Die Vergangenheit und Zukunft von Hochleistungs-Halbleiterlasern

Da Effizienz und Leistung weiter zunehmen, werden Laserdioden weiterhin traditionelle Technologien ersetzen, die Art und Weise verändern, wie Dinge gehandhabt werden, und die Entstehung neuer Dinge anregen.
Traditionell glauben Ökonomen, dass technologischer Fortschritt ein schrittweiser Prozess ist. In letzter Zeit hat sich die Branche stärker auf disruptive Innovationen konzentriert, die zu Diskontinuitäten führen können. Bei diesen als General Purpose Technologies (GPTs) bekannten Innovationen handelt es sich um „tiefgreifende neue Ideen oder Technologien, die erhebliche Auswirkungen auf viele Aspekte der Wirtschaft haben können“. Die Entwicklung allgemeiner Technologien dauert in der Regel mehrere Jahrzehnte, und noch länger dauert es, bis die Produktivität steigt. Zunächst wurden sie nicht gut verstanden. Selbst nach der Kommerzialisierung der Technologie gab es eine langfristige Verzögerung bei der Einführung in die Produktion. Ein gutes Beispiel sind integrierte Schaltkreise. Transistoren wurden erstmals im frühen 20. Jahrhundert eingeführt, waren jedoch bis in die späten Abendstunden weit verbreitet.
Einer der Begründer des Mooreschen Gesetzes, Gordon Moore, sagte 1965 voraus, dass sich Halbleiter schneller entwickeln würden, „was die Popularität der Elektronik mit sich bringen und diese Wissenschaft in viele neue Bereiche vordringen würde“. Trotz seiner kühnen und unerwartet genauen Vorhersagen durchlief er jahrzehntelange kontinuierliche Verbesserungen, bevor er Produktivität und Wirtschaftswachstum erreichte.
Ebenso ist das Verständnis der dramatischen Entwicklung von Hochleistungs-Halbleiterlasern begrenzt. Im Jahr 1962 demonstrierte die Industrie erstmals die Umwandlung von Elektronen in Laser, gefolgt von einer Reihe von Fortschritten, die zu erheblichen Verbesserungen bei der Umwandlung von Elektronen in Laserprozesse mit hoher Ausbeute führten. Diese Verbesserungen können eine Reihe wichtiger Anwendungen unterstützen, darunter optische Speicherung, optische Netzwerke und eine Vielzahl industrieller Anwendungen.
Die Erinnerung an diese Entwicklungen und die zahlreichen Verbesserungen, die sie ans Licht gebracht haben, hat die Möglichkeit größerer und weitreichenderer Auswirkungen auf viele Aspekte der Wirtschaft deutlich gemacht. Tatsächlich wird mit der kontinuierlichen Verbesserung von Hochleistungs-Halbleiterlasern der Umfang wichtiger Anwendungen zunehmen und einen tiefgreifenden Einfluss auf das Wirtschaftswachstum haben.
Geschichte der Hochleistungs-Halbleiterlaser
Am 16. September 1962 demonstrierte ein Team unter der Leitung von Robert Hall von General Electric die Infrarotemission von Galliumarsenid (GaAs)-Halbleitern, die „seltsame“ Interferenzmuster aufweisen, was einen Kohärenzlaser bedeutet – die Geburtsstunde des ersten Halbleiterlasers. Hall glaubte zunächst, dass der Halbleiterlaser ein „Weitwurf“ sei, da die Leuchtdioden damals sehr ineffizient seien. Gleichzeitig war er aber auch skeptisch, da der bereits vor zwei Jahren bestätigte und bereits existierende Laser einen „feinen Spiegel“ benötige.
Im Sommer 1962 sagte Halle, er sei schockiert über die effizienteren GaAs-Leuchtdioden, die vom MIT Lincoln Laboratory entwickelt wurden. Anschließend sagte er, er habe das Glück, mit einigen hochwertigen GaAs-Materialien testen zu können, und nutzte seine Erfahrung als Amateurastronom, um eine Möglichkeit zu entwickeln, die Kanten von GaAs-Chips zu polieren, um einen Hohlraum zu bilden.
Halls erfolgreiche Demonstration basiert auf der Gestaltung der Strahlung, die an der Grenzfläche hin und her reflektiert wird, und nicht auf der vertikalen Reflexion. Er sagte bescheiden, dass niemand „zufällig auf diese Idee gekommen“ sei. Tatsächlich ist Halls Design im Wesentlichen ein glücklicher Zufall, dass das Halbleitermaterial, das den Wellenleiter bildet, gleichzeitig auch die Eigenschaft hat, bipolare Ladungsträger zu begrenzen. Andernfalls ist es unmöglich, einen Halbleiterlaser zu realisieren. Durch die Verwendung unterschiedlicher Halbleitermaterialien kann ein Plattenwellenleiter gebildet werden, der Photonen mit Trägern überlappt.
Diese vorläufigen Demonstrationen bei General Electric waren ein großer Durchbruch. Allerdings sind diese Laser alles andere als praktische Geräte. Um die Entstehung von Hochleistungs-Halbleiterlasern voranzutreiben, muss die Fusion verschiedener Technologien realisiert werden. Wichtige technologische Innovationen begannen mit einem Verständnis von Halbleitermaterialien mit direkter Bandlücke und Kristallwachstumstechniken.
Zu den späteren Entwicklungen gehörten die Erfindung von Doppelheteroübergangslasern und die anschließende Entwicklung von Quantentopflasern. Der Schlüssel zur weiteren Verbesserung dieser Kerntechnologien liegt in der Verbesserung der Effizienz und der Entwicklung der Hohlraumpassivierung, Wärmeableitung und Verpackungstechnologie.
Helligkeit
Die Innovationen der letzten Jahrzehnte haben zu spannenden Verbesserungen geführt. Insbesondere die Helligkeitsverbesserung ist hervorragend. Im Jahr 1985 war der hochmoderne Hochleistungs-Halbleiterlaser in der Lage, 105 Milliwatt Leistung in eine 105-Mikron-Kernfaser einzukoppeln. Die fortschrittlichsten Hochleistungs-Halbleiterlaser können mittlerweile mehr als 250 Watt einer 105-Mikron-Faser mit einer einzigen Wellenlänge erzeugen – eine Steigerung um das Zehnfache alle acht Jahre.

Moore hatte die Idee, „mehr Komponenten in den integrierten Schaltkreis zu integrieren“ – damals erhöhte sich die Anzahl der Transistoren pro Chip alle sieben Jahre um das Zehnfache. Zufälligerweise integrieren Hochleistungs-Halbleiterlaser mehr Photonen mit ähnlichen exponentiellen Raten in die Faser (siehe Abbildung 1).

Abbildung 1. Helligkeit von Hochleistungs-Halbleiterlasern und Vergleich mit dem Mooreschen Gesetz
Die Verbesserung der Helligkeit von Hochleistungshalbleiterlasern hat die Entwicklung verschiedener unvorhergesehener Technologien vorangetrieben. Obwohl die Fortsetzung dieses Trends weitere Innovationen erfordert, gibt es Grund zu der Annahme, dass die Innovation der Halbleiterlasertechnologie noch lange nicht abgeschlossen ist. Die bekannte Physik kann durch kontinuierliche technologische Weiterentwicklung die Leistung von Halbleiterlasern weiter verbessern.
Beispielsweise können Quantenpunkt-Verstärkungsmedien die Effizienz im Vergleich zu aktuellen Quantentopfgeräten erheblich steigern. Die Helligkeit der langsamen Achse bietet ein weiteres Verbesserungspotenzial um eine Größenordnung. Neue Verpackungsmaterialien mit verbesserter Wärme- und Ausdehnungsanpassung bieten die erforderlichen Verbesserungen für eine kontinuierliche Leistungsanpassung und ein vereinfachtes Wärmemanagement. Diese wichtigen Entwicklungen werden einen Fahrplan für die Entwicklung von Hochleistungs-Halbleiterlasern in den kommenden Jahrzehnten darstellen.
Diodengepumpte Festkörper- und Faserlaser
Verbesserungen bei Hochleistungs-Halbleiterlasern haben die Entwicklung nachgelagerter Lasertechnologien ermöglicht; In den nachgelagerten Lasertechnologien werden Halbleiterlaser zum Anregen (Pumpen) von dotierten Kristallen (diodengepumpte Festkörperlaser) oder dotierten Fasern (Faserlaser) eingesetzt.
Obwohl Halbleiterlaser hocheffiziente und kostengünstige Laserenergie liefern, gibt es zwei wesentliche Einschränkungen: Sie speichern keine Energie und ihre Helligkeit ist begrenzt. Grundsätzlich müssen diese beiden Laser für viele Anwendungen eingesetzt werden: einer zur Umwandlung von Elektrizität in Laseremission und der andere zur Erhöhung der Helligkeit der Laseremission.
Diodengepumpte Festkörperlaser. In den späten 1980er Jahren begann der Einsatz von Halbleiterlasern zum Pumpen von Festkörperlasern in kommerziellen Anwendungen immer beliebter zu werden. Diodengepumpte Festkörperlaser (DPSSL) reduzieren die Größe und Komplexität von Wärmemanagementsystemen (hauptsächlich Umlaufkühler) erheblich und ermöglichen Module, die früher über kombinierte Bogenlampen zum Pumpen von Festkörperlaserkristallen verfügten.
Die Wellenlängen der Halbleiterlaser werden auf der Grundlage ihrer Überlappung mit den spektralen Absorptionseigenschaften des Festkörperlaser-Verstärkungsmediums ausgewählt; die Wärmebelastung ist im Vergleich zum breitbandigen Emissionsspektrum der Bogenlampe stark reduziert. Aufgrund der Popularität von 1064-nm-Lasern auf Germaniumbasis ist die Pumpwellenlänge von 808 nm seit mehr als 20 Jahren die größte Wellenlänge in Halbleiterlasern.
Mit der Erhöhung der Helligkeit von Multimode-Halbleiterlasern und der Möglichkeit, die schmale Emitterlinienbreite mit Volumen-Bragg-Gittern (VBGs) zu stabilisieren, wurde Mitte 2000 die zweite Generation einer verbesserten Diodenpumpeffizienz erreicht. Die schwächeren und spektral schmalen Absorptionsmerkmale um 880 nm sind zu Hotspots für Pumpdioden mit hoher Helligkeit geworden. Mit diesen Dioden kann eine spektrale Stabilität erreicht werden. Diese leistungsstärkeren Laser können die obere 4F3/2-Ebene des Lasers in Silizium direkt anregen, wodurch Quantendefekte reduziert werden und dadurch die Extraktion von Grundmoden mit höherem Durchschnitt verbessert wird, die sonst durch thermische Linsen begrenzt würden.
Zu Beginn des Jahres 2010 konnten wir den Hochleistungsskalierungstrend des Single-Cross-Mode-1064-nm-Lasers und verwandter Serien von Frequenzumwandlungslasern beobachten, die im sichtbaren und ultravioletten Band arbeiten. Aufgrund der längeren Hochenergiezustandslebensdauer von Nd:YAG und Nd:YVO4 bieten diese DPSSL-Q-Schaltvorgänge eine hohe Impulsenergie und Spitzenleistung, was sie ideal für die ablative Materialbearbeitung und hochpräzise Mikrobearbeitungsanwendungen macht.
faseroptischer Laser. Faserlaser bieten eine effizientere Möglichkeit, die Helligkeit von Hochleistungs-Halbleiterlasern umzuwandeln. Obwohl wellenlängenmultiplexierte Optiken einen Halbleiterlaser mit relativ geringer Leuchtdichte in einen helleren Halbleiterlaser umwandeln können, geht dies auf Kosten einer größeren spektralen Breite und optomechanischen Komplexität. Faserlaser haben sich bei der photometrischen Umwandlung als besonders effektiv erwiesen.
Die in den 1990er Jahren eingeführten Doppelmantelfasern verwenden Singlemode-Fasern, die von einer Multimode-Umhüllung umgeben sind. Dadurch können halbleitergepumpte Multimode-Laser mit höherer Leistung und geringeren Kosten effizient in die Faser injiziert werden, wodurch eine wirtschaftlichere Möglichkeit zur Umwandlung von a geschaffen wird Hochleistungs-Halbleiterlaser in einen helleren Laser. Bei mit Ytterbium (Yb) dotierten Fasern regt die Pumpe eine breite Absorption mit dem Zentrum bei 915 nm oder ein schmales Bandmerkmal um 976 nm an. Wenn sich die Pumpwellenlänge der Laserwellenlänge des Faserlasers nähert, werden sogenannte Quantendefekte reduziert, wodurch die Effizienz maximiert und die Wärmeableitung minimiert wird.
Sowohl Faserlaser als auch diodengepumpte Festkörperlaser sind auf Verbesserungen der Diodenlaserhelligkeit angewiesen. Generell gilt, dass mit zunehmender Helligkeit von Diodenlasern auch der Anteil der von ihnen gepumpten Laserleistung zunimmt. Die erhöhte Helligkeit von Halbleiterlasern ermöglicht eine effizientere Helligkeitsumwandlung.
Wie zu erwarten ist, werden für zukünftige Systeme räumliche und spektrale Helligkeit erforderlich sein, die ein Pumpen geringer Quantendefekte mit schmalen Absorptionseigenschaften in Festkörperlasern und ein dichtes Wellenlängenmultiplexen für direkte Halbleiterlaseranwendungen ermöglichen. Der Plan wird möglich.
Markt und Anwendung
Die Entwicklung von Hochleistungs-Halbleiterlasern hat viele wichtige Anwendungen ermöglicht. Diese Laser haben viele traditionelle Technologien ersetzt und neue Produktkategorien eingeführt.
Da sich Kosten und Leistung pro Jahrzehnt um das Zehnfache erhöhen, stören Hochleistungs-Halbleiterlaser den normalen Marktbetrieb auf unvorhersehbare Weise. Obwohl es schwierig ist, zukünftige Anwendungen genau vorherzusagen, ist es sehr wichtig, die Entwicklungsgeschichte der letzten drei Jahrzehnte zu überprüfen und Rahmenmöglichkeiten für die Entwicklung des nächsten Jahrzehnts bereitzustellen (siehe Abbildung 2).

Abbildung 2. Hochleistungs-Halbleiterlaser-Brennstoffanwendung (Standardisierungskosten pro Watt Helligkeit)
1980er Jahre: Optische Speicherung und erste Nischenanwendungen. Die optische Speicherung ist die erste Großanwendung in der Halbleiterlaserindustrie. Kurz nachdem Hall erstmals den Infrarot-Halbleiterlaser vorführte, zeigte Nick Holonyak von General Electric auch den ersten sichtbaren roten Halbleiterlaser. Zwanzig Jahre später wurden Compact Discs (CDs) auf den Markt gebracht, gefolgt vom Markt für optische Speicher.
Die ständige Innovation der Halbleiterlasertechnologie hat zur Entwicklung optischer Speichertechnologien wie Digital Versatile Disc (DVD) und Blu-ray Disc (BD) geführt. Dies ist der erste große Markt für Halbleiterlaser, aber aufgrund der im Allgemeinen bescheidenen Leistungsniveaus beschränken sich andere Anwendungen auf relativ kleine Nischenmärkte wie Thermodruck, medizinische Anwendungen und ausgewählte Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie im Verteidigungsbereich.
Die 1990er Jahre: Optische Netze setzen sich durch. In den 1990er Jahren wurden Halbleiterlaser zum Schlüssel für Kommunikationsnetzwerke. Halbleiterlaser werden für die Übertragung von Signalen über Glasfasernetzwerke verwendet, aber Singlemode-Pumplaser mit höherer Leistung für optische Verstärker sind entscheidend für die Skalierung optischer Netzwerke und die tatsächliche Unterstützung des Datenwachstums im Internet.
Der damit verbundene Boom in der Telekommunikationsbranche ist weitreichend. Als Beispiel nehmen wir Spectra Diode Labs (SDL), einen der ersten Pioniere in der Hochleistungs-Halbleiterlaserindustrie. SDL wurde 1983 gegründet und ist ein Joint Venture zwischen den Lasermarken Spectra-Physics und Xerox der Newport Group. Es wurde 1995 mit einer Marktkapitalisierung von etwa 100 Millionen US-Dollar eingeführt. Fünf Jahre später wurde SDL während des Höhepunkts der Telekommunikationsbranche für mehr als 40 Milliarden US-Dollar an JDSU verkauft, eine der größten Technologieübernahmen in der Geschichte. Kurz darauf platzte die Telekommunikationsblase und vernichtete Billionen Dollar an Kapital, was heute als die größte Blase der Geschichte gilt.
2000er Jahre: Laser werden zum Werkzeug. Obwohl das Platzen der Telekommunikationsmarktblase äußerst zerstörerisch ist, haben die enormen Investitionen in Hochleistungs-Halbleiterlaser den Grundstein für eine breitere Verbreitung gelegt. Da Leistung und Kosten steigen, beginnen diese Laser in einer Vielzahl von Prozessen herkömmliche Gaslaser oder andere Energieumwandlungsquellen zu ersetzen.
Halbleiterlaser sind zu einem weit verbreiteten Werkzeug geworden. Industrielle Anwendungen reichen von traditionellen Fertigungsverfahren wie Schneiden und Löten bis hin zu neuen fortschrittlichen Fertigungstechnologien wie der additiven Fertigung von 3D-gedruckten Metallteilen. Mikrofertigungsanwendungen sind vielfältiger, da Schlüsselprodukte wie Smartphones mit diesen Lasern kommerzialisiert wurden. Luft- und Raumfahrt- und Verteidigungsanwendungen umfassen ein breites Spektrum geschäftskritischer Anwendungen und werden in Zukunft wahrscheinlich gerichtete Energiesysteme der nächsten Generation umfassen.
um zusammenzufassen 
Vor mehr als 50 Jahren schlug Moore kein neues Grundgesetz der Physik vor, sondern verbesserte die integrierten Schaltkreise, die vor zehn Jahren erstmals untersucht wurden, erheblich. Seine Prophezeiung hielt jahrzehntelang an und brachte eine Reihe bahnbrechender Innovationen mit sich, die 1965 noch undenkbar waren.
Als Hall vor mehr als 50 Jahren Halbleiterlaser vorführte, löste das eine technologische Revolution aus. Wie beim Mooreschen Gesetz kann niemand die rasante Entwicklung vorhersagen, die hochintensive Halbleiterlaser, die durch eine Vielzahl von Innovationen erreicht werden, später durchlaufen werden.
In der Physik gibt es keine grundlegende Regel zur Kontrolle dieser technologischen Verbesserungen, aber kontinuierlicher technologischer Fortschritt kann den Laser in Bezug auf die Helligkeit verbessern. Dieser Trend wird weiterhin traditionelle Technologien ersetzen und damit die Art und Weise, wie Dinge entwickelt werden, weiter verändern. Hochleistungs-Halbleiterlaser sind für das Wirtschaftswachstum wichtiger, denn sie werden auch die Entstehung neuer Dinge fördern.