高功率半導體激光器的過(guò)去與未來(lái)

　　隨著(zhù)效率和功率的不斷提高，激光二極管將繼續取代傳統技術(shù)，改變現有事物的處理方式，同時(shí)促生新事物的誕生。

　　傳統上，經(jīng)濟學(xué)家認為技術(shù)進(jìn)步是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程。最近，行業(yè)更多焦點(diǎn)集中在了能引起不連續性的顛覆性創(chuàng )新領(lǐng)域。這些創(chuàng )新被稱(chēng)為通用技術(shù)(GPTs)，是“可能對經(jīng)濟領(lǐng)域許多方面產(chǎn)生重要影響的深刻的新思想或新技術(shù)”。通用技術(shù)通常需要幾十年的發(fā)展，甚至是更長(cháng)時(shí)間才能帶來(lái)生產(chǎn)率的提高。一開(kāi)始它們并沒(méi)有被很好地理解，即使在技術(shù)實(shí)現商業(yè)化之后，生產(chǎn)采用也有一個(gè)長(cháng)期的滯后。集成電路就是一個(gè)很好的案例。晶體管在20世紀初期實(shí)現首次展示，但是其廣泛商用直到很晚的后期才實(shí)現。

　　摩爾定律的創(chuàng )始人之一摩爾(Gordon Moore)在1965年曾預言，半導體將會(huì )以較快的速度發(fā)展，從而“帶來(lái)電子學(xué)的普及，并將這一科學(xué)推向許多新的領(lǐng)域”。盡管他做出了大膽而出人意料的準確預測，但在實(shí)現生產(chǎn)力提高和經(jīng)濟增長(cháng)之前，卻經(jīng)過(guò)了幾十年的持續改進(jìn)。

　　同樣，對高功率半導體激光器戲劇性發(fā)展的認識也是有限的。1962年業(yè)界首次演示了電子轉換為激光，隨后出現了大量進(jìn)展，這些進(jìn)展都促使電子轉換成高產(chǎn)率激光過(guò)程的顯著(zhù)改進(jìn)。這些改進(jìn)能支持一系列重要應用，包括光存儲、光網(wǎng)絡(luò )以及廣泛的工業(yè)應用等。

　　回顧這些進(jìn)展以及帶來(lái)的眾多改善，都突出強調了其對于經(jīng)濟領(lǐng)域許多方面帶來(lái)更大、更普遍影響的可能性。事實(shí)上，隨著(zhù)高功率半導體激光器的不斷改進(jìn)，重要應用的范圍將會(huì )加大并對經(jīng)濟增長(cháng)帶來(lái)深遠影響。

　　高功率半導體激光器歷史

　　1962年9月16日，通用電氣公司的羅伯特·霍爾 (Robert Hall)帶領(lǐng)的研究小組展示了砷化鎵(GaAs)半導體的紅外發(fā)射，這種半導體具有“奇怪的”干涉圖形，意味著(zhù)相干激光 - 首個(gè)半導體激光器的誕生?；魻栕畛跽J為半導體激光器是一個(gè)“遠射”，因為當時(shí)的發(fā)光二極管效率非常低。同時(shí)他對此也持有懷疑態(tài)度，因為當時(shí)兩年前才被證實(shí)、已經(jīng)存在的激光器，需要“精美的鏡子”。

　　1962年夏天，霍爾表示，對于麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗室研發(fā)的效率更高的砷化鎵發(fā)光二極管，他感到相當震驚。隨后，他表示很幸運能通過(guò)一些高質(zhì)量的GaAs材料進(jìn)行測試，并利用他作為一個(gè)業(yè)余天文學(xué)家的經(jīng)驗，開(kāi)發(fā)出了一種方法來(lái)拋光GaAs芯片邊緣，形成一個(gè)腔體。

　　霍爾成功的演示是基于輻射在交界面上來(lái)回反彈，而不是垂直反彈的設計。他謙虛地表示，此前沒(méi)有人“碰巧提出這個(gè)想法。”實(shí)際上，霍爾的設計本質(zhì)上是一個(gè)幸運的巧合，即形成波導的半導體材料也具有同時(shí)限制雙極載流子的性質(zhì)。否則就不可能實(shí)現半導體激光器。通過(guò)使用不相似的半導體材料，可以形成平板波導以使光子與載流子重疊。

　　在通用電氣公司進(jìn)行的這些初步演示是一項重大突破。然而，這些激光器遠不是實(shí)用的器件，為了促使高功率半導體激光器的誕生，必須實(shí)現不同技術(shù)的融合。關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng )新始于對直接帶隙半導體材料和晶體生長(cháng)技術(shù)的理解。

　　后來(lái)的發(fā)展包括雙異質(zhì)結激光器的發(fā)明和量子阱激光器的后續發(fā)展。進(jìn)一步增強這些核心技術(shù)的關(guān)鍵在于效率的提高以及腔面鈍化、散熱和封裝技術(shù)的發(fā)展。

　　亮度

　　過(guò)去幾十年的創(chuàng )新帶來(lái)了激動(dòng)人心的改進(jìn)。特別是，亮度方面的改進(jìn)非常出色。 1985年，當時(shí)最先進(jìn)的高功率半導體激光器可以將105毫瓦的功率耦合到105微米的芯徑光纖中。最先進(jìn)的高功率半導體激光器現在可以產(chǎn)生超過(guò)250瓦、擁有單一波長(cháng)的105微米光纖 - 每八年增長(cháng)10倍。

　　摩爾構思“將更多元件固定在集成電路上”-隨后，每個(gè)芯片晶體管的數量每7年增加10倍。巧合的是，高功率半導體激光器以類(lèi)似的指數速率將更多的光子融入光纖(見(jiàn)圖1)。

　　圖1. 大功率半導體激光器亮度以及和摩爾定律比較

　　大功率半導體激光器亮度的改進(jìn)促進(jìn)了各種不可預見(jiàn)技術(shù)的發(fā)展。雖然這一趨勢的延續還需要更多創(chuàng )新，但有理由相信半導體激光技術(shù)的創(chuàng )新還遠未完成。人們所熟知的物理學(xué)可以通過(guò)持續的技術(shù)發(fā)展進(jìn)一步提高半導體激光器的性能。

　　例如，相比當前的量子阱器件而言，量子點(diǎn)增益介質(zhì)可以顯著(zhù)提高效率。慢軸亮度提供了另一個(gè)數量級的改進(jìn)潛力。具有改進(jìn)的散熱和擴展匹配的新型包裝材料將提供持續功耗調整和簡(jiǎn)化熱管理所需的增強功能。這些關(guān)鍵發(fā)展將為未來(lái)幾十年高功率半導體激光器的發(fā)展提供路線(xiàn)圖。