高功率半导体激光器的过去与未来

随着效率和功率的不断提高，激光二极管将继续取代传统技术，改变现有事物的处理方式，同时促生新事物的诞生。

传统上，经济学家认为技术进步是一个渐进的过程。最近，行业更多焦点集中在了能引起不连续性的颠覆性创新领域。这些创新被称为通用技术(GPTs)，是“可能对经济领域许多方面产生重要影响的深刻的新思想或新技术”。通用技术通常需要几十年的发展，甚至是更长时间才能带来生产率的提高。一开始它们并没有被很好地理解，即使在技术实现商业化之后，生产采用也有一个长期的滞后。集成电路就是一个很好的案例。晶体管在20世纪初期实现首次展示，但是其广泛商用直到很晚的后期才实现。

摩尔定律的创始人之一摩尔(Gordon Moore)在1965年曾预言，半导体将会以较快的速度发展，从而“带来电子学的普及，并将这一科学推向许多新的领域”。尽管他做出了大胆而出人意料的准确预测，但在实现生产力提高和经济增长之前，却经过了几十年的持续改进。

同样，对高功率半导体激光器戏剧性发展的认识也是有限的。1962年业界首次演示了电子转换为激光，随后出现了大量进展，这些进展都促使电子转换成高产率激光过程的显著改进。这些改进能支持一系列重要应用，包括光存储、光网络以及广泛的工业应用等。

回顾这些进展以及带来的众多改善，都突出强调了其对于经济领域许多方面带来更大、更普遍影响的可能性。事实上，随着高功率半导体激光器的不断改进，重要应用的范围将会加大并对经济增长带来深远影响。

高功率半导体激光器历史

1962年9月16日，通用电气公司的罗伯特·霍尔 (Robert Hall)带领的研究小组展示了砷化镓(GaAs)半导体的红外发射，这种半导体具有“奇怪的”干涉图形，意味着相干激光 - 首个半导体激光器的诞生。霍尔最初认为半导体激光器是一个“远射”，因为当时的发光二极管效率非常低。同时他对此也持有怀疑态度，因为当时两年前才被证实、已经存在的激光器，需要“精美的镜子”。

1962年夏天，霍尔表示，对于麻省理工学院林肯实验室研发的效率更高的砷化镓发光二极管，他感到相当震惊。随后，他表示很幸运能通过一些高质量的GaAs材料进行测试，并利用他作为一个业余天文学家的经验，开发出了一种方法来抛光GaAs芯片边缘，形成一个腔体。

霍尔成功的演示是基于辐射在交界面上来回反弹，而不是垂直反弹的设计。他谦虚地表示，此前没有人“碰巧提出这个想法。”实际上，霍尔的设计本质上是一个幸运的巧合，即形成波导的半导体材料也具有同时限制双极载流子的性质。否则就不可能实现半导体激光器。通过使用不相似的半导体材料，可以形成平板波导以使光子与载流子重叠。

在通用电气公司进行的这些初步演示是一项重大突破。然而，这些激光器远不是实用的器件，为了促使高功率半导体激光器的诞生，必须实现不同技术的融合。关键技术创新始于对直接带隙半导体材料和晶体生长技术的理解。

后来的发展包括双异质结激光器的发明和量子阱激光器的后续发展。进一步增强这些核心技术的关键在于效率的提高以及腔面钝化、散热和封装技术的发展。

亮度

过去几十年的创新带来了激动人心的改进。特别是，亮度方面的改进非常出色。 1985年，当时最先进的高功率半导体激光器可以将105毫瓦的功率耦合到105微米的芯径光纤中。最先进的高功率半导体激光器现在可以产生超过250瓦、拥有单一波长的105微米光纤 - 每八年增长10倍。

摩尔构思“将更多元件固定在集成电路上”-随后，每个芯片晶体管的数量每7年增加10倍。巧合的是，高功率半导体激光器以类似的指数速率将更多的光子融入光纤(见图1)。

图1. 大功率半导体激光器亮度以及和摩尔定律比较

大功率半导体激光器亮度的改进促进了各种不可预见技术的发展。虽然这一趋势的延续还需要更多创新，但有理由相信半导体激光技术的创新还远未完成。人们所熟知的物理学可以通过持续的技术发展进一步提高半导体激光器的性能。

例如，相比当前的量子阱器件而言，量子点增益介质可以显著提高效率。慢轴亮度提供了另一个数量级的改进潜力。具有改进的散热和扩展匹配的新型包装材料将提供持续功耗调整和简化热管理所需的增强功能。这些关键发展将为未来几十年高功率半导体激光器的发展提供路线图。