Съображения за проектиране зависокомощен полупроводников лазер
Тази статия систематично ще разгледа основните съображения за проектиране и методите за внедряване на високомощни полупроводници.лазерВъз основа на общата идея за „увеличаване на горната граница на мощността чрез разширяване на светлинния обем, оптимизиране на пътищата на преобразуване на енергия и разсейване, като същевременно се избягват катастрофални оптични повреди (COD)“, беше проведен задълбочен анализ от 9 ключови аспекта:
1. Широка емисионна зона: Чрез приемане на широкообхватна структура (като например увеличаване на ширината на емисионната зона W от няколко микрометра до 50-200 микрометра), максималната изходна мощност може да се увеличи директно линейно, което е основният метод за получаване на мощност на единична тръба на ниво ват или дори десетки ватове, но това жертва качеството на лъча.
2. Дълга кухина: Увеличаването на дължината на кухината е ключът към подобряване на производителността на електрическото нагряване и постигане на ефективна и високоенергийна работа. Същността му се състои в ефективно намаляване на термичното съпротивление и устойчивост на устройството, като по този начин се потиска повишаването на температурата на прехода на активната област, намаляват се ефектите от насищане на мощността и се подобрява изходната мощност и ефективност.
3. Разширяване на вълноводите и асиметричните оптични кухини: Чрез разширяване на разпределението на оптичното поле (например чрез използване на асиметрични структури на оптични кухини) може да се намали припокриването между оптичното поле и зоните с високи загуби на поглъщане, което значително намалява вътрешните загуби, подобрява квантовата ефективност и намалява генерирането на топлина. В същото време може да се подобри и качеството на лъча във вертикална посока.
4. Коефициент на запълване: При лентовите устройства, коефициентът на запълване (съотношението на общата ширина на светоизлъчващия елемент към общата ширина на лентата) е основният параметър за балансиране на плътността на изходната мощност и трудността при управление на температурата. Високият коефициент на запълване води до висока плътност на мощността, но изисква изключително високо разсейване на топлината, докато ниският коефициент на запълване е по-благоприятен за управление на температурата и подобрява надеждността.
6. Технология за защита на челните повърхности: Подобряването на прага на катастрофално оптично огледално увреждане (COMD) на челните повърхности е ключът към преодоляване на проблема с захранването. Статията разглежда три основни технологии:
6.1 Пасивация и покритие на повърхността на кухината: Чрез нанасяне на пасивационни слоеве и покриване на филми с висока отражателна/антиотражателна способност, дефектите на повърхността на кухината се пасивират, нерадиационната рекомбинация се потиска и прагът на COMD се подобрява значително.
6.2 Технология на неабсорбционен прозорец: Използване на квантова хибридизация и други техники за образуване на прозрачна област на прозореца на челната повърхност, за да се намали абсорбцията на светлина и да се предотврати COMD.
6.3 Технология на зона без инжектиране върху повърхността на кухината: Въвеждане на зона без инжектиране на ток близо до повърхността на кухината, за да се намали концентрацията на носителите и нерадиационната рекомбинация на повърхността на кухината.
7. Дизайн с висока яркост: Въведени са две техники за получаване на висока яркост, за да се реши проблемът с лошото качество на лъча в широкообхватния лазер:
7.1. Конична структура: Комбинирането на „зародишната зона“ на тесния вълновод в предния край и „зоната на усилване на конуса“ в задния край, качеството на лъча, близко до дифракционната граница, се поддържа, като същевременно се усилва мощността.
7.2 Контрол на режима: Въвеждане на микроструктури в широк диапазон за селективно увеличаване на загубата на напречни режими от по-висок порядък, като по този начин се подобрява качеството на лъча.
8. Квантова яма с деформация и компенсация на деформацията: Въвеждането на деформация в активната област на квантовата яма може да оптимизира лентовата структура, да подобри диференциалното усилване, като по този начин намали праговия ток, подобри ефективността и подобри характеристиките при висока температура. Технологията за компенсация на деформацията предотвратява натрупването на деформация и дефекти чрез нарастване на бариерни слоеве с противоположно деформация, осигурявайки качество на материала.
9. Усъвършенствано управление на температурата и опаковане с ниско напрежение: В отговор на предизвикателствата, свързани с разсейването на топлината, породени от високата плътност на мощността, тази статия представя нови материали за радиатори (като диамантени композитни материали), микроканални охладители и технологии за опаковане, използващи материали за интерфейс с ниско напрежение, за постигане на ултрависок капацитет за разсейване на топлината и подобряване на надеждността.
10. Разпределен вълновод: Като схема за вътрешно термично управление на ниво чип, тази структура разделя гребенния вълновод на зона на възбуждане и зона за пасивно разсейване на топлината по дължината на кухината и изгражда напречен топлинен канал вътре в чипа, за да разсейва ефективно топлината, преодолявайки ограниченията на традиционните методи за разсейване на топлината.
Обобщението и перспективата посочват, че проектирането на високомощниполупроводников лазере многоцелева оптимизационна задача, включваща електричество, оптика, термодинамика и надеждност. Необходимо е да се постигне най-добрият баланс между трите основни дизайна - широка емисионна площ, дълга резонаторна част и разширен вълновод, и технологиите, които се справят с трите основни предизвикателства - управление на температурата, повреди по челната повърхност и качество на лъча. По-нататъшното подобряване на бъдещите характеристики ще зависи от разработването на нови материали, нови физически механизми и нови производствени процеси.
Време на публикуване: 21 май 2026 г.