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고출력 반도체 레이저의 과거와 미래

2021-04-12
효율성과 전력이 지속적으로 증가함에 따라 레이저 다이오드는 계속해서 기존 기술을 대체하고, 사물 처리 방식을 바꾸고, 새로운 사물의 탄생을 촉진 할 것입니다.
전통적으로 경제학자들은 기술 진보가 점진적인 과정이라고 믿습니다. 최근 업계는 불연속성을 유발할 수있는 파괴적인 혁신에 더 중점을두고 있습니다. 범용 기술 (GPT)로 알려진 이러한 혁신은 "경제의 여러 측면에 큰 영향을 미칠 수있는 완전히 새로운 아이디어 또는 기술"입니다. 일반 기술은 일반적으로 개발하는 데 수십 년이 걸리며 그 이상으로 생산성이 향상됩니다. 처음에는 잘 이해되지 않았습니다. 기술이 상용화 된 후에도 생산 채택에 장기적인 지연이있었습니다. 집적 회로가 좋은 예입니다. 트랜지스터는 20 세기 초에 처음 도입되었지만 저녁 늦게까지 널리 사용되었습니다.
무어의 법칙 (Moore 's Law)의 창시자 중 한 명인 Gordon Moore는 1965 년 반도체가 더 빠른 속도로 발전하여 "전자 공학의 인기를 가져오고이 과학을 많은 새로운 분야로 밀어 넣을 것"이라고 예측했습니다. 그의 대담하고 예상치 못한 정확한 예측에도 불구하고 그는 생산성과 경제 성장을 달성하기 전에 수십 년 동안 지속적인 개선을 거쳤습니다.
마찬가지로, 고출력 반도체 레이저의 극적인 발전에 대한 이해는 제한적입니다. 1962 년에 업계는 전자를 레이저로 변환하는 과정을 처음으로 시연 한 후 전자를 고 수율 레이저 공정으로 변환하는 데 상당한 개선을 가져 오는 여러 가지 발전이 이어졌습니다. 이러한 개선 사항은 광학 스토리지, 광학 네트워킹 및 광범위한 산업 응용 프로그램을 포함한 다양한 중요한 응용 프로그램을 지원할 수 있습니다.
이러한 발전과 그로 인한 수많은 개선 사항을 상기하면서 경제의 여러 측면에 더 광범위하고 광범위한 영향을 미칠 가능성이 강조되었습니다. 실제로 고출력 반도체 레이저의 지속적인 개선으로 중요한 응용 분야의 범위가 확대되고 경제 성장에 큰 영향을 미칠 것입니다.
고출력 반도체 레이저 역사
1962 년 9 월 16 일 제너럴 일렉트릭 (General Electric)의 로버트 홀 (Robert Hall)이 이끄는 팀은 "이상한"간섭 패턴을 가진 갈륨 비소 (GaAs) 반도체의 적외선 방출을 시연했습니다.이 반도체 레이저는 최초의 반도체 레이저의 탄생입니다. 홀은 처음에 반도체 레이저가 당시의 발광 다이오드가 매우 비효율적이기 때문에 "롱샷"이라고 믿었습니다. 동시에 그는 2 년 전에 확인 된 레이저가 이미 존재하는 "미세 거울"이 필요하기 때문에 이것에 대해 회의적이었습니다.
1962 년 여름, Halle은 MIT Lincoln Laboratory에서 개발 한보다 효율적인 GaAs 발광 다이오드에 충격을 받았다고 말했습니다. 그 후 그는 고품질 GaAs 재료로 테스트 할 수있게되어 다행이라고 말했고 아마추어 천문학 자로서의 경험을 활용하여 GaAs 칩의 가장자리를 연마하여 공동을 형성하는 방법을 개발했습니다.
Hall의 성공적인 데모는 수직 바운스가 아닌 인터페이스에서 앞뒤로 방사 바운스 설계를 기반으로합니다. 그는 "아무도이 아이디어를 생각해 내지 못했다"고 겸손하게 말했다. 사실 홀의 디자인은 본질적으로 도파관을 형성하는 반도체 재료가 동시에 양극성 캐리어를 제한하는 특성을 가지고 있다는 점에서 우연의 일치입니다. 그렇지 않으면 반도체 레이저를 구현할 수 없습니다. 이종 반도체 재료를 사용하여 광자와 캐리어를 겹치도록 슬래브 도파관을 형성 할 수 있습니다.
제너럴 일렉트릭의 이러한 예비 시연은 큰 돌파구였습니다. 그러나 이러한 레이저는 실제 장치와는 거리가 멀다. 고출력 반도체 레이저의 탄생을 촉진하기 위해서는 다양한 기술의 융합을 실현해야합니다. 주요 기술 혁신은 직접 밴드 갭 반도체 재료 및 결정 성장 기술에 대한 이해에서 시작되었습니다.
이후 개발에는 이중 이종 접합 레이저의 발명과 양자 우물 레이저의 후속 개발이 포함되었습니다. 이러한 핵심 기술을 더욱 강화하기위한 핵심은 효율성 향상과 캐비티 패시베이션, 열 분산 및 패키징 기술 개발에 있습니다.
명도
지난 수십 년 동안의 혁신은 흥미로운 개선을 가져 왔습니다. 특히 밝기 향상이 뛰어납니다. 1985 년에 최첨단 고출력 반도체 레이저는 105 밀리 와트의 전력을 105 마이크론 코어 섬유에 결합 할 수있었습니다. 최첨단 고출력 반도체 레이저는 이제 단일 파장으로 250 와트 이상의 105 미크론 섬유를 생산할 수 있습니다. 이는 8 년마다 10 배씩 증가합니다.

Moore는 "집적 회로에 더 많은 부품을 고정하는 것"을 생각했습니다. 그 후 칩당 트랜지스터 수는 7 년마다 10 배씩 증가했습니다. 공교롭게도 고출력 반도체 레이저는 유사한 지수 속도로 더 많은 광자를 섬유에 통합합니다 (그림 1 참조).

그림 1. 고출력 반도체 레이저의 밝기와 무어의 법칙과 비교
고출력 반도체 레이저의 밝기 향상은 다양한 예상치 못한 기술의 개발을 촉진했습니다. 이러한 추세의 지속에는 더 많은 혁신이 필요하지만 반도체 레이저 기술의 혁신은 아직 완성되지 않았다고 믿을만한 이유가 있습니다. 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 잠재력을 제공합니다. 열 및 팽창 매칭이 개선 된 새로운 패키징 재료는 지속적인 전력 조정 및 단순화 된 열 관리에 필요한 개선 사항을 제공합니다. 이러한 주요 개발은 향후 수십 년 동안 고출력 반도체 레이저 개발을위한 로드맵을 제공 할 것입니다.
다이오드 펌핑 고체 및 파이버 레이저
고출력 반도체 레이저의 개선으로 다운 스트림 레이저 기술의 개발이 가능해졌습니다. 다운 스트림 레이저 기술에서 반도체 레이저는 도핑 된 크리스탈 (다이오드 펌핑 된 고체 레이저) 또는 도핑 된 섬유 (섬유 레이저)를 여기 (펌핑)하는 데 사용됩니다.
반도체 레이저는 고효율 저비용 레이저 에너지를 제공하지만 에너지를 저장하지 않고 밝기가 제한된다는 두 가지 주요 제한 사항이 있습니다. 기본적으로이 두 레이저는 전기를 레이저 방출로 변환하고 다른 하나는 레이저 방출의 밝기를 향상시키는 많은 응용 분야에 사용되어야합니다.
다이오드 펌프 고체 레이저. 1980 년대 후반 반도체 레이저를 사용하여 고체 레이저를 펌핑하는 것이 상업적 응용 분야에서 인기를 얻기 시작했습니다. DPSSL (Diode-pumped solid-state laser)은 열 관리 시스템 (주로 재순환 냉각기)의 크기와 복잡성을 크게 줄이고 고체 레이저 크리스탈을 펌핑하기 위해 역사적으로 결합 된 아크 램프가있는 모듈을 얻습니다.
반도체 레이저의 파장은 고체 레이저 이득 매체의 스펙트럼 흡수 특성과의 중첩을 기반으로 선택됩니다. 아크 램프의 광대역 방출 스펙트럼에 비해 열 부하가 크게 감소합니다. 1064nm 게르마늄 기반 레이저의 인기로 인해 808nm 펌프 파장은 20 년 이상 반도체 레이저에서 가장 큰 파장이되었습니다.
2000 년 중반에 멀티 모드 반도체 레이저의 밝기가 증가하고 VBG (볼륨 브래그 격자)로 좁은 이미 터 선폭을 안정화 할 수있는 능력으로 2 세대 다이오드 펌핑 효율이 향상되었습니다. 약 880nm의 약하고 스펙트럼이 좁은 흡수 특성은 고휘도 펌프 다이오드의 핫스팟이되었습니다. 이 다이오드는 스펙트럼 안정성을 얻을 수 있습니다. 이러한 고성능 레이저는 실리콘에서 레이저의 상위 레벨 4F3 / 2를 직접 여기시켜 양자 결함을 줄임으로써 열 렌즈에 의해 제한되는 더 높은 평균 기본 모드의 추출을 개선 할 수 있습니다.
2010 년 초까지 우리는 단일 교차 모드 1064nm 레이저와 가시 및 자외선 대역에서 작동하는 관련 주파수 변환 레이저 시리즈의 고출력 스케일링 추세를 목격했습니다. Nd : YAG 및 Nd : YVO4의 고 에너지 상태 수명이 길기 때문에 이러한 DPSSL Q 스위칭 작업은 높은 펄스 에너지와 피크 전력을 제공하므로 절제 재료 가공 및 고정밀 마이크로 머시닝 애플리케이션에 이상적입니다.
광섬유 레이저. 파이버 레이저는 고출력 반도체 레이저의 밝기를보다 효율적으로 변환하는 방법을 제공합니다. 파장 다중화 광학은 상대적으로 낮은 휘도의 반도체 레이저를 더 밝은 반도체 레이저로 변환 할 수 있지만, 이것은 증가 된 스펙트럼 폭과 광 기계적 복잡성을 희생합니다. 파이버 레이저는 광도 변환에 특히 효과적인 것으로 나타났습니다.
1990 년대에 도입 된 이중 피복 광섬유는 다중 모드 피복으로 둘러싸인 단일 모드 광섬유를 사용하여 고출력, 저비용 다중 모드 반도체 펌핑 레이저를 광섬유에 효율적으로 주입 할 수있게하여보다 경제적 인 방식으로 고출력 반도체 레이저를 더 밝은 레이저로 변환합니다. 이터 븀 (Yb) 도핑 된 섬유의 경우 펌프는 915nm를 중심으로하는 넓은 흡수 또는 976nm 주변의 좁은 밴드 특징을 여기합니다. 펌프 파장이 파이버 레이저의 레이저 파장에 가까워짐에 따라 이른바 양자 결함이 감소하여 효율성을 극대화하고 열 방출량을 최소화합니다.
파이버 레이저와 다이오드 펌핑 고체 레이저는 모두 다이오드 레이저 밝기의 향상에 의존합니다. 일반적으로 다이오드 레이저의 밝기가 지속적으로 향상됨에 따라 펌핑하는 레이저 출력의 비율도 증가하고 있습니다. 반도체 레이저의 증가 된 밝기는보다 효율적인 밝기 변환을 가능하게합니다.
예상대로 공간 및 스펙트럼 밝기는 향후 시스템에 필요하며 고체 레이저에서 좁은 흡수 특성을 가진 낮은 양자 결함 펌핑과 직접 반도체 레이저 응용을위한 고밀도 파장 다중화를 가능하게 할 것입니다. 기획이 가능해집니다.
시장 및 응용
고출력 반도체 레이저의 개발로 많은 중요한 응용이 가능해졌습니다. 이 레이저는 많은 기존 기술을 대체하고 새로운 제품 범주를 구현했습니다.
10 년마다 비용과 성능이 10 배 증가하는 고출력 반도체 레이저는 예측할 수없는 방식으로 시장의 정상적인 운영을 방해합니다. 미래의 애플리케이션을 정확하게 예측하기는 어렵지만 지난 30 년간의 개발 역사를 검토하고 향후 10 년의 개발을위한 프레임 워크 가능성을 제공하는 것은 매우 중요합니다 (그림 2 참조).

그림 2. 고출력 반도체 레이저 휘도 연료 애플리케이션 (와트 휘도 당 표준화 비용)
1980 년대 : 광학 스토리지 및 초기 틈새 애플리케이션. 광학 스토리지는 반도체 레이저 산업에서 최초의 대규모 애플리케이션입니다. 홀이 적외선 반도체 레이저를 처음 선보인 직후, General Electrics Nick Holonyak은 최초의 가시 적색 반도체 레이저도 선보였습니다. 20 년 후 콤팩트 디스크 (CD)가 시장에 출시되었고 광 스토리지 시장이 그 뒤를이었습니다.
반도체 레이저 기술의 끊임없는 혁신은 디지털 다용도 디스크 (DVD) 및 블루 레이 디스크 (BD)와 같은 광학 저장 기술의 개발로 이어졌습니다. 이것은 반도체 레이저의 첫 번째 큰 시장이지만 일반적으로 적당한 출력 수준은 열 인쇄, 의료 응용 프로그램, 선택한 항공 우주 및 방위 응용 프로그램과 같은 상대적으로 작은 틈새 시장으로 다른 응용 프로그램을 제한합니다.
1990 년대 : 광 네트워크가 널리 퍼졌습니다. 1990 년대에는 반도체 레이저가 통신 네트워크의 핵심이되었습니다. 반도체 레이저는 광섬유 네트워크를 통해 신호를 전송하는 데 사용되지만 광 증폭기 용 고출력 단일 모드 펌프 레이저는 광 네트워크의 규모를 달성하고 인터넷 데이터의 성장을 진정으로 지원하는 데 중요합니다.
고출력 반도체 레이저 산업의 첫 선구자 중 하나 인 SDL (Spectra Diode Labs)을 예로 들어 통신 산업의 붐은 광범위합니다. 1983 년에 설립 된 SDL은 Newport Group의 레이저 브랜드 인 Spectra-Physics와 Xerox의 합작 투자 회사입니다. 1995 년 시가 총액이 약 1 억 달러로 시작되었습니다. 5 년 후, SDL은 역사상 가장 큰 기술 인수 중 하나 인 통신 산업이 최고조에 달했을 때 400 억 달러 이상에 JDSU에 매각되었습니다. 얼마 지나지 않아 통신 거품이 터져서 지금은 역사상 가장 큰 거품으로 여겨지는 수조 달러의 자본이 파괴되었습니다.
2000 년대 : 레이저가 도구가되었습니다. 통신 시장 거품의 폭발은 극도로 파괴적이지만 고출력 반도체 레이저에 대한 막대한 투자는 더 많은 채택을위한 토대를 마련했습니다. 성능과 비용이 증가함에 따라 이러한 레이저는 다양한 프로세스에서 기존 가스 레이저 또는 기타 에너지 변환 소스를 대체하기 시작했습니다.
반도체 레이저는 널리 사용되는 도구가되었습니다. 산업 응용 분야는 절단 및 납땜과 같은 전통적인 제조 공정에서 3D 인쇄 금속 부품의 적층 제조와 같은 새로운 고급 제조 기술에 이르기까지 다양합니다. 이러한 레이저로 스마트 폰과 같은 주요 제품이 상용화됨에 따라 마이크로 제조 응용 분야가 더욱 다양해졌습니다. 항공 우주 및 방위 애플리케이션은 광범위한 미션 크리티컬 애플리케이션을 포함하며 향후 차세대 방향성 에너지 시스템을 포함 할 가능성이 높습니다.
요약하자면
50여 년 전 무어는 새로운 물리학의 기본 법칙을 제안하지 않았지만 10 년 전에 처음 연구 된 집적 회로를 크게 개선했습니다. 그의 예언은 수십 년 동안 지속되었으며 1965 년에는 상상할 수 없었던 일련의 파괴적인 혁신을 가져 왔습니다.
홀은 50여 년 전 반도체 레이저를 시연했을 때 기술 혁명을 일으켰습니다. 무어의 법칙과 마찬가지로, 수많은 혁신을 통해 달성 된 고강도 반도체 레이저가 이후에 겪게 될 고속 개발을 아무도 예측할 수 없습니다.
이러한 기술 향상을 제어하는 ​​물리학의 기본 규칙은 없지만 지속적인 기술 발전은 밝기 측면에서 레이저를 발전시킬 수 있습니다. 이러한 추세는 계속해서 전통적인 기술을 대체하여 사물이 개발되는 방식을 더욱 변화시킬 것입니다. 경제 성장에 더 중요한 것은 고출력 반도체 레이저가 새로운 것의 탄생을 촉진한다는 것입니다.


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