高功率半導體激光器的過去與未來

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

　　傳統上，經濟學家認為技術進步是一個漸進的過程。最近，行業更多焦點集中在了能引起不連續性的顛覆性創新領域。這些創新被稱為通用技術(GPTs)，是“可能對經濟領域許多方面產生重要影響的深刻的新思想或新技術”。通用技術通常需要幾十年的發展，甚至是更長時間才能帶來生產率的提高。一開始它們并沒有被很好地理解，即使在技術實現商業化之后，生產采用也有一個長期的滯后。集成電路就是一個很好的案例。晶體管在20世紀初期實現首次展示，但是其廣泛商用直到很晚的后期才實現。

　　摩爾定律的創始人之一摩爾(Gordon Moore)在1965年曾預言，半導體將會以較快的速度發展，從而“帶來電子學的普及，并將這一科學推向許多新的領域”。盡管他做出了大膽而出人意料的準確預測，但在實現生產力提高和經濟增長之前，卻經過了幾十年的持續改進。

　　同樣，對高功率半導體激光器戲劇性發展的認識也是有限的。1962年業界首次演示了電子轉換為激光，隨后出現了大量進展，這些進展都促使電子轉換成高產率激光過程的顯著改進。這些改進能支持一系列重要應用，包括光存儲、光網絡以及廣泛的工業應用等。

　　回顧這些進展以及帶來的眾多改善，都突出強調了其對于經濟領域許多方面帶來更大、更普遍影響的可能性。事實上，隨著高功率半導體激光器的不斷改進，重要應用的范圍將會加大并對經濟增長帶來深遠影響。

　　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)帶領的研究小組展示了砷化鎵(GaAs)半導體的紅外發射，這種半導體具有“奇怪的”干涉圖形，意味著相干激光 - 首個半導體激光器的誕生。霍爾最初認為半導體激光器是一個“遠射”，因為當時的發光二極管效率非常低。同時他對此也持有懷疑態度，因為當時兩年前才被證實、已經存在的激光器，需要“精美的鏡子”。

　　1962年夏天，霍爾表示，對于麻省理工學院林肯實驗室研發的效率更高的砷化鎵發光二極管，他感到相當震驚。隨后，他表示很幸運能通過一些高質量的GaAs材料進行測試，并利用他作為一個業余天文學家的經驗，開發出了一種方法來拋光GaAs芯片邊緣，形成一個腔體。

　　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計。他謙虛地表示，此前沒有人“碰巧提出這個想法。”實際上，霍爾的設計本質上是一個幸運的巧合，即形成波導的半導體材料也具有同時限制雙極載流子的性質。否則就不可能實現半導體激光器。通過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用的器件，為了促使高功率半導體激光器的誕生，必須實現不同技術的融合。關鍵技術創新始于對直接帶隙半導體材料和晶體生長技術的理解。

　　后來的發展包括雙異質結激光器的發明和量子阱激光器的后續發展。進一步增強這些核心技術的關鍵在于效率的提高以及腔面鈍化、散熱和封裝技術的發展。

　　亮度

　　過去幾十年的創新帶來了激動人心的改進。特別是，亮度方面的改進非常出色。 1985年，當時最先進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。最先進的高功率半導體激光器現在可以產生超過250瓦、擁有單一波長的105微米光纖 - 每八年增長10倍。

　　摩爾構思“將更多元件固定在集成電路上”-隨后，每個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似的指數速率將更多的光子融入光纖(見圖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促進了各種不可預見技術的發展。雖然這一趨勢的延續還需要更多創新，但有理由相信半導體激光技術的創新還遠未完成。人們所熟知的物理學可以通過持續的技術發展進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，量子點增益介質可以顯著提高效率。慢軸亮度提供了另一個數量級的改進潛力。具有改進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化熱管理所需的增強功能。這些關鍵發展將為未來幾十年高功率半導體激光器的發展提供路線圖。