高功率半導體激光器的過去和未來

隨著效率和功率的不斷提升，激光二極管將繼續取代傳統技術，從而改變事物的制造方式并促成新事物的發展。

通用技術通常需要幾十年的發展，甚至更長時間才能帶來生產力的提升。這些技術一開始通常不會被很好地理解，即使在技術商業化之后，生產應用仍然存在長期滯后。集成電路是一個很好的研究案例。雖然晶體管在20世紀早期就被首次展示，但是其廣泛的商業化出現得更晚。

摩爾在1965年的短文中預言，半導體將快速發展，這將帶來“電子技術的普及，并將這項科學推向許多新的領域。”盡管摩爾的預測大膽且出人意料的準確，但是半導體技術在實現生產力提升和經濟增長之前，依然耗費了幾十年的時間進行持續改進。

同樣，人們對于高功率半導體激光器的顯著改進的理解也是有限的。通過半導體將電子轉換成激光首先在1962年得以展示，隨后出現了各種各樣的補充性進展，這些進步推動了電子轉化為高生產率激光的巨大進步。這些進展已經支持了從光存儲到光網絡、再到廣泛的工業領域的重要應用。

回顧這些進步及積累的進展，突出顯示了許多經濟領域可能產生甚至更大、更普遍的影響。事實上，隨著高功率半導體激光器的不斷改進，它的應用領域將會加速擴展，并且會對經濟增長帶來深遠影響。

半導體激光器的輝煌

過去幾十年來的這些創新，帶來了令人驚訝的累積改進。特別是亮度的改進尤其突出。1985年，當時最先進的高功率半導體激光器可以將僅100mW的功率耦合進芯徑105μm的光纖中。現在，最先進的高功率半導體激光器，可以產生超過250W的功率、并耦合進芯徑105μm的光纖中，相當于每八年功率增長10倍。

摩爾推測“集成電路板上將容納更多的電子元件”。隨后，每個芯片的晶體管數量每7年增加10倍。巧合的是，高功率半導體激光器已經以類似的指數速率，將更多的光子耦合進光纖中（見圖1）。

圖1：高功率半導體激光器的亮度和摩爾定律的比較

高功率半導體激光器亮度的提升，是各種無法預料的技術進步的結果。雖然需要新的創新來延續這一趨勢，但有理由相信半導體激光技術的創新還遠未走到盡頭。隨著工程的不斷發展，人們所熟知的物理學可以進一步提升半導體激光器的性能。

例如，量子點增益介質有望在當前的量子阱器件上顯著提高效率。慢軸亮度提供了另一個數量級的改進潛力。具有改進的散熱和膨脹匹配的新型封裝材料，將提供持續功率提升和簡化熱管理所需的增強功能。這些關鍵的發展將支持未來幾十年高功率半導體激光器的發展路線圖。

半導體激光器的未來

50多年前，摩爾沒有提出一個新的物理基本定律，而是指出了十多年前最初開始研究的集成電路的發展規律。他的預言持續了數十年，并實現了一系列顛覆性創新，這些在1965年是無法想象的。

當Hall在50多年前展示半導體激光器時，他發起了一場技術革命。與摩爾定律一樣，沒有人能預測到隨后各式各樣的不同創新所帶來的高功率半導體激光器的輝煌成就。

物理學并沒有基本的規律來統治這些改進，但持續的技術進步很可能在輝煌中維持這種指數級的發展。半導體激光器將繼續取代傳統技術，并將進一步改變事物的制造方式。對經濟增長更為重要的是，高功率半導體激光器也將改變可以制造的事物。