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激光二极管

高功率半导体激光器的过去和未来

文/Manoj Kanskar，Scott Keeney，Robert Martinsen

随 着效率和功率的不断提升， 子转化为高生产率激光的巨大进步。 疑态度也是因为已有的两年前才展示
[2]
激光二极管将继续取代传
这些进展已经支持了从光存储到光网
的激光器需要“复杂的镜子”。
统技术，从而改变事物的 络、再到广泛的工业领域的重要应用。 1962 年夏天，Hall 说他被一篇论
制造方式并促成新事物的发展。 回顾这些进步及积累的进展，突 文“震撼”了，该论文显示了麻省理
传统上，经济学家认为技术进步 出显示了许多经济领域可能产生甚至 工学院林肯实验室的效率高得多的砷
[3]
是一个渐进的过程。最近，人们将更 更大、更普遍的影响。事实上，随着 化镓发光二极管。 他回到通用电气
多的重点放在了一些颠覆性创新的 高功率半导体激光器的不断改进，它 公司，想起来他幸好拥有一些质量好
作用上。这些创新被称为通用技术 的应用领域将会加速扩展，并且会对 的砷化镓材料来进行测试，并利用他
（GPT），指的是“具有对许多经济领 经济增长带来深远影响。 作为业余天文学家的经验，开发出了
域产生重要影响潜力的深刻的新思想 一种方法来抛光 GaAs 芯片的边缘，
[1]
或新技术”。 GPT 的清晰范例是蒸 高功率半导体激光器的历史 以形成谐振腔。 [4]
汽机、电力和集成电路。 1962 年 9 月 16 日星期日上午， Hall 的成功演示是基于他的设
通用技术通常需要几十年的发 通用电气研究实验室的 Robert Hall 团 计，使辐射在结平面内来回反射，而
展，甚至更长时间才能带来生产力的 队展示了砷化镓（GaAs）半导体的 不是垂直于它。他谦虚地表示，没有
提升。这些技术一开始通常不会被很 红外发射，这种半导体具有表明相干 人“以前偶然发现过这个想法。”事
好地理解，即使在技术商业化之后， 激光的“奇怪”干涉图案，首个半导 实上，Hall 的设计本质上是幸运的巧
[3]
生产应用仍然存在长期滞后。 集成电 体激光器诞生。 Hall 最初认为半导 合，即形成波导的半导体材料也具有
路是一个很好的研究案例。虽然晶体 体激光“成功的希望不大”，因为当 同时限制双极载流子的特性。否则，
管在 20 世纪早期就被首次展示，但 时的发光二极管效率非常低。他持怀 半导体激光将不可能实现。通过使用
是其广泛的商业化出现得更晚。 High-power semiconductor laser brilliance and Moore’s Law
摩尔在 1965 年的短文中预言，半 100,000
导体将快速发展，这将带来“电子技 Moore’s Law
术的普及，并将这项科学推向许多新 10,000 Transistors: Transistor/chip
[2]
的领域。” 尽管摩尔的预测大胆且出 7 years to increase 10×
人意料的准确，但是半导体技术在实 1000 Brilliance: Brilliance
8 years to increase 10×
现生产力提升和经济增长之前，依然 Normalized brilliance
2
(W/cm -sr)
耗费了几十年的时间进行持续改进。 100
同样，人们对于高功率半导体激
10
光器的显著改进的理解也是有限的。
通过半导体将电子转换成激光首先在
1
1962 年得以展示，随后出现了各种各 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020
样的补充性进展，这些进步推动了电 图1：高功率半导体激光器的亮度和摩尔定律的比较。

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