高出力半導体レーザーの過去と未来

効率と出力が向上し続けるにつれて、レーザーダイオードは従来の技術に取って代わり、物事の処理方法を変え、新しいものの誕生を刺激し続けます。
伝統的に、経済学者は技術の進歩は段階的なプロセスであると信じています。最近、業界は不連続性を引き起こす可能性のある破壊的イノベーションに焦点を当てています。汎用技術（GPT）として知られるこれらの革新は、「経済の多くの側面に大きな影響を与える可能性のある、深く新しいアイデアまたは技術」です。一般的な技術の開発には通常数十年かかり、さらに長くなると生産性が向上します。最初は、彼らはよく理解されていませんでした。技術が商品化された後でも、生産の採用には長期的な遅れがありました。集積回路は良い例です。トランジスタは20世紀初頭に最初に導入されましたが、夜遅くまで広く使用されていました。
ムーアの法則の創設者の一人であるゴードン・ムーアは、1965年に半導体がより速い速度で開発され、「エレクトロニクスの人気をもたらし、この科学を多くの新しい分野に押し上げる」と予測しました。彼の大胆で予想外に正確な予測にもかかわらず、彼は生産性と経済成長を達成する前に何十年にもわたる継続的な改善を経験してきました。
同様に、高出​​力半導体レーザーの劇的な発展についての理解は限られています。 1962年に、業界は最初に電子のレーザーへの変換を実証し、その後、電子の高収率レーザープロセスへの変換に大幅な改善をもたらした多くの進歩が続きました。これらの改善により、光ストレージ、光ネットワーキング、および幅広い産業用アプリケーションを含む、さまざまな重要なアプリケーションをサポートできます。
これらの進展とそれらが明らかにした多くの改善を想起することは、経済の多くの側面へのより大きくそしてより広範囲の影響の可能性を浮き彫りにしました。実際、高出力半導体レーザーの継続的な改善により、重要なアプリケーションの範囲が拡大し、経済成長に大きな影響を与えます。
高出力半導体レーザーの歴史
1962年9月16日、GeneralElectricのRobertHallが率いるチームは、最初の半導体レーザーの誕生であるコヒーレンスレーザーを意味する「奇妙な」干渉パターンを持つガリウムヒ素（GaAs）半導体の赤外線放射を実証しました。ホールは当初、当時の発光ダイオードが非常に非効率的だったため、半導体レーザーは「ロングショット」であると信じていました。同時に、2年前に確認され、すでに存在しているレーザーには「ファインミラー」が必要であるため、彼もこれに懐疑的でした。
1962年の夏、ハレは、MITリンカーン研究所によって開発されたより効率的なGaAs発光ダイオードにショックを受けたと述べました。その後、彼はいくつかの高品質のGaAs材料でテストできて幸運であり、アマチュア天文学者としての経験を利用して、GaAsチップのエッジを研磨して空洞を形成する方法を開発したと述べました。
Hallの成功したデモンストレーションは、垂直方向のバウンスではなく、インターフェイスで前後にバウンスする放射の設計に基づいています。彼は、「このアイデアを思いついた人は誰もいない」と控えめに言った。実際、ホールの設計は本質的に幸運な偶然であり、導波路を形成する半導体材料が同時にバイポーラキャリアを制限する特性も持っています。そうでなければ、半導体レーザーを実現することは不可能です。異種半導体材料を使用することにより、スラブ導波路を形成して、光子をキャリアとオーバーラップさせることができます。
ゼネラルエレクトリックでのこれらの予備的なデモンストレーションは、大きな進歩でした。ただし、これらのレーザーは実用的なデバイスにはほど遠いです。高出力半導体レーザーの誕生を促進するためには、異なる技術の融合を実現する必要があります。主要な技術革新は、直接バンドギャップ半導体材料と結晶成長技術の理解から始まりました。
その後の開発には、ダブルヘテロ接合レーザーの発明とそれに続く量子井戸レーザーの開発が含まれていました。これらのコア技術をさらに強化するための鍵は、効率の向上と、キャビティのパッシベーション、熱放散、およびパッケージング技術の開発にあります。
輝度
過去数十年にわたる革新は、刺激的な改善をもたらしました。特に明るさの向上に優れています。 1985年、最先端の高出力半導体レーザーは、105ミリワットの電力を105ミクロンのコアファイバーに結合することができました。最先端の高出力半導体レーザーは、現在、単一波長で250ワットを超える105ミクロンファイバーを生成できます。これは、8年ごとに10倍に増加します。

ムーアは「より多くのコンポーネントを集積回路に固定する」ことを考えました。その後、チップあたりのトランジスタ数は7年ごとに10倍に増加しました。偶然にも、高出力半導体レーザーは、同様の指数関数的な速度でより多くの光子をファイバーに取り込みます（図1を参照）。

図1.高出力半導体レーザーの明るさとムーアの法則との比較
高出力半導体レーザーの輝度向上により、思いがけないさまざまな技術の開発が進んでいます。このトレンドを継続するにはさらなるイノベーションが必要ですが、半導体レーザー技術のイノベーションはまだ完成していないと考える理由があります。よく知られている物理学は、継続的な技術開発を通じて半導体レーザーの性能をさらに向上させることができます。
たとえば、量子ドットゲインメディアは、現在の量子井戸デバイスと比較して効率を大幅に向上させることができます。遅い軸の明るさは、もう1桁の改善の可能性を提供します。熱と膨張のマッチングが改善された新しいパッケージ材料は、継続的な電力調整と簡素化された熱管理に必要な機能強化を提供します。これらの重要な開発は、今後数十年の高出力半導体レーザーの開発のためのロードマップを提供します。
ダイオード励起ソリッドステートおよびファイバーレーザー
高出力半導体レーザーの改良により、下流のレーザー技術の開発が可能になりました。ダウンストリームレーザー技術では、半導体レーザーを使用して、ドープされた結晶（ダイオードポンプされたソリッドステートレーザー）またはドープされたファイバー（ファイバーレーザー）を励起（ポンプ）します。
半導体レーザーは高効率、低コストのレーザーエネルギーを提供しますが、2つの重要な制限があります。エネルギーを蓄積しないことと、明るさが制限されることです。基本的に、これら2つのレーザーは、多くのアプリケーションで使用する必要があります。1つは電気をレーザー放射に変換するためのもので、もう1つはレーザー放射の明るさを高めるためのものです。
ダイオード励起固体レーザー。 1980年代後半に、固体レーザーを励起するための半導体レーザーの使用が商用アプリケーションで人気を博し始めました。ダイオード励起固体レーザー（DPSSL）は、熱管理システム（主に再循環冷却器）のサイズと複雑さを大幅に削減し、固体レーザー結晶を励起するためのアークランプを歴史的に組み合わせたモジュールを取得します。
半導体レーザーの波長は、固体レーザー利得媒体のスペクトル吸収特性との重複に基づいて選択されます。アークランプの広帯域発光スペクトルと比較して、熱負荷は大幅に減少します。 1064 nmのゲルマニウムベースのレーザーの人気により、808 nmのポンプ波長は、20年以上にわたって半導体レーザーの最大波長になりました。
マルチモード半導体レーザーの輝度が向上し、2000年半ばにボリュームブラッググレーティング（VBG）を使用して狭いエミッタ線幅を安定させる機能により、第2世代の改善されたダイオードポンピング効率が達成されました。 880 nm付近の弱くてスペクトル的に狭い吸収特性は、高輝度ポンプダイオードのホットスポットになっています。これらのダイオードは、スペクトルの安定性を実現できます。これらの高性能レーザーは、シリコン内のレーザーの上位レベル4F3 / 2を直接励起して、量子欠陥を減らし、それによって、サーマルレンズによって制限される高平均の基本モードの抽出を改善できます。
2010年の初めまでに、シングルクロスモード1064nmレーザーと、可視および紫外線帯域で動作する関連する一連の周波数変換レーザーの高出力スケーリングの傾向を目の当たりにしました。 Nd：YAGおよびNd：YVO4の高エネルギー状態の寿命が長いため、これらのDPSSL Qスイッチング動作は、高いパルスエネルギーとピーク電力を提供し、アブレーティブ材料処理および高精度マイクロマシニングアプリケーションに最適です。
光ファイバーレーザー。ファイバーレーザーは、高出力半導体レーザーの輝度を変換するより効率的な方法を提供します。波長多重光学系は、比較的低輝度の半導体レーザーをより明るい半導体レーザーに変換できますが、これには、スペクトル幅の増加とオプトメカニカルの複雑さが犠牲になります。ファイバーレーザーは、測光変換に特に効果的であることが示されています。
1990年代に導入されたダブルクラッドファイバは、マルチモードクラッドで囲まれたシングルモードファイバを使用しているため、高出力、低コストのマルチモード半導体励起レーザーを効率的にファイバに注入でき、より経済的な変換方法を実現します。高出力半導体レーザーをより明るいレーザーに。イッテルビウム（Yb）をドープしたファイバの場合、ポンプは915nmを中心とする広い吸収または976nm付近の狭帯域の特徴を励起します。ポンプ波長がファイバーレーザーのレーザー波長に近づくと、いわゆる量子欠陥が減少し、それによって効率が最大化され、熱放散量が最小化されます。
ファイバーレーザーとダイオード励起固体レーザーはどちらも、ダイオードレーザーの輝度の向上に依存しています。一般に、ダイオードレーザーの輝度が向上し続けるにつれて、それらが励起するレーザー出力の割合も増加しています。半導体レーザーの輝度が上がると、より効率的な輝度変換が容易になります。
予想通り、将来のシステムでは空間輝度とスペクトル輝度が必要になります。これにより、固体レーザーの吸収特性が狭く、直接半導体レーザーアプリケーションの高密度波長多重化による低量子欠陥ポンピングが可能になります。計画が可能になります。
市場とアプリケーション
高出力半導体レーザーの開発により、多くの重要なアプリケーションが可能になりました。これらのレーザーは、多くの従来の技術に取って代わり、新しい製品カテゴリーを実装しました。
10年ごとにコストとパフォーマンスが10倍に増加するため、高出力半導体レーザーは予測できない方法で市場の通常の運用を混乱させます。将来のアプリケーションを正確に予測することは困難ですが、過去30年間の開発履歴を確認し、次の10年間の開発のためのフレームワークの可能性を提供することは非常に重要です（図2を参照）。

図2.高出力半導体レーザー輝度燃料アプリケーション（ワット輝度あたりの標準化コスト）
1980年代：光ストレージと初期のニッチアプリケーション。光ストレージは、半導体レーザー業界で最初の大規模アプリケーションです。ホールが最初に赤外線半導体レーザーを示した直後に、ゼネラルエレクトリックのニックホロニアックも最初の可視赤色半導体レーザーを示しました。 20年後、コンパクトディスク（CD）が市場に登場し、続いて光ディスク市場が登場しました。
半導体レーザー技術の絶え間ない革新は、デジタル多用途ディスク（DVD）やブルーレイディスク（BD）などの光ストレージ技術の開発につながりました。これは半導体レーザーの最初の大きな市場ですが、一般的に適度な電力レベルは、他のアプリケーションをサーマルプリント、医療アプリケーション、選択された航空宇宙および防衛アプリケーションなどの比較的小さなニッチ市場に制限します。
1990年代：光ネットワークが普及しています。 1990年代には、半導体レーザーが通信ネットワークの鍵となりました。半導体レーザーは光ファイバーネットワークを介して信号を送信するために使用されますが、光増幅器用の高出力シングルモードポンプレーザーは、光ネットワークの規模を達成し、インターネットデータの成長を真にサポートするために重要です。
高出力半導体レーザー業界の最初のパイオニアの1つであるSpectraDiode Labs（SDL）を例にとると、それによってもたらされる通信業界のブームは広範囲に及んでいます。 1983年に設立されたSDLは、ニューポートグループのレーザーブランドであるSpectra-PhysicsとXeroxの合弁事業です。 1995年に時価総額約1億ドルで発売されました。 5年後、SDLは通信業界のピーク時に400億ドル以上でJDSUに売却されました。これは、歴史上最大の技術買収の1つです。その後まもなく、通信バブルが崩壊し、数兆ドルの資本が破壊されました。これは現在、歴史上最大のバブルと見なされています。
2000年代：レーザーがツールになりました。電気通信市場のバブルの崩壊は非常に破壊的ですが、高出力半導体レーザーへの巨額の投資は、より幅広い採用の基礎を築きました。性能とコストが増加するにつれて、これらのレーザーは、さまざまなプロセスで従来のガスレーザーやその他のエネルギー変換源に取って代わり始めています。
半導体レーザーは広く使用されているツールになっています。産業用途は、切断やはんだ付けなどの従来の製造プロセスから、3Dプリントされた金属部品の積層造形などの新しい高度な製造技術にまで及びます。スマートフォンなどの主要製品がこれらのレーザーで商品化されているため、マイクロ製造アプリケーションはより多様です。航空宇宙および防衛アプリケーションには、さまざまなミッションクリティカルなアプリケーションが含まれ、将来的には次世代の指向性エネルギーシステムが含まれる可能性があります。
総括する
50年以上前、ムーアは新しい基本的な物理法則を提案しませんでしたが、10年前に最初に研究された集積回路に大きな改善を加えました。彼の予言は何十年も続き、1965年には考えられなかった一連の破壊的革新をもたらしました。
ホールが50年以上前に半導体レーザーを実証したとき、それは技術革命を引き起こしました。ムーアの法則と同様に、多くの革新によって達成された高強度半導体レーザーがその後に受ける高速開発を誰も予測できません。
これらの技術的改善を制御するための物理学の基本的な規則はありませんが、継続的な技術的進歩は、明るさの点でレーザーを進歩させる可能性があります。この傾向は、従来のテクノロジーに取って代わり続けるため、物事の開発方法がさらに変化します。経済成長にとってより重要なのは、高出力半導体レーザーも新しいものの誕生を促進することです。