Suuritehoisten puolijohdelasereiden menneisyys ja tulevaisuus

Tehokkuuden ja tehon kasvaessa laserdiodit jatkavat perinteisten teknologioiden korvaamista, muuttavat asioiden käsittelyä ja edistävät uusien asioiden syntymistä.
Perinteisesti taloustieteilijät uskovat, että teknologinen kehitys on asteittainen prosessi. Viime aikoina toimiala on keskittynyt enemmän häiritseviin innovaatioihin, jotka voivat aiheuttaa epäjatkuvuutta. Nämä innovaatiot, jotka tunnetaan nimellä yleiskäyttöiset teknologiat (GPT), ovat "syviä uusia ideoita tai teknologioita, joilla voi olla suuri vaikutus moniin talouden näkökohtiin". Yleisen tekniikan kehittyminen kestää yleensä useita vuosikymmeniä, ja vielä pidempi aika lisää tuottavuutta. Aluksi niitä ei ymmärretty kunnolla. Jopa teknologian kaupallistamisen jälkeen tuotannon käyttöönotossa oli pitkäaikainen viive. Integroidut piirit ovat hyvä esimerkki. Transistorit esiteltiin ensimmäisen kerran 1900-luvun alussa, mutta niitä käytettiin laajalti myöhään iltaan asti.
Yksi Mooren lain perustajista, Gordon Moore, ennusti vuonna 1965, että puolijohteet kehittyvät nopeammin, "tuoden elektroniikan suosion ja työntäen tämän tieteen monille uusille aloille". Huolimatta rohkeista ja odottamattoman tarkoista ennusteistaan ​​hän on kokenut vuosikymmeniä jatkuvan parantamisen ennen tuottavuuden ja talouskasvun saavuttamista.
Samoin ymmärrys suuritehoisten puolijohdelasereiden dramaattisesta kehityksestä on rajallista. Vuonna 1962 teollisuus osoitti ensimmäisen kerran elektronien muuntamisen lasereiksi, mitä seurasi useita edistysaskeleita, jotka ovat johtaneet merkittäviin parannuksiin elektronien muuntamisessa korkean tuoton laserprosesseiksi. Nämä parannukset voivat tukea monia tärkeitä sovelluksia, mukaan lukien optinen tallennus, optinen verkko ja laaja valikoima teollisia sovelluksia.
Tämän kehityksen ja niiden tuomien lukuisten parannusten muistuttaminen on tuonut esiin mahdollisen suuremman ja laajemman vaikutuksen moniin talouden osa-alueisiin. Itse asiassa suuritehoisten puolijohdelaserien jatkuvan parantamisen myötä tärkeiden sovellusten laajuus kasvaa ja niillä on syvällinen vaikutus talouskasvuun.
Suuritehoisen puolijohdelaserin historia
Syyskuun 16. päivänä 1962 General Electricin Robert Hallin johtama tiimi esitteli galliumarsenidipuolijohteiden (GaAs) infrapunasäteilyä, joilla on "outoja" häiriökuvioita, mikä tarkoittaa koherenssilaseria - ensimmäisen puolijohdelaserin syntymää. Hall uskoi alun perin, että puolijohdelaser oli "pitkä laukaus", koska valodiodit olivat tuolloin erittäin tehottomia. Samalla hän suhtautui asiaan myös skeptisesti, koska kaksi vuotta sitten varmistettu ja jo olemassa oleva laser vaatii "hienon peilin".
Kesällä 1962 Halle sanoi olevansa järkyttynyt MIT Lincoln Laboratoryn kehittämistä tehokkaammista GaAs-valodiodeista. Myöhemmin hän sanoi olevansa onnekas saadessaan testata korkealaatuisia GaAs-materiaaleja ja käytti kokemustaan ​​amatööritähtitieteilijänä kehittääkseen tavan kiillottaa GaAs-sirujen reunat ontelon muodostamiseksi.
Hallin onnistunut esittely perustuu säteilyn pomppimisen suunnitteluun edestakaisin rajapinnassa eikä pystysuoraan. Hän sanoi vaatimattomasti, ettei kukaan "ole sattunut keksimään tätä ideaa". Itse asiassa Hallin suunnittelu on pohjimmiltaan onnekas sattuma, että aaltoputken muodostavalla puolijohdemateriaalilla on myös ominaisuus rajoittaa bipolaarisia kantoaaltoja samanaikaisesti. Muuten on mahdotonta toteuttaa puolijohdelaseria. Käyttämällä erilaisia ​​puolijohdemateriaaleja voidaan muodostaa laatta-aaltoputki, joka peittää fotonit kantajien kanssa.
Nämä General Electricin alustavat mielenosoitukset olivat suuri läpimurto. Nämä laserit ovat kuitenkin kaukana käytännöllisistä laitteista. Tehokkaiden puolijohdelasereiden syntymisen edistämiseksi on toteutettava eri teknologioiden fuusio. Tärkeimmät teknologiset innovaatiot alkoivat ymmärrystä suorien bandgap-puolijohdemateriaalien ja kiteen kasvutekniikoiden avulla.
Myöhemmät kehitystyöt sisälsivät kaksoisheteroliitoslaserien keksimisen ja sitä seuranneen kvanttikuivolaserien kehittämisen. Avain näiden ydinteknologioiden edelleen kehittämiseen on tehokkuuden parantaminen ja onteloiden passivointi-, lämmönpoisto- ja pakkausteknologian kehittäminen.
Kirkkaus
Viime vuosikymmenien innovaatiot ovat tuoneet mukanaan jännittäviä parannuksia. Erityisesti kirkkauden parannus on erinomainen. Vuonna 1985 huippuluokan suuritehoinen puolijohdelaser kykeni yhdistämään 105 milliwattia tehoa 105 mikronin ydinkuituun. Edistyksellisimmät suuritehoiset puolijohdelaserit voivat nyt tuottaa yli 250 wattia 105 mikronin kuitua yhdellä aallonpituudella - 10-kertainen kasvu kahdeksan vuoden välein.

Moore ajatteli "kiinnittää enemmän komponentteja integroituun piiriin" - sitten transistorien määrä sirua kohti kasvoi 10 kertaa 7 vuoden välein. Sattumalta suuritehoiset puolijohdelaserit sisällyttävät kuituun enemmän fotoneja samanlaisilla eksponentiaalisilla nopeuksilla (katso kuva 1).

Kuva 1. Suuritehoisten puolijohdelasereiden kirkkaus ja vertailu Mooren lakiin
Suuritehoisten puolijohdelasereiden kirkkauden parantuminen on edistänyt erilaisten odottamattomien teknologioiden kehitystä. Vaikka tämän suuntauksen jatkuminen vaatii lisää innovaatioita, on syytä uskoa, että puolijohdelaserteknologian innovaatio ei ole vielä läheskään valmis. Tunnettu fysiikka voi edelleen parantaa puolijohdelaserien suorituskykyä jatkuvan teknologisen kehityksen avulla.
Esimerkiksi kvanttipistevahvistusmediat voivat merkittävästi lisätä tehokkuutta verrattuna nykyisiin kvanttikuivolaitteisiin. Hitaan akselin kirkkaus tarjoaa toisen suuruusluokan parannuspotentiaalin. Uudet pakkausmateriaalit, joissa on parannettu lämpö- ja laajenemissovitus, tarjoavat parannuksia, joita tarvitaan jatkuvaan tehonsäätöön ja yksinkertaistettuun lämmönhallintaan. Nämä keskeiset kehityssuunnat tarjoavat etenemissuunnitelman suuritehoisten puolijohdelasereiden kehittämiselle tulevina vuosikymmeninä.
Diodipumpatut solid-state- ja kuitulaserit
Tehokkaiden puolijohdelasereiden parannukset ovat mahdollistaneet loppupään lasertekniikoiden kehittämisen. alavirran laserteknologiassa puolijohdelasereita käytetään virittämään (pumppaamaan) seostettuja kiteitä (diodipumpatut solid-state-laserit) tai seostettuja kuituja (kuitulaserit).
Vaikka puolijohdelaserit tarjoavat korkeatehoista ja edullista laserenergiaa, niillä on kaksi keskeistä rajoitusta: ne eivät varastoi energiaa ja niiden kirkkaus on rajoitettu. Pohjimmiltaan näitä kahta laseria on käytettävä moniin sovelluksiin: toista sähkön muuntamiseen lasersäteilyksi ja toista laseremission kirkkauden parantamiseen.
Diodipumpatut puolijohdelaserit. 1980-luvun lopulla puolijohdelaserien käyttö puolijohdelaserien pumppaamiseen alkoi saada suosiota kaupallisissa sovelluksissa. Diodipumpatut solid-state laserit (DPSSL) vähentävät suuresti lämmönhallintajärjestelmien kokoa ja monimutkaisuutta (pääasiassa kierrätysjäähdyttimiä) ja saavat aikaan moduuleja, joissa on perinteisesti yhdistetty kaarilamppuja solid-state laserkiteiden pumppaamiseen.
Puolijohdelasereiden aallonpituudet valitaan niiden päällekkäisyyden perusteella solid-state laserin vahvistusväliaineen spektraalisten absorptioominaisuuksien kanssa; lämpökuorma on huomattavasti pienempi verrattuna kaarilampun laajakaistaiseen emissiospektriin. 1064 nm:n germaniumpohjaisten lasereiden suosion ansiosta 808 nm:n pumppuaallonpituudesta on tullut puolijohdelaserien suurin aallonpituus yli 20 vuoteen.
Vuoden 2000 puolivälissä monimuotopuolijohdelasereiden kirkkauden kasvu ja kapea emitteriviivan leveys pystyttiin stabiloimaan Bragg-hileillä (VBG) vuoden 2000 puolivälissä, mikä saavutti toisen sukupolven parannetun diodipumppaustehokkuuden. Heikommat ja spektraalisesti kapeat absorptioominaisuudet noin 880 nm ovat tulleet kuumiksi pisteiksi kirkkaille pumppudiodeille. Nämä diodit voivat saavuttaa spektrin vakauden. Nämä tehokkaammat laserit voivat virittää suoraan laserin ylemmän tason 4F3/2 piissä, mikä vähentää kvanttivirheitä ja parantaa siten keskimääräistä korkeampien perusmoodien erottamista, joita lämpölinssit muuten rajoittaisivat.
Vuoden 2010 alkuun mennessä olemme nähneet yksiristimuotoisen 1064 nm laserin ja siihen liittyvien näkyvällä ja ultraviolettikaistalla toimivien taajuusmuunnoslaserien sarjan suuritehoisen skaalaustrendin. Nd:YAG:n ja Nd:YVO4:n pitkien korkean energian tilan käyttöiän ansiosta nämä DPSSL Q -kytkentätoiminnot tarjoavat korkean pulssienergian ja huipputehon, mikä tekee niistä ihanteellisia ablatiiviseen materiaalinkäsittelyyn ja erittäin tarkkoihin mikrotyöstösovelluksiin.
kuituoptinen laser. Kuitulaserit tarjoavat tehokkaamman tavan muuntaa suuritehoisten puolijohdelasereiden kirkkautta. Vaikka aallonpituusmultipleksoitu optiikka voi muuntaa suhteellisen alhaisen luminanssin puolijohdelaserin kirkkaammaksi puolijohdelaseriksi, tämä tapahtuu lisääntyneen spektrin leveyden ja optomekaanisen monimutkaisuuden kustannuksella. Kuitulaserien on osoitettu olevan erityisen tehokkaita fotometrisessa muuntamisessa.
1990-luvulla käyttöön otetuissa kaksoispäällysteisissä kuiduissa käytetään yksimuotokuituja, joita ympäröi monimuotokuori, mikä mahdollistaa tehokkaamman ja edullisemman monimuotopuolijohdepumpattujen lasereiden tehokkaan injektoinnin kuituun, mikä luo taloudellisemman tavan muuntaa suuritehoisesta puolijohdelaserista kirkkaammaksi laseriksi. Ytterbiumilla (Yb) seostetuilla kuiduilla pumppu herättää laajan absorption, jonka keskipiste on 915 nm, tai kapeakaistaisen ominaisuuden noin 976 nm:ssä. Kun pumpun aallonpituus lähestyy kuitulaserin laseraallonpituutta, niin sanotut kvanttivirheet vähenevät, mikä maksimoi tehokkuuden ja minimoi lämmönhäviön.
Sekä kuitulaserit että diodipumpatut puolijohdelaserit luottavat diodilaserin kirkkauden parannuksiin. Yleisesti ottaen diodilaserien kirkkauden parantuessa myös niiden pumppaaman lasertehon osuus kasvaa. Puolijohdelasereiden lisääntynyt kirkkaus mahdollistaa tehokkaamman kirkkauden muuntamisen.
Kuten odotamme, spatiaalinen ja spektrinen kirkkaus ovat välttämättömiä tuleville järjestelmille, jotka mahdollistavat matalan kvanttivikapumpun kapeilla absorptio-ominaisuuksilla solid-state-lasereissa ja tiheän aallonpituuden multipleksoinnin suorissa puolijohdelasersovelluksissa. Suunnitelmasta tulee mahdollinen.
Markkinat ja sovellus
Suuritehoisten puolijohdelasereiden kehitys on mahdollistanut monia tärkeitä sovelluksia. Nämä laserit ovat korvanneet monia perinteisiä teknologioita ja ottaneet käyttöön uusia tuotekategorioita.
Kustannusten ja suorituskyvyn 10-kertainen nousu vuosikymmenessä, suuritehoiset puolijohdelaserit häiritsevät markkinoiden normaalia toimintaa arvaamattomilla tavoilla. Vaikka tulevia sovelluksia on vaikea ennustaa tarkasti, on erittäin tärkeää tarkastella kolmen viime vuosikymmenen kehityshistoriaa ja tarjota puitteet seuraavan vuosikymmenen kehitykselle (ks. kuva 2).

Kuva 2. Suuritehoinen puolijohdelaserkirkkauden polttoainesovellus (standardointikustannukset wattikirkkautta kohti)
1980-luku: Optinen tallennus ja ensimmäiset kapeat sovellukset. Optinen tallennus on ensimmäinen laajamittainen sovellus puolijohdelaserteollisuudessa. Pian sen jälkeen, kun Hall esitteli ensimmäisen kerran infrapunapuolijohdelaseria, General Electrics Nick Holonyak näytti myös ensimmäisen näkyvän punaisen puolijohdelaserin. Kaksikymmentä vuotta myöhemmin markkinoille tuotiin CD-levyt, joita seurasivat optisten tallennuslaitteiden markkinat.
Puolijohdelaserteknologian jatkuva innovaatio on johtanut optisten tallennustekniikoiden, kuten digitaalisten monipuolisten levyjen (DVD) ja Blu-ray-levyjen (BD) kehittämiseen. Tämä on ensimmäiset suuret puolijohdelasermarkkinat, mutta yleensä vaatimattomat tehotasot rajoittavat muut sovellukset suhteellisen pienille markkinarakoille, kuten lämpötulostukseen, lääketieteellisiin sovelluksiin ja valikoituihin ilmailu- ja puolustussovelluksiin.
1990-luku: Optiset verkot ovat vallitsevia. 1990-luvulla puolijohdelasereista tuli avain viestintäverkkoihin. Puolijohdelasereita käytetään signaalien lähettämiseen kuituoptisten verkkojen kautta, mutta tehokkaammat yksimuotoiset pumppulaserit optisille vahvistimille ovat kriittisiä optisten verkkojen mittakaavan saavuttamiseksi ja Internet-datan kasvun todella tukemiseksi.
Sen tuoma tietoliikenneteollisuuden buumi on kauaskantoinen, ja esimerkkinä on Spectra Diode Labs (SDL), joka on yksi ensimmäisistä suuritehoisen puolijohdelaserteollisuuden edelläkävijöistä. Vuonna 1983 perustettu SDL on Newport Groupin lasermerkkien Spectra-Physicsin ja Xeroxin yhteisyritys. Se lanseerattiin vuonna 1995, ja sen markkina-arvo oli noin 100 miljoonaa dollaria. Viisi vuotta myöhemmin SDL myytiin JDSU:lle yli 40 miljardilla dollarilla televiestintäalan huipun aikana, mikä oli yksi historian suurimmista teknologiaostoista. Pian sen jälkeen tietoliikennekupla puhkesi ja tuhosi biljoonien dollareiden pääomaa, jota pidetään nyt historian suurimpana kuplana.
2000-luku: Lasereista tuli työkalu. Vaikka televiestintämarkkinoiden kuplan puhkeaminen on äärimmäisen tuhoisaa, valtava investointi suuritehoisiin puolijohdelasereihin on luonut pohjan laajemmalle käyttöönotolle. Suorituskyvyn ja kustannusten kasvaessa nämä laserit alkavat korvata perinteisiä kaasulasereita tai muita energian muunnoslähteitä monissa prosesseissa.
Puolijohdelasereista on tullut laajalti käytetty työkalu. Teolliset sovellukset vaihtelevat perinteisistä valmistusprosesseista, kuten leikkaamisesta ja juottamisesta, uusiin edistyneisiin valmistusteknologioihin, kuten 3D-tulostettujen metalliosien lisätuotantoon. Mikrovalmistussovellukset ovat monipuolisempia, sillä avaintuotteet, kuten älypuhelimet, on kaupallistettu näillä lasereilla. Ilmailu- ja puolustussovellukset sisältävät laajan valikoiman kriittisiä sovelluksia, ja ne sisältävät todennäköisesti seuraavan sukupolven suunnattuja energiajärjestelmiä tulevaisuudessa.
Yhteenvetona 
Yli 50 vuotta sitten Moore ei ehdottanut uutta fysiikan peruslakia, mutta teki suuria parannuksia integroituihin piireihin, joita tutkittiin ensimmäisen kerran kymmenen vuotta sitten. Hänen ennustuksensa kesti vuosikymmeniä ja toi mukanaan joukon häiritseviä innovaatioita, joita ei voitu ajatella vuonna 1965.
Kun Hall esitteli puolijohdelasereita yli 50 vuotta sitten, se laukaisi teknologisen vallankumouksen. Kuten Mooren laissa, kukaan ei voi ennustaa sitä nopeaa kehitystä, jonka suuren intensiteetin puolijohdelaserit, jotka on saavutettu useilla innovaatioilla, tulevat myöhemmin käymään läpi.
Fysiikassa ei ole perussääntöä näiden teknisten parannusten hallitsemiseksi, mutta jatkuva teknologinen kehitys voi edistää laserin kirkkautta. Tämä suuntaus korvaa edelleen perinteisiä teknologioita ja muuttaa siten edelleen asioiden kehittämistä. Talouskasvun kannalta tärkeämpää on, että suuritehoiset puolijohdelaserit edistävät myös uusien asioiden syntymistä.