NIR 레이저 고출력 반도체 레이저는 어떻습니까?

고출력 반도체 레이저는 지능형 제조, 레이저 통신, 레이저 감지, 의료 미용 등에 널리 사용됩니다. 탄생 이후 이론, 실습 및 응용 분야에서 큰 발전을 이루었으며 전체 레이저 시장의 대부분을 차지합니다. 그 중에서도 근적외선 대역의 고출력 반도체 레이저가 최고입니다.

근적외선 고출력 반도체 레이저 칩 고출력 반도체 레이저 칩은 광섬유, 고체 및 직접 반도체 레이저로 대표되는 현대 고에너지 레이저의 핵심 광원입니다. 레이저 칩의 출력, 밝기, 신뢰성은 레이저 시스템의 성능과 비용에 직접적인 영향을 미치는 핵심 지표입니다.

반도체 레이저 칩의 주요 구조는 레이저 이득 매질을 제공하는 에피택셜 발광층, 에피택셜 발광층에 캐리어를 주입하는 전극 및 공진 공동을 형성하는 벽개 공동 표면을 포함한다. 칩의 개발 프로세스에는 에피택셜 구조 설계 및 재료 성장, 칩 구조 설계 및 준비 프로세스, 캐비티 표면 쪼개짐 패시베이션 처리 및 광학 코팅, 칩 패키징 테스트, 칩 수명 신뢰성 및 성능 분석 단계가 포함되며 그 중 핵심 지표는 직접 영향 세 가지 핵심 기술은 에피택셜 구조 설계 및 재료 성장, 칩 구조 설계 및 준비 프로세스, 캐비티 표면 절단 및 패시베이션 처리입니다.
(1) 에피택셜 구조 설계 및 재료 성장 에피택셜 구조 설계 및 재료 성장에는 칩의 전기 광학 효율에 직접적인 영향을 미치는 레이저의 이득 및 펌핑이 포함됩니다. 주요 요인은 헤테로 접합 및 벌크 재료 전압 손실, 캐리어 누설 손실 및 광 흡수 손실입니다. 반도체 재료의 에너지 밴드 분석에 따르면 이종 접합 전압은 주로 구속층, 기판 및 도파관 층 사이의 계면에서 발생하며 칩의 이종 접합 전압은 계면 구배 및 높은 도핑 최적화를 통해 효과적으로 감소합니다. 재료 조성을 조정하여 캐리어 이동도를 높이고 도핑 농도를 높이면 벌크 재료 저항을 달성할 수 있습니다. 캐리어 누설 손실을 줄이기 위해서는 충분한 캐리어 제한 장벽, 특히 p-평면 전자 장벽이 필요합니다. 따라서 재료 조성을 최적화하기 위해서는 벌크 재료 저항의 감소와 캐리어 구속의 개선을 종합적으로 고려해야 합니다. 광 흡수 손실은 일반적으로 비대칭 초대형 광 공동 도파관 구조를 설계하여 달성할 수 있습니다. 도파관층의 전체 두께가 변하지 않을 때 p면 도파관층의 두께는 감소하고 n면 도파관층의 두께는 증가하여 광장의 주요 부분이 낮은 Absorb에 분포된다. 낮은 저항 n-평면, 광학 필드와 높은 흡수 p-평면의 중첩을 줄이고, 벌크 재료의 전압을 낮추고, 광 흡수 손실을 줄입니다. 동시에 점진적인 도핑 분포 설계와 결합하여 벌크 재료 전압 손실과 광 흡수 손실의 동시 최적화가 실현됩니다. 900nm 대역의 레이저 칩은 일반적으로 이득 물질로 InGaAs 양자 우물을 사용하고, 이득을 높이기 위해 변형률이 높은 AlInGaAs 양자 우물을 사용하지만 4차 물질인 AlInGaAs 양자 우물은 물질 성장 제어에 대한 요구 사항이 더 엄격합니다. 양자우물 몸체 결함의 핵생성 에너지를 증가시켜 양자우물의 결함밀도를 낮추고 고품질, 고변형 양자우물을 성장시키기 위해서는 분위기 비율과 성장 온도 속도를 최적화하는 것이 필요하다.
(2) 칩 구조 설계 및 제조 공정이 고전력 모드에서 작동하면 칩의 측면 고차 모드 강도가 증가하여 발산각이 급격히 증가하고 휘도가 감소합니다. 도파관 가장자리에서의 흡수 및 산란은 일반적으로 고차 모드의 강도를 줄이기 위해 문헌 보고서에서 사용되지만, 이는 또한 저차 모드에 대한 추가 흡수 손실을 유발하고 총 광 전력을 감소시킵니다. 또한 고배율로 작업 시 칩의 광장 세기가 세로 방향으로 불균일하게 분포되는 반면, 기존 구조 칩의 전류 주입에 의해 발생하는 캐리어 농도는 세로 방향으로 균일하므로 광장 세기가 및 캐리어 농도 분포가 일치할 수 없으면 수직 공간 구멍 굽기 효과가 발생하여 전력 포화가 발생합니다. 이 문제를 해결하는 한 가지 방법은 캐리어 주입 분포의 소자 구조를 조정하는 것입니다.
(3) 캐비티 표면 쪼개짐 및 패시베이션 처리 고전력 반도체 레이저 칩의 주요 고장 모드는 캐비티 표면 광학 재해 손상(COMD)입니다. COMD는 칩이 고전력에서 작동할 때 클리빙 캐비티 표면과 주변 영역의 빛 흡수에서 비롯됩니다. 표면 광 흡수는 표면 댕글링 본드의 절단, 표면 산화 및 표면 오염으로 인해 발생하는 반면, 기존의 공동 표면 절단은 대기 또는 저진공 환경에서 수행되며 이 문제를 피할 수 없습니다. 분열 표면 근처 영역의 빛 흡수는 밴드간 흡수에서 비롯됩니다. 칩이 고전력으로 작동하면 이 영역의 온도가 상승하여 재료의 밴드 갭이 감소하고 밴드 간 흡수가 증가합니다. 이러한 유형의 흡수를 줄이는 가장 효과적인 방법은 넓은 밴드 갭(낮은 흡수) 창 구조를 형성하는 것입니다. 에피택셜 구조 설계 및 재료 성장, 칩 구조 설계 및 준비 공정, 캐비티 표면 절단 및 패시베이션 처리의 개발을 통해 Suzhou Everbright Huaxin Optoelectronics Technology Co., Ltd.(이하 "Everbright Huaxin"라고 함)는 28W를 출시했습니다. 반도체 레이저 칩. 칩의 전력 증가는 주로 칩 에피택셜 구조의 최적화된 설계와 캐비티 표면의 특수 처리 기술 향상에서 비롯됩니다. 반도체 레이저의 출력 전력은 주로 레이저 임계값, 기울기 및 고전류 전력 굽힘과 같은 요인의 영향을 받습니다. 일반적으로 pn 접합의 도핑 농도를 감소시켜 임계값을 낮추고 기울기를 높이며 너무 낮은 도핑 농도는 pn 접합의 저항을 증가시키고 칩 전압을 증가시킵니다. 임계 기울기와 전압 사이의 균형을 최적화하는 문제를 해결하기 위해 Changguang Huaxin은 비대칭 대형 광학 공동 구조의 도파관 층의 두께를 최적화하고 pn 접합의 다른 영역에서 도핑 농도 분포를 신중하게 설계했습니다. 임계 값을 줄이고 슬로프 효율성을 향상시킵니다. 전압을 기본적으로 일정하게 유지하는 효과. 고전류 굽힘은 주로 고전류가 주입될 때 내부 양자 효율이 감소하기 때문입니다. 에버브라이트는 레이저 구조의 이득 영역 근처 물질의 에너지 밴드 구조를 최적화하고, pn 접합 주입 전자의 구속 능력을 개선했으며, 고전류 주입 시 양자 효율을 효과적으로 향상시켰다. 레이저 칩의 출력을 최적화하는 동안 Everbright는 공동 표면의 특수 처리 공정의 재료 품질을 지속적으로 개선하여 결함 비율을 줄이고 광학 재해 손상에 저항하는 공동 표면의 능력을 개선하며 28W를 보장합니다. 고출력 레이저 칩은 레이저 수명에 대한 산업 시장의 요구 사항을 충족합니다. 요구 사항.

실용적인 도구로서 근적외선 고출력 반도체 광원 모듈 파이버 레이저는 독특한 장점으로 인해 최근 몇 년 동안 급속히 발전했으며 산업 제조, 가공 및 과학 연구 분야에서 중요한 역할을 합니다. 파이버 레이저의 핵심 업스트림 장치로서 펌핑 소스의 개발은 파이버 레이저의 전체 기술의 개발 및 진보를 수반하고 심지어 촉진합니다.
(1) 산업용 파이버 레이저 펌핑 소스 최근 몇 년 동안 산업용 파이버 레이저 시장은 빠르게 발전하고 강력한 추진력을 가지고 있습니다. 파이버 레이저는 고유한 기술과 응용 분야의 이점으로 산업용 레이저 가공 시장을 주도해 왔습니다. 산업용 파이버 레이저 시장에 관한 한 중저출력 파이버 레이저 기술은 성숙되고 안정화되었으며 완전히 비용 경쟁 단계에 진입했습니다.

2) 과학 연구를 위한 파이버 레이저 펌핑 소스. 과학 연구용 파이버 레이저는 일반적으로 밝기에 대한 요구 사항이 더 높거나 일부 특수 응용 시나리오에서 사용됩니다. 이러한 요구 사항은 펌핑 소스로 확장됩니다. 일반적으로 펌핑 소스는 고휘도 및 소형이 요구된다. , 경량, 파장 잠금 및 기타 특성. 소량은 펌핑 소스에 대한 컴팩트한 패키징 디자인이 필요하고 경량은 펌핑 소스에 필요한 경량화 처리가 필요하며 열전도 효율을 보장하기 위해 튜브 쉘을 처리하기 위해 새로운 저밀도 금속 재료를 사용해야 합니다.

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 (>45퍼센트 ). 예를 들어, 2019에서 Everbright는 1kW, 220 μm/NA0.22 반도체 레이저(출력 밝기 21MW cm-2 Sr -1), 박판용접에 널리 사용되어 왔다. 같은 해에 4kW, 600μm /NA0.22(출력 밝기 11MW cm-2Sr-1) 직접 반도체 레이저를 출시했으며 표면 클래딩에 널리 사용되었습니다. 그러나 출력 섬유의 코어 직경이 크고 밝기가 낮기 때문에 이러한 유형의 레이저는 금속 재료 절단 및 높은 밝기가 필요한 과학 연구 응용 분야에 사용할 수 없습니다. 그림 8은 광섬유 결합을 공간적으로 결합한 여러 단일 튜브 칩의 시뮬레이션 결과를 보여줍니다. 100μm/NA0.22 광섬유에 수용되는 단일 튜브 칩의 최대 수는 12개이므로 출력 전력은 단일 단일 튜브 칩의 12배에 불과합니다.

근적외선 고출력 반도체 레이저는 고체 및 광섬유 레이저의 펌핑 소스 및 핵심 장치로 사용될 수 있으며, 다양한 빔 결합 기술을 통해 산업 및 과학 연구 분야에 직접 사용될 수 있어 레이저 분야에서 큰 시장을 점유하고 있습니다. 산업. 단일 튜브 칩은 고전력 반도체 레이저 펌핑 소스의 단위 장치입니다. 포괄적인 특성은 최종 펌핑 소스 모듈의 출력 광 전력, 변환 효율 및 볼륨을 결정합니다. 따라서 그것은 우리의 연구 개발 및 연구의 초점이되었습니다. 연구팀의 심층적인 이론 연구, 재료 성장 기술의 진보, 패키징 기술의 발전으로 JTBYShield는 고출력 반도체 레이저의 출력 전력, 수명, 신뢰성 및 응용 실습을 크게 향상시켜 대폭 단축했습니다. 외국 격차 사이의 시간. 앞으로 핵심기술의 획기적 돌파는 물론 산업화를 이룩하고, 하이엔드 레이저 펌핑 소스 칩과 디바이스의 본격적인 국산화와 산업화를 실현하겠습니다.

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