หัวใจสำคัญของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์: เจาะลึกเรื่องตัวกลางเพิ่มกำลังแสง

ด้วยความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีอิเล็กโทรออปติก เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในหลากหลายสาขา เช่น โทรคมนาคม การแพทย์ การประมวลผลทางอุตสาหกรรม และ LiDAR เนื่องจากมีประสิทธิภาพสูง ขนาดกะทัดรัด และปรับแต่งได้ง่าย หัวใจสำคัญของเทคโนโลยีนี้คือตัวกลางขยายสัญญาณ ซึ่งมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่ง ทำหน้าที่เป็นตัวขยายสัญญาณ-แหล่งพลังงาน-ซึ่งช่วยให้เกิดการปล่อยแสงแบบกระตุ้นและการสร้างเลเซอร์ โดยกำหนดเลเซอร์-ประสิทธิภาพ ความยาวคลื่น และศักยภาพในการใช้งาน

1. Gain Medium คืออะไร?

ดังที่ชื่อบ่งบอก ตัวกลางขยายสัญญาณคือวัสดุที่ให้การขยายสัญญาณทางแสง เมื่อได้รับพลังงานจากแหล่งภายนอก (เช่น การฉีดกระแสไฟฟ้าหรือการปั๊มแสง) มันจะขยายแสงที่ตกกระทบผ่านกลไกการปล่อยแสงแบบกระตุ้น ทำให้เกิดแสงเลเซอร์ขึ้น

ในเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ ตัวกลางเพิ่มกำลังแสงมักประกอบด้วยบริเวณแอคทีฟที่จุดเชื่อมต่อ PN ซึ่งองค์ประกอบวัสดุ โครงสร้าง และวิธีการเจือสารมีผลโดยตรงต่อพารามิเตอร์สำคัญ เช่น กระแสเกณฑ์ ความยาวคลื่นการปล่อยแสง ประสิทธิภาพ และลักษณะทางความร้อน

2. วัสดุเพิ่มกำลังขยายทั่วไปในเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์

สารกึ่งตัวนำสารประกอบ III-V เป็นวัสดุเพิ่มกำลังขยายที่ใช้กันมากที่สุด ตัวอย่างทั่วไปได้แก่:

①แกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs)

เหมาะสำหรับเลเซอร์ที่ปล่อยแสงในช่วง 850 นาโนเมตร-ช่วงความยาวคลื่น 980 นาโนเมตร ใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านการสื่อสารด้วยแสงและการพิมพ์ด้วยเลเซอร์

②อินพี (อินเดียมฟอสไฟด์)

ใช้สำหรับการปล่อยแสงในช่วงความยาวคลื่น 1.3 ไมโครเมตร และ 1.55 ไมโครเมตร ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสง

③อินกาแอสพี / อัลกาแอส / อินกาเอ็น

สามารถปรับองค์ประกอบของพวกมันเพื่อให้ได้ความยาวคลื่นที่แตกต่างกัน ซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับการออกแบบเลเซอร์ที่ปรับความยาวคลื่นได้

วัสดุเหล่านี้มักมีโครงสร้างแบนด์แกปโดยตรง ทำให้มีประสิทธิภาพสูงในการรวมตัวของอิเล็กตรอนและโฮลพร้อมกับการปล่อยโฟตอน ซึ่งเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในตัวกลางเพิ่มกำลังแสงเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์

3. วิวัฒนาการของโครงสร้างอัตราขยาย

เมื่อเทคโนโลยีการผลิตก้าวหน้าขึ้น โครงสร้างการขยายสัญญาณในเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ก็พัฒนาจากโฮโมจังก์ชันในยุคแรกไปสู่เฮเทโรจังก์ชัน และต่อไปยังโครงสร้างควอนตัมเวลล์และควอนตัมดอตขั้นสูง

①ตัวกลางเพิ่มกำลังของเฮเทอโรจังก์ชัน

ด้วยการรวมวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่มีช่องว่างพลังงานต่างกัน ตัวนำและโฟตอนสามารถถูกกักไว้ในบริเวณที่กำหนดได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการขยายสัญญาณและลดกระแสเกณฑ์

②โครงสร้างบ่อควอนตัม

ด้วยการลดความหนาของบริเวณแอคทีฟลงเหลือระดับนาโนเมตร อิเล็กตรอนจะถูกจำกัดอยู่ในสองมิติ ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการรวมตัวกันใหม่แบบแผ่รังสีได้อย่างมาก ส่งผลให้เลเซอร์มีกระแสเกณฑ์ต่ำลงและมีเสถียรภาพทางความร้อนที่ดีขึ้น

③โครงสร้างควอนตัมดอท

ด้วยเทคนิคการประกอบตัวเอง ทำให้เกิดโครงสร้างนาโนแบบศูนย์มิติ ซึ่งให้การกระจายระดับพลังงานที่คมชัด โครงสร้างเหล่านี้มีคุณสมบัติการขยายสัญญาณที่ดีขึ้นและความเสถียรของความยาวคลื่น ทำให้เป็นประเด็นวิจัยที่สำคัญสำหรับเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ประสิทธิภาพสูงรุ่นต่อไป

4. ตัวควบคุมการขยายสัญญาณ (Gain Medium) เป็นตัวกำหนดอะไรบ้าง?

①ความยาวคลื่นการปล่อย

ช่องว่างพลังงานของวัสดุเป็นตัวกำหนดคุณสมบัติของเลเซอร์-ความยาวคลื่น ตัวอย่างเช่น InGaAs เหมาะสำหรับเลเซอร์อินฟราเรดใกล้ ในขณะที่ InGaN ใช้สำหรับเลเซอร์สีน้ำเงินหรือสีม่วง

②ประสิทธิภาพและพลังงาน

ความคล่องตัวของพาหะและอัตราการรวมตัวกันใหม่แบบไม่แผ่รังสีส่งผลต่อประสิทธิภาพการแปลงพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้า

③ประสิทธิภาพทางความร้อน

วัสดุต่าง ๆ ตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในรูปแบบที่แตกต่างกัน ซึ่งส่งผลต่อความน่าเชื่อถือของเลเซอร์ในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมและการทหาร

④การตอบสนองการปรับเปลี่ยน

ตัวกลางเพิ่มกำลังมีอิทธิพลต่อเลเซอร์-ความเร็วในการตอบสนอง ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในแอปพลิเคชันการสื่อสารความเร็วสูง

5. บทสรุป

ในโครงสร้างที่ซับซ้อนของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ ตัวกลางเพิ่มกำลังแสงถือเป็น "หัวใจ" อย่างแท้จริง-ตัวกลางเพิ่มกำลังแสงไม่เพียงแต่มีหน้าที่สร้างเลเซอร์เท่านั้น แต่ยังมีอิทธิพลต่ออายุการใช้งาน ความเสถียร และสถานการณ์การใช้งานของเลเซอร์ด้วย ตั้งแต่การเลือกวัสดุไปจนถึงการออกแบบโครงสร้าง ตั้งแต่ประสิทธิภาพในระดับมหภาคไปจนถึงกลไกในระดับจุลภาค ทุกความก้าวหน้าในตัวกลางเพิ่มกำลังแสงล้วนผลักดันเทคโนโลยีเลเซอร์ไปสู่ประสิทธิภาพที่สูงขึ้น การใช้งานที่กว้างขึ้น และการสำรวจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้น

ด้วยความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องในด้านวิทยาศาสตร์วัสดุและเทคโนโลยีการผลิตระดับนาโน คาดว่าตัวกลางเพิ่มกำลังแสงในอนาคตจะให้ความสว่างที่สูงขึ้น ครอบคลุมช่วงความยาวคลื่นที่กว้างขึ้น และโซลูชันเลเซอร์ที่ชาญฉลาดกว่าเดิม-เปิดโอกาสใหม่ๆ ให้กับวิทยาศาสตร์ อุตสาหกรรม และสังคม