การวิจัยล่าสุดเกี่ยวกับเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์สองสี

การวิจัยล่าสุดเกี่ยวกับเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์สองสี

เลเซอร์ดิสก์เซมิคอนดักเตอร์ (SDL lasers) หรือที่รู้จักกันในชื่อเลเซอร์เปล่งแสงพื้นผิวโพรงภายนอกแนวตั้ง (VECSEL) ได้รับความสนใจอย่างมากในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เลเซอร์นี้ผสานรวมข้อดีของเกนเซมิคอนดักเตอร์และเรโซเนเตอร์โซลิดสเตตเข้าด้วยกัน ไม่เพียงแต่ช่วยลดข้อจำกัดด้านพื้นที่การแผ่รังสีของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบโหมดเดียวได้อย่างมีประสิทธิภาพเท่านั้น แต่ยังมีการออกแบบแบนด์แก๊ปเซมิคอนดักเตอร์ที่ยืดหยุ่นและคุณสมบัติเกนวัสดุสูง เลเซอร์นี้สามารถใช้งานได้หลากหลายรูปแบบ เช่น การใช้งานที่มีสัญญาณรบกวนต่ำเลเซอร์เส้นแคบเอาต์พุต, การสร้างพัลส์ความถี่สูงแบบซ้ำซ้อนระยะสั้นพิเศษ, การสร้างฮาร์มอนิกอันดับสูง และเทคโนโลยีดาวนำทางโซเดียม เป็นต้น ด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี ความต้องการความยืดหยุ่นของความยาวคลื่นจึงสูงขึ้น ยกตัวอย่างเช่น แหล่งกำเนิดแสงโคฮีเรนต์ความยาวคลื่นคู่ได้แสดงให้เห็นถึงคุณค่าในการใช้งานที่สูงมากในสาขาใหม่ๆ เช่น ไลดาร์ป้องกันการรบกวน, อินเทอร์เฟอโรมิเตอร์โฮโลแกรม, การสื่อสารแบบมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความยาวคลื่น, การสร้างคลื่นอินฟราเรดกลางหรือเทราเฮิรตซ์ และหวีความถี่แสงหลายสี ความยากลำบากในการวิจัยในสาขานี้มาโดยตลอดคือ วิธีการสร้างการแผ่รังสีสองสีความสว่างสูงในเลเซอร์แผ่นเซมิคอนดักเตอร์และการลดการแข่งขันของเกนระหว่างความยาวคลื่นที่หลากหลายได้อย่างมีประสิทธิภาพ

เมื่อไม่นานมานี้มีการเปิดตัวสองสีเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ทีมงานในประเทศจีนได้เสนอการออกแบบชิปที่เป็นนวัตกรรมใหม่เพื่อรับมือกับความท้าทายนี้ จากการวิจัยเชิงตัวเลขเชิงลึก พวกเขาพบว่าการควบคุมการกรองควอนตัมเวลล์ที่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิและการกรองไมโครคาวิตี้ของเซมิคอนดักเตอร์อย่างแม่นยำ คาดว่าจะสามารถควบคุมค่าเกนสองสีได้อย่างยืดหยุ่น จากข้อมูลนี้ ทีมงานจึงประสบความสำเร็จในการออกแบบชิปค่าเกนความสว่างสูง 960/1000 นาโนเมตร เลเซอร์นี้ทำงานในโหมดพื้นฐานใกล้กับขีดจำกัดการเลี้ยวเบน โดยมีความสว่างเอาต์พุตสูงถึงประมาณ 310 เมกะวัตต์/ตารางเซนติเมตร

ชั้นเกนของแผ่นเซมิคอนดักเตอร์มีความหนาเพียงไม่กี่ไมโครเมตร และมีไมโครคาวิตี้แบบ Fabry-Perot เกิดขึ้นระหว่างส่วนต่อประสานระหว่างเซมิคอนดักเตอร์และตัวสะท้อนแสง Bragg ที่กระจายอยู่ด้านล่าง การใช้ไมโครคาวิตี้ของเซมิคอนดักเตอร์เป็นตัวกรองสเปกตรัมในตัวของชิปจะช่วยปรับค่าเกนของควอนตัมเวลล์ ในขณะเดียวกัน ผลการกรองไมโครคาวิตี้และค่าเกนของเซมิคอนดักเตอร์มีอัตราการดริฟท์ของอุณหภูมิที่แตกต่างกัน เมื่อใช้ร่วมกับการควบคุมอุณหภูมิ จะสามารถสลับและควบคุมความยาวคลื่นเอาต์พุตได้ จากคุณสมบัติเหล่านี้ ทีมงานได้คำนวณและตั้งค่าพีคของเกนของควอนตัมเวลล์ที่ 950 นาโนเมตร ที่อุณหภูมิ 300 เคลวิน โดยที่อัตราการดริฟท์ของอุณหภูมิของความยาวคลื่นเกนอยู่ที่ประมาณ 0.37 นาโนเมตร/เคลวิน จากนั้น ทีมงานได้ออกแบบแฟกเตอร์จำกัดตามยาวของชิปโดยใช้วิธีเมทริกซ์การส่งผ่าน ซึ่งมีความยาวคลื่นสูงสุดอยู่ที่ประมาณ 960 นาโนเมตร และ 1,000 นาโนเมตร ตามลำดับ จากการจำลองพบว่าอัตราการดริฟท์ของอุณหภูมิอยู่ที่เพียง 0.08 นาโนเมตรต่อเคลวิน ด้วยการใช้เทคโนโลยีการสะสมไอเคมีอินทรีย์โลหะสำหรับการเจริญเติบโตแบบเอพิแทกเซียลและการปรับปรุงกระบวนการเจริญเติบโตอย่างต่อเนื่อง ทำให้สามารถผลิตชิปที่มีอัตราขยายสูงได้สำเร็จ ผลการวัดการเรืองแสงด้วยแสงสอดคล้องกับผลการจำลองอย่างสมบูรณ์ เพื่อลดภาระความร้อนและบรรลุการส่งกำลังไฟฟ้าสูง กระบวนการบรรจุชิปเพชรเซมิคอนดักเตอร์จึงได้รับการพัฒนาเพิ่มเติม

หลังจากเสร็จสิ้นการบรรจุชิป ทีมงานได้ประเมินประสิทธิภาพของเลเซอร์อย่างละเอียด ในโหมดการทำงานต่อเนื่อง โดยการควบคุมกำลังของปั๊มหรืออุณหภูมิของฮีตซิงก์ สามารถปรับความยาวคลื่นที่ปล่อยออกมาได้อย่างยืดหยุ่นระหว่าง 960 นาโนเมตร และ 1,000 นาโนเมตร เมื่อกำลังของปั๊มอยู่ในช่วงที่กำหนด เลเซอร์ยังสามารถทำงานแบบสองความยาวคลื่นได้ โดยมีช่วงความยาวคลื่นสูงสุด 39.4 นาโนเมตร ในขณะนี้ กำลังคลื่นต่อเนื่องสูงสุดอยู่ที่ 3.8 วัตต์ ในขณะเดียวกัน เลเซอร์จะทำงานในโหมดพื้นฐานใกล้กับขีดจำกัดการเลี้ยวเบน โดยมีปัจจัยคุณภาพลำแสงเพียง 1.1 M² และความสว่างสูงถึงประมาณ 310 MW/cm²sr ทีมงานยังได้ทำการวิจัยเกี่ยวกับประสิทธิภาพคลื่นกึ่งต่อเนื่องของเลเซอร์สัญญาณความถี่รวมได้รับการสังเกตได้สำเร็จโดยการใส่คริสตัลออปติกไม่เชิงเส้น LiB₃O₅ เข้าไปในโพรงเรโซแนนซ์ ซึ่งยืนยันการซิงโครไนซ์ของความยาวคลื่นคู่

ด้วยการออกแบบชิปอันชาญฉลาดนี้ ทำให้เกิดการผสมผสานระหว่างการกรองควอนตัมเวลล์เกนและการกรองไมโครคาวิตี้ ซึ่งเป็นการวางรากฐานการออกแบบสำหรับการสร้างแหล่งกำเนิดเลเซอร์สองสี ในด้านตัวชี้วัดประสิทธิภาพ เลเซอร์สองสีแบบชิปเดี่ยวนี้ให้ความสว่างสูง ความยืดหยุ่นสูง และเอาต์พุตลำแสงโคแอกเซียลที่แม่นยำ ความสว่างของเลเซอร์นี้อยู่ในระดับแนวหน้าระดับนานาชาติในสาขาเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์สองสีแบบชิปเดี่ยวในปัจจุบัน ในแง่ของการใช้งานจริง ความสำเร็จนี้คาดว่าจะช่วยเพิ่มความแม่นยำในการตรวจจับและความสามารถในการป้องกันการรบกวนของลิดาร์หลายสีในสภาพแวดล้อมที่ซับซ้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ด้วยการใช้ประโยชน์จากความสว่างสูงและคุณลักษณะสองสี ในด้านหวีความถี่แสง เอาต์พุตความยาวคลื่นคู่ที่เสถียรของเลเซอร์นี้ให้การสนับสนุนที่สำคัญสำหรับการใช้งานต่างๆ เช่น การวัดสเปกตรัมที่แม่นยำและการตรวจจับด้วยแสงความละเอียดสูง