การเลือกแหล่งกำเนิดเลเซอร์ที่เหมาะสม: เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบเปล่งแสงจากขอบ ส่วนที่หนึ่ง

ทางเลือกที่เหมาะสมแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบเปล่งแสงขอบ
1. บทนำ
เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ชิปเลเซอร์แบ่งออกเป็นชิปเลเซอร์เปล่งแสงจากขอบ (EEL) และชิปเลเซอร์เปล่งแสงจากพื้นผิวแบบโพรงแนวตั้ง (VCSEL) ตามกระบวนการผลิตตัวเรโซเนเตอร์ที่แตกต่างกัน โดยความแตกต่างทางโครงสร้างเฉพาะแสดงในรูปที่ 1 เมื่อเปรียบเทียบกับเลเซอร์เปล่งแสงจากพื้นผิวแบบโพรงแนวตั้ง เทคโนโลยีเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์เปล่งแสงจากขอบมีการพัฒนาที่ก้าวหน้ากว่า มีช่วงความยาวคลื่นกว้าง และมีประสิทธิภาพสูงอิเล็กโทรออปติกด้วยประสิทธิภาพการแปลงพลังงานสูง กำลังไฟฟ้ามาก และข้อดีอื่นๆ ทำให้เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบเปล่งแสงจากขอบเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการประมวลผลด้วยเลเซอร์ การสื่อสารด้วยแสง และสาขาอื่นๆ ปัจจุบัน เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบเปล่งแสงจากขอบเป็นส่วนสำคัญของอุตสาหกรรมอิเล็กโทรออปติก และมีการใช้งานครอบคลุมอุตสาหกรรม โทรคมนาคม วิทยาศาสตร์ ผู้บริโภค การทหาร และอวกาศ ด้วยการพัฒนาและความก้าวหน้าของเทคโนโลยี กำลัง ความน่าเชื่อถือ และประสิทธิภาพการแปลงพลังงานของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบเปล่งแสงจากขอบได้รับการปรับปรุงอย่างมาก และมีโอกาสในการใช้งานที่กว้างขวางมากขึ้นเรื่อยๆ
ต่อไป ผมจะนำคุณไปสัมผัสเสน่ห์อันเป็นเอกลักษณ์ของการปล่อยแสงด้านข้างมากยิ่งขึ้นเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์.

รูปที่ 1 (ซ้าย) เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบเปล่งแสงด้านข้าง และ (ขวา) แผนภาพโครงสร้างของเลเซอร์แบบเปล่งแสงจากพื้นผิวที่มีโพรงแนวตั้ง

2. หลักการทำงานของเซมิคอนดักเตอร์แบบเปล่งแสงที่ขอบเลเซอร์
โครงสร้างของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบเปล่งแสงจากขอบสามารถแบ่งออกได้เป็นสามส่วน ได้แก่ บริเวณแอคทีฟเซมิคอนดักเตอร์ แหล่งกำเนิดแสง และตัวเรโซเนเตอร์เชิงแสง แตกต่างจากตัวเรโซเนเตอร์ของเลเซอร์เปล่งแสงจากพื้นผิวแบบโพรงแนวตั้ง (ซึ่งประกอบด้วยกระจกแบร็กด้านบนและด้านล่าง) ตัวเรโซเนเตอร์ในอุปกรณ์เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบเปล่งแสงจากขอบส่วนใหญ่ประกอบด้วยฟิล์มเชิงแสงทั้งสองด้าน โครงสร้างอุปกรณ์ EEL และโครงสร้างเรโซเนเตอร์ทั่วไปแสดงในรูปที่ 2 โฟตอนในอุปกรณ์เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบเปล่งแสงจากขอบจะถูกขยายโดยการเลือกโหมดในเรโซเนเตอร์ และเลเซอร์จะถูกสร้างขึ้นในทิศทางขนานกับพื้นผิวของสารตั้งต้น อุปกรณ์เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบเปล่งแสงจากขอบมีช่วงความยาวคลื่นการทำงานที่กว้างและเหมาะสำหรับการใช้งานจริงหลายอย่าง ดังนั้นจึงกลายเป็นหนึ่งในแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ที่เหมาะสมที่สุด

ดัชนีการประเมินประสิทธิภาพของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบเปล่งแสงที่ขอบนั้นสอดคล้องกับเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ รวมถึง: (1) ความยาวคลื่นเลเซอร์; (2) กระแสเกณฑ์ Ith ซึ่งก็คือกระแสที่ไดโอดเลเซอร์เริ่มสร้างการสั่นของเลเซอร์; (3) กระแสทำงาน Iop ซึ่งก็คือกระแสขับเมื่อไดโอดเลเซอร์ถึงกำลังเอาต์พุตที่กำหนด พารามิเตอร์นี้ใช้ในการออกแบบและการปรับแต่งวงจรขับเลเซอร์; (4) ประสิทธิภาพความชัน; (5) มุมการกระจายตัวในแนวตั้ง θ⊥; (6) มุมการกระจายตัวในแนวนอน θ∥; (7) กระแสตรวจสอบ Im ซึ่งก็คือขนาดกระแสของชิปเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ที่กำลังเอาต์พุตที่กำหนด

3. ความคืบหน้าการวิจัยเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบเปล่งแสงจากขอบที่ใช้ GaAs และ GaN เป็นพื้นฐาน
เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้สารกึ่งตัวนำ GaAs เป็นหนึ่งในเทคโนโลยีเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ที่พัฒนาแล้วมากที่สุด ในปัจจุบัน เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบเปล่งแสงจากขอบ (edge-emitting) ในย่านอินฟราเรดใกล้ (760-1060 นาโนเมตร) ที่ใช้ GaAs ได้ถูกนำมาใช้ในเชิงพาณิชย์อย่างแพร่หลายแล้ว GaN ซึ่งเป็นสารกึ่งตัวนำรุ่นที่สามต่อจาก Si และ GaAs ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์และอุตสาหกรรม เนื่องจากมีคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีที่ยอดเยี่ยม ด้วยการพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กโทรออปติกที่ใช้ GaN และความพยายามของนักวิจัย ทำให้ไดโอดเปล่งแสงและเลเซอร์แบบเปล่งแสงจากขอบที่ใช้ GaN ได้รับการพัฒนาเป็นอุตสาหกรรมแล้ว