มัวร์คิด "แก้ไขส่วนประกอบเพิ่มเติมให้กับวงจรรวม" จากนั้นจำนวนทรานซิสเตอร์ต่อชิปเพิ่มขึ้น 10 เท่าทุก ๆ 7 ปี บังเอิญเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูงรวมโฟตอนเข้าไปในเส้นใยมากขึ้นด้วยอัตราเลขชี้กำลังที่ใกล้เคียงกัน (ดูรูปที่ 1)
รูปที่ 1. ความสว่างของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูงและการเปรียบเทียบกับกฎของมัวร์
การปรับปรุงความสว่างของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูงได้ส่งเสริมการพัฒนาเทคโนโลยีที่คาดไม่ถึงต่างๆ แม้ว่าความต่อเนื่องของแนวโน้มนี้จะต้องใช้นวัตกรรมมากขึ้น แต่ก็มีเหตุผลที่เชื่อได้ว่านวัตกรรมของเทคโนโลยีเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ยังไม่เสร็จสมบูรณ์ ฟิสิกส์ที่รู้จักกันดีสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ได้มากขึ้นผ่านการพัฒนาเทคโนโลยีอย่างต่อเนื่อง
ตัวอย่างเช่นสื่อขยายควอนตัมดอทสามารถเพิ่มประสิทธิภาพได้อย่างมากเมื่อเทียบกับอุปกรณ์หลุมควอนตัมในปัจจุบัน ความสว่างของแกนช้าทำให้มีศักยภาพในการปรับปรุงขนาดอีกลำดับหนึ่ง วัสดุบรรจุภัณฑ์ใหม่ที่มีการปรับปรุงการจับคู่ความร้อนและการขยายตัวจะช่วยเพิ่มการปรับปรุงที่จำเป็นสำหรับการปรับกำลังไฟอย่างต่อเนื่องและการจัดการความร้อนที่ง่ายขึ้น การพัฒนาที่สำคัญเหล่านี้จะทำให้แผนงานสำหรับการพัฒนาเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูงในทศวรรษต่อ ๆ ไป
ไดโอดปั๊มโซลิดสเตตและเลเซอร์ไฟเบอร์
การปรับปรุงเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูงทำให้การพัฒนาเทคโนโลยีเลเซอร์ขั้นปลายเป็นไปได้ ในเทคโนโลยีเลเซอร์ขั้นปลายจะใช้เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์เพื่อกระตุ้น (ปั๊ม) ผลึกเจือ (เลเซอร์โซลิดสเตตที่ปั๊มด้วยไดโอด) หรือเส้นใยเจือ (เลเซอร์ไฟเบอร์)
แม้ว่าเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์จะให้พลังงานเลเซอร์ที่มีประสิทธิภาพสูง แต่มีต้นทุนต่ำ แต่ก็มีข้อ จำกัด สำคัญ 2 ประการคือไม่กักเก็บพลังงานและความสว่างมี จำกัด โดยพื้นฐานแล้วเลเซอร์ทั้งสองนี้จำเป็นต้องใช้สำหรับการใช้งานหลายประเภท: อันหนึ่งสำหรับการแปลงกระแสไฟฟ้าเป็นการปล่อยแสงเลเซอร์และอีกอันเพื่อเพิ่มความสว่างของการปล่อยแสงเลเซอร์
เลเซอร์โซลิดสเตทแบบปั๊มไดโอด ในช่วงปลายทศวรรษ 1980 การใช้เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ในการปั๊มเลเซอร์โซลิดสเตตเริ่มได้รับความนิยมในการใช้งานเชิงพาณิชย์ เลเซอร์โซลิดสเตตแบบปั๊มไดโอด (DPSSL) ช่วยลดขนาดและความซับซ้อนของระบบการจัดการความร้อนได้อย่างมาก (โดยส่วนใหญ่จะเป็นเครื่องทำความเย็นแบบหมุนเวียน) และรับโมดูลที่มีหลอดอาร์ครวมในอดีตเพื่อสูบคริสตัลเลเซอร์โซลิดสเตต
ความยาวคลื่นของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ถูกเลือกโดยพิจารณาจากการทับซ้อนกับคุณสมบัติการดูดกลืนสเปกตรัมของตัวกลางรับเลเซอร์โซลิดสเตต ภาระความร้อนจะลดลงอย่างมากเมื่อเทียบกับสเปกตรัมการปล่อยคลื่นความถี่กว้างของหลอดไฟอาร์ค เนื่องจากความนิยมของเลเซอร์ที่ใช้เจอร์เมเนียม 1064 นาโนเมตรความยาวคลื่นของปั๊ม 808 นาโนเมตรจึงกลายเป็นความยาวคลื่นที่ใหญ่ที่สุดในเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์มานานกว่า 20 ปี
ด้วยการเพิ่มความสว่างของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบหลายตัวและความสามารถในการรักษาเสถียรภาพของความกว้างของสายปล่อยที่แคบด้วยปริมาตร Bragg Gratings (VBGs) ในช่วงกลางปี 2000 จึงได้ปรับปรุงประสิทธิภาพการปั๊มไดโอดรุ่นที่สอง คุณสมบัติการดูดกลืนแสงที่อ่อนแอและแคบลงประมาณ 880 นาโนเมตรกลายเป็นฮอตสปอตสำหรับไดโอดปั๊มความสว่างสูง ไดโอดเหล่านี้สามารถบรรลุเสถียรภาพทางสเปกตรัม เลเซอร์ที่มีประสิทธิภาพสูงกว่าเหล่านี้สามารถกระตุ้นเลเซอร์ระดับบน 4F3 / 2 ในซิลิคอนได้โดยตรงลดข้อบกพร่องของควอนตัมจึงปรับปรุงการสกัดโหมดพื้นฐานที่มีค่าเฉลี่ยสูงกว่าซึ่งอาจถูก จำกัด โดยเลนส์ความร้อน
เมื่อต้นปี 2010 เราได้เห็นแนวโน้มการปรับขนาดกำลังสูงของเลเซอร์ 1064 นาโนเมตรโหมดเดี่ยวและชุดเลเซอร์แปลงความถี่ที่เกี่ยวข้องซึ่งทำงานในแถบที่มองเห็นได้และอัลตราไวโอเลต เนื่องจากอายุการใช้งานของ Nd: YAG และ Nd: YVO4 มีอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้นการดำเนินการสวิตชิ่ง DPSSL Q เหล่านี้ให้พลังงานพัลส์สูงและกำลังสูงสุดจึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการแปรรูปวัสดุที่มีการระเหยและการใช้งานด้วยเครื่องจักรกลที่มีความแม่นยำสูง
เลเซอร์ใยแก้วนำแสง เลเซอร์ไฟเบอร์เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นในการแปลงความสว่างของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูง แม้ว่าออปติกมัลติเพล็กซ์ที่มีความยาวคลื่นสามารถแปลงเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ที่มีความส่องสว่างค่อนข้างต่ำเป็นเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ที่สว่างกว่า แต่ก็เป็นค่าใช้จ่ายในการเพิ่มความกว้างของสเปกตรัมและความซับซ้อนทางออปโตเมติก เลเซอร์ไฟเบอร์แสดงให้เห็นว่ามีประสิทธิภาพโดยเฉพาะอย่างยิ่งในการแปลงโฟโตเมตริก
เส้นใยหุ้มสองชั้นที่เปิดตัวในปี 1990 ใช้เส้นใยโหมดเดี่ยวที่ล้อมรอบด้วยการหุ้มแบบหลายโหมดทำให้สามารถฉีดเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบมัลติโหมดที่มีกำลังสูงกว่าและราคาถูกกว่าเพื่อฉีดเข้าไปในเส้นใยได้อย่างมีประสิทธิภาพทำให้เป็นวิธีที่ประหยัดมากขึ้นในการแปลง เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูงให้เป็นเลเซอร์ที่สว่างกว่า สำหรับเส้นใยเจือ ytterbium (Yb) ปั๊มจะกระตุ้นการดูดซับในวงกว้างโดยมีศูนย์กลางอยู่ที่ 915 นาโนเมตรหรือมีลักษณะวงแคบประมาณ 976 นาโนเมตร เมื่อความยาวคลื่นของปั๊มเข้าใกล้ความยาวคลื่นของเลเซอร์ไฟเบอร์ข้อบกพร่องที่เรียกว่าควอนตัมจะลดลงซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุดและลดปริมาณการกระจายความร้อนให้น้อยที่สุด
เลเซอร์ไฟเบอร์และเลเซอร์โซลิดสเตตแบบปั๊มไดโอดขึ้นอยู่กับการปรับปรุงความสว่างของเลเซอร์ไดโอด โดยทั่วไปเมื่อความสว่างของเลเซอร์ไดโอดดีขึ้นอย่างต่อเนื่องสัดส่วนของกำลังแสงเลเซอร์ที่ปั๊มก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน ความสว่างที่เพิ่มขึ้นของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ช่วยให้การแปลงความสว่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น
ตามที่เราคาดไว้ความสว่างเชิงพื้นที่และสเปกตรัมเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับระบบในอนาคตซึ่งจะช่วยให้การสูบน้ำที่มีข้อบกพร่องควอนตัมต่ำมีลักษณะการดูดกลืนที่แคบในเลเซอร์โซลิดสเตตและการมัลติเพล็กซ์ความยาวคลื่นที่หนาแน่นสำหรับการใช้งานเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์โดยตรง แผนจะเป็นไปได้
ตลาดและแอปพลิเคชัน
การพัฒนาเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูงทำให้เกิดการใช้งานที่สำคัญหลายอย่าง เลเซอร์เหล่านี้ได้เข้ามาแทนที่เทคโนโลยีดั้งเดิมจำนวนมากและมีการใช้หมวดหมู่ผลิตภัณฑ์ใหม่ ๆ
ด้วยต้นทุนและประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้น 10 เท่าต่อทศวรรษเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูงขัดขวางการทำงานปกติของตลาดในรูปแบบที่คาดเดาไม่ได้ แม้ว่าจะเป็นการยากที่จะทำนายการใช้งานในอนาคตได้อย่างแม่นยำ แต่การทบทวนประวัติการพัฒนาในช่วงสามทศวรรษที่ผ่านมานั้นเป็นเรื่องสำคัญมากและให้ความเป็นไปได้ของกรอบการพัฒนาในทศวรรษหน้า (ดูรูปที่ 2)
รูปที่ 2. การใช้เชื้อเพลิงความสว่างเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูง (ต้นทุนมาตรฐานต่อความสว่างของวัตต์)
ทศวรรษที่ 1980: การจัดเก็บออปติคอลและการใช้งานเฉพาะกลุ่มเริ่มต้น อุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลแบบออปติคัลเป็นแอปพลิเคชั่นขนาดใหญ่ตัวแรกในอุตสาหกรรมเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ ไม่นานหลังจากที่ Hall แสดงเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์อินฟราเรดเป็นครั้งแรก General Electrics Nick Holonyak ก็แสดงเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์สีแดงที่มองเห็นได้เป็นครั้งแรก ยี่สิบปีต่อมาคอมแพคดิสก์ (ซีดี) ถูกนำเข้าสู่ตลาดตามมาด้วยตลาดออปติคัลสตอเรจ
นวัตกรรมอย่างต่อเนื่องของเทคโนโลยีเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ได้นำไปสู่การพัฒนาเทคโนโลยีการจัดเก็บข้อมูลแบบออปติคัลเช่นดิสก์อเนกประสงค์แบบดิจิทัล (DVD) และ Blu-ray Disc (BD) นี่เป็นตลาดขนาดใหญ่แห่งแรกสำหรับเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ แต่โดยทั่วไปแล้วระดับพลังงานที่เรียบง่ายจะ จำกัด การใช้งานอื่น ๆ ไว้ในตลาดเฉพาะที่ค่อนข้างเล็กเช่นการพิมพ์ความร้อนการใช้งานทางการแพทย์และการใช้งานด้านอวกาศและการป้องกัน
ทศวรรษที่ 1990: เครือข่ายออปติคัลเป็นที่แพร่หลาย ในช่วงทศวรรษที่ 1990 เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์กลายเป็นกุญแจสำคัญในเครือข่ายการสื่อสาร เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ใช้ในการส่งสัญญาณผ่านเครือข่ายใยแก้วนำแสง แต่เลเซอร์ปั๊มโหมดเดียวที่มีกำลังสูงกว่าสำหรับเครื่องขยายสัญญาณออปติคัลมีความสำคัญต่อการบรรลุขนาดของเครือข่ายออปติคัลและรองรับการเติบโตของข้อมูลอินเทอร์เน็ตอย่างแท้จริง
การเติบโตของอุตสาหกรรมโทรคมนาคมที่เกิดขึ้นนั้นเป็นเรื่องที่กว้างไกลโดยใช้ Spectra Diode Labs (SDL) ซึ่งเป็นหนึ่งในผู้บุกเบิกรายแรกในอุตสาหกรรมเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูงเป็นตัวอย่าง SDL ก่อตั้งขึ้นในปีพ. ศ. 2526 โดยเป็น บริษัท ร่วมทุนระหว่าง Spectra-Physics และ Xerox ซึ่งเป็นแบรนด์เลเซอร์ของ Newport Group เปิดตัวในปี 1995 ด้วยมูลค่าหลักทรัพย์ตามราคาตลาดประมาณ 100 ล้านเหรียญ ห้าปีต่อมา SDL ถูกขายให้กับ JDSU ในราคามากกว่า 40 พันล้านดอลลาร์ในช่วงที่อุตสาหกรรมโทรคมนาคมสูงสุดซึ่งเป็นหนึ่งในการเข้าซื้อกิจการเทคโนโลยีที่ใหญ่ที่สุดในประวัติศาสตร์ หลังจากนั้นไม่นานฟองสบู่โทรคมนาคมก็แตกและทำลายเงินทุนหลายล้านล้านดอลลาร์ซึ่งปัจจุบันถือเป็นฟองสบู่ที่ใหญ่ที่สุดในประวัติศาสตร์
ยุค 2000: เลเซอร์กลายเป็นเครื่องมือ แม้ว่าการระเบิดของฟองสบู่ในตลาดโทรคมนาคมจะทำลายล้างอย่างมาก แต่การลงทุนจำนวนมากในเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูงได้วางรากฐานสำหรับการนำไปใช้ในวงกว้าง เนื่องจากประสิทธิภาพและต้นทุนเพิ่มขึ้นเลเซอร์เหล่านี้จึงเริ่มแทนที่เลเซอร์ก๊าซแบบเดิมหรือแหล่งการแปลงพลังงานอื่น ๆ ในกระบวนการต่างๆ
เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์กลายเป็นเครื่องมือที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย การใช้งานในอุตสาหกรรมมีตั้งแต่กระบวนการผลิตแบบดั้งเดิมเช่นการตัดและการบัดกรีไปจนถึงเทคโนโลยีการผลิตขั้นสูงใหม่ ๆ เช่นการผลิตชิ้นส่วนโลหะพิมพ์ 3 มิติแบบเติมแต่ง แอปพลิเคชันการผลิตขนาดเล็กมีความหลากหลายมากขึ้นเนื่องจากผลิตภัณฑ์หลักเช่นสมาร์ทโฟนได้รับการผลิตในเชิงพาณิชย์ด้วยเลเซอร์เหล่านี้ การใช้งานด้านอวกาศและการป้องกันเกี่ยวข้องกับการใช้งานที่มีความสำคัญต่อภารกิจมากมายและมีแนวโน้มที่จะรวมถึงระบบพลังงานทิศทางรุ่นต่อไปในอนาคต
เพื่อสรุป
กว่า 50 ปีที่แล้วมัวร์ไม่ได้เสนอกฎพื้นฐานทางฟิสิกส์ใหม่ แต่ได้ทำการปรับปรุงวงจรรวมที่ได้รับการศึกษาครั้งแรกเมื่อสิบปีก่อน คำทำนายของเขากินเวลานานหลายสิบปีและนำมาซึ่งชุดของนวัตกรรมที่ก่อกวนซึ่งคิดไม่ถึงในปีพ. ศ. 2508
เมื่อ Hall แสดงเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์เมื่อกว่า 50 ปีก่อนได้ก่อให้เกิดการปฏิวัติทางเทคโนโลยี เช่นเดียวกับกฎของมัวร์ไม่มีใครสามารถคาดเดาการพัฒนาความเร็วสูงที่เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ความเข้มสูงที่ได้รับจากนวัตกรรมจำนวนมากจะได้รับในภายหลัง
ไม่มีกฎพื้นฐานทางฟิสิกส์ในการควบคุมการปรับปรุงทางเทคโนโลยีเหล่านี้ แต่ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีอย่างต่อเนื่องอาจทำให้เลเซอร์ก้าวหน้าในแง่ของความสว่าง แนวโน้มนี้จะยังคงเข้ามาแทนที่เทคโนโลยีแบบเดิมซึ่งจะทำให้วิธีการพัฒนาสิ่งต่าง ๆ เปลี่ยนแปลงไปมากขึ้น มีความสำคัญต่อการเติบโตทางเศรษฐกิจเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูงยังช่วยส่งเสริมการกำเนิดของสิ่งใหม่ ๆ
ลิขสิทธิ์ @ 2020 Shenzhen Box Optronics Technology Co., Ltd. - China Fiber Optic Modules, Fiber Coupled Lasers Manufacturers, Laser Components Suppliers All Rights Reserved.
