Designöverväganden förhögeffekts halvledarlaser
Denna artikel kommer systematiskt att utveckla de viktigaste designövervägandena och implementeringsmetoderna för högeffektshalvledare.laserBaserat på den allmänna idén att "öka effektens övre gräns genom att expandera ljusvolymen, optimera energiomvandling och energiförlustvägar samtidigt som katastrofala optiska skador (COD) undviks", genomfördes en djupgående analys utifrån 9 viktiga aspekter:
1. Brett emissionsområde: Genom att använda en struktur med brett area (t.ex. att öka emissionsområdets bredd W från några få mikrometer till 50–200 mikrometer) kan den maximala uteffekten ökas direkt linjärt, vilket är den grundläggande metoden för att erhålla en enda rörs uteffekt på wattnivå eller till och med tiotals watt, men det offrar strålkvaliteten.
2. Lång kavitet: Att öka kavitetslängden är nyckeln till att förbättra den elektriska uppvärmningsprestanda och uppnå effektiv och hög effektdrift. Kärnan ligger i att effektivt minska enhetens termiska resistans och motstånd, vilket undertrycker temperaturökningen i den aktiva regionens övergång, minskar effektmättnadseffekter och förbättrar uteffekt och effektivitet.
3. Bredda vågledare och asymmetriska optiska kaviteter: Genom att bredda den optiska fältfördelningen (t.ex. genom att använda asymmetriska optiska kavitetsstrukturer) kan överlappningen mellan det optiska fältet och områden med hög absorptionsförlust minskas, vilket avsevärt minskar interna förluster, förbättrar kvanteffektiviteten och minskar värmeutvecklingen. Samtidigt kan strålkvaliteten i vertikal riktning också förbättras.
4. Fyllningsfaktor: I stavkomponenter är fyllningsfaktorn (förhållandet mellan den ljusemitterande enhetens totala bredd och stavens totala bredd) den viktigaste parametern för att balansera uteffektdensitet och svårigheter med värmehantering. Hög fyllningsfaktor ger hög effektdensitet men kräver extremt hög värmeavledning, medan låg fyllningsfaktor är mer gynnsam för värmehantering och förbättrar tillförlitligheten.
6. Teknik för skydd av ändytor: Att förbättra tröskeln för katastrofala optiska spegelskador (COMD) på ändytan är nyckeln till att bryta igenom flaskhalsen i strömförsörjningen. Artikeln utvecklar tre huvudtekniker:
6.1 Passivering och beläggning av kavitetsytan: Genom att avsätta passiveringsskikt och belägga högreflektions-/antireflektionsfilmer passiveras defekter i kavitetsytan, icke-strålande rekombination undertrycks och COMD-tröskeln förbättras avsevärt.
6.2 Icke-absorptionsfönsterteknik: Användning av kvantbrunnshybridisering och andra tekniker för att bilda ett transparent fönsterområde på ändytan för att minska ljusabsorption och förhindra COMD.
6.3 Teknik för icke-injektionszoner på kavitetens yta: Introducera en nuvarande icke-injektionszon nära kavitetens yta för att minska bärarkoncentrationen och icke-strålande rekombination vid kavitetens yta.
7. Design med hög ljusstyrka: Två tekniker för att erhålla hög ljusstyrka introduceras för att åtgärda problemet med dålig strålkvalitet i laser med stort område:
7.1. Konstruktur: Genom att kombinera det smala vågledar-"fröområdet" vid den främre änden och "konförstärkningsområdet" vid den bakre änden bibehålls strålkvaliteten nära diffraktionsgränsen samtidigt som förstärkningseffekten ökar.
7.2 Modkontroll: Introduktion av mikrostrukturer inom ett brett område för att selektivt öka förlusten av högre ordningens transversella moder, och därigenom förbättra strålkvaliteten.
8. Töjningskompensation för kvantbrunn: Att införa töjning i kvantbrunnens aktiva område kan optimera bandstrukturen, förbättra differentiell förstärkning och därigenom minska tröskelströmmen, förbättra effektiviteten och förbättra högtemperaturegenskaperna. Töjningskompensationstekniken förhindrar ansamling av töjning och defekter genom att odla barriärlager med motsatt töjning, vilket säkerställer materialkvaliteten.
9. Avancerad värmehantering och lågspänningskapsling: Som svar på de utmaningar med värmeavledning som hög effekttäthet medför introducerar den här artikeln nya kylflänsmaterial (såsom diamantkompositmaterial), mikrokanalkylare och förpackningstekniker som använder lågspänningsgränssnittsmaterial för att uppnå ultrahög värmeavledningskapacitet och förbättra tillförlitligheten.
10. Distribuerad vågledare: Som ett intrinsiskt värmehanteringssystem på chipnivå delar denna struktur upp åsvågledaren i en excitationszon och en passiv värmeavledningszon längs kavitetens längd, och konstruerar en tvärgående värmekanal inuti chipet för att effektivt avleda värme, vilket bryter igenom begränsningarna hos traditionella värmeavledningsmetoder.
Sammanfattningen och prognosen påpekar att utformningen av högeffekts-halvledarlaserär ett flermålsoptimeringsproblem som involverar elektricitet, optik, termodynamik och tillförlitlighet. Det är nödvändigt att uppnå bästa möjliga balans mellan de tre grundläggande konstruktionerna med brett emissionsområde, långt hålrum och breddat vågledare, och de teknologier som hanterar de tre största utmaningarna med termisk hantering, skador på ändytor och strålkvalitet. Den ytterligare förbättringen av framtida prestanda kommer att bero på utvecklingen av nya material, nya fysiska mekanismer och nya tillverkningsprocesser.
Publiceringstid: 21 maj 2026