Геловани В.А., Скороходов А.П., Швейкин В.И.

Высокомощные диодные лазеры нового типа

Oglavlenie

Vvedenie

Poluprovodnikovie izluchateli, k kotorim otnosyatsya diodnie lazeri, poluprovodnikovie opticheskie usiliteli, spontannie izluchateli (svetodiodi) i superlyuminestsentnie izluchateli, shiroko primenyayutsya v razlichnikh sovremennikh tekhnologiyakh, takikh kak: volokonnie i opticheskie linii svyazi v telekommunikatsiyakh, visokomoschnie i effektivnie tverdotel'nie i volokonnie lazeri shirokogo primeneniya, visokoproizvoditel'noe kopiroval'noe i pechatnoe oborudovanie, tekhnologicheskoe oborudovanie v elektronnom proizvodstve, tekhnologicheskoe oborudovanie po obrabotke materialov, lazernoe khirurgicheskoe i terapevticheskoe oborudovanie, v voennoj tekhnike (naprimer, pribori navedeniya, nekontaktnie datchiki tseli) i dr.

Obschij ob'em prodazh tol'ko diodnikh lazerov postoyanno ros v 1995--1999 godakh i v 2000 godu sostavil 6,59 mlrd dollarov. Osnovnoj ob'em prodazh pri etom prikhodilsya na rinok telekommunikatsij, on sostavil v 2000 godu primerno 5 mlrd dollarov. V posleduyuschie dva goda nablyudalsya spad ob'emov prodazh poluprovodnikovikh izluchatelej, odnako, nachinaya s 2002 goda, snova nachinaetsya rezkij rost, kotorij po vsem imeyuschimsya prognozam sokhranitsya na dlitel'nuyu perspektivu.

Posle blistatel'noj 40-letnej istorii svoego razvitiya dlya ispol'zuemikh v nastoyaschee vremya poluprovodnikovikh izluchatelej viyavilis' predeli (ogranicheniya) ikh tekhnicheskikh parametrov, v pervuyu ochered', energeticheskikh.

Tak dal'nejshemu razvitiyu, rasshireniyu i osvoeniyu novikh oblastej primeneniya diodnikh lazerov prepyatstvuet visokaya plotnost' lazernogo izlucheniya na vikhodnom zerkale, obuslovlennaya malimi razmerami tolschini aktivnoj oblasti izlucheniya (tela svecheniya), chto suschestvenno ogranichivaet stol' zhelaemuyu vikhodnuyu moschnost'.

Poluprovodnikovie opticheskie usiliteli krome ukazannogo vishe nedostatka -- malogo razmera tela svecheniya -- imeyut malij razmer aperturi dlya vkhodnogo izlucheniya, chto opredelyaet bol'shie poteri izlucheniya na vkhode (do 75 % i bolee) i znachitel'nie tekhnologicheskie uslozhneniya pri vvode izlucheniya v aktivnuyu oblast' usileniya. Krome togo, oni imeyut ochen' visokuyu chuvstvitel'nost' k opticheskim otrazhennim signalam, chto privodit k nestabil'nosti, nenadezhnosti ikh raboti i nevozmozhnosti polucheniya visokoj moschnosti usilennogo izlucheniya pri ego visokom kachestve.

Superlyuminestsentnie izluchateli i svetodiodi imeyut znachitel'no bolee nizkuyu velichinu effektivnosti (1... 5 %) po sravneniyu s poluprovodnikovimi lazerami i opticheskimi usilitelyami (mozhet dostigat' 50 %), a moschnosti izlucheniya sostavlyayut doli i edinitsi millivatt dlya svetodiodov i edinitsi i desyatki edinits millivatt dlya superlyuminestsentnikh izluchatelej.

V poslednie godi za schet uspeshnikh tekhnologicheskikh issledovanij fosfidnikh i nitridnikh soedinenij i geterostruktur, sozdani sverkh'yarkie svetodiodi v krasnoj i sine-zelenoj oblasti spektra. Eto nesomnenno krupnoe dostizhenie, kotoroe yavlyaetsya predposilkoj k resheniyu aktual'noj problemi po sozdaniyu diodnikh osvetitel'nikh lamp belogo osvescheniya. Odnako dlya resheniya etoj problemi neobkhodimo uvelichit' po krajnej mere effektivnost' nekogerentnikh izluchatelej v neskol'ko raz, a moschnost' izlucheniya uvelichit' na odin-dva i bolee poryadkov.

Ostavayas' v ramkakh traditsionnikh podkhodov k usovershenstvovaniyu poluprovodnikovikh izluchatelej, trudno rasschitivat' na suschestvennoe uluchshenie ikh vazhnejshikh energeticheskikh kharakteristik -- effektivnosti i moschnosti izlucheniya.

Nami predlozhen sovershenno novij put' razvitiya poluprovodnikovikh izluchatelej, kotorij pozvolyaet poluchit' kachestvenno novij skachok v ikh naibolee suschestvennikh parametrakh: moschnost', effektivnost', ugol raskhodimosti i t.d.

Predlagayutsya takie konstruktsii poluprovodnikovikh izluchatelej, v geterostrukturakh kotorikh vivod izlucheniya osuschestvlyaetsya cherez odnu (v nekotorikh redkikh sluchayakh -- cherez dve) poverkhnosti aktivnogo sloya v vide vitekayuschego izlucheniya. Osobennost'yu vitekayuschego izlucheniya yavlyaetsya to, chto ono vitekaet v oblast' vikhoda iz vsej poverkhnosti ogranichitel'nogo sloya i chto eto izluchenie imeet malij ugol raskhodimosti (primerno 1...2^o) v vertikal'noj ploskosti. Takim obrazom, kachestvo vitekayuschego izlucheniya i vozmozhnost' vivesti ego iz aktivnogo sloya s visokoj effektivnost'yu znachitel'no vishe, chem dlya ispol'zuemogo v sovremennikh konstruktsiyakh izluchatelej poverkhnostno-nenapravlennogo i tortsevogo izluchenij.

Realizatsiya predlozhennikh nami konstruktsij izluchatelej s vitekayuschim izlucheniem ustranyaet ukazannie vishe tekhnicheskie predeli ikh parametrov i pozvolyaet sozdat' novoe pokolenie poluprovodnikovikh izluchatelej so znachitel'no bolee visokimi energeticheskimi i prostranstvenno-spektral'nimi kharakteristikami.

Dannoe izobretenie zaschischeno ryadom rossijskikh i mezhdunarodnikh patentov, v chastnosti, sleduyuschimi rossijskimi patentam:

RF2142665 -- Inzhektsionnij lazer, 1998 g.

RF2134007 -- Poluprovodnikovij opticheskij usilitel', 1998 g.

RF2142661 -- Inzhektsionnij nekogerentnij izluchatel', 1998 g.

RF2197047 -- Poluprovodnikovij usilitel'nij element i poluprovodnikovij opticheskij usilitel', 2003 g.

RF2197048 -- Inzhektsionnij lazer, 2003 g.

RF2197049 -- Geterostruktura, 2003 g.

Dlya provedeniya issledovanij i razrabotok po izluchatelyam s vitekayuschim izlucheniem bila sozdana Korporatsiya D--LED, zaregistrirovannaya v oktyabre 1999 goda v shtate Delaver.

V noyabre 2000 goda po rekomendatsii ekspertov Kompanii Strategies Unlimite pered nashej nauchno-issledovatel'skoj gruppoj bila postavlena zadacha sozdaniya izluchatelya s moschnost'yu izlucheniya 1 Vt i dlinoj volni 980 nm v odnomodovom volokne. Takuyu zadachu togda ne stavila pered soboj ni odna iz krupnejshikh kompanij-proizvoditelej mira. Etot pribor stal pervim, na primere kotorogo podtverdilsya na praktike izlozhennij v patentakh printsip vitekaniya.

V marte 2001 goda bili izgotovleni obraztsi izluchatelej s vitekaniem, otvechayuschie usloviyam postavlennoj zadachi, i peredani na testirovanie v nezavisimuyu organizatsiyu -- Berlinskij Tekhnicheskij universitet. Vivod, sdelannij Berlinskim TU, soderzhaschijsya v predstavlennom imi otchete, odnoznachen: podkhod, osnovannij na ispol'zovanii vitekayuschego izlucheniya, yasno prodemonstriroval ego preimuschestvo po sravneniyu so standartnimi kommercheskimi tekhnologiyami.

Bol'shim kommercheskim dostoinstvom lazerov s vitekayuschim izlucheniem yavlyaetsya to, chto tekhnologicheskij marshrut i tekhnologicheskie protsessi ikh izgotovleniya prakticheski sovpadayut s suschestvuyuschimi tekhnologiyami dlya tortsevikh lazerov (za isklyucheniem sostavov i tolschin sloev geterostrukturi), t.e. ne trebuyut novogo oborudovaniya i novikh inzhenernikh navikov.

Na osnove predlagaemikh printsipov mozhet bit' razrabotano bol'shoe kolichestvo konstruktsij novikh priborov.

Diodnie lazeri s vitekayuschim izlucheniem sozdadut novie oblasti primeneniya i vitesnyat suschestvuyuschie v nastoyaschee vremya diodnie lazeri iz tekh oblastej primeneniya, gde neobkhodimi visokomoschnie, visokonadezhnie diodnie lazeri, obladayuschie pri etom visokoj napravlennost'yu izlucheniya. Dlya ryada primenenij yavlyaetsya vazhnim vozmozhnost' effektivno i s malimi zatratami vvesti izluchenie v odnomodovoe volokno (a esche luchshe -- vvesti napryamuyu, bez opticheskikh soglasuyuschikh elementov).

Nizhe ukazani lish' nekotorie iz primenenij diodnikh lazerov s vitekayuschim izlucheniem:

Krome togo, predlagaemie poluprovodnikovie lazeri najdut shirokoe primenenie v meditsinskom oborudovanii, pri obrabotke materialov (ochistka, pajka, svarka), v sverkhskorostnikh lazernikh printerakh i dr.

V rassmatrivaemom podkhode predlozhena takzhe novaya konstruktsiya poverkhnostno-izluchayuschego lazera, yavlyayuschegosya, na nash vzglyad, odnim iz samikh perspektivnikh produktov. Segodnya lazernie diodi ispol'zuyutsya chasche vsego kak diskretnij element. Odnako bol'shoe pole dlya ispol'zovaniya v oblasti optovolokonnikh setej i v kachestve opticheskikh mezhsoedinenij otkrivaetsya pri perekhode ot diskretnogo lazernogo dioda k upravlyaemoj matritse (linejke) diodov. V etom sluchae neobkhodimo, chtobi generiruemoe ot lazernogo dioda izluchenie bilo napravleno po normali k poverkhnosti aktivnogo sloya. Eto daet vozmozhnost' ne tol'ko izgotovit' v edinom tekhnologicheskom tsikle razom bol'shoe kolichestvo lazernikh diodov, no i provesti izmereniya kazhdogo dioda, ne raskalivaya plastini na elementi. Pri etom obespechivaetsya visokaya plotnost' lazernikh diodov na plastine i nizkaya stoimost' v raschete na odin diod.

Izvestnij v nastoyaschee vremya poverkhnostno-izluchayuschij lazer s vertikal'nim rezonatorom VCSEL v printsipe otvechaet etim trebovaniyam. V poslednee desyatiletie provedeni uspeshnie intensivnie issledovaniya po sovershenstvovaniyu i dovedeniyu VCSEL na dlinu volni 850 nm do kommercheskogo produkta. Odnako konstruktsiya sovremennogo VCSEL imeet ryad printsipial'nikh tekhnicheskikh bar'erov pri ego izgotovlenii (v chastnosti, malaya dlina oblasti aktivnogo usileniya, sovpadenie ploskostej otrazhatelej opticheskogo rezonatora s ploskostyami protekaniya toka, ochen' visokie trebovaniya k velichine koeffitsientov otrazheniya dlya otrazhatelej).

V predlozhennoj novoj konstruktsii poverkhnostno-izluchayuschego lazera s vitekayuschim izlucheniem ukazannie vishe problemi otsutstvuyut. Pri etom nami rassmotren tekhnologicheskij marshrut izgotovleniya matritsi takikh lazernikh diodov. On dostatochno prost, ekonomichen i otvechaet trebovaniyam promishlennogo izgotovleniya upravlyaemikh matrits diodov.

Poluprovodnikovie opticheskie usiliteli s vitekayuschim izlucheniem, v kotorikh usilennim signalom yavlyaetsya tol'ko vitekayuschee izluchenie iz aktivnoj oblasti, imeyut znachitel'nie preimuschestva pered suschestvuyuschimi. V pervuyu ochered' -- eto bol'shoe (primerno na poryadok) uvelichenie vkhodnoj i vikhodnoj aperturi. Na vkhode eto privedet k ustraneniyu odnogo iz krupnikh nedostatkov suschestvuyuschikh usilitelej -- dostatochno bol'shikh poter' izlucheniya. Na vikhode -- poluchaem usilennoe simmetrichnoe izluchenie uzkoj napravlennosti, soglasovannoe po prostranstvennoj i uglovoj aperture so standartnim odnomodovim voloknom.

Naryadu s etim, znachitel'no uproschaetsya i udeshevlyaetsya konstruktsiya opticheskogo uzla vvoda i vivoda -- vvod i vivod mogut bit' sdelani napryamuyu bez kakikh-libo opticheskikh soedinitelej.

Dopolnitel'nimi preimuschestvami novikh usilitelej yavlyaetsya takzhe znachitel'noe vozrastanie urovnya nasischeniya moschnosti izlucheniya.

Usiliteli s vitekayuschim izlucheniem v znachitel'nom ryade primenenij mogut stat' al'ternativoj volokonno-opticheskim usilitelyam. Imeya bolee nizkuyu tsenu i prostotu konstruktsii, oni neobkhodimi dlya razlichnikh primenenij v volokonno-opticheskikh liniyakh svyazi i peredachi informatsii.

I, nakonets, tverdotel'noe osveschenie ili luchshe -- svetodiodnoe osveschenie, sozdanie kotorogo yavlyaetsya krupnoj problemnoj zadachej nastoyaschego vremeni.

Za bolee chem stoletie so vremen, kogda tvoril Edison, ser'eznikh sdvigov v tekhnologii osvescheniya ne proizoshlo. Esli ne schitat' elektrolyuminestsentnikh lamp s ikh ser'eznimi nedostatkami, to, po-prezhnemu, glavenstvuyuschuyu rol' v osveschenii igrayut obichnie lampi nakalivaniya. Nesmotrya na provedennie usovershenstvovaniya, lampi nakalivaniya obladayut ryadom suschestvennikh nedostatkov. Prezhde vsego, spektral'nij sostav izlucheniya lamp zametno otlichaetsya ot estestvennogo solnechnogo, chto vliyaet na zdorov'e i nastroenie lyudej. KPD dejstviya lamp nakalivaniya vsego primerno 5 %, a eto oznachaet, chto tol'ko 1/20 chast' zatrachivaemoj energii prevraschaetsya v svet, a bolee 90 % raskhoduetsya naprasno na nevidimoe glazom izluchenie i teplo. Krome togo, nadezhnost' i resurs raboti etikh lamp nevisokie -- sotni chasov.

Diodnoe osveschenie dast ogromnij ekonomicheskij effekt. Kak govoryat eksperti, konechnij rezul'tat budet zaklyuchat'sya v ekonomii desyatkov milliardov dollarov v energii i ekspluatatsionnikh raskhodakh ezhegodno. Takim obrazom, mozhno govorit' o gryaduschej revolyutsii v ispol'zovanii lyud'mi osvescheniya v domakh i ofisakh.

Klyuchevaya zadacha, kotoruyu predstoit reshit' dlya preodoleniya bar'erov na puti sozdaniya novogo pokoleniya svetodiodnikh izluchatelej, prigodnikh dlya osvescheniya kvartir v domakh i ofisakh, sostoit v uvelichenii effektivnosti preobrazovaniya primerno do 50--70 % (chto primerno v 10 raz bol'she, chem u lamp nakalivaniya).

V poslednee vremya dlya uvelicheniya effektivnosti svetodiodov ispol'zuyut razlichnie sposobi uvelicheniya doli vivodimogo izlucheniya. Sudya po poslednim publikatsiyam, eto pozvolilo uvelichit' vivod izlucheniya do 30 %. Odnako neobkhodimoe dlya shirokogo primeneniya poluprovodnikovikh izluchatelej v priborakh osvescheniya udvoenie effektivnosti svetodiodov predlozhennimi sposobami ne prosmatrivaetsya.

Nami predlozhen original'nij i prostoj put' resheniya zadachi po uvelicheniyu effektivnosti preobrazovaniya elektricheskoj energii v izluchatele vplot' do 60--80 %. Sut' predlozheniya sostoit v tom, chtobi pridat' napravlennost' spontannomu izlucheniyu, chto dostigaetsya spetsial'noj konstruktsiej geterostrukturi, pri kotoroj bol'shaya chast' spontannogo izlucheniya, voznikayuschego v aktivnom sloe, vitekaet iz nego v strogo zadannikh napravleniyakh s uzkoj napravlennost'yu.

V nastoyaschej rabote izlozheni osnovnie idei postroeniya poluprovodnikovikh priborov s vovlechennim v lazernuyu generatsiyu izlucheniem, vitekayuschim iz aktivnoj oblasti. Privodyatsya pervie rezul'tati eksperimental'noj raboti. Analiziruyutsya perspektivnie oblasti primeneniya predlagaemikh lazerov novogo tipa.

About the author

Gelovani Viktor Archilovich, ISA RAN

Akademik RAN po Otdeleniyu nanotekhnologij i informatsionnikh tekhnologij. Avtor okolo 200 nauchnikh publikatsij po informatike, cheloveko-mashinnim modeliruyuschim sistemam, modelyam slozhnikh tekhnicheskikh i sotsial'no-ekonomicheskikh sistem i protsessov. Bolee 20 let zanimaetsya nauchno-issledovatel'skimi i opitno-konstruktorskimi rabotami v oblasti diffuzionnogo tsinkovaniya dlinnomernikh metallicheskikh izdelij, prezhde vsego trub neftyanogo sortamenta, ekspluatiruemikh v usloviyakh agressivnikh korrozionnikh sred. Yavlyaetsya osnovatelem kompanii, raspolagayuschej na segodnyashnij den' odnim iz krupnejshikh v mire proizvodstv po naneseniyu intermetallidnikh diffuzionnikh, polimernikh i kombinirovannikh pokritij, obespechivayuschikh mnogofaktornuyu zaschitu NKT i drugikh izdelij neftyanogo sortamenta.