Вопросы проектирования длямощный полупроводниковый лазер
В данной статье будут систематически рассмотрены основные проектные аспекты и методы реализации мощных полупроводниковых устройств.лазерИсходя из общей идеи «увеличения верхнего предела мощности за счет расширения светового объема, оптимизации путей преобразования и рассеивания энергии при одновременном предотвращении катастрофического оптического повреждения (COD)», был проведен углубленный анализ по 9 ключевым аспектам:
1. Большая площадь излучения: Использование структуры с большой площадью излучения (например, увеличение ширины области излучения W от нескольких микрометров до 50-200 микрометров) позволяет напрямую линейно увеличивать максимальную выходную мощность. Это основной метод получения выходной мощности одной лампы на уровне ватт или даже десятков ватт, но при этом ухудшается качество пучка.
2. Длинный резонатор: Увеличение длины резонатора является ключом к улучшению характеристик электрического нагрева и достижению эффективной и мощностной работы. Суть заключается в эффективном снижении теплового сопротивления и сопротивления устройства, что подавляет повышение температуры перехода активной области, уменьшает эффект насыщения мощности и повышает выходную мощность и эффективность.
3. Расширение волноводов и асимметричных оптических резонаторов: Расширение распределения оптического поля (например, за счет использования асимметричных оптических резонаторных структур) позволяет уменьшить перекрытие оптического поля с областями с высокими потерями на поглощение, что значительно снижает внутренние потери, повышает квантовую эффективность и уменьшает тепловыделение. Одновременно улучшается и качество пучка в вертикальном направлении.
4. Коэффициент заполнения: В устройствах в виде полос коэффициент заполнения (отношение общей ширины светоизлучающего элемента к общей ширине полосы) является ключевым параметром для баланса между плотностью выходной мощности и сложностью управления тепловым режимом. Высокий коэффициент заполнения обеспечивает высокую плотность мощности, но требует чрезвычайно высокого теплоотвода, в то время как низкий коэффициент заполнения способствует лучшему управлению тепловым режимом и повышает надежность.
6. Технология защиты торцевой поверхности: повышение порога катастрофического повреждения оптического зеркала (COMD) на торцевой поверхности является ключом к преодолению энергетического барьера. В статье подробно рассматриваются три основные технологии:
6.1 Пассивация и покрытие поверхности полости: Путем нанесения пассивирующих слоев и покрытия пленками с высокой отражательной способностью/антиотражающими свойствами дефекты поверхности полости пассивируются, нерадиационная рекомбинация подавляется, а порог COMD значительно повышается.
6.2 Технология неабсорбирующих окон: Использование гибридизации квантовых ям и других методов для формирования прозрачной оконной области на торцевой поверхности с целью уменьшения поглощения света и предотвращения COMD.
6.3 Технология зоны без инжекции на поверхности резонатора: Введение зоны без инжекции тока вблизи поверхности резонатора для снижения концентрации носителей заряда и нерадиационной рекомбинации на поверхности резонатора.
7. Конструкция с высокой яркостью: Для решения проблемы низкого качества луча в широкозонных лазерах предлагаются две методики получения высокой яркости излучения:
7.1. Конусообразная структура: Благодаря сочетанию узкой волноводной «зоны затравки» на переднем конце и «зоны усиления конуса» на заднем конце, качество пучка сохраняется на уровне, близком к дифракционному пределу, при одновременном усилении мощности.
7.2 Управление модами: Введение микроструктур в широком диапазоне для избирательного увеличения потерь поперечных мод более высокого порядка, что улучшает качество пучка.
8. Квантовая яма с деформацией и компенсация деформации: Введение деформации в активную область квантовой ямы позволяет оптимизировать зонную структуру, повысить дифференциальное усиление, тем самым снизив пороговый ток, улучшив эффективность и улучшив высокотемпературные характеристики. Технология компенсации деформации предотвращает накопление деформации и дефектов за счет выращивания барьерных слоев с противоположной деформацией, обеспечивая качество материала.
9. Усовершенствованное управление тепловым режимом и низконагруженная упаковка: В ответ на проблемы рассеивания тепла, возникающие при высокой плотности мощности, в данной статье представлены новые материалы для радиаторов (например, алмазные композитные материалы), микроканальные охладители и технологии упаковки с использованием низконагруженных интерфейсных материалов для достижения сверхвысокой теплоотдачи и повышения надежности.
10. Распределенный волновод: В качестве схемы управления тепловым режимом на уровне чипа эта структура разделяет гребенчатый волновод на зону возбуждения и зону пассивного рассеивания тепла вдоль длины полости и создает поперечный тепловой канал внутри чипа для эффективного рассеивания тепла, преодолевая ограничения традиционных методов теплоотвода.
В обзоре и прогнозе указывается, что проектирование мощных устройств имеет важное значение.полупроводниковый лазерЭто многоцелевая задача оптимизации, включающая в себя электротехнику, оптику, термодинамику и надежность. Необходимо достичь оптимального баланса между тремя основными конструкциями: широкой зоной излучения, длинным резонатором и расширенным волноводом, и технологиями, решающими три основные проблемы: теплоотвод, повреждение торцевой поверхности и качество пучка. Дальнейшее улучшение характеристик в будущем будет зависеть от разработки новых материалов, новых физических механизмов и новых производственных процессов.
Дата публикации: 21 мая 2026 г.