Designhensyn for høyeffekts halvlederlaser

Designhensyn forhøyeffekts halvlederlaser
Denne artikkelen vil systematisk utdype de viktigste designhensynene og implementeringsmetodene for høyeffekts halvledere.laserBasert på den generelle ideen om å «øke den øvre grensen for effekten ved å utvide lysvolumet, optimalisere energiomforming og spredningsbaner samtidig som man unngår katastrofal optisk skade (COD)», ble det utført en grundig analyse basert på ni hovedaspekter:
1. Bredt utslippsområde: Ved å ta i bruk en bred arealstruktur (for eksempel å øke utslippsområdets bredde W fra noen få mikrometer til 50–200 mikrometer), kan den maksimale utgangseffekten økes direkte lineært, som er den grunnleggende metoden for å oppnå enkeltrørsutgang på wattnivå eller til og med titalls watt, men det ofrer strålekvaliteten.
2. Langt hulrom: Å øke hulromslengden er nøkkelen til å forbedre den elektriske oppvarmingsytelsen og oppnå effektiv og kraftig drift. Kjernen ligger i å effektivt redusere enhetens termiske motstand og motstand, og dermed undertrykke temperaturøkningen i det aktive områdekrysset, redusere effektmetningseffekter og forbedre utgangseffekt og effektivitet.
3. Utvidelse av bølgeledere og asymmetriske optiske hulrom: Ved å utvide den optiske feltfordelingen (for eksempel ved bruk av asymmetriske optiske hulromsstrukturer), kan overlappingen mellom det optiske feltet og områder med høyt absorpsjonstap reduseres, noe som reduserer interne tap betydelig, forbedrer kvanteeffektiviteten og reduserer varmeutviklingen. Samtidig kan også strålekvaliteten i vertikal retning forbedres.
4. Fyllfaktor: I strekkenheter er fyllfaktoren (forholdet mellom den totale bredden på den lysende enheten og den totale bredden på streken) kjerneparameteren for å balansere utgangseffekttetthet og vanskeligheter med termisk styring. Høy fyllfaktor gir høy effekttetthet, men krever ekstremt høy varmespredning, mens lav fyllfaktor er mer gunstig for termisk styring og forbedrer påliteligheten.
6. Teknologi for beskyttelse av endeflater: Forbedring av terskelen for katastrofal optisk speilskade (COMD) på endeflaten er nøkkelen til å bryte gjennom flaskehalsen i strømforsyningen. Artikkelen utdyper tre hovedteknologier:
6.1 Passivering og belegg av hulromsoverflaten: Ved å avsette passiveringslag og belegge filmer med høy reflektivitet/antirefleksjon, passiveres defekter i hulromsoverflaten, ikke-strålende rekombinasjon undertrykkes, og COMD-terskelen forbedres betydelig.
6.2 Ikke-absorberende vindusteknologi: Bruk av kvantebrønnhybridisering og andre teknikker for å danne et gjennomsiktig vindusregion på endeflaten for å redusere lysabsorpsjon og forhindre COMD.
6.3 Ikke-injeksjonssoneteknologi på hulromsoverflaten: Introduser en nåværende ikke-injeksjonssone nær hulromsoverflaten for å redusere bærerkonsentrasjonen og ikke-strålende rekombinasjon på hulromsoverflaten.
7. Høy lysstyrkedesign: To teknikker for å oppnå høy lysstyrke introduseres for å løse problemet med dårlig strålekvalitet i lasere med bredt område:
7.1. Kjeglestruktur: Ved å kombinere det smale bølgeleder-"frøområdet" i frontenden og "kjegleforsterkningsområdet" i bakenden, opprettholdes strålekvaliteten nær diffraksjonsgrensen samtidig som forsterkningseffekten opprettholdes.
7.2 Moduskontroll: Introduksjon av mikrostrukturer innenfor et bredt område for selektivt å øke tapet av høyereordens transversale moduser, og dermed forbedre strålekvaliteten.

8. Deformasjonskvantebrønn og deformasjonskompensasjon: Å introdusere deformasjon i kvantebrønnens aktive område kan optimalisere båndstrukturen, forbedre differensialforsterkningen, og dermed redusere terskelstrømmen, forbedre effektiviteten og forbedre høytemperaturegenskapene. Deformasjonskompensasjonsteknologi forhindrer akkumulering av deformasjon og defekter ved å dyrke frem barrierelag med motsatt deformasjon, noe som sikrer materialkvaliteten.
9. Avansert termisk styring og lavspenningspakking: Som svar på utfordringene med varmespredning som høy effekttetthet medfører, introduserer denne artikkelen nye kjøleribbematerialer (som diamantkomposittmaterialer), mikrokanalkjølere og pakketeknologier som bruker lavspenningsgrensesnittmaterialer for å oppnå ultrahøy varmespredningskapasitet og forbedre påliteligheten.
10. Distribuert bølgeleder: Som et intrinsisk varmestyringssystem på brikkenivå deler denne strukturen ryggbølgelederen inn i en eksitasjonssone og en passiv varmespredningssone langs hulrommets lengde, og konstruerer en tverrgående varmekanal inne i brikken for effektivt å spre varme, og bryter gjennom begrensningene til tradisjonelle varmespredningsmetoder.
Sammendraget og utsiktene peker på at utformingen av høyeffekts-halvlederlaserer et flermåls optimaliseringsproblem som involverer elektrisitet, optikk, termodynamikk og pålitelighet. Det er nødvendig å oppnå den beste balansen mellom de tre grunnleggende designene med bredt emisjonsområde, langt hulrom og utvidet bølgeleder, og teknologiene som håndterer de tre store utfordringene med termisk styring, endeflateskade og strålekvalitet. Ytterligere forbedring av fremtidig ytelse vil avhenge av utviklingen av nye materialer, nye fysiske mekanismer og nye produksjonsprosesser.