高功率半導(dǎo)體激光器的過去與未來

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

　　傳統(tǒng)上，經(jīng)濟(jì)學(xué)家認(rèn)為技術(shù)進(jìn)步是一個(gè)漸進(jìn)的過程。最近，行業(yè)更多焦點(diǎn)集中在了能引起不連續(xù)性的顛覆性創(chuàng)新領(lǐng)域。這些創(chuàng)新被稱為通用技術(shù)(GPTs)，是“可能對(duì)經(jīng)濟(jì)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，甚至是更長時(shí)間才能帶來生產(chǎn)率的提高。一開始它們并沒有被很好地理解，即使在技術(shù)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化之后，生產(chǎn)采用也有一個(gè)長期的滯后。集成電路就是一個(gè)很好的案例。晶體管在20世紀(jì)初期實(shí)現(xiàn)首次展示，但是其廣泛商用直到很晚的后期才實(shí)現(xiàn)。

　　摩爾定律的創(chuàng)始人之一摩爾(Gordon Moore)在1965年曾預(yù)言，半導(dǎo)體將會(huì)以較快的速度發(fā)展，從而“帶來電子學(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(zhǔn)確預(yù)測(cè)，但在實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)力提高和經(jīng)濟(jì)增長之前，卻經(jīng)過了幾十年的持續(xù)改進(jìn)。

　　同樣，對(duì)高功率半導(dǎo)體激光器戲劇性發(fā)展的認(rèn)識(shí)也是有限的。1962年業(yè)界首次演示了電子轉(zhuǎn)換為激光，隨后出現(xiàn)了大量進(jìn)展，這些進(jìn)展都促使電子轉(zhuǎn)換成高產(chǎn)率激光過程的顯著改進(jìn)。這些改進(jìn)能支持一系列重要應(yīng)用，包括光存儲(chǔ)、光網(wǎng)絡(luò)以及廣泛的工業(yè)應(yīng)用等。

　　回顧這些進(jìn)展以及帶來的眾多改善，都突出強(qiáng)調(diào)了其對(duì)于經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域許多方面帶來更大、更普遍影響的可能性。事實(shí)上，隨著高功率半導(dǎo)體激光器的不斷改進(jìn)，重要應(yīng)用的范圍將會(huì)加大并對(duì)經(jīng)濟(jì)增長帶來深遠(yuǎn)影響。

　　高功率半導(dǎo)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(dǎo)體的紅外發(fā)射，這種半導(dǎo)體具有“奇怪的”干涉圖形，意味著相干激光 - 首個(gè)半導(dǎo)體激光器的誕生。霍爾最初認(rèn)為半導(dǎo)體激光器是一個(gè)“遠(yuǎn)射”，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的發(fā)光二極管效率非常低。同時(shí)他對(duì)此也持有懷疑態(tài)度，因?yàn)楫?dāng)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(duì)于麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的效率更高的砷化鎵發(fā)光二極管，他感到相當(dāng)震驚。隨后，他表示很幸運(yùn)能通過一些高質(zhì)量的GaAs材料進(jìn)行測(cè)試，并利用他作為一個(gè)業(yè)余天文學(xué)家的經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)出了一種方法來拋光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回反彈，而不是垂直反彈的設(shè)計(jì)。他謙虛地表示，此前沒有人“碰巧提出這個(gè)想法。”實(shí)際上，霍爾的設(shè)計(jì)本質(zhì)上是一個(gè)幸運(yùn)的巧合，即形成波導(dǎo)的半導(dǎo)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(xiàn)半導(dǎo)體激光器。通過使用不相似的半導(dǎo)體材料，可以形成平板波導(dǎo)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(xiàng)重大突破。然而，這些激光器遠(yuǎn)不是實(shí)用的器件，為了促使高功率半導(dǎo)體激光器的誕生，必須實(shí)現(xiàn)不同技術(shù)的融合。關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新始于對(duì)直接帶隙半導(dǎo)體材料和晶體生長技術(shù)的理解。

　　后來的發(fā)展包括雙異質(zhì)結(jié)激光器的發(fā)明和量子阱激光器的后續(xù)發(fā)展。進(jìn)一步增強(qiáng)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

　　過去幾十年的創(chuàng)新帶來了激動(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(dāng)時(shí)最先進(jìn)的高功率半導(dǎo)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(dǎo)體激光器現(xiàn)在可以產(chǎn)生超過250瓦、擁有單一波長的105微米光纖 - 每八年增長10倍。

　　摩爾構(gòu)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(shù)量每7年增加10倍。巧合的是，高功率半導(dǎo)體激光器以類似的指數(shù)速率將更多的光子融入光纖(見圖1)。

　　圖1. 大功率半導(dǎo)體激光器亮度以及和摩爾定律比較

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

　　例如，相比當(dāng)前的量子阱器件而言，量子點(diǎn)增益介質(zhì)可以顯著提高效率。慢軸亮度提供了另一個(gè)數(shù)量級(jí)的改進(jìn)潛力。具有改進(jìn)的散熱和擴(kuò)展匹配的新型包裝材料將提供持續(xù)功耗調(diào)整和簡化熱管理所需的增強(qiáng)功能。這些關(guān)鍵發(fā)展將為未來幾十年高功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展提供路線圖。