ด้วยความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีออปโตอิเล็กทรอนิกส์ เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์จึงถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในหลากหลายสาขา เช่น โทรคมนาคม การแพทย์ การแปรรูปอุตสาหกรรม และ LiDAR ด้วยประสิทธิภาพสูง ขนาดกะทัดรัด และง่ายต่อการมอดูเลต แก่นแท้ของเทคโนโลยีนี้คือตัวกลางอัตราขยาย ซึ่งมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่ง ทำหน้าที่เป็น-แหล่งพลังงาน-ซึ่งช่วยให้สามารถกระตุ้นการปล่อยและการสร้างเลเซอร์ได้ โดยกำหนดเลเซอร์-ประสิทธิภาพ ความยาวคลื่น และศักยภาพการใช้งาน
1. Gain Medium คืออะไร?
ตามชื่อเรียก ตัวกลางขยายสัญญาณ (gain medium) คือวัสดุที่ให้การขยายสัญญาณแสง เมื่อถูกกระตุ้นโดยแหล่งพลังงานภายนอก (เช่น การฉีดไฟฟ้าหรือการสูบแสง) มันจะขยายแสงตกกระทบผ่านกลไกการปล่อยแสงที่ถูกกระตุ้น ส่งผลให้เกิดสัญญาณเลเซอร์
ในเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ ตัวกลางที่รับค่าเกนโดยทั่วไปจะประกอบด้วยบริเวณที่ทำงานอยู่ที่รอยต่อ PN ซึ่งองค์ประกอบของวัสดุ โครงสร้าง และวิธีการเจือปนส่งผลโดยตรงต่อพารามิเตอร์สำคัญ เช่น กระแสขีดจำกัด ความยาวคลื่นการปล่อย ประสิทธิภาพ และลักษณะทางความร้อน
2. วัสดุค่าเกนร่วมในเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์
สารกึ่งตัวนำแบบผสม III-V เป็นวัสดุที่ใช้เป็นวัสดุขยายสัญญาณที่นิยมใช้มากที่สุด ตัวอย่างทั่วไป ได้แก่:
①GaAs (แกลเลียมอาร์เซไนด์)
เหมาะสำหรับเลเซอร์ที่ปล่อยแสงในระดับ 850-ช่วง 980 นาโนเมตร ใช้กันอย่างแพร่หลายในการสื่อสารด้วยแสงและการพิมพ์ด้วยเลเซอร์
②InP (อินเดียมฟอสไฟด์)
ใช้สำหรับการปล่อยในย่านความถี่ 1.3 µm และ 1.55 µm ซึ่งมีความสำคัญต่อการสื่อสารผ่านไฟเบอร์ออปติก
③InGaAsP / AlGaAs / InGaN
สามารถปรับแต่งองค์ประกอบของมันเพื่อให้ได้ความยาวคลื่นที่แตกต่างกัน ซึ่งจะเป็นพื้นฐานสำหรับการออกแบบเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นปรับได้
โดยทั่วไปวัสดุเหล่านี้จะมีโครงสร้างแบนด์แก็ปโดยตรง ทำให้มีประสิทธิภาพสูงในการรวมตัวใหม่ของหลุมอิเล็กตรอนกับการปล่อยโฟตอน เหมาะอย่างยิ่งสำหรับใช้ในตัวกลางเกนเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์
3. วิวัฒนาการของโครงสร้างเกน
เนื่องจากเทคโนโลยีการผลิตมีความก้าวหน้า โครงสร้างเกนในเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์จึงพัฒนาจากโฮโมจังก์ชันในยุคแรกไปเป็นเฮเทอโรจังก์ชัน และก้าวหน้าไปจนถึงการกำหนดค่าควอนตัมเวลล์และควอนตัมดอตขั้นสูง
①ตัวกลางเกนเฮเทอโรจังก์ชัน
การรวมวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่มีแบนด์แก๊ปต่างกัน จะทำให้สามารถจำกัดพาหะและโฟตอนให้อยู่ในบริเวณที่กำหนดได้อย่างมีประสิทธิภาพ ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการขยายและลดกระแสขีดจำกัด
②โครงสร้างควอนตัมเวลล์
การลดความหนาของบริเวณแอคทีฟลงเหลือเพียงระดับนาโนเมตร ทำให้อิเล็กตรอนถูกจำกัดอยู่ในสองมิติ ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการรวมตัวของรังสีอย่างมีนัยสำคัญ ส่งผลให้เลเซอร์มีกระแสขีดจำกัดต่ำลงและมีเสถียรภาพทางความร้อนที่ดีขึ้น
③โครงสร้างจุดควอนตัม
ด้วยเทคนิคการประกอบตัวเอง โครงสร้างนาโนมิติศูนย์จึงถูกสร้างขึ้น ทำให้เกิดการกระจายระดับพลังงานที่คมชัด โครงสร้างเหล่านี้มีคุณสมบัติเกนที่เพิ่มขึ้นและเสถียรภาพของความยาวคลื่น ทำให้กลายเป็นจุดศูนย์กลางการวิจัยสำหรับเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ประสิทธิภาพสูงรุ่นใหม่
4. ค่ากลางของเกนกำหนดอะไร?
①ความยาวคลื่นการปล่อย
แบนด์แก๊ปของวัสดุกำหนดเลเซอร์-ความยาวคลื่น s ตัวอย่างเช่น InGaAs เหมาะสำหรับเลเซอร์อินฟราเรดใกล้ ในขณะที่ InGaN ใช้สำหรับเลเซอร์สีน้ำเงินหรือสีม่วง
②ประสิทธิภาพและพลังงาน
อัตราการเคลื่อนตัวของตัวพาและการรวมตัวที่ไม่แผ่รังสีส่งผลต่อประสิทธิภาพการแปลงแสงเป็นไฟฟ้า
③ประสิทธิภาพการระบายความร้อน
วัสดุต่างชนิดตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิในรูปแบบต่างๆ กัน ซึ่งส่งผลต่อความน่าเชื่อถือของเลเซอร์ในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมและการทหาร
④การตอบสนองการปรับเปลี่ยน
ตัวกลางเกนมีอิทธิพลต่อเลเซอร์-ความเร็วในการตอบสนองซึ่งเป็นสิ่งสำคัญในแอปพลิเคชันการสื่อสารความเร็วสูง
5. บทสรุป
ในโครงสร้างที่ซับซ้อนของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ ตัวกลางเกนถือเป็น "หัวใจ" อย่างแท้จริง-ไม่เพียงแต่รับผิดชอบในการสร้างเลเซอร์เท่านั้น แต่ยังมีอิทธิพลต่ออายุการใช้งาน ความเสถียร และสถานการณ์การใช้งานอีกด้วย ตั้งแต่การเลือกใช้วัสดุ การออกแบบโครงสร้าง ประสิทธิภาพในระดับมหภาค ไปจนถึงกลไกในระดับจุลภาค ความก้าวหน้าครั้งสำคัญในด้านตัวกลางขยายกำลังผลักดันเทคโนโลยีเลเซอร์ไปสู่ประสิทธิภาพที่สูงขึ้น การใช้งานที่กว้างขึ้น และการสำรวจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้น
ด้วยความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องในด้านวิทยาศาสตร์วัสดุและเทคโนโลยีการผลิตระดับนาโน คาดว่าตัวกลางเกนในอนาคตจะนำมาซึ่งความสว่างที่สูงขึ้น การครอบคลุมความยาวคลื่นที่กว้างขึ้น และโซลูชันเลเซอร์ที่ชาญฉลาดยิ่งขึ้น-ปลดล็อคความเป็นไปได้เพิ่มเติมสำหรับวิทยาศาสตร์ อุตสาหกรรม และสังคม
เวลาโพสต์: 17 ก.ค. 2568