Геловани В.А.Ак, Скороходов А.П., Швейкин В.И. Высокомощные диодные лазеры нового типа

Оглавление

Введение

Полупроводниковые излучатели, к которым относятся диодные лазеры, полупроводниковые оптические усилители, спонтанные излучатели (светодиоды) и суперлюминесцентные излучатели, широко применяются в различных современных технологиях, таких как: волоконные и оптические линии связи в телекоммуникациях, высокомощные и эффективные твердотельные и волоконные лазеры широкого применения, высокопроизводительное копировальное и печатное оборудование, технологическое оборудование в электронном производстве, технологическое оборудование по обработке материалов, лазерное хирургическое и терапевтическое оборудование, в военной технике (например, приборы наведения, неконтактные датчики цели) и др.

Общий объем продаж только диодных лазеров постоянно рос в 1995–1999 годах и в 2000 году составил 6,59 млрд долларов. Основной объем продаж при этом приходился на рынок телекоммуникаций, он составил в 2000 году примерно 5 млрд долларов. В последующие два года наблюдался спад объемов продаж полупроводниковых излучателей, однако, начиная с 2002 года, снова начинается резкий рост, который по всем имеющимся прогнозам сохранится на длительную перспективу.

После блистательной 40-летней истории своего развития для используемых в настоящее время полупроводниковых излучателей выявились пределы (ограничения) их технических параметров, в первую очередь, энергетических.

Так дальнейшему развитию, расширению и освоению новых областей применения диодных лазеров препятствует высокая плотность лазерного излучения на выходном зеркале, обусловленная малыми размерами толщины активной области излучения (тела свечения), что существенно ограничивает столь желаемую выходную мощность.

Полупроводниковые оптические усилители кроме указанного выше недостатка – малого размера тела свечения – имеют малый размер апертуры для входного излучения, что определяет большие потери излучения на входе (до 75 % и более) и значительные технологические усложнения при вводе излучения в активную область усиления. Кроме того, они имеют очень высокую чувствительность к оптическим отраженным сигналам, что приводит к нестабильности, ненадежности их работы и невозможности получения высокой мощности усиленного излучения при его высоком качестве.

Суперлюминесцентные излучатели и светодиоды имеют значительно более низкую величину эффективности (1... 5 %) по сравнению с полупроводниковыми лазерами и оптическими усилителями (может достигать 50 %), а мощности излучения составляют доли и единицы милливатт для светодиодов и единицы и десятки единиц милливатт для суперлюминесцентных излучателей.

В последние годы за счет успешных технологических исследований фосфидных и нитридных соединений и гетероструктур, созданы сверхъяркие светодиоды в красной и сине-зеленой области спектра. Это несомненно крупное достижение, которое является предпосылкой к решению актуальной проблемы по созданию диодных осветительных ламп белого освещения. Однако для решения этой проблемы необходимо увеличить по крайней мере эффективность некогерентных излучателей в несколько раз, а мощность излучения увеличить на один-два и более порядков.

Оставаясь в рамках традиционных подходов к усовершенствованию полупроводниковых излучателей, трудно рассчитывать на существенное улучшение их важнейших энергетических характеристик – эффективности и мощности излучения.

Нами предложен совершенно новый путь развития полупроводниковых излучателей, который позволяет получить качественно новый скачок в их наиболее существенных параметрах: мощность, эффективность, угол расходимости и т.д.

Предлагаются такие конструкции полупроводниковых излучателей, в гетероструктурах которых вывод излучения осуществляется через одну (в некоторых редких случаях – через две) поверхности активного слоя в виде вытекающего излучения. Особенностью вытекающего излучения является то, что оно вытекает в область выхода из всей поверхности ограничительного слоя и что это излучение имеет малый угол расходимости (примерно 1...2^o) в вертикальной плоскости. Таким образом, качество вытекающего излучения и возможность вывести его из активного слоя с высокой эффективностью значительно выше, чем для используемого в современных конструкциях излучателей поверхностно-ненаправленного и торцевого излучений.

Реализация предложенных нами конструкций излучателей с вытекающим излучением устраняет указанные выше технические пределы их параметров и позволяет создать новое поколение полупроводниковых излучателей со значительно более высокими энергетическими и пространственно-спектральными характеристиками.

Данное изобретение защищено рядом российских и международных патентов, в частности, следующими российскими патентам:

РФ2142665 – Инжекционный лазер, 1998 г.

РФ2134007 – Полупроводниковый оптический усилитель, 1998 г.

РФ2142661 – Инжекционный некогерентный излучатель, 1998 г.

РФ2197047 – Полупроводниковый усилительный элемент и полупроводниковый оптический усилитель, 2003 г.

РФ2197048 – Инжекционный лазер, 2003 г.

РФ2197049 – Гетероструктура, 2003 г.

Для проведения исследований и разработок по излучателям с вытекающим излучением была создана Корпорация D–LED, зарегистрированная в октябре 1999 года в штате Делавэр.

В ноябре 2000 года по рекомендации экспертов Компании Strategies Unlimite перед нашей научно-исследовательской группой была поставлена задача создания излучателя с мощностью излучения 1 Вт и длиной волны 980 нм в одномодовом волокне. Такую задачу тогда не ставила перед собой ни одна из крупнейших компаний-производителей мира. Этот прибор стал первым, на примере которого подтвердился на практике изложенный в патентах принцип вытекания.

В марте 2001 года были изготовлены образцы излучателей с вытеканием, отвечающие условиям поставленной задачи, и переданы на тестирование в независимую организацию – Берлинский Технический университет. Вывод, сделанный Берлинским ТУ, содержащийся в представленном ими отчете, однозначен: подход, основанный на использовании вытекающего излучения, ясно продемонстрировал его преимущество по сравнению со стандартными коммерческими технологиями.

Большим коммерческим достоинством лазеров с вытекающим излучением является то, что технологический маршрут и технологические процессы их изготовления практически совпадают с существующими технологиями для торцевых лазеров (за исключением составов и толщин слоев гетероструктуры), т.е. не требуют нового оборудования и новых инженерных навыков.

На основе предлагаемых принципов может быть разработано большое количество конструкций новых приборов.

Диодные лазеры с вытекающим излучением создадут новые области применения и вытеснят существующие в настоящее время диодные лазеры из тех областей применения, где необходимы высокомощные, высоконадежные диодные лазеры, обладающие при этом высокой направленностью излучения. Для ряда применений является важным возможность эффективно и с малыми затратами ввести излучение в одномодовое волокно (а еще лучше – ввести напрямую, без оптических согласующих элементов).

Ниже указаны лишь некоторые из применений диодных лазеров с вытекающим излучением:

Кроме того, предлагаемые полупроводниковые лазеры найдут широкое применение в медицинском оборудовании, при обработке материалов (очистка, пайка, сварка), в сверхскоростных лазерных принтерах и др.

В рассматриваемом подходе предложена также новая конструкция поверхностно-излучающего лазера, являющегося, на наш взгляд, одним из самых перспективных продуктов. Сегодня лазерные диоды используются чаще всего как дискретный элемент. Однако большое поле для использования в области оптоволоконных сетей и в качестве оптических межсоединений открывается при переходе от дискретного лазерного диода к управляемой матрице (линейке) диодов. В этом случае необходимо, чтобы генерируемое от лазерного диода излучение было направлено по нормали к поверхности активного слоя. Это дает возможность не только изготовить в едином технологическом цикле разом большое количество лазерных диодов, но и провести измерения каждого диода, не раскалывая пластины на элементы. При этом обеспечивается высокая плотность лазерных диодов на пластине и низкая стоимость в расчете на один диод.

Известный в настоящее время поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором VCSEL в принципе отвечает этим требованиям. В последнее десятилетие проведены успешные интенсивные исследования по совершенствованию и доведению VCSEL на длину волны 850 нм до коммерческого продукта. Однако конструкция современного VCSEL имеет ряд принципиальных технических барьеров при его изготовлении (в частности, малая длина области активного усиления, совпадение плоскостей отражателей оптического резонатора с плоскостями протекания тока, очень высокие требования к величине коэффициентов отражения для отражателей).

В предложенной новой конструкции поверхностно-излучающего лазера с вытекающим излучением указанные выше проблемы отсутствуют. При этом нами рассмотрен технологический маршрут изготовления матрицы таких лазерных диодов. Он достаточно прост, экономичен и отвечает требованиям промышленного изготовления управляемых матриц диодов.

Полупроводниковые оптические усилители с вытекающим излучением, в которых усиленным сигналом является только вытекающее излучение из активной области, имеют значительные преимущества перед существующими. В первую очередь – это большое (примерно на порядок) увеличение входной и выходной апертуры. На входе это приведет к устранению одного из крупных недостатков существующих усилителей – достаточно больших потерь излучения. На выходе – получаем усиленное симметричное излучение узкой направленности, согласованное по пространственной и угловой апертуре со стандартным одномодовым волокном.

Наряду с этим, значительно упрощается и удешевляется конструкция оптического узла ввода и вывода – ввод и вывод могут быть сделаны напрямую без каких-либо оптических соединителей.

Дополнительными преимуществами новых усилителей является также значительное возрастание уровня насыщения мощности излучения.

Усилители с вытекающим излучением в значительном ряде применений могут стать альтернативой волоконно-оптическим усилителям. Имея более низкую цену и простоту конструкции, они необходимы для различных применений в волоконно-оптических линиях связи и передачи информации.

И, наконец, твердотельное освещение или лучше – светодиодное освещение, создание которого является крупной проблемной задачей настоящего времени.

За более чем столетие со времен, когда творил Эдисон, серьезных сдвигов в технологии освещения не произошло. Если не считать электролюминесцентных ламп с их серьезными недостатками, то, по-прежнему, главенствующую роль в освещении играют обычные лампы накаливания. Несмотря на проведенные усовершенствования, лампы накаливания обладают рядом существенных недостатков. Прежде всего, спектральный состав излучения ламп заметно отличается от естественного солнечного, что влияет на здоровье и настроение людей. КПД действия ламп накаливания всего примерно 5 %, а это означает, что только 1/20 часть затрачиваемой энергии превращается в свет, а более 90 % расходуется напрасно на невидимое глазом излучение и тепло. Кроме того, надежность и ресурс работы этих ламп невысокие – сотни часов.

Диодное освещение даст огромный экономический эффект. Как говорят эксперты, конечный результат будет заключаться в экономии десятков миллиардов долларов в энергии и эксплуатационных расходах ежегодно. Таким образом, можно говорить о грядущей революции в использовании людьми освещения в домах и офисах.

Ключевая задача, которую предстоит решить для преодоления барьеров на пути создания нового поколения светодиодных излучателей, пригодных для освещения квартир в домах и офисах, состоит в увеличении эффективности преобразования примерно до 50–70 % (что примерно в 10 раз больше, чем у ламп накаливания).

В последнее время для увеличения эффективности светодиодов используют различные способы увеличения доли выводимого излучения. Судя по последним публикациям, это позволило увеличить вывод излучения до 30 %. Однако необходимое для широкого применения полупроводниковых излучателей в приборах освещения удвоение эффективности светодиодов предложенными способами не просматривается.

Нами предложен оригинальный и простой путь решения задачи по увеличению эффективности преобразования электрической энергии в излучателе вплоть до 60–80 %. Суть предложения состоит в том, чтобы придать направленность спонтанному излучению, что достигается специальной конструкцией гетероструктуры, при которой большая часть спонтанного излучения, возникающего в активном слое, вытекает из него в строго заданных направлениях с узкой направленностью.

В настоящей работе изложены основные идеи построения полупроводниковых приборов с вовлеченным в лазерную генерацию излучением, вытекающим из активной области. Приводятся первые результаты экспериментальной работы. Анализируются перспективные области применения предлагаемых лазеров нового типа.

Об авторе

Геловани Виктор Арчилович

Академик РАН по Отделению нанотехнологий и информационных технологий. Автор около 200 научных публикаций по информатике, человеко-машинным моделирующим системам, моделям сложных технических и социально-экономических систем и процессов. Более 20 лет занимается научно-исследовательскими и опытно-конструкторскими работами в области диффузионного цинкования длинномерных металлических изделий, прежде всего труб нефтяного сортамента, эксплуатируемых в условиях агрессивных коррозионных сред. Является основателем компании, располагающей на сегодняшний день одним из крупнейших в мире производств по нанесению интерметаллидных диффузионных, полимерных и комбинированных покрытий, обеспечивающих многофакторную защиту НКТ и других изделий нефтяного сортамента.