Mga pagsasaalang-alang sa disenyo para sa high-power semiconductor laser

Mga pagsasaalang-alang sa disenyo para samataas na lakas na semiconductor laser
Sistematikong ipapaliwanag ng artikulong ito ang mga pangunahing konsiderasyon sa disenyo at mga pamamaraan ng pagpapatupad ng high-power semiconductor.laserBatay sa pangkalahatang ideya ng "pagpapataas ng pinakamataas na limitasyon ng kuryente sa pamamagitan ng pagpapalawak ng luminous volume, pag-optimize ng conversion ng enerhiya at mga landas ng dissipation habang iniiwasan ang mapaminsalang optical damage (COD)", isang malalimang pagsusuri ang isinagawa mula sa 9 na pangunahing aspeto:
1. Malawak na lugar ng emisyon: Sa pamamagitan ng pag-aampon ng isang istraktura ng malawak na lugar (tulad ng pagpapataas ng lapad ng lugar ng emisyon na W mula sa ilang micrometer hanggang 50-200 micrometer), ang pinakamataas na lakas ng output ay maaaring direktang linear na mapataas, na siyang pangunahing pamamaraan para sa pagkuha ng single tube output sa antas ng watt o kahit sampu-sampung watts, ngunit isinasakripisyo nito ang kalidad ng beam.
2. Mahabang lukab: Ang pagpapahaba ng lukab ay susi sa pagpapabuti ng pagganap ng elektrikal na pagpapainit at pagkamit ng mahusay at mataas na lakas na operasyon. Ang pangunahing layunin nito ay epektibong bawasan ang thermal resistance at resistensya ng aparato, sa gayon ay pinipigilan ang pagtaas ng temperatura ng aktibong rehiyon ng junction, binabawasan ang mga epekto ng power saturation, at pinapabuti ang output power at kahusayan.
3. Pagpapalawak ng mga waveguide at asymmetric optical cavity: Sa pamamagitan ng pagpapalawak ng distribusyon ng optical field (tulad ng paggamit ng asymmetric optical cavity structures), ang overlap sa pagitan ng optical field at mga high absorption loss area ay maaaring mabawasan, na makabuluhang binabawasan ang mga internal losses, pinapabuti ang quantum efficiency, at binabawasan ang pagbuo ng init. Kasabay nito, ang kalidad ng beam sa patayong direksyon ay maaari ding mapabuti.
4. Fill factor: Sa mga bar device, ang fill factor (ang ratio ng kabuuang lapad ng light-emitting unit sa kabuuang lapad ng bar) ang pangunahing parameter para sa pagbabalanse ng output power density at thermal management difficulty. Ang mataas na fill factor ay nagdudulot ng mataas na power density ngunit nangangailangan ng napakataas na heat dissipation, habang ang mababang fill factor ay mas nakakatulong sa thermal management at nagpapabuti ng reliability.
6. Teknolohiya ng proteksyon sa dulong bahagi: Ang pagpapabuti ng antas ng pinsala sa optical mirror (COMD) ng dulong bahagi ang susi sa paglutas ng bottleneck ng kuryente. Tinatalakay ng artikulo ang tatlong pangunahing teknolohiya:
6.1 Pag-passivate at pagpapatong ng ibabaw ng cavity: Sa pamamagitan ng pagdedeposito ng mga passivation layer at pagpapatong ng mga high reflectivity/anti reflection film, ang mga depekto sa ibabaw ng cavity ay na-passivate, ang non radiative recombination ay nasusupil, at ang COMD threshold ay lubos na napapabuti.
6.2 Teknolohiyang non-absorption window: Paggamit ng quantum well hybridization at iba pang mga pamamaraan upang bumuo ng isang transparent na rehiyon ng window sa dulong bahagi upang mabawasan ang pagsipsip ng liwanag at maiwasan ang COMD.
6.3 Teknolohiya ng non-injection zone sa ibabaw ng cavity: Maglagay ng current non-injection zone malapit sa ibabaw ng cavity upang mabawasan ang konsentrasyon ng carrier at non-radiative recombination sa ibabaw ng cavity.
7. Disenyo ng mataas na liwanag: Dalawang pamamaraan para sa pagkuha ng mataas na liwanag na output ang ipinakilala upang matugunan ang problema ng mahinang kalidad ng sinag sa wide area laser:
7.1. Istruktura ng kono: Sa pamamagitan ng pagsasama ng makitid na "seed area" ng waveguide sa harap at ng "cone amplification area" sa likuran, ang kalidad ng beam na malapit sa diffraction limit ay napapanatili habang pinapalakas ang lakas.
7.2 Kontrol sa mode: Pagpapakilala ng mga microstructure sa loob ng malawak na saklaw upang piliing mapataas ang pagkawala ng mas mataas na order na transverse mode, sa gayon ay mapapabuti ang kalidad ng beam.

8. Strain quantum well at strain compensation: Ang pagpapakilala ng strain sa aktibong rehiyon ng quantum well ay maaaring mag-optimize sa istruktura ng band, mapahusay ang differential gain, sa gayon ay mababawasan ang threshold current, mapapabuti ang kahusayan, at mapapahusay ang mga katangian ng mataas na temperatura. Pinipigilan ng teknolohiya ng strain compensation ang akumulasyon ng strain at mga depekto sa pamamagitan ng pagpapalaki ng mga barrier layer na may kabaligtarang strain, na tinitiyak ang kalidad ng materyal.
9. Mataas na pamamahala ng init at low stress packaging: Bilang tugon sa mga hamon sa pagpapakalat ng init na dulot ng mataas na densidad ng kuryente, ipinakikilala ng artikulong ito ang mga bagong materyales sa heat sink (tulad ng mga materyales na diamond composite), mga microchannel cooler, at mga teknolohiya sa packaging gamit ang mga materyales na low stress interface upang makamit ang ultra-high heat dissipation capacity at mapabuti ang pagiging maaasahan.
10. Distributed waveguide: Bilang isang intrinsic thermal management scheme sa antas ng chip, hinahati ng istrukturang ito ang ridge waveguide sa isang excitation zone at isang passive heat dissipation zone sa kahabaan ng cavity, at bumubuo ng isang transverse heat channel sa loob ng chip upang mahusay na mapawi ang init, na lumalampas sa mga limitasyon ng tradisyonal na pamamaraan ng heat dissipation.
Itinuturo ng buod at pananaw na ang disenyo ng high-powerlaser na semikondaktoray isang problema sa multi-objective optimization na kinasasangkutan ng kuryente, optika, thermodynamics, at reliability. Kinakailangang makamit ang pinakamahusay na balanse sa pagitan ng tatlong pangunahing disenyo ng malawak na emission area, mahabang cavity, at widened waveguide, at ang mga teknolohiyang humaharap sa tatlong pangunahing hamon ng thermal management, end face damage, at beam quality. Ang karagdagang pagpapabuti ng performance sa hinaharap ay depende sa pagbuo ng mga bagong materyales, mga bagong pisikal na mekanismo, at mga bagong proseso ng pagmamanupaktura.