มัวร์คิดว่า "การยึดส่วนประกอบเพิ่มเติมเข้ากับวงจรรวม" จากนั้น จำนวนทรานซิสเตอร์ต่อชิปจึงเพิ่มขึ้น 10 เท่าทุกๆ 7 ปี บังเอิญที่เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูงรวมโฟตอนเข้าไปในเส้นใยมากขึ้นในอัตราเอ็กซ์โพเนนเชียลที่ใกล้เคียงกัน (ดูรูปที่ 1)
รูปที่ 1 ความสว่างของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูงและการเปรียบเทียบกับกฎของมัวร์
การปรับปรุงความสว่างของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูงได้ส่งเสริมการพัฒนาเทคโนโลยีต่างๆ ที่คาดไม่ถึง แม้ว่าแนวโน้มนี้จะดำเนินต่อไปจำเป็นต้องมีนวัตกรรมมากขึ้น แต่ก็มีเหตุผลที่เชื่อได้ว่านวัตกรรมของเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์ยังห่างไกลจากความสมบูรณ์ ฟิสิกส์ที่รู้จักกันดีสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ได้มากขึ้นผ่านการพัฒนาทางเทคโนโลยีอย่างต่อเนื่อง
ตัวอย่างเช่น สื่อควอนตัมดอทเกนสามารถเพิ่มประสิทธิภาพได้อย่างมากเมื่อเทียบกับอุปกรณ์หลุมควอนตัมในปัจจุบัน ความสว่างของแกนที่ช้ามีศักยภาพในการปรับปรุงขนาดอีกลำดับหนึ่ง วัสดุบรรจุภัณฑ์ใหม่ที่มีการปรับปรุงการจับคู่ความร้อนและการขยายตัวจะมอบการปรับปรุงที่จำเป็นสำหรับการปรับพลังงานอย่างต่อเนื่องและการจัดการความร้อนที่ง่ายขึ้น การพัฒนาที่สำคัญเหล่านี้จะเป็นแนวทางสำหรับการพัฒนาเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูงในทศวรรษต่อๆ ไป
โซลิดสเตตและไฟเบอร์เลเซอร์แบบปั๊มไดโอด
การปรับปรุงเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูงทำให้การพัฒนาเทคโนโลยีเลเซอร์ดาวน์สตรีมเป็นไปได้ ในเทคโนโลยีเลเซอร์ขั้นปลาย เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ถูกใช้เพื่อกระตุ้น (ปั๊ม) คริสตัลเจือ (เลเซอร์โซลิดสเตตปั๊มไดโอด) หรือเส้นใยเจือ (เลเซอร์ไฟเบอร์)
แม้ว่าเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์จะให้พลังงานเลเซอร์ประสิทธิภาพสูงและมีต้นทุนต่ำ แต่ก็มีข้อจำกัดที่สำคัญสองประการ: เลเซอร์ไม่กักเก็บพลังงานและความสว่างมีจำกัด โดยพื้นฐานแล้ว เลเซอร์ทั้งสองชนิดนี้จำเป็นต้องใช้สำหรับการใช้งานหลายอย่าง: หนึ่งสำหรับการแปลงไฟฟ้าเป็นการปล่อยแสงเลเซอร์ และอีกอันสำหรับเพิ่มความสว่างของการปล่อยแสงเลเซอร์
เลเซอร์โซลิดสเตตแบบปั๊มไดโอด ในช่วงปลายทศวรรษ 1980 การใช้เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ในการปั๊มเลเซอร์โซลิดสเตตเริ่มได้รับความนิยมในการใช้งานเชิงพาณิชย์ เลเซอร์โซลิดสเตตแบบปั๊มไดโอด (DPSSL) ช่วยลดขนาดและความซับซ้อนของระบบการจัดการระบายความร้อนได้อย่างมาก (ส่วนใหญ่เป็นเครื่องทำความเย็นแบบหมุนเวียน) และได้รับโมดูลที่มีไฟอาร์ครวมกันในอดีตสำหรับการปั๊มคริสตัลเลเซอร์โซลิดสเตต
ความยาวคลื่นของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์จะถูกเลือกตามการทับซ้อนกับคุณสมบัติการดูดกลืนสเปกตรัมของตัวกลางรับเลเซอร์โซลิดสเตต โหลดความร้อนจะลดลงอย่างมากเมื่อเทียบกับสเปกตรัมการปล่อยคลื่นความถี่กว้างของหลอดอาร์ค เนื่องจากความนิยมของเลเซอร์ที่ใช้เจอร์เมเนียม 1,064 นาโนเมตร ความยาวคลื่นของปั๊ม 808 นาโนเมตรจึงกลายเป็นความยาวคลื่นที่ใหญ่ที่สุดในเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์มานานกว่า 20 ปี
ด้วยการเพิ่มความสว่างของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบมัลติโหมดและความสามารถในการรักษาความกว้างของเส้นตัวปล่อยที่แคบด้วยปริมาตร Bragg gratings (VBGs) ในช่วงกลางปี 2000 ทำให้ประสิทธิภาพการปั๊มไดโอดที่ได้รับการปรับปรุงรุ่นที่สองบรรลุผลสำเร็จ คุณสมบัติการดูดกลืนแสงที่แคบกว่าและแคบประมาณ 880 นาโนเมตรได้กลายเป็นจุดร้อนสำหรับไดโอดปั๊มความสว่างสูง ไดโอดเหล่านี้สามารถให้ความเสถียรทางสเปกตรัมได้ เลเซอร์ประสิทธิภาพสูงเหล่านี้สามารถกระตุ้นระดับบนของเลเซอร์ 4F3/2 ในซิลิกอนได้โดยตรง ซึ่งช่วยลดข้อบกพร่องทางควอนตัม ซึ่งจะช่วยปรับปรุงการแยกโหมดพื้นฐานที่มีค่าเฉลี่ยสูงกว่าซึ่งอาจถูกจำกัดโดยเลนส์ความร้อน
ภายในต้นปี 2010 เราได้เห็นแนวโน้มการขยายขนาดกำลังสูงของเลเซอร์ 1064 นาโนเมตรแบบ cross-mode เดี่ยวและชุดเลเซอร์แปลงความถี่ที่เกี่ยวข้องที่ทำงานในแถบที่มองเห็นและแถบอัลตราไวโอเลต เนื่องจากสถานะพลังงานสูงมีอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้นของ Nd:YAG และ Nd:YVO4 การดำเนินการสลับ DPSSL Q เหล่านี้จึงให้พลังงานพัลส์สูงและกำลังสูงสุด ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการประมวลผลวัสดุแบบระเหยและการใช้งานเครื่องจักรขนาดเล็กที่มีความแม่นยำสูง
เลเซอร์ไฟเบอร์ออปติก เลเซอร์ไฟเบอร์เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นในการแปลงความสว่างของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูง แม้ว่าเลนส์แบบมัลติเพล็กซ์ที่มีความยาวคลื่นสามารถเปลี่ยนเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ความสว่างต่ำให้เป็นเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ที่สว่างกว่าได้ แต่นี่เป็นค่าใช้จ่ายของความกว้างสเปกตรัมที่เพิ่มขึ้นและความซับซ้อนทางออพโตกลศาสตร์ ไฟเบอร์เลเซอร์ได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีประสิทธิภาพอย่างยิ่งในการแปลงโฟโตเมตริก
เส้นใยหุ้มสองชั้นที่เปิดตัวในปี 1990 ใช้เส้นใยโหมดเดี่ยวที่ล้อมรอบด้วยการหุ้มมัลติโหมด ช่วยให้เลเซอร์ปั๊มเซมิคอนดักเตอร์มัลติโหมดที่มีกำลังสูงกว่าและต้นทุนต่ำกว่าสามารถฉีดเข้าไปในเส้นใยได้อย่างมีประสิทธิภาพ สร้างวิธีที่ประหยัดมากขึ้นในการแปลง เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูงเป็นเลเซอร์ที่สว่างกว่า สำหรับเส้นใยเจืออิตเทอร์เบียม (Yb) ปั๊มจะกระตุ้นการดูดซับในวงกว้างโดยมีศูนย์กลางอยู่ที่ 915 นาโนเมตร หรือมีลักษณะเป็นแถบแคบประมาณ 976 นาโนเมตร เมื่อความยาวคลื่นของปั๊มเข้าใกล้ความยาวคลื่นเลเซอร์ของไฟเบอร์เลเซอร์ สิ่งที่เรียกว่าข้อบกพร่องควอนตัมจะลดลง จึงช่วยเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุดและลดปริมาณการกระจายความร้อนให้เหลือน้อยที่สุด
ทั้งเลเซอร์ไฟเบอร์และเลเซอร์โซลิดสเตตปั๊มด้วยไดโอดอาศัยการปรับปรุงความสว่างของเลเซอร์ไดโอด โดยทั่วไป เนื่องจากความสว่างของเลเซอร์ไดโอดยังคงดีขึ้น สัดส่วนของพลังงานเลเซอร์ที่เลเซอร์ปั๊มก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน ความสว่างที่เพิ่มขึ้นของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ช่วยให้การแปลงความสว่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น
ตามที่เราคาดไว้ ความสว่างเชิงพื้นที่และสเปกตรัมจะมีความจำเป็นสำหรับระบบในอนาคต ซึ่งจะช่วยให้สามารถปั๊มข้อบกพร่องควอนตัมต่ำพร้อมคุณสมบัติการดูดกลืนแสงแคบในเลเซอร์โซลิดสเตตและมัลติเพล็กซ์ความยาวคลื่นหนาแน่นสำหรับการใช้งานเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์โดยตรง แผนจะเป็นไปได้
ตลาดและการประยุกต์ใช้
การพัฒนาเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูงทำให้การประยุกต์ใช้งานที่สำคัญหลายอย่างเกิดขึ้นได้ เลเซอร์เหล่านี้ได้เข้ามาแทนที่เทคโนโลยีแบบเดิมๆ มากมาย และได้นำหมวดหมู่ผลิตภัณฑ์ใหม่ๆ มาใช้
ด้วยต้นทุนและประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้น 10 เท่าต่อทศวรรษ เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูงขัดขวางการทำงานปกติของตลาดในลักษณะที่ไม่อาจคาดเดาได้ แม้ว่าจะเป็นเรื่องยากที่จะคาดการณ์การใช้งานในอนาคตได้อย่างแม่นยำ แต่การทบทวนประวัติการพัฒนาในช่วงสามทศวรรษที่ผ่านมานั้นมีความสำคัญมาก และจัดเตรียมความเป็นไปได้ของกรอบการทำงานสำหรับการพัฒนาในทศวรรษหน้า (ดูรูปที่ 2)
รูปที่ 2 การใช้เชื้อเพลิงความสว่างด้วยเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูง (ต้นทุนมาตรฐานต่อความสว่างวัตต์)
ทศวรรษ 1980: อุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลแบบออปติคัลและแอปพลิเคชันเฉพาะกลุ่มเริ่มแรก การจัดเก็บแบบออปติคัลเป็นการใช้งานขนาดใหญ่ครั้งแรกในอุตสาหกรรมเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ ไม่นานหลังจากที่ Hall ได้แสดงเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์อินฟราเรดเป็นครั้งแรก บริษัท General Electrics Nick Holonyak ก็ได้เปิดตัวเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์สีแดงที่มองเห็นได้เป็นครั้งแรก ยี่สิบปีต่อมา คอมแพคดิสก์ (CD) ออกสู่ตลาด ตามมาด้วยตลาดอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลแบบออปติคัล
นวัตกรรมอย่างต่อเนื่องของเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์ได้นำไปสู่การพัฒนาเทคโนโลยีการจัดเก็บข้อมูลแบบออปติคอล เช่น ดิสก์อเนกประสงค์ดิจิทัล (DVD) และดิสก์ Blu-ray (BD) นี่เป็นตลาดใหญ่แห่งแรกสำหรับเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ แต่โดยทั่วไปแล้วระดับพลังงานที่พอประมาณจะจำกัดการใช้งานอื่นๆ ให้กับตลาดเฉพาะกลุ่มที่มีขนาดเล็ก เช่น การพิมพ์ด้วยความร้อน การใช้งานทางการแพทย์ และการใช้งานด้านการบินและอวกาศและการป้องกันที่เลือก
ทศวรรษที่ 1990: เครือข่ายออปติกกำลังแพร่หลาย ในทศวรรษ 1990 เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์กลายเป็นกุญแจสำคัญในเครือข่ายการสื่อสาร เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ใช้ในการส่งสัญญาณผ่านเครือข่ายใยแก้วนำแสง แต่เลเซอร์ปั๊มโหมดเดี่ยวกำลังสูงกว่าสำหรับเครื่องขยายสัญญาณแบบออปติคัลมีความสำคัญอย่างยิ่งในการบรรลุขนาดของเครือข่ายออปติกและรองรับการเติบโตของข้อมูลอินเทอร์เน็ตอย่างแท้จริง
ความเจริญรุ่งเรืองของอุตสาหกรรมโทรคมนาคมกำลังขยายวงกว้าง โดยยกตัวอย่าง Spectra Diode Labs (SDL) ซึ่งเป็นหนึ่งในผู้บุกเบิกรายแรกๆ ในอุตสาหกรรมเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูงเป็นตัวอย่าง SDL ก่อตั้งขึ้นในปี พ.ศ. 2526 โดยเป็นการร่วมทุนระหว่างแบรนด์เลเซอร์ Spectra-Physics และ Xerox ซึ่งเป็นแบรนด์เลเซอร์ของ Newport Group เปิดตัวในปี 1995 โดยมีมูลค่าตลาดประมาณ 100 ล้านดอลลาร์ ห้าปีต่อมา SDL ถูกขายให้กับ JDSU ในราคามากกว่า 40 พันล้านดอลลาร์ในช่วงที่อุตสาหกรรมโทรคมนาคมถึงจุดสูงสุด ซึ่งเป็นหนึ่งในการเข้าซื้อกิจการเทคโนโลยีที่ใหญ่ที่สุดในประวัติศาสตร์ หลังจากนั้นไม่นาน ฟองสบู่โทรคมนาคมก็แตกและทำลายเงินทุนนับล้านล้านดอลลาร์ ซึ่งปัจจุบันถือเป็นฟองสบู่ที่ใหญ่ที่สุดในประวัติศาสตร์
ยุค 2000: เลเซอร์กลายเป็นเครื่องมือ แม้ว่าการแตกของฟองสบู่ตลาดโทรคมนาคมจะสร้างความเสียหายอย่างมาก แต่การลงทุนมหาศาลในเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูงได้วางรากฐานสำหรับการนำไปใช้ในวงกว้าง เมื่อประสิทธิภาพและต้นทุนเพิ่มขึ้น เลเซอร์เหล่านี้จึงเริ่มเข้ามาแทนที่เลเซอร์แก๊สแบบเดิมหรือแหล่งการแปลงพลังงานอื่นๆ ในกระบวนการที่หลากหลาย
เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ได้กลายเป็นเครื่องมือที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย การใช้งานทางอุตสาหกรรมมีตั้งแต่กระบวนการผลิตแบบดั้งเดิม เช่น การตัดและการบัดกรี ไปจนถึงเทคโนโลยีการผลิตขั้นสูงใหม่ๆ เช่น การผลิตแบบเติมเนื้อของชิ้นส่วนโลหะที่พิมพ์ด้วย 3D การใช้งานในการผลิตระดับไมโครมีความหลากหลายมากขึ้น เนื่องจากผลิตภัณฑ์หลัก เช่น สมาร์ทโฟน ได้รับการจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ด้วยเลเซอร์เหล่านี้ การใช้งานด้านการบินและอวกาศและการป้องกันเกี่ยวข้องกับการใช้งานที่สำคัญต่อภารกิจที่หลากหลาย และมีแนวโน้มที่จะรวมถึงระบบพลังงานทิศทางรุ่นต่อไปในอนาคต
เพื่อสรุป
กว่า 50 ปีที่แล้ว มัวร์ไม่ได้เสนอกฎฟิสิกส์พื้นฐานใหม่ แต่ได้ทำการปรับปรุงวงจรรวมที่ได้รับการศึกษาครั้งแรกเมื่อสิบปีก่อนอย่างมาก คำทำนายของเขากินเวลานานหลายทศวรรษและนำมาซึ่งนวัตกรรมที่ก่อกวนหลายอย่างที่ไม่เคยคิดมาก่อนในปี 1965
เมื่อ Hall สาธิตเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์เมื่อกว่า 50 ปีที่แล้ว มันก่อให้เกิดการปฏิวัติทางเทคโนโลยี เช่นเดียวกับกฎของมัวร์ ไม่มีใครสามารถทำนายการพัฒนาความเร็วสูงที่เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ความเข้มสูงซึ่งได้รับจากนวัตกรรมจำนวนมากจะประสบตามมาในภายหลัง
ไม่มีกฎพื้นฐานในฟิสิกส์ในการควบคุมการปรับปรุงเทคโนโลยีเหล่านี้ แต่ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีอย่างต่อเนื่องอาจทำให้เลเซอร์ก้าวหน้าในแง่ของความสว่าง แนวโน้มนี้จะยังคงเข้ามาแทนที่เทคโนโลยีแบบเดิมๆ ต่อไป ซึ่งจะเป็นการเปลี่ยนแปลงวิธีการพัฒนาสิ่งต่างๆ ต่อไป เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูงมีความสำคัญต่อการเติบโตทางเศรษฐกิจมากกว่าจะส่งเสริมการเกิดสิ่งใหม่ๆ
ลิขสิทธิ์ @ 2020 Shenzhen Box Optronics Technology Co., Ltd. - China Fiber Optic Modules, Fiber Coupled Lasers Manufacturers, Laser Components Suppliers All Rights Reserved.
