Wie wäre es mit einem NIR-Laser-Hochleistungs-Halbleiterlaser?

Hochleistungs-Halbleiterlaser werden häufig in den Bereichen intelligente Fertigung, Laserkommunikation, Lasersensorik, medizinische Schönheit usw. eingesetzt. Seit ihrer Geburt haben sie große Fortschritte in Theorie, Praxis und Anwendung gemacht und machen den größten Teil des gesamten Lasermarktes aus. Unter ihnen sind Hochleistungs-Halbleiterlaser im Nahinfrarotband die besten.

Nahinfrarot-Hochleistungs-Halbleiterlaserchips Hochleistungshalbleiterlaserchips sind die Kernlichtquellen moderner Hochenergielaser, die durch Glasfaser-, Festkörper- und direkte Halbleiterlaser repräsentiert werden. Leistung, Helligkeit und Zuverlässigkeit des Laserchips sind zentrale Indikatoren, die sich direkt auf die Leistung und Kosten des Lasersystems auswirken.

Die Hauptstruktur eines Halbleiterlaserchips umfasst eine epitaktische lichtemittierende Schicht, die ein Laserverstärkungsmedium bereitstellt, eine Elektrode, die Ladungsträger in die epitaktische lichtemittierende Schicht injiziert, und eine Spalthohlraumoberfläche, die einen Resonanzhohlraum bildet. Der Entwicklungsprozess des Chips umfasst die Schritte Epitaxiestrukturdesign und Materialwachstum, Chipstrukturdesign und -vorbereitungsprozess, Hohlraumoberflächenspaltungspassivierungsbehandlung und optische Beschichtung, Chipverpackungstest, Chiplebensdauerzuverlässigkeit und Leistungsanalyse, darunter die Kernindikatoren direkt Die drei Schlüsseltechnologien sind Epitaxiestrukturdesign und Materialwachstum, Chipstrukturdesign und -vorbereitungsprozess, Hohlraumoberflächenspaltung und Passivierungsbehandlung.
(1) Epitaxiestrukturdesign und Materialwachstum Epitaxiestrukturdesign und Materialwachstum beinhalten die Verstärkung und das Pumpen des Lasers, was sich direkt auf die elektrooptische Effizienz des Chips auswirkt. Die Hauptfaktoren sind Heteroübergangs- und Volumenspannungsverluste, Trägerleckverluste und Lichtabsorptionsverluste. Gemäß der Energiebandanalyse von Halbleitermaterialien kommt die Heteroübergangsspannung hauptsächlich von der Grenzfläche zwischen der Begrenzungsschicht, dem Substrat und der Wellenleiterschicht, und die Heteroübergangsspannung des Chips wird durch Grenzflächengradienten und hohe Dotierungsoptimierung effektiv reduziert. Der Widerstand des Massenmaterials kann durch Anpassen der Materialzusammensetzung erreicht werden, um die Trägermobilität zu erhöhen und die Dotierungskonzentration zu erhöhen. Um den Ladungsträgerleckverlust zu reduzieren, ist eine ausreichende Ladungsträgerbeschränkungsbarriere erforderlich, insbesondere die p-Ebenen-Elektronenbarriere. Daher müssen die Reduzierung des Schüttgutwiderstands und die Verbesserung des Trägereinschlusses umfassend berücksichtigt werden, um die Materialzusammensetzung zu optimieren. Ein optischer Absorptionsverlust kann normalerweise durch den Entwurf einer asymmetrischen Wellenleiterstruktur mit ultragroßem optischen Hohlraum erreicht werden. Wenn die Gesamtdicke der Wellenleiterschicht unverändert bleibt, wird die Dicke der p-Ebenen-Wellenleiterschicht verringert und die Dicke der n-Ebenen-Wellenleiterschicht erhöht, so dass der Hauptteil des optischen Feldes im niedrigen Absorptionsbereich verteilt wird Die n-Ebene mit niedrigem Widerstand verringert die Überlappung des optischen Feldes und der p-Ebene mit hoher Absorption, verringert die Spannung des Hauptmaterials und verringert den Lichtabsorptionsverlust. Gleichzeitig wird in Kombination mit dem schrittweisen Dotierungsverteilungsdesign die gleichzeitige Optimierung des Spannungsverlusts des Volumenmaterials und des Lichtabsorptionsverlusts realisiert. Laserchips im 900-nm-Band verwenden normalerweise InGaAs-Quantentöpfe als Verstärkungsmaterial und AlInGaAs-Quantentöpfe mit hoher Spannung, um die Verstärkung zu erhöhen. Als quartäres Material stellen AlInGaAs-Quantentöpfe jedoch strengere Anforderungen an die Materialwachstumskontrolle. Es ist notwendig, das Atmosphärenverhältnis und die Wachstumstemperaturrate zu optimieren, um die Keimbildungsenergie von Quantentöpfenkörperdefekten zu erhöhen, wodurch die Defektdichte von Quantentöpfen verringert und Quantentöpfe mit hoher Qualität und hoher Spannung wachsen.
(2) Wenn der Chipstrukturentwurf und der Herstellungsprozess im Hochleistungsmodus arbeiten, nimmt die Intensität des lateralen Modus hoher Ordnung des Chips zu, was zu einem starken Anstieg des Divergenzwinkels und einer Abnahme der Helligkeit führt. Absorption und Streuung am Rand des Wellenleiters werden in Literaturberichten im Allgemeinen verwendet, um die Intensität von Moden höherer Ordnung zu verringern. Dies führt jedoch auch zu einem zusätzlichen Absorptionsverlust für Moden niedriger Ordnung und verringert die optische Gesamtleistung. Darüber hinaus ist beim Arbeiten mit hoher Leistung die optische Feldstärke des Chips in Längsrichtung ungleichmäßig verteilt, während die durch die Strominjektion des herkömmlichen Strukturchips erzeugte Ladungsträgerkonzentration in Längsrichtung gleichmäßig ist, also die optische Feldstärke und die Ladungsträgerkonzentrationsverteilung nicht übereinstimmen kann, führt dies zu einem vertikalen Lochverbrennungseffekt, der zu einer Leistungssättigung führt. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu lösen, besteht darin, die Gerätestruktur der Trägerinjektionsverteilung anzupassen.
(3) Hohlraumoberflächenspaltung und Passivierungsbehandlung Die Hauptfehlerursache von Hochleistungs-Halbleiterlaserchips ist die optische Katastrophenschädigung der Hohlraumoberfläche (COMD). COMD entsteht durch die Lichtabsorption der Spalthohlraumoberfläche und der Umgebung, wenn der Chip mit hoher Leistung arbeitet. Die Oberflächenlichtabsorption wird durch die Spaltung von Oberflächenbindungen, Oberflächenoxidation und Oberflächenverunreinigung verursacht, während die herkömmliche Spaltung der Hohlraumoberfläche in der Atmosphäre oder in einer Umgebung mit niedrigem Vakuum erfolgt und dieses Problem nicht vermieden werden kann. Die Lichtabsorption im Bereich nahe der Spaltungsoberfläche beruht auf der Interbandabsorption. Wenn der Chip mit hoher Leistung arbeitet, steigt die Temperatur in diesem Bereich, was zu einer Verringerung der Bandlücke des Materials und einer Erhöhung der Interbandabsorption führt. Der effektivste Weg, diese Art der Absorption zu reduzieren, besteht darin, eine Fensterstruktur mit breiter Bandlücke (geringer Absorption) zu bilden. Durch die Entwicklung des Epitaxiestrukturdesigns und des Materialwachstums, des Chipstrukturdesigns und des Vorbereitungsprozesses, der Spaltung der Hohlraumoberfläche und der Passivierungsbehandlung hat Suzhou Everbright Huaxin Optoelectronics Technology Co., Ltd. (im Folgenden als „Everbright Huaxin“ bezeichnet) ein 28-W-Modell auf den Markt gebracht Halbleiterlaserchip. Die Leistungssteigerung des Chips ist hauptsächlich auf das optimierte Design der Chip-Epitaxiestruktur und die Verbesserung der speziellen Verarbeitungstechnologie der Hohlraumoberfläche zurückzuführen. Die Ausgangsleistung von Halbleiterlasern wird hauptsächlich durch Faktoren wie Laserschwelle, Steilheit und Hochstromleistungsbiegung beeinflusst. Normalerweise wird durch eine Verringerung der Dotierungskonzentration des pn-Übergangs eine Verringerung des Schwellenwerts und eine Erhöhung der Steigung erreicht. Eine zu niedrige Dotierungskonzentration führt zu einem Anstieg des Widerstands des pn-Übergangs und einem Anstieg der Chipspannung. Um das Problem der Optimierung des Gleichgewichts zwischen Schwellenwertsteigung und Spannung zu lösen, optimierte Changguang Huaxin die Dicke der Wellenleiterschicht der asymmetrischen großen optischen Hohlraumstruktur und entwarf sorgfältig die Verteilung der Dotierungskonzentration in verschiedenen Bereichen des pn-Übergangs um die Schwelle zu senken und die Steigungseffizienz zu verbessern. Der Effekt, die Spannung grundsätzlich konstant zu halten. Die starke Strombiegung ist hauptsächlich auf die Abnahme der internen Quanteneffizienz zurückzuführen, wenn ein hoher Strom eingespeist wird. Everbright optimierte die Energiebandstruktur des Materials in der Nähe des Verstärkungsbereichs der Laserstruktur, verbesserte die Einschlussfähigkeit der in den pn-Übergang injizierten Elektronen und steigerte effektiv die Quanteneffizienz bei der Hochstrominjektion. Während Everbright die Leistung des Laserchips optimiert, verbessert er weiterhin die Materialqualität des speziellen Behandlungsprozesses der Hohlraumoberfläche, um das Defektverhältnis zu reduzieren, die Fähigkeit der Hohlraumoberfläche zu verbessern, Schäden durch optische Katastrophen zu widerstehen, und sicherzustellen, dass die 28 W Hochleistungslaserchip erfüllt die Anforderungen des Industriemarktes an die Lebensdauer von Lasern. Anforderungen.

Als praktisches Werkzeug hat sich der Nahinfrarot-Hochleistungs-Halbleiter-Lichtquellenmodul-Faserlaser aufgrund seiner einzigartigen Vorteile in den letzten Jahren rasant weiterentwickelt und spielt eine wichtige Rolle in den Bereichen industrielle Fertigung, Verarbeitung und wissenschaftliche Forschung. Als zentrales vorgeschaltetes Gerät des Faserlasers begleitet und fördert die Entwicklung der Pumpquelle auch die Entwicklung und den Fortschritt der Gesamttechnologie des Faserlasers.
(1) Industrielle Faserlaser-Pumpquelle In den letzten Jahren hat sich der Markt für industrielle Faserlaser rasant entwickelt und weist eine starke Dynamik auf. Faserlaser haben aufgrund ihrer einzigartigen Technologie und Anwendungsvorteile die Führung auf dem Markt für industrielle Laserbearbeitung übernommen. Was den industriellen Faserlasermarkt betrifft, ist die Faserlasertechnologie mit niedriger bis mittlerer Leistung ausgereift und stabilisiert und ist vollständig in die Phase des Kostenwettbewerbs eingetreten.

2) Faserlaser-Pumpquelle für die wissenschaftliche Forschung. Faserlaser für die wissenschaftliche Forschung stellen im Allgemeinen höhere Anforderungen an die Helligkeit oder werden in einigen speziellen Anwendungsszenarien eingesetzt. Diese Anforderungen erstrecken sich auch auf die Pumpquelle. Im Allgemeinen muss die Pumpquelle eine hohe Helligkeit und eine geringe Größe aufweisen. , geringes Gewicht, Wellenlängenverriegelung und andere Eigenschaften. Ein kleines Volumen erfordert ein kompaktes Verpackungsdesign für die Pumpquelle, und ein geringes Gewicht erfordert eine notwendige Behandlung zur Gewichtsreduzierung der Pumpquelle und die Verwendung neuer Metallmaterialien mit geringer Dichte zur Verarbeitung des Rohrmantels auf der Grundlage der Gewährleistung der Wärmeleitungseffizienz.

High-brightness kilowatt-class fiber-coupled direct semiconductor lasers High-brightness kilowatt-class fiber-coupled direct semiconductor lasers have the characteristics of high brightness, wide wavelength range, high electro-optical conversion efficiency and easy use, and have a wide range of potential applications in industry and scientific research fields, such as for Metal material processing, Yb-doped fiber laser pumping, Raman nonlinear fiber laser pumping, and energy transfer. Brightness is defined as B=P·A-1·Ω-1, where P is the output power of the laser, A is the area of the beam waist of the output beam of the laser, and Ω is the solid angle of the divergence angle of the output beam of the laser. Generally speaking, the higher the brightness, the smaller the focused spot size and the longer the working distance. The continuous output power of a single laser diode light-emitting unit (or laser diode single tube) is less than 40 W, and it is necessary to use different beam combining methods to combine dozens to hundreds of single tube chips into a beam output to achieve kilowatt-level output. Conventional direct semiconductor lasers are based on a laser diode single tube or bar (composed of multiple single tubes), using spatial beam combining, polarization beam combining, coarse spectrum beam combining or fiber beam combining to increase output power. Direct semiconductor lasers based on this type of beam combining technology have high output power and low cost, and are favored by the industry, and can be used for welding and cladding of metal materials. Using the dense spectral beam combining technology based on a single-tube chip, Everbright Huaxin has successfully developed a variety of high-brightness fiber-coupled direct semiconductor lasers, which greatly improved the output brightness of direct semiconductor lasers (> 200 MW cm-2 Sr-1) and Electro-optical conversion efficiency (>45 Prozent). Beispielsweise brachte Everbright im Jahr 2019 einen 1 kW, 220 μm/NA0.22 Halbleiterlaser auf den Markt (mit einer Ausgangshelligkeit von 21 MW cm-2 Sr -1), das beim Dünnblechschweißen weit verbreitet ist; Im selben Jahr wurde ein direkter Halbleiterlaser mit 4 kW und 600 μm /NA0,22 (Ausgangshelligkeit 11 MW cm-2 Sr-1) auf den Markt gebracht, der häufig bei der Oberflächenbeschichtung eingesetzt wird. Aufgrund des großen Kerndurchmessers der Ausgangsfaser und der geringen Helligkeit kann dieser Lasertyp jedoch nicht zum Schneiden von Metallmaterialien und für wissenschaftliche Forschungsanwendungen verwendet werden, die eine hohe Helligkeit erfordern. Abbildung 8 zeigt die Simulationsergebnisse mehrerer Single-Tube-Chips, die die Faserkopplung räumlich kombinieren. Die maximale Anzahl an Single-Tube-Chips, die in einer 100 μm/NA0,22-Faser untergebracht werden können, beträgt 12, sodass die Ausgangsleistung nur 12-mal so hoch ist wie die eines einzelnen Single-Tube-Chips.

Nahinfrarot-Hochleistungshalbleiterlaser können als Pumpquellen und Kerngeräte für Festkörper- und Faserlaser verwendet werden und können durch verschiedene Strahlkombinationstechnologien auch direkt in industriellen und wissenschaftlichen Forschungsbereichen eingesetzt werden, wodurch sie einen großen Markt für Laser besetzen Industrie. Der Single-Tube-Chip ist eine Einheit einer Hochleistungs-Halbleiterlaser-Pumpquelle. Seine umfassenden Eigenschaften bestimmen die optische Ausgangsleistung, die Umwandlungseffizienz und das Volumen des endgültigen Pumpquellenmoduls. Daher ist es zum Schwerpunkt unserer Forschung, Entwicklung und Forschung geworden. Mit der eingehenden theoretischen Forschung des Forschungsteams, dem Fortschritt der Materialwachstumstechnologie und der Entwicklung der Verpackungstechnologie hat JTBYShield die Ausgangsleistung, Lebensdauer, Zuverlässigkeit und Anwendungspraxis von Hochleistungs-Halbleiterlasern erheblich verbessert und die Verkürzung erheblich beschleunigt die Zeit zwischen Auslandslücke. In Zukunft werden wir nicht nur Durchbrüche bei Schlüsseltechnologien erzielen, sondern auch die Industrialisierung erreichen und die vollständige Lokalisierung und Industrialisierung von High-End-Laserpumpquellen-Chips und -Geräten realisieren.

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