고출력 반도체 레이저의 과거와 미래

효율성과 출력이 계속 증가함에 따라 레이저 다이오드는 계속해서 기존 기술을 대체하고 사물을 다루는 방식을 변화시키며 새로운 사물의 탄생을 촉진할 것입니다.
전통적으로 경제학자들은 기술 진보가 점진적인 과정이라고 믿습니다. 최근 업계에서는 불연속성을 유발할 수 있는 파괴적 혁신에 더욱 집중하고 있습니다. 범용 기술(GPT)로 알려진 이러한 혁신은 "경제의 여러 측면에 큰 영향을 미칠 수 있는 완전히 새로운 아이디어 또는 기술"입니다. 일반 기술은 일반적으로 개발하는데 수십 년이 걸리며, 더 오랜 시간이 지나면 생산성이 향상됩니다. 처음에는 잘 이해되지 않았습니다. 기술이 상용화된 후에도 양산 채택에는 장기적인 지연이 있었다. 집적회로가 좋은 예이다. 트랜지스터는 20세기 초에 처음 소개됐지만, 저녁 늦게까지 널리 사용됐다.
무어의 법칙 창시자 중 한 명인 고든 무어(Gordon Moore)는 1965년에 반도체가 더 빠른 속도로 발전하여 "전자공학의 인기를 가져오고 이 과학을 많은 새로운 분야로 끌어올릴 것"이라고 예측했습니다. 그의 대담하고 예상외로 정확한 예측에도 불구하고 그는 생산성과 경제 성장을 달성하기까지 수십 년 동안 지속적인 개선을 겪었습니다.
마찬가지로, 고출력 반도체 레이저의 극적인 발전에 대한 이해도 제한적입니다. 1962년에 업계에서는 처음으로 전자를 레이저로 변환하는 방법을 시연한 후 전자를 고수율 레이저 공정으로 변환하는 데 있어 상당한 개선을 가져오는 여러 가지 발전이 이어졌습니다. 이러한 개선 사항은 광 스토리지, 광 네트워킹 및 광범위한 산업 애플리케이션을 포함한 다양한 중요한 애플리케이션을 지원할 수 있습니다.
이러한 발전과 이로 인해 밝혀진 수많은 개선 사항을 회상하면 경제의 여러 측면에 더 크고 더 광범위한 영향을 미칠 가능성이 강조되었습니다. 실제로 고출력 반도체 레이저의 지속적인 개선으로 중요한 응용 분야의 범위가 확대되고 경제 성장에 큰 영향을 미칠 것입니다.
고출력 반도체 레이저의 역사
1962년 9월 16일, General Electric의 Robert Hall이 이끄는 팀은 "이상한" 간섭 패턴을 갖는 갈륨 비소(GaAs) 반도체의 적외선 방출을 시연했습니다. 이는 간섭성 레이저를 의미하며 최초의 반도체 레이저의 탄생입니다. Hall은 당시의 발광 다이오드가 매우 비효율적이었기 때문에 처음에는 반도체 레이저가 "장거리"라고 믿었습니다. 동시에 그는 2년 전에 확인되어 이미 존재하는 레이저에는 '미세거울'이 필요하기 때문에 이에 대해 회의적이기도 했다.
1962년 여름, 할리는 MIT 링컨 연구소가 개발한 보다 효율적인 GaAs 발광 다이오드에 충격을 받았다고 말했습니다. 그 후, 그는 고품질의 GaAs 재료로 테스트할 수 있어서 행운이라고 말했으며, 아마추어 천문학자로서의 경험을 활용하여 GaAs 칩의 가장자리를 연마하여 공동을 형성하는 방법을 개발했습니다.
Hall의 성공적인 시연은 수직 반사보다는 인터페이스에서 앞뒤로 반사되는 방사선 설계를 기반으로 합니다. 그는 "이런 아이디어를 생각해낸 사람은 아무도 없다"고 겸손하게 말했습니다. 실제로 홀의 설계는 도파관을 형성하는 반도체 물질이 동시에 양극성 캐리어를 제한하는 특성도 가지고 있다는 점에서 본질적으로 운이 좋은 우연의 일치입니다. 그렇지 않으면 반도체 레이저를 구현하는 것이 불가능하다. 서로 다른 반도체 재료를 사용하여 슬래브 도파관을 형성하여 광자를 캐리어와 중첩시킬 수 있습니다.
General Electric의 이러한 예비 시연은 획기적인 발전이었습니다. 그러나 이러한 레이저는 실용적인 장치와는 거리가 멀다. 고출력 반도체 레이저의 탄생을 촉진하기 위해서는 다양한 기술의 융합이 이루어져야 한다. 핵심 기술 혁신은 직접 밴드갭 반도체 소재와 결정 성장 기술에 대한 이해에서 시작되었습니다.
이후의 개발에는 이중 이종접합 레이저의 발명과 그에 따른 양자 우물 레이저의 개발이 포함되었습니다. 이러한 핵심 기술을 더욱 강화하기 위한 핵심은 효율성 향상과 캐비티 패시베이션, 방열, 패키징 기술 개발에 있습니다.
명도
지난 수십 년 동안의 혁신은 흥미로운 개선을 가져왔습니다. 특히 밝기 개선이 탁월하다. 1985년에는 최첨단 고출력 반도체 레이저가 105밀리와트의 전력을 105미크론 코어 광섬유에 결합할 수 있었습니다. 가장 발전된 고출력 반도체 레이저는 이제 단일 파장으로 250와트 이상의 105미크론 광섬유를 생산할 수 있습니다. 이는 8년마다 10배 증가하는 수치입니다.

무어는 "집적 회로에 더 많은 부품을 고정하는 것"을 구상했습니다. 그러면 칩당 트랜지스터 수가 7년마다 10배씩 증가했습니다. 공교롭게도 고출력 반도체 레이저는 비슷한 지수 속도로 더 많은 광자를 섬유에 통합합니다(그림 1 참조).

그림 1. 고출력 반도체 레이저의 밝기와 무어의 법칙과의 비교
고출력 반도체 레이저의 휘도 향상은 예상치 못한 다양한 기술 개발을 촉진해 왔습니다. 이러한 추세가 지속되려면 더 많은 혁신이 필요하지만, 반도체 레이저 기술의 혁신은 아직 끝나지 않았다고 믿을 만한 이유가 있다. 잘 알려진 물리학은 지속적인 기술 개발을 통해 반도체 레이저의 성능을 더욱 향상시킬 수 있습니다.
예를 들어, 양자점 이득 매체는 현재의 양자 우물 장치에 비해 효율성을 크게 높일 수 있습니다. 느린 축 밝기는 또 다른 수준의 개선 가능성을 제공합니다. 향상된 열 및 팽창 매칭을 갖춘 새로운 패키징 소재는 지속적인 전력 조정 및 단순화된 열 관리에 필요한 향상된 기능을 제공합니다. 이러한 주요 개발은 향후 수십 년 동안 고출력 반도체 레이저 개발을 위한 로드맵을 제공할 것입니다.
다이오드 펌프 고체 및 파이버 레이저
고출력 반도체 레이저의 개선으로 다운스트림 레이저 기술의 개발이 가능해졌습니다. 다운스트림 레이저 기술에서 반도체 레이저는 도핑된 결정(다이오드 펌프 고체 레이저) 또는 도핑된 섬유(섬유 레이저)를 여기(펌프)하는 데 사용됩니다.
반도체 레이저는 고효율, 저비용 레이저 에너지를 제공하지만 두 가지 주요 제한 사항이 있습니다. 즉, 에너지를 저장하지 않고 밝기가 제한됩니다. 기본적으로 이 두 개의 레이저는 다양한 응용 분야에 사용해야 합니다. 하나는 전기를 레이저 방출로 변환하고 다른 하나는 레이저 방출의 밝기를 향상시키는 데 사용됩니다.
다이오드 펌핑 고체 레이저. 1980년대 후반에 고체 레이저를 펌핑하기 위해 반도체 레이저를 사용하는 것이 상업적 응용 분야에서 인기를 얻기 시작했습니다. DPSSL(다이오드 펌프 고체 레이저)은 열 관리 시스템(주로 재순환 냉각기)의 크기와 복잡성을 크게 줄이고 고체 레이저 결정을 펌핑하기 위해 역사적으로 결합된 아크 램프를 갖춘 모듈을 얻습니다.
반도체 레이저의 파장은 고체 레이저 이득 매질의 스펙트럼 흡수 특성과의 중첩을 기반으로 선택됩니다. 아크 램프의 광대역 방출 스펙트럼에 비해 열부하가 크게 감소합니다. 1064nm 게르마늄 기반 레이저의 인기로 인해 808nm 펌프 파장은 20년 넘게 반도체 레이저에서 가장 큰 파장이 되었습니다.
2000년 중반에 다중 모드 반도체 레이저의 밝기가 증가하고 VBG(체적 브래그 격자)를 사용하여 좁은 이미터 선폭을 안정화하는 기능을 통해 2세대 향상된 다이오드 펌핑 효율이 달성되었습니다. 880nm 부근의 더 약하고 스펙트럼이 좁은 흡수 특성은 고휘도 펌프 다이오드의 핫스팟이 되었습니다. 이 다이오드는 스펙트럼 안정성을 달성할 수 있습니다. 이러한 고성능 레이저는 실리콘에서 레이저의 상위 레벨 4F3/2를 직접 여기시켜 양자 결함을 줄임으로써 열 렌즈에 의해 제한될 수 있는 더 높은 평균 기본 모드의 추출을 향상시킬 수 있습니다.
2010년 초까지 우리는 단일 크로스 모드 1064nm 레이저와 가시광선 및 자외선 대역에서 작동하는 관련 주파수 변환 레이저 시리즈의 고출력 스케일링 추세를 목격했습니다. Nd:YAG 및 Nd:YVO4의 더 긴 고에너지 상태 수명으로 인해 이러한 DPSSL Q 스위칭 작업은 높은 펄스 에너지와 피크 전력을 제공하므로 절제 재료 처리 및 고정밀 미세 가공 응용 분야에 이상적입니다.
광섬유 레이저. 파이버 레이저는 고출력 반도체 레이저의 밝기를 보다 효율적으로 변환하는 방법을 제공합니다. 파장 다중화 광학 장치는 상대적으로 낮은 휘도의 반도체 레이저를 더 밝은 반도체 레이저로 변환할 수 있지만 이로 인해 스펙트럼 폭이 증가하고 광기계적 복잡성이 증가합니다. 파이버 레이저는 광도 변환에 특히 효과적인 것으로 나타났습니다.
1990년대에 도입된 이중 클래드 광섬유는 다중 모드 클래딩으로 둘러싸인 단일 모드 광섬유를 사용하여 더 높은 전력, 더 저렴한 다중 모드 반도체 펌핑 레이저를 광섬유에 효율적으로 주입할 수 있게 하여 보다 경제적인 광섬유 변환 방법을 만듭니다. 고출력 반도체 레이저를 더 밝은 레이저로 변환합니다. 이터븀(Yb) 도핑된 섬유의 경우 펌프는 915nm를 중심으로 한 넓은 흡수 또는 976nm 부근의 좁은 밴드 특징을 여기시킵니다. 펌프 파장이 파이버 레이저의 레이저 파장에 가까워질수록 이른바 양자결함(Quantum Defect)이 줄어들어 효율은 극대화되고 방열량은 최소화된다.
파이버 레이저와 다이오드 펌프 고체 레이저는 모두 다이오드 레이저 밝기의 향상에 의존합니다. 일반적으로 다이오드 레이저의 밝기가 지속적으로 향상됨에 따라 이들이 펌핑하는 레이저 출력의 비율도 증가하고 있습니다. 반도체 레이저의 밝기가 증가하면 보다 효율적인 밝기 변환이 가능해집니다.
우리가 예상하는 바와 같이, 미래 시스템에는 공간 및 스펙트럼 밝기가 필요할 것이며, 이는 고체 레이저의 좁은 흡수 특성과 직접 반도체 레이저 응용 분야의 조밀한 파장 다중화를 통해 낮은 양자 결함 펌핑을 가능하게 합니다. 계획이 가능해집니다.
시장 및 응용
고출력 반도체 레이저의 개발로 인해 많은 중요한 응용이 가능해졌습니다. 이러한 레이저는 많은 기존 기술을 대체했으며 새로운 제품 범주를 구현했습니다.
10년마다 비용과 성능이 10배 증가하는 고출력 반도체 레이저는 예측할 수 없는 방식으로 시장의 정상적인 작동을 방해합니다. 미래의 애플리케이션을 정확하게 예측하는 것은 어렵지만 지난 30년의 개발 이력을 검토하고 향후 10년의 개발을 위한 프레임워크 가능성을 제공하는 것은 매우 중요합니다(그림 2 참조).

그림 2. 고출력 반도체 레이저 휘도 연료 적용(휘도 와트당 표준화 비용)
1980년대: 광학 스토리지 및 초기 틈새 애플리케이션. 광스토리지는 반도체 레이저 업계 최초의 대규모 애플리케이션이다. Hall이 최초로 적외선 반도체 레이저를 선보인 직후 General Electrics의 Nick Holonyak도 최초의 가시적 적색 반도체 레이저를 선보였습니다. 20년 후 CD(컴팩트 디스크)가 시장에 출시되었고 이어서 광 스토리지 시장이 출시되었습니다.
반도체 레이저 기술의 끊임없는 혁신은 DVD(Digital Versatile Disc), BD(Blu-ray Disc)와 같은 광저장 기술의 발전으로 이어졌습니다. 이것은 반도체 레이저의 첫 번째 큰 시장이지만 일반적으로 적당한 출력 수준으로 인해 다른 응용 분야는 감열 인쇄, 의료 응용 분야, 일부 항공우주 및 방위 응용 분야와 같은 비교적 작은 틈새 시장으로 제한됩니다.
1990년대: 광 네트워크가 널리 보급되었습니다. 1990년대에는 반도체 레이저가 통신 네트워크의 핵심이 됐다. 반도체 레이저는 광섬유 네트워크를 통해 신호를 전송하는 데 사용되지만, 광 증폭기용 고출력 단일 모드 펌프 레이저는 광 네트워크 규모를 달성하고 실제로 인터넷 데이터의 성장을 지원하는 데 중요합니다.
이를 통해 가져온 통신 산업 호황은 고출력 반도체 레이저 산업의 최초 개척자 중 하나인 Spectra Diode Labs(SDL)를 예로 들 수 있을 정도로 광범위합니다. 1983년에 설립된 SDL은 Newport Group의 레이저 브랜드인 Spectra-Physics와 Xerox의 합작 투자 회사입니다. 1995년에 출시되었으며 시가총액은 약 1억 달러입니다. 5년 후, SDL은 역사상 최대 규모의 기술 인수 중 하나였던 통신 업계의 정점에 400억 달러 이상의 가격으로 JDSU에 매각되었습니다. 얼마 지나지 않아 통신 거품이 터져 수조 달러의 자본이 파괴되었으며, 이는 역사상 가장 큰 거품으로 간주됩니다.
2000년대: 레이저가 도구가 되었습니다. 통신 시장 거품의 붕괴는 극도로 파괴적이지만, 고출력 반도체 레이저에 대한 막대한 투자는 더 폭넓은 채택을 위한 기반을 마련했습니다. 성능과 비용이 증가함에 따라 이러한 레이저는 다양한 공정에서 기존 가스 레이저나 기타 에너지 변환 소스를 대체하기 시작했습니다.
반도체 레이저는 널리 사용되는 도구가 되었습니다. 산업 응용 분야는 절단 및 납땜과 같은 전통적인 제조 공정부터 3D 인쇄 금속 부품의 적층 제조와 같은 새로운 고급 제조 기술까지 다양합니다. 스마트폰과 같은 주요 제품이 이러한 레이저로 상용화되면서 미세 제조 응용 분야가 더욱 다양해졌습니다. 항공우주 및 방위 애플리케이션에는 광범위한 미션 크리티컬 애플리케이션이 포함되며 향후 차세대 방향성 에너지 시스템이 포함될 가능성이 높습니다.
요약하자면 
50여년 전, 무어는 새로운 물리학의 기본 법칙을 제안하지 않았지만 10년 전에 처음 연구된 집적 회로를 크게 개선했습니다. 그의 예언은 수십 년 동안 지속되었으며 1965년에는 상상할 수 없었던 일련의 파괴적인 혁신을 가져왔습니다.
Hall이 50여년 전에 반도체 레이저를 시연했을 때 이는 기술 혁명을 촉발시켰습니다. 무어의 법칙과 마찬가지로 수많은 혁신을 통해 달성한 고강도 반도체 레이저가 이후에 어떤 고속 발전을 겪게 될지는 누구도 예측할 수 없습니다.
이러한 기술적 개선을 제어하는 ​​물리학의 기본 규칙은 없지만 지속적인 기술 발전으로 인해 레이저의 밝기가 향상될 수 있습니다. 이러한 추세는 계속해서 기존 기술을 대체할 것이며 사물의 개발 방식을 더욱 변화시킬 것입니다. 경제성장보다 더 중요한 것은 고출력 반도체 레이저가 새로운 사물의 탄생을 촉진할 것이라는 점이다.