara 1965.
När Hall demonstrerade halvledarlaser för mer än 50 år sedan utlöste det en teknisk revolution. Som med Moores lag kan ingen förutsäga den höghastighetsutveckling som högintensiva halvledarlaser som uppnås av ett stort antal innovationer därefter kommer att genomgå.
Det finns ingen grundläggande regel i fysiken för att kontrollera dessa tekniska förbättringar, men kontinuerlig teknisk utveckling kan främja lasern när det gäller ljusstyrka. Denna trend kommer att fortsätta att ersätta traditionell teknik och därmed ytterligare förändra hur saker och ting utvecklas. Viktigare för ekonomisk tillväxt, halvledarlaser med hög effekt kommer också att främja födelsen av nya saker.