Designüberlegungen fürHochleistungs-Halbleiterlaser
Dieser Artikel wird die wichtigsten Designüberlegungen und Implementierungsmethoden von Hochleistungshalbleitern systematisch erläutern.LaserAusgehend von der allgemeinen Idee, „die obere Leistungsgrenze durch Vergrößerung des Leuchtvolumens zu erhöhen, die Energieumwandlungs- und -abfuhrwege zu optimieren und gleichzeitig katastrophale optische Schäden (COD) zu vermeiden“, wurde eine eingehende Analyse unter Berücksichtigung von 9 Schlüsselaspekten durchgeführt:
1. Breite Emissionsfläche: Durch die Verwendung einer breiten Emissionsflächenstruktur (z. B. durch Vergrößerung der Emissionsflächenbreite W von wenigen Mikrometern auf 50-200 Mikrometer) kann die maximale Ausgangsleistung direkt linear erhöht werden. Dies ist die grundlegende Methode, um eine Einzelröhrenausgangsleistung im Wattbereich oder sogar im Bereich von mehreren zehn Watt zu erzielen, allerdings geht dies auf Kosten der Strahlqualität.
2. Längerer Hohlraum: Die Vergrößerung des Hohlraums ist der Schlüssel zur Verbesserung der elektrischen Heizleistung und zur Erzielung eines effizienten und leistungsstarken Betriebs. Dies beruht im Wesentlichen auf der effektiven Reduzierung des Wärmewiderstands und des spezifischen Widerstands des Bauelements. Dadurch wird der Temperaturanstieg am Übergang der aktiven Zone unterdrückt, die Leistungssättigungseffekte werden reduziert und die Ausgangsleistung sowie der Wirkungsgrad verbessert.
3. Verbreiterung von Wellenleitern und asymmetrische optische Resonatoren: Durch die Verbreiterung der optischen Feldverteilung (z. B. durch asymmetrische optische Resonatorstrukturen) lässt sich die Überlappung zwischen dem optischen Feld und Bereichen mit hoher Absorptionsdämpfung verringern. Dies reduziert die internen Verluste deutlich, verbessert die Quanteneffizienz und verringert die Wärmeentwicklung. Gleichzeitig wird die Strahlqualität in vertikaler Richtung verbessert.
4. Füllfaktor: Bei Balken-LEDs ist der Füllfaktor (das Verhältnis der Gesamtbreite der Leuchteinheit zur Gesamtbreite des Balkens) der entscheidende Parameter für ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Leistungsdichte und Wärmemanagement. Ein hoher Füllfaktor ermöglicht eine hohe Leistungsdichte, erfordert aber eine extrem hohe Wärmeabfuhr, während ein niedriger Füllfaktor das Wärmemanagement vereinfacht und die Zuverlässigkeit erhöht.
6. Technologie zum Schutz der Stirnfläche: Die Verbesserung der Schwelle für katastrophale optische Spiegelschäden (COMD) an der Stirnfläche ist der Schlüssel zur Überwindung des Leistungsengpasses. Der Artikel erläutert drei Haupttechnologien:
6.1 Passivierung und Beschichtung der Kavitätsoberfläche: Durch das Aufbringen von Passivierungsschichten und das Beschichten mit hochreflektierenden/antireflektierenden Filmen werden Defekte an der Kavitätsoberfläche passiviert, nichtstrahlende Rekombination unterdrückt und die COMD-Schwelle deutlich verbessert.
6.2 Nicht-Absorptionsfenstertechnologie: Durch die Verwendung von Quantentopfhybridisierung und anderen Techniken wird ein transparenter Fensterbereich auf der Endfläche gebildet, um die Lichtabsorption zu reduzieren und COMD zu verhindern.
6.3 Technologie der Nicht-Injektionszone an der Kavitätsoberfläche: Einführung einer Strom-Nicht-Injektionszone in der Nähe der Kavitätsoberfläche, um die Ladungsträgerkonzentration und die nicht-strahlende Rekombination an der Kavitätsoberfläche zu reduzieren.
7. Design mit hoher Helligkeit: Um das Problem der mangelhaften Strahlqualität bei Weitbereichslasern zu lösen, werden zwei Techniken zur Erzielung einer hohen Ausgangshelligkeit vorgestellt:
7.1. Kegelstruktur: Durch die Kombination des schmalen Wellenleiter-„Keimbereichs“ am vorderen Ende und des „Kegelverstärkungsbereichs“ am hinteren Ende wird die Strahlqualität nahe der Beugungsgrenze erhalten, während gleichzeitig die Leistung verstärkt wird.
7.2 Modensteuerung: Einführung von Mikrostrukturen in einem breiten Spektrum, um die Verluste von transversalen Moden höherer Ordnung gezielt zu erhöhen und dadurch die Strahlqualität zu verbessern.
8. Quantentopf-Dehnung und Dehnungskompensation: Durch die Einbringung von Dehnung in die aktive Zone des Quantentopfs lässt sich die Bandstruktur optimieren, die differentielle Verstärkung erhöhen und dadurch der Schwellenstrom senken, der Wirkungsgrad verbessern und die Hochtemperatureigenschaften optimieren. Die Dehnungskompensationstechnologie verhindert die Ansammlung von Dehnung und Defekten durch das Aufwachsen von Barriereschichten mit entgegengesetzter Dehnung und gewährleistet so die Materialqualität.
9. Fortschrittliches Wärmemanagement und spannungsarme Gehäuse: Als Antwort auf die Herausforderungen der Wärmeabfuhr durch die hohe Leistungsdichte stellt dieser Artikel neue Kühlkörpermaterialien (wie Diamant-Verbundwerkstoffe), Mikrokanalkühler und Gehäusetechnologien vor, die spannungsarme Grenzflächenmaterialien verwenden, um eine extrem hohe Wärmeabfuhrkapazität zu erreichen und die Zuverlässigkeit zu verbessern.
10. Verteilter Wellenleiter: Als intrinsisches Wärmemanagementsystem auf Chipebene teilt diese Struktur den Rippenwellenleiter entlang der Kavitätslänge in eine Anregungszone und eine passive Wärmeableitungszone auf und konstruiert einen quer verlaufenden Wärmekanal im Inneren des Chips, um die Wärme effizient abzuleiten und die Grenzen herkömmlicher Wärmeableitungsmethoden zu überwinden.
Die Zusammenfassung und der Ausblick weisen darauf hin, dass die Konstruktion von Hochleistungs-HalbleiterlaserEs handelt sich um ein multikriterielles Optimierungsproblem, das Elektrizität, Optik, Thermodynamik und Zuverlässigkeit umfasst. Es gilt, ein optimales Gleichgewicht zwischen den drei grundlegenden Designmerkmalen – große Emissionsfläche, langer Resonator und verbreiterter Wellenleiter – und den Technologien zu finden, die die drei zentralen Herausforderungen – Wärmemanagement, Beschädigung der Endfläche und Strahlqualität – bewältigen. Die weitere Verbesserung der zukünftigen Leistungsfähigkeit hängt von der Entwicklung neuer Materialien, neuer physikalischer Mechanismen und neuer Fertigungsverfahren ab.
Veröffentlichungsdatum: 21. Mai 2026