Masa lalu dan masa depan laser semikonduktor berdaya tinggi

Seiring dengan peningkatan efisiensi dan daya, dioda laser akan terus menggantikan teknologi tradisional, mengubah cara penanganan, dan merangsang lahirnya hal-hal baru.
Secara tradisional, para ekonom percaya bahwa kemajuan teknologi adalah proses bertahap. Baru-baru ini, industri ini lebih fokus pada inovasi disruptif yang dapat menyebabkan diskontinuitas. Inovasi-inovasi ini, yang dikenal sebagai teknologi tujuan umum (GPT), adalah "ide atau teknologi baru yang mendalam yang mungkin berdampak besar pada banyak aspek perekonomian." Teknologi umum biasanya membutuhkan waktu beberapa dekade untuk berkembang, dan bahkan lebih lama lagi akan menghasilkan peningkatan produktivitas. Pada awalnya, mereka tidak dipahami dengan baik. Bahkan setelah teknologi tersebut dikomersialkan, terdapat kelambatan jangka panjang dalam adopsi produksi. Sirkuit terpadu adalah contoh yang bagus. Transistor pertama kali diperkenalkan pada awal abad ke-20, namun digunakan secara luas hingga larut malam.
Salah satu pendiri Hukum Moore, Gordon Moore, memperkirakan pada tahun 1965 bahwa semikonduktor akan berkembang lebih cepat, "membawa popularitas elektronik dan mendorong ilmu ini ke banyak bidang baru." Terlepas dari prediksinya yang berani dan akurat, ia telah mengalami perbaikan terus-menerus selama beberapa dekade sebelum mencapai produktivitas dan pertumbuhan ekonomi.
Demikian pula, pemahaman tentang perkembangan dramatis laser semikonduktor berdaya tinggi masih terbatas. Pada tahun 1962, industri ini pertama kali mendemonstrasikan konversi elektron menjadi laser, diikuti oleh sejumlah kemajuan yang menghasilkan perbaikan signifikan dalam konversi elektron menjadi proses laser hasil tinggi. Peningkatan ini dapat mendukung berbagai aplikasi penting, termasuk penyimpanan optik, jaringan optik, dan berbagai aplikasi industri.
Mengingat perkembangan-perkembangan ini dan berbagai perbaikan yang telah dilakukan, menyoroti kemungkinan dampak yang lebih besar dan lebih luas terhadap banyak aspek perekonomian. Faktanya, dengan peningkatan berkelanjutan pada laser semikonduktor berdaya tinggi, cakupan aplikasi penting akan meningkat dan berdampak besar pada pertumbuhan ekonomi.
Sejarah laser semikonduktor berdaya tinggi
Pada tanggal 16 September 1962, sebuah tim yang dipimpin oleh Robert Hall dari General Electric mendemonstrasikan emisi inframerah semikonduktor gallium arsenide (GaAs), yang memiliki pola interferensi "aneh", yang berarti koherensi. Laser - kelahiran laser semikonduktor pertama. Hall awalnya percaya bahwa laser semikonduktor adalah sebuah "jangka panjang" karena dioda pemancar cahaya pada saat itu sangat tidak efisien. Di saat yang sama, dia juga skeptis mengenai hal ini karena laser yang telah dikonfirmasi dua tahun lalu dan sudah ada memerlukan "cermin yang bagus".
Pada musim panas tahun 1962, Halle mengatakan bahwa dia dikejutkan oleh dioda pemancar cahaya GaA yang lebih efisien yang dikembangkan oleh Laboratorium MIT Lincoln. Selanjutnya, dia mengaku beruntung bisa menguji dengan beberapa bahan GaAs berkualitas tinggi dan menggunakan pengalamannya sebagai astronom amatir untuk mengembangkan cara memoles tepi chip GaAs hingga membentuk rongga.
Demonstrasi Hall yang berhasil didasarkan pada desain pantulan radiasi bolak-balik pada antarmuka, bukan pantulan vertikal. Dia berkata dengan rendah hati bahwa tidak ada seorang pun "yang pernah mengemukakan gagasan ini". Faktanya, desain Hall pada dasarnya adalah suatu kebetulan yang beruntung bahwa bahan semikonduktor yang membentuk pandu gelombang juga memiliki sifat membatasi pembawa bipolar pada saat yang bersamaan. Kalau tidak, mustahil mewujudkan laser semikonduktor. Dengan menggunakan bahan semikonduktor yang berbeda, pandu gelombang lempengan dapat dibentuk untuk tumpang tindih foton dengan pembawa.
Demonstrasi awal di General Electric ini merupakan terobosan besar. Namun, laser ini jauh dari perangkat praktis. Untuk mendorong lahirnya laser semikonduktor berdaya tinggi, perpaduan berbagai teknologi harus diwujudkan. Inovasi teknologi utama dimulai dengan pemahaman bahan semikonduktor celah pita langsung dan teknik pertumbuhan kristal.
Perkembangan selanjutnya termasuk penemuan laser heterojungsi ganda dan pengembangan selanjutnya dari laser sumur kuantum. Kunci untuk lebih meningkatkan teknologi inti ini terletak pada peningkatan efisiensi dan pengembangan pasivasi rongga, pembuangan panas, dan teknologi pengemasan.
Kecerahan
Inovasi selama beberapa dekade terakhir telah menghasilkan kemajuan yang menarik. Secara khusus, peningkatan kecerahannya luar biasa. Pada tahun 1985, laser semikonduktor berdaya tinggi yang canggih mampu menggabungkan daya 105 miliwatt menjadi serat inti 105 mikron. Laser semikonduktor berdaya tinggi tercanggih kini dapat menghasilkan lebih dari 250 watt serat 105 mikron dengan satu panjang gelombang - peningkatan 10 kali lipat setiap delapan tahun.

Moore membayangkan "memasang lebih banyak komponen ke sirkuit terpadu" - kemudian, jumlah transistor per chip meningkat 10 kali lipat setiap 7 tahun. Secara kebetulan, laser semikonduktor berdaya tinggi menggabungkan lebih banyak foton ke dalam serat dengan kecepatan eksponensial yang sama (lihat Gambar 1).

Gambar 1. Kecerahan laser semikonduktor berdaya tinggi dan perbandingannya dengan hukum Moore
Peningkatan kecerahan laser semikonduktor berdaya tinggi telah mendorong perkembangan berbagai teknologi yang tidak terduga. Meskipun kelanjutan tren ini memerlukan lebih banyak inovasi, ada alasan untuk percaya bahwa inovasi teknologi laser semikonduktor masih jauh dari selesai. Fisika terkenal dapat lebih meningkatkan kinerja laser semikonduktor melalui pengembangan teknologi yang berkelanjutan.
Misalnya, media penguatan titik kuantum dapat meningkatkan efisiensi secara signifikan dibandingkan dengan perangkat sumur kuantum saat ini. Kecerahan sumbu lambat menawarkan potensi peningkatan urutan besarnya lainnya. Bahan kemasan baru dengan penyesuaian termal dan ekspansi yang lebih baik akan memberikan peningkatan yang diperlukan untuk penyesuaian daya berkelanjutan dan manajemen termal yang disederhanakan. Perkembangan penting ini akan memberikan peta jalan bagi pengembangan laser semikonduktor berdaya tinggi dalam beberapa dekade mendatang.
Laser solid-state dan serat yang dipompa dioda
Perbaikan pada laser semikonduktor berdaya tinggi telah memungkinkan pengembangan teknologi laser hilir; dalam teknologi laser hilir, laser semikonduktor digunakan untuk merangsang (memompa) kristal yang diolah (laser solid-state yang dipompa dioda) atau serat yang didoping (laser serat).
Meskipun laser semikonduktor menyediakan energi laser dengan efisiensi tinggi dan berbiaya rendah, ada dua batasan utama: laser tidak menyimpan energi dan kecerahannya terbatas. Pada dasarnya kedua laser ini perlu digunakan untuk banyak aplikasi: satu untuk mengubah listrik menjadi emisi laser dan yang lainnya untuk meningkatkan kecerahan emisi laser.
Laser solid-state yang dipompa dioda. Pada akhir tahun 1980an, penggunaan laser semikonduktor untuk memompa laser solid-state mulai mendapatkan popularitas dalam aplikasi komersial. Laser solid-state yang dipompa dioda (DPSSL) sangat mengurangi ukuran dan kompleksitas sistem manajemen termal (terutama pendingin resirkulasi) dan memperoleh modul yang secara historis menggabungkan lampu busur untuk memompa kristal laser solid-state.
Panjang gelombang laser semikonduktor dipilih berdasarkan tumpang tindihnya dengan sifat serapan spektral media penguatan laser keadaan padat; beban panas sangat berkurang dibandingkan dengan spektrum emisi pita lebar lampu busur. Karena popularitas laser berbasis germanium 1064 nm, panjang gelombang pompa 808 nm telah menjadi panjang gelombang terbesar dalam laser semikonduktor selama lebih dari 20 tahun.
Dengan peningkatan kecerahan laser semikonduktor multimode dan kemampuan untuk menstabilkan lebar garis emitor sempit dengan volume Bragg gratings (VBGs) pada pertengahan tahun 2000, peningkatan efisiensi pemompaan dioda generasi kedua telah tercapai. Fitur penyerapan yang lebih lemah dan sempit secara spektral sekitar 880 nm telah menjadi titik panas untuk dioda pompa kecerahan tinggi. Dioda ini dapat mencapai stabilitas spektral. Laser berperforma lebih tinggi ini dapat secara langsung merangsang tingkat atas laser 4F3/2 dalam silikon, mengurangi cacat kuantum, sehingga meningkatkan ekstraksi mode fundamental rata-rata lebih tinggi yang seharusnya dibatasi oleh lensa termal.
Pada awal tahun 2010, kita telah menyaksikan tren penskalaan daya tinggi dari laser single-cross-mode 1064nm dan rangkaian laser konversi frekuensi terkait yang beroperasi pada pita tampak dan ultraviolet. Karena masa pakai Nd:YAG dan Nd:YVO4 dengan kondisi energi tinggi yang lebih lama, operasi peralihan DPSSL Q ini menghasilkan energi pulsa tinggi dan daya puncak, menjadikannya ideal untuk pemrosesan material ablatif dan aplikasi pemesinan mikro presisi tinggi.
laser serat optik. Laser serat memberikan cara yang lebih efisien untuk mengubah kecerahan laser semikonduktor berdaya tinggi. Meskipun optik multipleks panjang gelombang dapat mengubah laser semikonduktor dengan pencahayaan yang relatif rendah menjadi laser semikonduktor yang lebih terang, hal ini mengorbankan peningkatan lebar spektral dan kompleksitas optomekanis. Laser serat telah terbukti sangat efektif dalam konversi fotometrik.
Serat berlapis ganda yang diperkenalkan pada tahun 1990-an menggunakan serat mode tunggal yang dikelilingi oleh lapisan multimode, memungkinkan laser yang dipompa semikonduktor multimode berkekuatan lebih tinggi dan berbiaya lebih rendah untuk disuntikkan secara efisien ke dalam serat, menciptakan cara yang lebih ekonomis untuk mengubah a laser semikonduktor daya tinggi menjadi laser yang lebih terang. Untuk serat doping ytterbium (Yb), pompa merangsang penyerapan luas yang berpusat pada 915 nm atau fitur pita sempit sekitar 976 nm. Ketika panjang gelombang pompa mendekati panjang gelombang penguat laser serat, apa yang disebut cacat kuantum berkurang, sehingga memaksimalkan efisiensi dan meminimalkan jumlah pembuangan panas.
Baik laser serat maupun laser solid-state yang dipompa dioda mengandalkan peningkatan kecerahan laser dioda. Secara umum, seiring dengan peningkatan kecerahan laser dioda, proporsi daya laser yang dipompa juga meningkat. Peningkatan kecerahan laser semikonduktor memfasilitasi konversi kecerahan yang lebih efisien.
Seperti yang kita harapkan, kecerahan spasial dan spektral akan diperlukan untuk sistem masa depan, yang akan memungkinkan pemompaan cacat kuantum rendah dengan karakteristik penyerapan sempit pada laser solid-state dan multiplexing panjang gelombang padat untuk aplikasi laser semikonduktor langsung. Rencananya menjadi mungkin.
Pasar dan Aplikasi
Perkembangan laser semikonduktor berdaya tinggi telah memungkinkan banyak penerapan penting. Laser ini telah menggantikan banyak teknologi tradisional dan telah menerapkan kategori produk baru.
Dengan peningkatan biaya dan kinerja 10 kali lipat per dekade, laser semikonduktor berdaya tinggi mengganggu operasi normal pasar dengan cara yang tidak dapat diprediksi. Meskipun sulit untuk memprediksi secara akurat penerapannya di masa depan, sangatlah penting untuk meninjau sejarah pembangunan selama tiga dekade terakhir dan memberikan kemungkinan kerangka kerja untuk pembangunan pada dekade berikutnya (lihat Gambar 2).

Gambar 2. Aplikasi bahan bakar kecerahan laser semikonduktor daya tinggi (biaya standardisasi per watt kecerahan)
1980-an: Penyimpanan optik dan aplikasi khusus awal. Penyimpanan optik adalah aplikasi skala besar pertama di industri laser semikonduktor. Tak lama setelah Hall pertama kali menunjukkan laser semikonduktor inframerah, General Electrics Nick Holonyak juga menunjukkan laser semikonduktor merah pertama yang terlihat. Dua puluh tahun kemudian, compact disc (CD) diperkenalkan ke pasar, diikuti oleh pasar penyimpanan optik.
Inovasi teknologi laser semikonduktor yang terus-menerus telah mengarah pada pengembangan teknologi penyimpanan optik seperti digital serbaguna disc (DVD) dan Blu-ray Disc (BD). Ini adalah pasar besar pertama untuk laser semikonduktor, namun secara umum tingkat daya yang rendah membatasi aplikasi lain pada pasar khusus yang relatif kecil seperti pencetakan termal, aplikasi medis, dan aplikasi ruang angkasa dan pertahanan tertentu.
Tahun 1990an: Jaringan optik mulai berkembang. Pada tahun 1990an, laser semikonduktor menjadi kunci jaringan komunikasi. Laser semikonduktor digunakan untuk mengirimkan sinyal melalui jaringan serat optik, namun laser pompa mode tunggal berdaya tinggi untuk amplifier optik sangat penting untuk mencapai skala jaringan optik dan benar-benar mendukung pertumbuhan data Internet.
Perkembangan industri telekomunikasi yang diakibatkannya sangatlah luas, seperti Spectra Diode Labs (SDL), salah satu pionir pertama dalam industri laser semikonduktor berdaya tinggi sebagai contoh. Didirikan pada tahun 1983, SDL adalah perusahaan patungan antara merek laser Spectra-Physics milik Grup Newport dan Xerox. Diluncurkan pada tahun 1995 dengan kapitalisasi pasar sekitar $100 juta. Lima tahun kemudian, SDL dijual ke JDSU dengan harga lebih dari $40 miliar selama puncak industri telekomunikasi, salah satu akuisisi teknologi terbesar dalam sejarah. Segera setelah itu, gelembung telekomunikasi meledak dan menghancurkan modal senilai triliunan dolar, yang kini dipandang sebagai gelembung terbesar dalam sejarah.
2000an: Laser menjadi sebuah alat. Meskipun ledakan gelembung pasar telekomunikasi sangat merusak, investasi besar pada laser semikonduktor berdaya tinggi telah meletakkan dasar bagi penerapan yang lebih luas. Seiring meningkatnya kinerja dan biaya, laser ini mulai menggantikan laser gas tradisional atau sumber konversi energi lainnya dalam berbagai proses.
Laser semikonduktor telah menjadi alat yang banyak digunakan. Aplikasi industri berkisar dari proses manufaktur tradisional seperti pemotongan dan penyolderan hingga teknologi manufaktur canggih baru seperti manufaktur aditif pada komponen logam cetak 3D. Aplikasi manufaktur mikro lebih beragam, karena produk-produk utama seperti ponsel pintar telah dikomersialkan dengan laser ini. Aplikasi kedirgantaraan dan pertahanan melibatkan berbagai aplikasi penting dan kemungkinan besar akan mencakup sistem energi terarah generasi berikutnya di masa depan.
Untuk menyimpulkan 
Lebih dari 50 tahun yang lalu, Moore tidak mengusulkan hukum dasar fisika yang baru, namun membuat perbaikan besar pada sirkuit terpadu yang pertama kali dipelajari sepuluh tahun lalu. Ramalannya bertahan selama beberapa dekade dan membawa serta serangkaian inovasi disruptif yang tidak terpikirkan pada tahun 1965.
Ketika Hall mendemonstrasikan laser semikonduktor lebih dari 50 tahun yang lalu, hal itu memicu revolusi teknologi. Seperti halnya Hukum Moore, tidak ada yang dapat memprediksi perkembangan berkecepatan tinggi yang nantinya akan dialami oleh laser semikonduktor intensitas tinggi yang dicapai melalui sejumlah besar inovasi.
Tidak ada aturan mendasar dalam fisika untuk mengendalikan kemajuan teknologi ini, namun kemajuan teknologi yang berkelanjutan dapat memajukan laser dalam hal kecerahan. Tren ini akan terus menggantikan teknologi tradisional, sehingga semakin mengubah cara pengembangan sesuatu. Lebih penting lagi bagi pertumbuhan ekonomi, laser semikonduktor berdaya tinggi juga akan mendorong lahirnya hal-hal baru.